Raketentreibstoff von was. Raketentreibstoff (RT)

Raketentreibstoff ist ein Bestandteil von Raketenantriebssubstanzen, um Schub zu erzeugen und die Rakete in eine bestimmte Richtung zu bewegen. Mit der Entwicklung der Raketentechnologie geht die Entwicklung neuer Typen einher Raketentriebwerke B. ein Atomraketentriebwerk oder ein Ion usw. Raketenbrennstoff kann chemisch (flüssig und fest), nuklear oder thermonuklear sein.

Flüssigtreibstoff wird in Oxidationsmittel und Treibmittel unterteilt. Diese Komponenten befinden sich in der Rakete in flüssigem Zustand in verschiedenen Tanks. Die Vermischung erfolgt in der Brennkammer, meist mittels Injektoren. Der Druck wird durch den Betrieb einer Turbopumpe oder eines Verdrängungssystems erzeugt. Außerdem werden Treibmittelkomponenten verwendet, um die Raketentriebwerksdüse zu kühlen.

Es werden auch sogenannte Raketenmonotreibstoffe verwendet, bei denen derselbe Stoff sowohl Oxidationsmittel als auch Reduktionsmittel ist. Wenn ein Raketentriebwerk mit Monotreibstoff betrieben wird, tritt eine chemische Reaktion der Selbstoxidation und Selbstheilung auf, oder der Motor arbeitet nur aufgrund des Phasenübergangs der Monotreibstoffsubstanz, beispielsweise von einem flüssigen Zustand in einen gasförmigen Zustand.

Fester Raketentreibstoff besteht ebenfalls aus einem Oxidationsmittel und Treibstoff, aber sie befinden sich in einer Mischung aus Feststoffen.

Gruppen

Raketentreibstoff kann in ziemlich herkömmlichem Umfang in verschiedene Gruppen eingeteilt werden; Die Hauptgruppen werden normalerweise wie folgt betrachtet:

• Elektroreaktiv: Elektrizität und Arbeitsflüssigkeiten.
• Nuklear: Kernspaltung, Fusion, Zerfall von Isotopen.
• Chemisch: chemische Reaktionen, Rekombinationsreaktionen freier Radikale.
• Physikalisch: potentielle Energie komprimierter Gase.

Typen

• Fest .
  • Nitroglycerin, Dinitroglycol und andere nichtflüchtige Lösungsmittel
  • Carbide, Nitride, Azide und Amide von Metallen

• Flüssig :
  • Unsymmetrisches Dimethylhydrazin ( UDMH, Heptyl)

• Peroxide, Superoxide und anorganische Ozonide
• organische Nitroverbindungen und Ester der Salpetersäure (Alkylnitrate)
• Distickstofftetroxid ( BEIM, Amyl)

• gelartig.
• hybrid.

• Arbeitsgremien für elektro Strahltriebwerke.

Treibstoff für Weltraumraketen und -fahrzeuge

Um ein Raumfahrzeug aus der Erdatmosphäre zu entfernen und auf Orbitalgeschwindigkeit zu beschleunigen, sind enorme Energiekosten erforderlich. Die derzeit verwendeten Treibstoffe und Strukturmaterialien von Raketen bieten ein Massenverhältnis beim Start und im Orbit von nicht besser als 30:1. Daher die Masse Weltraumrakete am Anfang sind Hunderte und sogar Tausende von Tonnen. Um eine solche Masse von der Startrampe zu heben, ist ein überlegener Strahlschub der Triebwerke erforderlich. Daher ist die Hauptanforderung an den Treibstoff der ersten Raketenstufe die Fähigkeit, einen signifikanten Schub mit akzeptablen Triebwerksabmessungen und Treibstoffreserven zu erzeugen. Der Schub ist direkt proportional zum spezifischen Impuls und zum Kraftstoffmassenstrom. Jene. Es wird weniger Treibstoff mit einem hohen spezifischen Impuls benötigt, um eine gleiche Last in die Umlaufbahn zu bringen. Der spezifische Impuls ist umgekehrt proportional zum Molekulargewicht der Verbrennungsprodukte, was die geringe Dichte des Hochleistungskraftstoffs und dementsprechend das erhebliche Volumen und Gewicht der Motor- und Kraftstoffsystemstruktur bedeutet. Daher wird bei der Auswahl von Kraftstoffen ein Kompromiss zwischen dem Gewicht der Struktur und dem Gewicht des Kraftstoffs gesucht. An einem Ende dieser Auswahl befindet sich das Brennstoffpaar Wasserstoff + Sauerstoff mit dem höchsten spezifischen Impuls und der geringen Dichte. Am anderen Ende befindet sich ein Festtreibstoff auf Basis von Ammoniumperchlorat mit geringem spezifischem Impuls, aber hoher Dichte.

