Secret Fuel: Food of the Gods

V-2 ("V-2") bildade grunden för all efterkrigstidens missilteknologi, både amerikanska och sovjetiska

Lanseringen av 900 V-2-missiler krävde 12 tusen ton flytande syre, 4 tusen ton etanol, 2 tusen ton metanol, 500 ton väteperoxid och 1, 5 tusen ton sprängämnen

I stället för alkohol, som Werner von Braun använde tillsammans med flytande syre, valde Korolev fotogen för sina första missiler

Varken bensin, inte fotogen eller dieselbränsle antänder sig själva när de interagerar med syra, och för militära missiler är självantändning ett av de viktigaste bränslekraven

Rocket S-4B, den tredje etappen av ett annat hjärnsköld av Werner von Braun - det mest kraftfulla amerikanska lanseringsfordonet Saturn V. Det senare har 13 framgångsrika lanseringar (från 1967 till 1973). Det var med hennes hjälp som mannen satte foten på månen.

Vätskedrivna raketmotorer (LRE) är mycket avancerade maskiner, och deras egenskaper med 90%, eller ännu mer, bestäms av det använda bränslet. Bränsleeffektivitet beror på kompositionen och lagrad energi. Ett idealiskt bränsle bör bestå av ljusa element - från början av det periodiska systemet, vilket ger maximal energi under oxidation. Men detta är inte alla krav på bränsle - det bör också vara kompatibelt med konstruktionsmaterial, stabilt under lagring och om möjligt billigt. Men en raket är inte bara en motor utan också tankar med begränsad volym: för att ta ombord mer bränsle måste densiteten vara högre. Förutom bränsle, bär raketen med sig ett oxidationsmedel.

Det ideala oxidationsmedlet när det gäller kemi är flytande syre. Men raketen är inte begränsad till kemi utan är en konstruktion där allt är sammankopplat. Werner von Braun valde alkohol och flytande syre för V-2, och missilområdet visade sig vara 270 km. Men om hennes motor fungerade på salpetersyra och dieselbränsle, skulle intervallet öka med en fjärdedel, eftersom sådant bränsle passar två ton mer i samma tankar!

Raketbränsle är ett skafferi med kemisk energi i en kompakt form. Ju bättre bränsle, desto mer energi lagrar det. Därför är ämnen som är bra för raketbränsle alltid extremt kemiskt aktiva och försöker ständigt frigöra dold energi, korrodera, bränna och förstöra allt runt omkring. Alla raketoxideringsmedel är antingen explosiva, giftiga eller instabila. Flytande syre är det enda undantaget, och detta beror bara på att naturen är van vid 20% fritt syre i atmosfären. Men även flytande syre kräver respekt.

Håll evigt

Ballistiska missiler R-1, R-2 och R-5, skapade under ledning av Sergei Korolev, visade inte bara löfte om denna typ av vapen, utan gjorde också klart att flytande syre inte är särskilt lämpligt för militära missiler. Trots det faktum att R-5M var den första missilen med ett kärnvapenhuvud, och 1955 till och med genomfördes ett riktigt test med detonering av en kärnkraftsladdning, var militären inte nöjd med att missilen behövde tankas omedelbart före lanseringen. En ersättning krävdes för flytande syre, en fullständig ersättning, så att den inte frystes i de sibirska frostarna och kokade bort i Karakum-värmen: det vill säga med ett temperaturområde från -55 grader till +55 grader Celsius. Det var sant att inga problem förväntades med kokning i tankarna, eftersom trycket i tanken var förhöjd, och vid förhöjt tryck var koktemperaturen högre. Men syre vid något tryck kommer inte att vara flytande vid temperaturer över kritiska, det vill säga -113 grader Celsius. Och sådana frost förekommer inte ens i Antarktis.

Hur stag rätar ut tänderna: snabbspårvideo

Salpetersyra HNO3 är ett annat uppenbart oxidationsmedel för LRE, och dess användning i raketry fortsatte parallellt med flytande syre. Salpetersyrasalter - nitrater, särskilt kaliumnitrat - har använts under många århundraden som ett oxiderande medel för det allra första raketbränslet - svart pulver.

Salpetersyramolekylen innehåller som ballast endast en kväveatom och en "hälft" av en vattenmolekyl, och två och en halv syreatomer kan användas för att oxidera bränsle. Men salpetersyra är ett mycket "knepigt" ämne, så konstigt att det ständigt reagerar med sig själv - väteatomer från en syra-molekyl delas av och fästas till närliggande, och bildar bräckliga men extremt kemiskt aktiva aggregat. På grund av detta bildas nödvändigtvis olika typer av föroreningar i salpetersyra.

