דלק רקטות מכיל דלק ומחמצן ובניגוד לדלק סילוני אינו זקוק לרכיב חיצוני: אוויר או מים. דלקי רקטות, על פי מצב הצבירה שלהם, מחולקים לנוזל, מוצק והיברידי. דלק נוזלי מתחלק לקריוגני (עם נקודת הרתיחה של הרכיבים מתחת לאפס מעלות צלזיוס) ורתיחה גבוהה (השאר). דלק מוצק מורכב מתרכובת כימית, תמיסה מוצקה או תערובת של רכיבים מפושטים. דלקים היברידיים מורכבים מרכיבים במצבים מצטברים שונים, והם נמצאים כרגע בשלב המחקר.
מבחינה היסטורית, דלק הרקטות הראשון היה אבקה שחורה, תערובת של מלח (חמצון), פחם (דלק) וגופרית (קלסר), ששימשה לראשונה ברקטות סיניות במאה השנייה לספירה. תחמושת עם מנוע טיל מוצק (מנוע טיל מוצק) שימשה בעניינים צבאיים כאמצעי תבערה ואיתות.
לאחר המצאת האבקה ללא עשן בסוף המאה ה -19, פותח על בסיסו דלק בליסטיט חד-רכיבי, המורכב מתמיסה מוצקה של ניטרוצלולוזה (דלק) בניטרוגליצרין (חומר מחמצן). לדלק בליסטיט יש כפל אנרגיה גבוהה בהשוואה לאבקה שחורה, בעל חוזק מכני גבוה, מעוצב היטב, שומר על יציבות כימית לאורך זמן בזמן האחסון, ומחירו בעלות נמוכה. איכויות אלה קבעו מראש את השימוש הנרחב בדלק בליסטי בתחמושת המאסיבית ביותר המצוידת במניעים מוצקים - רקטות ורימונים.
התפתחותם במחצית הראשונה של המאה העשרים של דיסציפלינות מדעיות כגון דינמיקת גז, פיזיקת בעירה וכימיה של תרכובות בעלות אנרגיה גבוהה אפשרו להרחיב את הרכב דלקי הרקטות באמצעות רכיבים נוזליים. טיל הקרב הראשון עם מנוע טילים נוזלי (LPRE) "V -2" השתמש בחמצון קריוגני - חמצן נוזלי ודלק רותח גבוה - אתיל אלכוהול.
לאחר מלחמת העולם השנייה, נשק הרקטות קיבל עדיפות בפיתוח על פני סוגי נשק אחרים בשל יכולתם להעביר מטעני גרעין למטרה בכל מרחק - ממספר קילומטרים (מערכות רקטות) ועד לטווח בין -יבשתי (טילים בליסטיים). בנוסף, נשק הרקטות החליף משמעותית את נשק הארטילריה בתעופה, הגנה אווירית, כוחות קרקעיים וצי בשל היעדר כוח רתיעה בעת שיגור תחמושת עם מנועי רקטות.
במקביל לדלק טילים בליסטי ונוזלי, חומרי הנעה מעורבים מרובי רכיבים התפתחו כמתאימים ביותר לשימוש צבאי בשל טווח הפעולה הטמפרטורות הרחב שלהם, חיסול הסכנה של נשפך של רכיבים, עלות נמוכה יותר של מנועי טילים מוצקים בגלל היעדר צינורות, שסתומים ומשאבות עם דחף גבוה יותר ליחידת משקל.
המאפיינים העיקריים של דלק טילים
בנוסף למצב הצבירה של מרכיביו, דלקי הרקטות מאופיינים במדדים הבאים:
- דחף ספציפי של דחף;
- יציבות תרמית;
- יציבות כימית;
- רעילות ביולוגית;
- צפיפות;
- עשן.
הדחף הספציפי של דלק טילים תלוי בלחץ ובטמפרטורה בתא הבעירה של המנוע, כמו גם בהרכב המולקולרי של מוצרי הבעירה. בנוסף, הדחף הספציפי תלוי ביחס ההתרחבות של זרבובית המנוע, אך הדבר קשור יותר לסביבה החיצונית של טכנולוגיית הרקטות (אווירת אוויר או חלל חיצוני).