Neben den Traktionsfähigkeiten des Kraftstoffs werden weitere Faktoren berücksichtigt. Die Instabilität der Verbrennung einiger Kraftstoffe führte häufig zu Motorexplosionen. Die hohe Verbrennungstemperatur mancher Kraftstoffe stellte erhöhte Anforderungen an Konstruktion, Werkstoffe und Technik von Motoren. Kryogene Treibstoffe machten die Rakete mit Wärmedämmung schwerer, erschwerten die Auswahl kältebeständiger Materialien und komplizierten Design und Entwicklung. Daher verbreiteten sich zu Beginn des Weltraumzeitalters Brennstoffe, die so einfach zu beschaffen, zu lagern und zu verwenden sind wie unsymmetrisches Dimethylhydrazin (UDMH). Gleichzeitig hatte es durchaus akzeptable Traktionseigenschaften, weshalb es in unserer Zeit ziemlich weit verbreitet ist.

Neben technischen Faktoren spielen auch wirtschaftliche, historische und soziale Faktoren eine Rolle. Kryogene Treibstoffe erfordern eine teure komplexe raumhafenspezifische Infrastruktur, um kryogene Materialien wie flüssigen Sauerstoff und Wasserstoff zu erhalten und zu speichern. Hochgiftige Brennstoffe wie UDMH schaffen Umweltrisiken für das Personal und Orte, an denen Raketenstufen fallen, sowie wirtschaftliche Risiken durch die Folgen der Kontamination von Gebieten in Notfallsituationen.

Derzeit werden in Raketen zum Starten von Raumfahrzeugen hauptsächlich vier Arten von Treibstoff verwendet:

• Kerosin + flüssiger Sauerstoff. Ein beliebter, günstiger Kraftstoff mit einer hervorragend entwickelten und bewährten Motorenpalette und Kraftstoffinfrastruktur. Es hat eine gute Umweltfreundlichkeit. Die besten Motoren liefern einen spezifischen Impuls (SI) von knapp über 300 Sekunden bei atmosphärischem Druck.
• Unsymmetrisches Dimethylhydrazin + Stickstofftetroxid. Extrem giftiger Kraftstoff. Hohe Verbrennungsstabilität, relativ einfache Brennstoffausstattung, einfache Lagerung, gute Brennstoffdichte und gute Energieeigenschaften bestimmten jedoch seine weit verbreitete Verwendung. Heute werden Anstrengungen unternommen, um UDMH auslaufen zu lassen. UI ist ungefähr analog zu einem Sauerstoff-Kerosin-Paar.
• Flüssiger Wasserstoff + flüssiger Sauerstoff. Die geringe Dichte und die extrem niedrigen Speichertemperaturen von Wasserstoff machen es sehr schwierig, den Treibgasdampf in der ersten Stufe von Trägerraketen zu verwenden. Die hohe Effizienz führt jedoch zu einer weit verbreiteten Verwendung in den oberen Stufen von Trägerraketen, wo die Schubpriorität abnimmt und die Massenkosten steigen. Kraftstoff hat eine ausgezeichnete Umweltfreundlichkeit. Benutzeroberfläche beste Motoren auf Meereshöhe über 350 Sekunden, im Vakuum - 450 Sekunden.
• Gemischter Festtreibstoff auf Basis von Ammoniumperchlorat. Billiger Sprit, erfordert aber eine hohe Produktionskultur. Es wird in der westlichen Raketentechnik in der ersten Stufe von Raketen häufig verwendet, da es einfach ist, einen signifikanten Schub zu erzielen. Festtreibstoffmotoren sind entlang des Schubvektors schwer zu steuern, daher werden sie häufig parallel zu kleinen Flüssigkeitsmotoren geschaltet, die die Flugsteuerung bereitstellen. Es hat eine geringe Umweltfreundlichkeit. Typische UI ist 250 Sekunden.