Dessutom uppfyller salpetersyra uppenbarligen inte kraven för kompatibilitet med konstruktionsmaterial - det är särskilt nödvändigt att välja metall för den för tankar, rör och raketmotorer. Ändå blev "kväve" ett populärt oxidationsmedel redan på 1930-talet - det är billigt, producerat i stora mängder, tillräckligt stabilt för att kyla motorkammaren och är brand- och explosionssäkert. Dess densitet är märkbart högre än för flytande syre, men dess huvudfördel jämfört med flytande syre är att det inte kokar bort, inte kräver värmeisolering och kan förvaras på obestämd tid i en lämplig behållare. Men var kan jag få den, en lämplig behållare?

Alla 1930- och 1940-talet passerade under banan att hitta lämpliga behållare för salpetersyra. Men även de mest beständiga kvaliteterna av rostfritt stål förstördes långsamt av koncentrerat kväve, vilket resulterade i att en tjock grönaktig "gelé" bildades i botten av tanken, en blandning av metallsalter, som naturligtvis inte kan matas in i en raketmotor - den kommer omedelbart att täppa och explodera.

För att minska saltsyrans frätande aktivitet började olika ämnen läggas till den, ofta genom att försöka hitta en kombination som å ena sidan inte skulle förstöra oxidationsmedlet och å andra sidan göra det mer bekvämt att använda. Men ett framgångsrikt tillsatsmedel hittades först i slutet av 1950-talet av amerikanska kemister - det visade sig att endast 0, 5% vätskefluoridsyra (vätskefluor) reducerar korrosionshastigheten för rostfritt stål med tio gånger! Sovjetkemister försenade denna upptäckt i tio till femton år.

Hemliga tillsatser

Icke desto mindre, den första i Sovjetunionen, använde BI-1-missilflygplanet salpetersyra och fotogen. Tankar och rör måste vara tillverkade av monelmetall - en legering av nickel och koppar. Denna legering erhölls på ett "naturligt" sätt från vissa polymetalliska malmer, därför var det ett populärt strukturellt material under andra tredjedelen av det tjugonde århundradet. Dess utseende kan bedömas av metall rubel - de är gjorda av en nästan "raket" legering. Under kriget saknades emellertid inte bara koppar och nickel utan också rostfritt stål. Var tvungen att använda det vanliga, belagda för att skydda med krom. Men ett tunt skikt förbrukades snabbt av syra, så efter varje motorstart måste resterna av bränsleblandningen tas bort med skrapor från förbränningskammaren - tekniker inhalerade ofrivilligt giftiga ångor. En av pionjärerna inom raketekniken, Boris Chertok, dödade nästan nästan i explosionen av en motor för BI-1 på standen, han beskrev detta avsnitt i sin underbara bok ”Missiler och människor”.

Förutom tillsatser som minskar salpetersyrans aggressivitet, försökte de lägga till olika ämnen till den för att öka dess effektivitet som oxidationsmedel. Det mest effektiva ämnet var kvävedioxid, en annan "konstig" förening. Vanligtvis är det en brunaktig gas med en skarp obehaglig lukt, men om den är svalt kyld, kondenserar den och två molekyler av dioxider samman i en. Därför kallas föreningen ofta kvävetetroxid, eller kvävetetraoxid - AT. Vid atmosfärstryck kokar AT vid rumstemperatur (+21 grader) och fryser vid -11 grader. Ju närmare fryspunkten, blekare blir färgen på föreningen, som i slutet blir blekgul, och i fast tillstånd - nästan färglös. Detta beror på att gasen huvudsakligen består av NO2-molekyler, vätskan är en blandning av NO2- och N2O4-dimerer, och endast färglösa dimerer kvar i det fasta ämnet.

Tillsats av AT till salpetersyra ökar effektiviteten hos oxidationsmedlet omedelbart av många skäl - AT innehåller mindre "ballast", binder vatten in i oxidationsmedlet, vilket minskar syrans frätande aktivitet. Det mest intressanta är att med upplösningen av antikroppar i AK ökar först lösningens densitet och når maximalt 14% lösta antikroppar. Det var denna version av kompositionen som amerikanska raketer valde för sina stridsmissiler. Våra försökte förbättra motorernas prestanda till varje pris, så i oxidationsmedlen AK-20 och AK-27 fanns det 20% respektive 27% av upplöst kvävetetraoxid. Den första oxideraren användes i flygplanmissiler, och den andra - i ballistiska. Yangel Design Bureau skapade R-12 medellånga missil, som använde AK-27 och en speciell kvalitet av fotogen TM-185.