לחץ מוגבר ניתנת באמצעות שימוש בחומרים מבניים בעלי חוזק גבוה (סגסוגות פלדה למנועי רקטות ואורגנופלסטיק לדחפים מוצקים). בהיבט זה, מנועי הרקטה המניעים נוזלים מקדימים את הדחפים המוצקים בשל קומפקטיות יחידת ההנעה שלהם בהשוואה לגוף של מנוע דלק מוצק, שהוא תא בעירה אחד גדול.
הטמפרטורה הגבוהה של מוצרי הבעירה מושגת על ידי הוספת אלומיניום מתכתי או תרכובת כימית - אלומיניום הידריד לדלק המוצק. דלקים נוזליים יכולים להשתמש בתוספים כאלה רק אם הם מעובים בתוספים מיוחדים. הגנה תרמית על מנועי רקטות מונעות נוזלים ניתנת על ידי קירור באמצעות דלק, הגנה תרמית על דחפים מוצקים-על ידי חיבור חזק של בלוק הדלק לדפנות המנוע ושימוש בתוספות שחיקה העשויות מפחמן-פחמן מרוכב בחלק הקריטי של הזרבובית.
ההרכב המולקולרי של תוצרי הבעירה / הפירוק של הדלק משפיע על קצב הזרימה ועל מצב הצבירה שלהם ביציאת הזרבובית. ככל שמשקל המולקולות נמוך יותר קצב הזרימה גבוה יותר: מוצרי הבעירה המועדפים ביותר הם מולקולות מים, ואחריהן חנקן, פחמן דו חמצני, תחמוצות כלור והלוגנים אחרים; הפחות מועדף הוא אלומינה, שמתעבה למוצק בזרבובית המנוע, ובכך מפחיתה את נפח הגזים המתרחבים. בנוסף, חלק תחמוצת האלומיניום מאלץ את השימוש בחרירים חרוטים עקב הבלאי השוחק של חרירי הלבל הפרבוליים היעילים ביותר.
עבור דלקים טילים צבאיים, ליציבותם התרמית יש חשיבות מיוחדת בשל טווח הטמפרטורות הרחב של הפעולה הטכנולוגית של הרקטות. לכן, דלקים נוזליים קריוגניים (חמצן + נפט וחמצן + מימן) שימשו רק בשלב הראשוני של פיתוח טילים בליסטיים בין-יבשתיים (R-7 וטיטאן), כמו גם לכלי שיגור של כלי חלל לשימוש חוזר (מעבורת החלל ו אנרג'יה) המיועדת לשיגור לוויינים ונשק חלל למסלול קרקע נמוך.
נכון לעכשיו, הצבא משתמש אך ורק בדלק נוזלי רותח במיוחד המבוסס על חנקן טטרוקסיד (AT, חמצון) ודימטילהידרזין אסימטרי (UDMH, דלק). היציבות התרמית של זוג דלק זה נקבעת על ידי נקודת הרתיחה של AT (+ 21 ° C), המגבילה את השימוש בדלק זה על ידי טילים בתנאי תרמוסטציה בממגורות טילי ICBM ו- SLBM. בשל האגרסיביות של הרכיבים, הטכנולוגיה של ייצורם והפעלתם של מכלי טילים הייתה / נמצאת בבעלות מדינה אחת בלבד בעולם - ברית המועצות / RF (ICBMs "Voevoda" ו- "Sarmat", SLBMs "Sineva" ו- " אֳנִיָה"). כחריג, AT + NDMG משמש כדלק לטילי השיוט של מטוסי ח'-22 Tempest, אך עקב בעיות בפעולה הקרקעית מתוכננים להחליף את ה- Kh-22 ואת ח '32 הדור הבא שלהם באמצעות מטוס סילון. טילי שיוט זירקון שמשתמשים בנפט כדלק.