Großes Interesse besteht auch am vielversprechenden Brennstoffpaar Methan + Flüssigsauerstoff.

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Anmerkungen

Verknüpfungen

Ein Auszug, der Rocket Fuel charakterisiert

Pierre, der bei sich entschied, dass er vor der Erfüllung seiner Absicht weder seinen Rang noch seine Kenntnisse der französischen Sprache preisgeben musste, stand in der halb geöffneten Tür des Korridors und beabsichtigte, sich sofort zu verstecken, sobald die Franzosen eintraten . Aber die Franzosen traten ein, und Pierre verließ die Tür immer noch nicht: unwiderstehliche Neugier hielt ihn zurück.
Es waren zwei. Einer ist ein Offizier, groß, mutig und schöner Mann, der andere ist offenbar Soldat oder Ordonnanz, ein untersetzter, magerer, gebräunter Mann mit eingefallenen Wangen und einem stumpfen Gesichtsausdruck. Der Offizier, auf einen Stock gestützt und hinkend, ging voraus. Nachdem er ein paar Schritte gegangen war, hielt der Offizier, als hätte er selbst entschieden, dass diese Wohnung gut war, inne, drehte sich zu den Soldaten um, die in der Tür standen, und rief ihnen mit lauter Befehlsstimme zu, die Pferde hereinzubringen. Nachdem er diese Angelegenheit beendet hatte, hob der Offizier mit einer galanten Geste den Ellbogen hoch, strich seinen Schnurrbart glatt und berührte seinen Hut mit der Hand.
Bonjour la Compagnie! [Respekt an das gesamte Unternehmen!] – sagte er fröhlich lächelnd und sah sich um. Niemand antwortete.
– Vous etes le bourgeois? [Sind Sie der Chef?] – wandte sich der Offizier an Gerasim.
Gerasim sah den Offizier erschrocken fragend an.
„Quartire, quartire, logement“, sagte der Offizier und blickte mit einem herablassenden und gutmütigen Lächeln auf den kleinen Mann hinab. – Les Francais sont de bons enfants. Que diable! Voyonen! Ne nous fachons pas, mon vieux, [Wohnungen, Wohnungen… Die Franzosen sind gute Kerle. Verdammt, lass uns nicht streiten, Großvater.] - fügte er hinzu und klopfte dem verängstigten und stillen Gerasim auf die Schulter.
– Ein ca! Dites donc, on ne parle donc pas francais dans cette boutique? [Nun, spricht hier niemand auch Französisch?], fügte er hinzu, während er sich umsah und Pierre in die Augen sah. Pierre entfernte sich von der Tür.
Der Offizier wandte sich wieder Gerasim zu. Er forderte Gerasim auf, ihm die Räume des Hauses zu zeigen.
„Nein Meister – versteh das nicht … meine Güte …“, sagte Gerasim und versuchte, seine Worte klarer zu machen, indem er sie rückwärts sprach.
Der französische Offizier breitete lächelnd die Hände vor Gerasims Nase aus, so dass er das Gefühl hatte, auch ihn nicht zu verstehen, und ging hinkend zur Tür, wo Pierre stand. Pierre wollte weggehen, um sich vor ihm zu verstecken, aber in diesem Moment sah er Makar Alekseich mit einer Pistole in der Hand aus der sich öffnenden Küchentür lehnen. Mit der Schlauheit eines Wahnsinnigen sah Makar Alekseevich den Franzosen an und zielte mit erhobener Pistole.
- Einsteigen!!! - schrie der Betrunkene und drückte auf den Abzug der Pistole. Der französische Offizier drehte sich bei dem Schrei um, und im selben Moment stürzte sich Pierre auf den Betrunkenen. Während Pierre die Pistole ergriff und hob, drückte Makar Alekseich schließlich mit dem Finger auf den Abzug, und ein Schuss ertönte, der alle taub machte und mit Pulverrauch übergoss. Der Franzose wurde blass und eilte zurück zur Tür.
Da er seine Absicht vergessen hatte, seine Französischkenntnisse nicht preiszugeben, schnappte sich Pierre die Pistole und warf sie weg, rannte auf den Offizier zu und sprach ihn auf Französisch an.
- Vous n "etes pas blesse? [Bist du verletzt?] - sagte er.
„Je crois que non“, antwortete der Offizier und fühlte sich, „mais je l'ai manque belle cette fois ci“, fügte er hinzu und deutete auf den abgeplatzten Putz in der Wand. „Quel est cet homme? [Es scheint nicht . .. aber dieses eine Mal war es nah. Wer ist dieser Mann?] - mit strengem Blick auf Pierre, sagte der Offizier.