tändare

Parallellt med sökandet efter det bästa oxidationsmedlet fortsatte sökningen efter det optimala bränslet. Militären skulle vara mest nöjd med destillationen av olja, men andra ämnen, om de producerades i tillräckliga mängder och var billiga, kunde också användas. Det var ett problem - varken bensin, inte fotogen eller dieselbränsle antänds vid kontakt med salpetersyra, och för militära missiler är självantändning ett av de viktigaste kraven för bränsle. Även om vår första interkontinentala R-7-raket använde ett par "fotogen - flytande syre", blev det tydligt att pyroteknisk tändning var obekvämt för militära missiler. Vid beredningen av raketten för sjösättning var det nödvändigt att manuellt infoga i varje munstycke (och R-7 har inte mindre än 32–20 huvudkamrar och 12 styrkamrar) ett träkors med en brännande bomb, ansluta alla elektriska ledningar som lågorna antänds med och göra många fler förberedande operationer.

I R-12 beaktades dessa brister och antändningen tillhandahölls genom startbränsle, som spontant antändes vid kontakt med salpetersyra. Dess sammansättning hittades av tyska raketuppskjutare under andra världskriget, och den kallades "Tonka-250." Våra raketskyttar döpte om den i enlighet med GOST i TG-02. Nu kunde raketen stå tankad i flera veckor, och det var en stor framgång, eftersom den kunde lanseras inom ett par timmar istället för tre dagar för R-7. Men tre komponenter - mycket för en militär missil och för användning som huvudbränsle TG-02 passade endast för flygplanmissiler; för ballistiska missiler med lång räckvidd behövdes något mer effektivt.

Gipergoliki

Kemister kallade paren ämnen självantändande vid kontakt "hypergolisk", det vill säga i ungefärlig översättning från grekiska, med överdriven affinitet för varandra. De visste att ämnen som förutom kol och väte, kväve, var de mest brandfarliga med salpetersyra. Men "bättre" är hur mycket?

Fördröjning av självtändning är en viktig egenskap för de kemikalier som vi vill bränna i en raketmotor. Föreställ dig - de slog på strömförsörjningen, bränslet och oxidatorn samlas i kammaren, men det är ingen tändning! Men när det äntligen händer, blåser en kraftfull explosion LRE-kammaren i bitar. För att bestämma fördröjningen av självantändning, byggde olika forskare ställningar med varierande komplexitet - från två pipetter samtidigt som man pressade en droppe oxidationsmedel och bränsle till små raketmotorer utan munstycke - ett munstyckshuvud och ett kort cylindriskt rör. Samtidigt hördes explosioner väldigt ofta, handlade på nerver, bröt glas och skadade sensorer.

Mycket snabbt upptäcktes den "ideala hypergol" - hydrazin, en gammal kemkamrat. Detta ämne, med formeln N2H4, är mycket fysiskt likt i vatten - dess densitet är flera procent högre, dess frysstemperatur är +1, 5 grader, kokande +113 grader, viskositet och allt annat är som vatten, men lukten ...

Hydrazin erhölls först i ren form i slutet av 1800-talet, och som en del av raketbränsle användes först av tyskarna 1933, men som ett relativt litet tillsatsmedel för självantändning. Som ett oberoende bränsle var hydrazin dyrt, dess produktion är inte tillräckligt, men viktigast av allt, militären gillade inte dess frysningstemperatur - högre än vatten! Det som behövdes var "frostskyddsmedel", och hans sökning fortsatte kontinuerligt. Hydrazin är mycket bra! Werner von Braun, för att lansera den första amerikanska satelliten, Explorer, ersatte alkoholen i Redstone raket med Hydyne, en blandning av 60% hydrazin och 40% alkohol. Sådant bränsle förbättrade energin i det första steget, men för att uppnå nödvändiga egenskaper måste tankarna förlängas.

Hydrazin, som ammoniak NH3, består endast av kväve och väte. Men om energi frigörs från elementen under bildandet av ammoniak, absorberas energi under bildningen av hydrazin - det är därför direkt syntes av hydrazin är omöjligt. Men den energi som absorberas under bildningen släpps sedan efter förbränningen av hydrazin i LRE och kommer att öka den specifika impulsen - den viktigaste indikatorn på motorns perfektion. Ett par syre-fotogen låter dig få specifik kraft för första stegets motorer i området 300 sekunder. Byte av flytande syre med salpetersyra degraderar detta värde till 220 sekunder. En sådan försämring kräver en nästan tvåfaldig ökning av startmassan. Om fotogen ersätts med hydrazin kan det mesta av denna försämring "spelas ut". Men militären behövde bränslet för att inte frysa, och de krävde ett alternativ.