היציבות התרמית של דלק מוצק נקבעת בעיקר על ידי התכונות המתאימות של הממס והקלסר הפולימר. בהרכב של דלקים בליסטיטים, הממס הוא ניטרוגליצרין, שבתמיסה מוצקה עם ניטרוצלולוזה יש טווח טמפרטורות של פעולה ממינוס עד פלוס 50 מעלות צלזיוס. בדלקים מעורבים משתמשים בגומיות סינתטיות שונות עם אותו טווח טמפרטורות הפעלה כקלסר פולימרי.עם זאת, היציבות התרמית של המרכיבים העיקריים של דלקים מוצקים (אמוניום דיניטראמיד + 97 מעלות צלזיוס, אלומיניום הידריד + 105 מעלות צלזיוס, ניטרוצלולוזה + 160 מעלות צלזיוס, אמוניום פרכלורט ו- HMX + 200 מעלות צלזיוס) עולה משמעותית על המאפיין הדומה של קלסרים ידועים. ולכן החיפוש הרלוונטי לחיבורים החדשים שלהם.
זוג הדלקים היציב ביותר מבחינה כימית הוא AT + UDMG, שכן פותחה עבורו טכנולוגיה ביתית ייחודית לאחסון מוגבר במיכלי אלומיניום בלחץ חנקן עודף קל במשך זמן כמעט בלתי מוגבל. כל הדלקים המוצקים מתכלים כימית לאורך זמן עקב פירוק ספונטני של פולימרים וממיסים טכנולוגיים שלהם, ולאחר מכן נכנסים אוליגומרים לתגובות כימיות עם רכיבי דלק אחרים ויציבים יותר. לכן, בודקי דלק מוצקים זקוקים להחלפה קבועה.
המרכיב הרעיל מבחינה ביולוגית בדלקי הרקטות הוא UDMH, המשפיע על מערכת העצבים המרכזית, ריריות העיניים ומערכת העיכול האנושית, ומעורר סרטן. בהקשר זה, העבודה עם UDMH מתבצעת בבידוד חליפות הגנה כימיות באמצעות מכשירי נשימה עצמאיים.
ערך צפיפות הדלק משפיע ישירות על המסה של מיכלי הדלק LPRE ועל גוף הרקטה המוצקה: ככל שהצפיפות גבוהה יותר כך המסה הטפילית של הרקטה פחותה. הצפיפות הנמוכה ביותר של זוג הדלק מימן + חמצן היא 0.34 גרם / מ"ק. ס"מ, זוג נפט + חמצן בעל צפיפות של 1.09 גרם / מרובע. ס"מ, AT + NDMG - 1, 19 גרם / מרובע. ס"מ, ניטרוצלולוזה + ניטרוגליצרין - 1.62 גרם / מרובע. ס"מ, אלומיניום / אלומיניום הידריד + פרכלורט / אמוניום דיניטראמיד - 1.7 גרם / סמ"ק, HMX + אמוניום פרכלורט - 1.9 גרם / סמ"ק. במקרה זה, יש לזכור כי מנוע הטיל המוצק של בעירה צירית, צפיפות מטען הדלק קטנה בערך פי שניים מצפיפות הדלק בשל החלק בצורת הכוכב של תעלת הבעירה, בשימוש לשמור על לחץ קבוע בתא הבעירה, ללא קשר למידת השחיקה של הדלק. אותו דבר לגבי דלקים בליסטיים, הנוצרים כמערכת חגורות או מקלות כדי לקצר את זמן השריפה ומרחק ההאצה של רקטות ורקטות. בניגוד אליהם, צפיפות מטען הדלק במנועי טילים מוצקים של שריפת קצה המבוססת על HMX עולה בקנה אחד עם הצפיפות המרבית המצוינת עבורה.
המאפיין האחרון של דלקי רקטות הוא עשן של מוצרי בעירה, המסיר ויזואלית את מעוף הרקטות והרקטות. תכונה זו טמונה בדלקים מוצקים המכילים אלומיניום, אשר תחמוצותיהם מתעבים למצב מוצק במהלך הרחבה בזרבובית מנוע הרקטות. לכן, דלקים אלה משמשים במניעים מוצקים של טילים בליסטיים, שחלקם הפעיל של המסלול נמצא מחוץ לקו הראייה של האויב. טילי מטוסים מונעים בדלק HMX ואמוניום פרכלורט, רקטות, רימונים וטילים נגד טנקים - עם דלק בליסטי.