- Ah, je suis vraiment au desespoir de ce qui vient d "arriver, [Ah, ich bin wirklich verzweifelt über das, was passiert ist] - sagte Pierre schnell und vergaß seine Rolle völlig. - C" est un fou, un malheureux qui ne savait pas ce qu "il faisait. [Dies ist ein unglücklicher Verrückter, der nicht wusste, was er tat.]
Der Offizier ging auf Makar Alekseevich zu und packte ihn am Kragen.
Makar Alekseich schwankte mit geöffneten Lippen, als würde er einschlafen, und lehnte sich an die Wand.
„Brigant, tu me la payeras“, sagte der Franzose und zog seine Hand zurück.
– Nous autres nous sommes clements apres la victoire: mais nous ne pardonnons pas aux traitres, [Räuber, du wirst mich dafür bezahlen. Unser Bruder ist nach dem Sieg gnädig, aber wir verzeihen den Verrätern nicht], fügte er mit düsterer Feierlichkeit im Gesicht und mit einer schönen energischen Geste hinzu.
Pierre überredete den Offizier weiterhin auf Französisch, von diesem betrunkenen, wahnsinnigen Mann keine Forderungen zu stellen. Der Franzose hörte schweigend zu, ohne seinen düsteren Blick zu ändern, und wandte sich plötzlich lächelnd zu Pierre um. Er sah ihn ein paar Sekunden lang schweigend an. Sein hübsches Gesicht nahm einen tragisch zarten Ausdruck an, und er streckte die Hand aus.
- Vous m "avez sauve la vie! Vous etes Francais, [Du hast mir das Leben gerettet. Du bist ein Franzose]", sagte er. Für einen Franzosen war diese Schlussfolgerung nicht zu leugnen. Nur ein Franzose konnte etwas Großes vollbringen und seines retten Leben, m r Ramball capitaine du 13 me leger [Monsieur Rambal, Hauptmann des 13. leichten Regiments] war ohne Zweifel die größte Tat.
Aber so unzweifelhaft diese Schlussfolgerung und die darauf basierende Überzeugung des Offiziers auch sein mochte, Pierre hielt es für notwendig, ihn zu enttäuschen.
„Je suis Russe, [ich bin Russe]“, sagte Pierre schnell.
- Ti ti ti, a d "autres, [erzählen Sie es anderen] - sagte der Franzose, winkte mit dem Finger vor der Nase und lächelte. - Tout a l "heure vous allez me conter tout ca", sagte er. – Charme de rencontrer un compatriote. Eh bien! qu "allons nous faire de cet homme? [Jetzt erzählst du mir das alles. Es ist sehr schön, einen Landsmann zu treffen. Nun! was sollen wir mit diesem Mann machen?] - fügte er hinzu und wandte sich an Pierre, bereits als seinen Bruder. Wenn Pierre nur kein Franzose wäre, der einmal diesen höchsten Titel der Welt erhalten hatte, könnte er nicht darauf verzichten, sagte der Gesichtsausdruck und der Ton des französischen Offiziers.Auf die letzte Frage erklärte Pierre noch einmal, wer Makar Alekseich war , erklärte, dass ihm kurz vor ihrer Ankunft ein betrunkener, geisteskranker Mann eine geladene Pistole weggeschleppt habe, die sie ihm nicht mehr wegnehmen könnten, und bat darum, seine Tat ungestraft zu lassen.
Der Franzose streckte seine Brust vor und machte eine königliche Geste mit der Hand.
- Vous m "avez sauve la vie. Vous etes Francais. Vous me demandez sa grace? Je vous l" accorde. Qu "on emmene cet homme, [Sie haben mir das Leben gerettet. Sie sind Franzose. Soll ich ihm vergeben? Ich vergebe ihm. Nehmen Sie diesen Mann weg", sagte der französische Offizier schnell und energisch und nahm ihn am Arm hatte für die Rettung seines Lebens in Pierres Französisch produziert und ging mit ihm zum Haus.
Die Soldaten, die auf dem Hof ​​waren, als sie den Schuß hörten, gingen in den Gang, fragten, was geschehen sei, und drückten ihre Bereitschaft aus, die Schuldigen zu bestrafen; aber der Offizier hielt sie streng an.
„On vous demandera quand on aura besoin de vous [Bei Bedarf werden Sie gerufen“, sagte er. Die Soldaten gingen. Der Batman, der inzwischen in der Küche gewesen war, näherte sich dem Offizier.
„Capitaine, ils ont de la soupe et du gigot de mouton dans la cuisine“, sagte er. - Faut il vous l "apporter? [Der Kapitän hat Suppe und Lammbraten in der Küche. Möchten Sie es bringen?]
- Oui, et le vin, [Ja, und Wein,] - sagte der Kapitän.