Vägarna divergerade

Och sedan skred vägarna för våra och amerikanska kemister! I Sovjetunionen kom kemisterna med en metod för att producera asymmetrisk dimetylhydrazin, och amerikanerna föredrog en enklare process där monometylhydrazin erhölls. Båda dessa vätskor, trots sin extrema toxicitet, passar både designers och militären. Missiler kunde inte vänja sig vid noggrannhet vid hantering av farliga ämnen, men ändå var de nya ämnena så giftiga att en vanlig gasmask inte kunde klara av att rengöra luften i deras ångor! Det var nödvändigt antingen att använda en isolerande gasmask eller en speciell patron som oxiderade giftiga ångor till ett säkert tillstånd. Men metylerade hydrazinderivat var mindre explosiva, absorberade vattenånga mindre, var termiskt mer stabila. Men kokpunkten och densiteten jämfört med hydrazin minskade.

Därför fortsatte sökningen. Amerikanerna använde en gång mycket allmänt Aerosin-50 - en blandning av hydrazin och UDMH, som var en följd av uppfinningen av processen där de erhölls samtidigt. Senare ersattes denna metod av mer avancerade, men Aerosin-50 lyckades sprida sig, och både ballistiska missilerna Titan-2 och Apollo-fartyget flög på den. Saturn-5 raket accelererade den till månen på flytande väte och syre, men Apollos egen motor, som var tvungen att slås på flera gånger under den veckovisa flygningen, var tvungen att använda självantändande länge lagrat bränsle.

Växthusförhållanden

Men då inträffade en fantastisk metamorfos med ballistiska missiler - de gömde sig i gruvorna för att skydda mot fiendens första strejk. I detta fall krävdes inte längre frostbeständighet, eftersom luften i gruvan upphettades på vintern och kyldes på sommaren! Bränsle skulle kunna väljas utan att ta hänsyn till dess frostbeständighet. Och omedelbart övergav motoroperatörerna salpetersyra och bytte till ren kvävetetraoxid. Den som kokar vid rumstemperatur! När allt kommer omkring ökar trycket i tanken, och med ökat tryck och kokpunkten är vi mycket mindre bekymrade. Men nu har korrosionen av stridsvagnar och rörledningar minskat så mycket att det blev möjligt att hålla raketten instoppad under hela stridstjänstens varaktighet! Den första missilen, som kunde drivas i 10 år i rad, var UR-100-designen för Chelomey Design Bureau. Nästan samtidigt med den dök den mycket tyngre R-36 från Yangels företag fram. Dess nuvarande ättling, den senaste modifieringen av R-36M2, förutom tankar, har lite gemensamt med den ursprungliga missilen.

Enligt energikarakteristiken är paren "syre - fotogen" och "kvävetetroxid - UDMH" mycket nära. Men det första paret är bra för rymdfarkostbilar och det andra - för silobaserade ICBM. För att arbeta med sådana giftiga ämnen utvecklades en speciell teknik - förstärkning av en raket efter tankning. Dess betydelse framgår av namnet: alla motorvägar är blockerade irreversibelt för att undvika även de minsta läckorna. Det användes först på missiler för ubåtar, som också använde sådant bränsle.

Fast bränsle

Amerikanska raketfartyg föredrog fast bränsle för militära missiler. Den hade något sämre egenskaper, men raketten krävde mycket mindre förberedande operationer vid lanseringen. Våra försökte också använda raketer med fast bränsle, men det sista steget måste fortfarande göras flytande för att kompensera för spridningen av driften av motorer med fast bränsle, som inte kan regleras som flytande motorer. Och senare, när raketer med flera stridsspetsar dök upp, föll uppgiften att "avla" dem enligt deras mål till det sista flytande stadiet. Så paret “AT-NDMG” förblev inte utan arbete. Не остается и сейчас: на этом топливе работают двигатели космического корабля «Союз», Международной космической станции и многих других аппаратов.

Artikeln publicerades i tidskriften Popular Mechanics (nr 11, november 2006). Jag undrar hur en kärnreaktor fungerar och kan robotar bygga ett hus?

Allt om ny teknik och uppfinningar! OK Jag godkänner webbplatsens regler Tack. Vi har skickat ett bekräftelsemail till din e-post.

Rekommenderas

Elon Musk visade en nästan färdig tunnel under Los Angeles: video
2019
Svärd gjorda av is, svärd för robotar och andra ovanliga svärd
2019
De mest högteknologiska rånen
2019