אנרגיה של דלק טילים
כדי להשוות את יכולות האנרגיה של סוגים שונים של דלק טילים, יש צורך לקבוע להם תנאי בעירה דומים בצורה של לחץ בחדר הבעירה ויחס ההתרחבות של זרבובית מנוע הרקטות - למשל, 150 אטמוספרות ופי 300 הַרחָבָה. ואז, עבור זוגות / שלישיות דלק, הדחף הספציפי יהיה:
חמצן + מימן - 4.4 קמ ש;
חמצן + נפט - 3.4 קמ ש;
AT + NDMG - 3.3 קמ ש;
אמוניום דיניטראמיד + מימן הידריד + HMX - 3.2 קמ ש;
אמוניום פרכלורט + אלומיניום + HMX - 3.1 קמ ש;
אמוניום פרכלורט + HMX - 2.9 קמ ש;
ניטרוצלולוזה + ניטרוגליצרין - 2.5 קמ ש.
דלק מוצק המבוסס על אמוניום דיניטראמיד הוא פיתוח ביתי של סוף שנות השמונים, הוא שימש כדלק לשלב השני והשלישי של טילי RT-23 UTTKh ו- R-39 ועדיין לא עלה במאפייני האנרגיה על ידי הדגימות הטובות ביותר של דלק זר על בסיס אמוניום פרכלורט.שימוש בטילים Minuteman-3 ו- Trident-2.אמוניום דיניטראמיד הוא חומר נפץ המתפוצץ אפילו מקרינת אור; לכן ייצורו מתבצע בחדרים המוארים במנורות אדומות בעלות הספק נמוך. הקשיים הטכנולוגיים לא אפשרו לשלוט בתהליך ייצור דלק הרקטות על בסיסו בכל מקום בעולם, למעט בברית המועצות. דבר נוסף הוא שהטכנולוגיה הסובייטית יושמה באופן שגרתי רק במפעל הכימיקלים פבלוגראד, הממוקם באזור דנייפרופטרובסק שב SSR האוקראיני, ואבדה בשנות התשעים לאחר שהוסב המפעל לייצר כימיקלים ביתיים. עם זאת, אם לשפוט על פי המאפיינים הטקטיים והטכניים של נשק מבטיח מסוג RS-26 "Rubezh", הטכנולוגיה שוחזרה ברוסיה בשנות ה -2010.
דוגמה להרכב יעיל ביותר הוא הרכב דלק טילים מוצק מהפטנט הרוסי 2241693, בבעלות מפעל הזרע היחיד של המדינה הפדרלית הקרויה על שם ס"מ. קירוב ":
חומר חמצון - אמוניום דיניטראמיד, 58%;
דלק - אלומיניום הידריד, 27%;
מרכך - nitroisobutyltrinitrateglycerin, 11, 25%;
קלסר - גומי ניטריל פוליבוטדיאן, 2, 25%;
מקשה - גופרית, 1.49%;
מייצב בעירה - אלומיניום אולטרה -דק, 0.01%;
תוספים - פחמן שחור, לציטין וכו '.
סיכויים לפיתוח דלק טילים
הכיוונים העיקריים לפיתוח דלק טילים נוזלי הם (בסדר העדיפויות של היישום):
- השימוש בחמצן מקורר על מנת להגדיל את צפיפות החמצון;
- מעבר לאדי דלק חמצן + מתאן, שלמרכיב הבעירה שלו יש אנרגיה גבוהה ב -15% ויכולת חום טובה פי 6 מאשר נפט, תוך התחשבות בעובדה שמיכלי האלומיניום מתקשים בטמפרטורה של מתאן נוזלי;
- הוספת אוזון להרכב החמצן ברמה של 24% על מנת להגדיל את נקודת הרתיחה והאנרגיה של החמצן (חלק גדול מהאוזון הוא נפץ);
- שימוש בדלק תקסוטרופי (מעובה), שמרכיביו מכילים מתלים של פנטבורן, פנטפלואוריד, מתכות או הירידים שלהם.