Der französische Offizier betrat zusammen mit Pierre das Haus. Pierre hielt es für seine Pflicht, dem Kapitän noch einmal zu versichern, dass er kein Franzose sei und abreisen wolle, aber der französische Offizier wollte nichts davon hören. Er war so höflich, liebenswürdig, gutmütig und wirklich dankbar, dass er ihm das Leben gerettet hatte, dass Pierre nicht den Mut hatte, ihn abzulehnen, und sich mit ihm in den Flur setzte, in das erste Zimmer, das sie betraten. Auf Pierres Behauptung, er sei kein Franzose, zuckte der Kapitän, der offensichtlich nicht verstand, wie es möglich war, einen so schmeichelhaften Titel abzulehnen, mit den Schultern und sagte, wenn er unbedingt als Russe bekannt sein wolle, dann sei es so, aber dass er trotzdem für immer mit ihm verbunden war durch ein Gefühl der Dankbarkeit dafür, dass er ein Leben gerettet hatte.
Wenn diese Person zumindest mit der Fähigkeit begabt gewesen wäre, die Gefühle anderer zu verstehen, und Pierres Gefühle erraten hätte, hätte Pierre ihn wahrscheinlich verlassen; aber die lebhafte Undurchdringlichkeit dieses Mannes für alles, was nicht er selbst war, besiegte Pierre.

In Flüssigtreibstoff-Raketentriebwerken werden Treibstoff und Oxidationsmittel in getrennten Tanks gelagert. Sie werden durch ein System aus Rohren, Ventilen und Turbopumpen in die Brennkammer geleitet, wo sie kombiniert und verbrannt werden, um Schub zu erzeugen. Raketentriebwerke mit Flüssigtreibstoff sind komplexer als ihre Pendants mit Festtreibstoff. Sie haben jedoch mehrere Vorteile. Durch Steuern des Reaktandenstroms in die Brennkammer kann der Motor gedrosselt, gestoppt oder neu gestartet werden.