חמצן סופר-מקורר כבר נמצא בשימוש בכלי השיגור של Falcon 9; מנועי טילים המופעלים על ידי חמצן + מתאן מתפתחים ברוסיה ובארצות הברית.
הכיוון העיקרי בפיתוח דלקים רקטיים מוצקים הוא המעבר לקלסרים פעילים המכילים חמצן במולקולות שלהם, מה שמשפר את מאזן החמצון של דחפים מוצקים בכללותם. דגימה ביתית מודרנית של קלסר כזה היא הרכב הפולימר "ניקה-מ", הכולל קבוצות מחזוריות של דיניטריל דו-חמצני ופוליאתוראתן של בוטילנדיול, שפותח על ידי מכון המחקר של המדינה "קריסטל" (דז'רז'ינסק).
כיוון מבטיח נוסף הוא הרחבת טווח חומרי הנפץ המשמשים ניטרמין, בעלי מאזן חמצן גבוה יותר בהשוואה ל- HMX (מינוס 22%). קודם כל, אלה הם hexanitrohexaazaisowurtzitane (Cl-20, איזון חמצן מינוס 10%) ו- octanitrocubane (מאזן חמצן אפס), שהסיכויים לכך תלויים בהפחתת עלות הייצור שלהם-נכון לעכשיו Cl-20 הוא בסדר גודל גבוה יותר מאשר HMX, אוקטוניטרוקובאן הוא בסדר גודל יקר יותר מאשר Cl -twenty.
בנוסף לשיפור סוגי הרכיבים הידועים, מתבצע מחקר גם בכיוון של יצירת תרכובות פולימריות, שהמולקולות שלהן מורכבות אך ורק מאטומי חנקן המחוברים על ידי קשרים בודדים. כתוצאה מהפירוק של תרכובת פולימרית בתהליך החימום, חנקן יוצר מולקולות פשוטות של שני אטומים המחוברים על ידי קשר משולש. האנרגיה המשתחררת במקרה זה היא כפולה מהאנרגיה של חומרי נפץ ניטרמין. לראשונה, תרכובות חנקן בעלות סריג קריסטל דמוי יהלום התקבלו על ידי מדענים רוסים וגרמנים בשנת 2009 במהלך ניסויים במפעל טייס משותף בפעולה של לחץ של מיליון אטמוספרות וטמפרטורה של 1725 מעלות צלזיוס. נכון לעכשיו, העבודה נמשכת להשגת מצב גרורתי של פולימרים של חנקן בלחץ ובטמפרטורה רגילים.
תחמוצות חנקן גבוהות יותר הן תרכובות כימיות המכילות חמצן מבטיחות. תחמוצת החנקן V (המולקולה השטוחה שלה, המורכבת משני אטומי חנקן וחמישה אטומי חמצן) אינה בעלת ערך מעשי כמרכיב של דלק מוצק בשל נקודת ההיתוך הנמוכה (32 ° C). חקירות בכיוון זה מתבצעות על ידי חיפוש אחר שיטה לסינתזה של תחמוצת החנקן VI (טטר-חנקן הקסאוקסיד), שלמולקולת המסגרת שלה יש צורה של טטרהדרון, שבקודקודיה יש ארבעה אטומי חנקן המחוברים אליהם. שישה אטומי חמצן הממוקמים בשולי הטטרהדרון. סגירה מוחלטת של קשרים בין -אטומיים במולקולה של תחמוצת החנקן VI מאפשרת לחזות עבורה יציבות תרמית מוגברת, בדומה לזו של אורוטרופין. מאזן החמצן של תחמוצת החנקן VI (בתוספת 63%) מאפשר להגדיל באופן משמעותי את כוח הכבידה הספציפי של רכיבים בעלי אנרגיה גבוהה כגון מתכות, מתכות הידרדים, ניטרמינים ופולימרים של פחמימנים בדלק הרקטות המוצקות.