Flüssigtreibstoffe, die in der Raketenindustrie verwendet werden, können in drei Typen unterteilt werden: Kohlenwasserstoff (auf Erdölbasis), kryogen und selbstentzündlich.

Kraftstoff auf Erdölbasis ist raffiniertes Erdöl und besteht aus einer Mischung komplexer Kohlenwasserstoffe. Ein Beispiel für einen solchen Raketentreibstoff ist eine der Arten von hochraffiniertem Kerosin. Es wird typischerweise in Kombination mit flüssigem Sauerstoff als Oxidationsmittel verwendet.

Kryogener Treibstoff ist in den meisten Fällen flüssiger Wasserstoff gemischt mit flüssigem Sauerstoff. Aufgrund der niedrigen Temperaturen ist es schwierig, Kraftstoff lange zu lagern. Trotz dieses Nachteils hat flüssiges Treibmittel den Vorteil, dass es beim Verbrennen enorme Energiemengen freisetzt.

Selbstentzündliches Treibmittel ist ein Zweikomponentengemisch, das sich bei Kontakt mit Luft entzündet. Das schnelle Starten von Motoren, die auf dieser Art von Kraftstoff basieren, macht sie zu einer idealen Wahl für Manövriersysteme. Raumschiffe. Ein solcher Kraftstoff ist jedoch sehr leicht entzündlich, daher sind beim Umgang damit besondere Sicherheitsmaßnahmen erforderlich.

Festtreibstoff

Der Aufbau von Feststoffmotoren ist recht einfach. Es besteht aus einem Stahlkörper, der mit einer Mischung fester Verbindungen (Brennstoff und Oxidationsmittel) gefüllt ist. Diese Komponenten verbrennen beim Austritt aus der Düse mit hoher Geschwindigkeit und erzeugen Schub. Die Zündung des Festtreibstoffs erfolgt in der Mitte des Tanks, und dann bewegt sich der Prozess zu den Seiten des Gehäuses. Die Form des zentralen Kanals bestimmt die Geschwindigkeit und Art der Verbrennung und bietet somit eine Möglichkeit, den Schub zu steuern. Im Gegensatz zu Flüssigkeitsstrahltriebwerken kann ein Festkörpertriebwerk nach dem Start nicht gestoppt werden. Sobald der Prozess beginnt, brennen die Komponenten, bis der Brennstoff aufgebraucht ist.

Es gibt zwei Arten von festen Brennstoffen: homogene und zusammengesetzte. Beide Typen sind bei normalen Temperaturen sehr stabil und auch leicht zu lagern.

Der Unterschied zwischen homogenen und zusammengesetzten Kraftstoffen besteht darin, dass es sich bei der ersten Art um eine einzige Art von Substanz handelt - häufig handelt es sich um Nitrocellulose. Verbundbrennstofftypen bestehen aus heterogenen Pulvern auf Basis von Mineralsalzen.

Hybridtreibstoff

Raketentriebwerke, die mit dieser Art von Treibstoff betrieben werden, bilden eine Zwischengruppe zwischen festem und flüssigem Treibstoff Netzteile. Bei diesem Motortyp ist eine Substanz fest, während die andere flüssig ist. Das Oxidationsmittel ist üblicherweise eine Flüssigkeit. Der Hauptvorteil solcher Motoren ist, dass sie einen hohen Wirkungsgrad haben. In diesem Fall kann die Verbrennung von Kraftstoff gestoppt oder sogar der Motor neu gestartet werden.

Dank der Chemie wurde der ewige Traum des Menschen vom Weltall Wirklichkeit. Obwohl der Treibstoff, der zum Starten von Raketen verwendet wird, derselbe Kohlenwasserstoff ist, den unsere Vorfahren in Freudenfeuern und Lampen verbrannten.

Ein wichtiger Unterschied zwischen einer Rakete und einem Flugzeug besteht darin, dass sie nicht nur Treibstoff, sondern auch ein Oxidationsmittel mitführen muss, das für ihre Verbrennung benötigt wird. Substanzen aus Umfeld sie bewirbt sich nicht.

Die Fluggeschwindigkeit einer Rakete wird durch die Geschwindigkeit und das Volumen der beim Flug ausgestoßenen Masse bestimmt. Das heißt, er fliegt umso schneller, je schwerer die Substanz weggeschleudert werden kann und je schneller er dies tun kann. Um diesen Prozess zu gewährleisten, ist es notwendig, die Energie des Brennstoffs und des Oxidators möglichst effizient in eine Strahlemission umzuwandeln.

Wie alt sind Raketen wirklich?

„Weniger als hundert“, wird fast jeder selbstbewusst antworten. Und er wird sich irren, denn vor zweitausend Jahren wurden in China Versuche unternommen, Raketen herzustellen. Dann versuchten sie, Raketen mit einer Mischung aus Kohle (Brennstoff), Salpeter (Oxidationsmittel) und Schwefel (Katalysator) zu starten.

Beeindruckende Ergebnisse brachte dies freilich nicht.

Mit der Entwicklung der Wissenschaft wurde klar, dass Festtreibstoffe für diesen Zweck überhaupt nicht geeignet waren: Ihr Wirkungsgrad war zu gering und die Verbrennung in einer fliegenden Rakete kaum zu kontrollieren.

Neueste Raketentheorien

Zu Beginn des 20. Jahrhunderts erschienen die ersten Entwicklungen von Flüssigbrennstoff-Raketentriebwerken mit kontrolliertem Schub. Theoretisch hat alles perfekt geklappt: Wir nehmen Alkohol und ein Oxidationsmittel, wir bauen eine spezielle Kammer. Substanzen verbrennen und werden mit großer Geschwindigkeit aus der Düse ausgestoßen, was den gewünschten Grad an Strahlschub ergibt. Wir steuern die Traktion, indem wir die Stoffzufuhr anpassen.

Aber was ist mit der Tatsache, dass Kraftstoff zweimal benötigt wird? Schließlich tritt die Rakete zuerst in die Erdumlaufbahn ein und kehrt dann zur Erde zurück. Dazu muss es erst beschleunigt und dann abgebremst werden, das alles braucht Treibstoff, und die Rakete muss ihn mit sich führen. Und je mehr Gewicht, desto stärker muss die erste Stufe sein, sonst kommt die Rakete gar nicht vom Boden ab.

Sie kamen bald zu dem Schluss, dass effektiver Start Es werden verschiedene Träger mit unterschiedlichen Kraftstoffen benötigt. Zur Wahl standen Kerosin und Alkohol, als Oxidationsmittel sollen Salpetersäure oder flüssiger Sauerstoff fungieren. In der UdSSR wurde für bemannte Starts eine Mischung aus Kerosin und flüssigem Sauerstoff verwendet, mit der der erste Satellit und der erste Mensch ins All gestartet wurden.

Dann gab es andere Möglichkeiten. Heptyl mit Salpetersäure wird immer noch verwendet, um Fracht in den Orbit zu befördern. In den Vereinigten Staaten wurde beim Start von Apollo in der ersten Stufe eine Kombination aus Kerosin und Sauerstoff verwendet, und für die zweite und dritte Stufe wurde ein Tandem aus flüssigem Wasserstoff und flüssigem Sauerstoff verwendet. Die letztere Option zeigte eine hervorragende Effizienz und ist bis heute weit verbreitet.

Wie hat sich diese Branche entwickelt?

Seit den 1950er Jahren wird daran gearbeitet, die Effizienz von Kerosin zu verbessern. Ihr Ergebnis ist das Auftreten von Syntin, das allerdings auch gewisse Probleme mit sich bringt, und die Ressourcen zur Gewinnung von Kerosin sind nicht unerschöpflich. Außerdem benötigen Treibstofftanks viel Platz und Volumen, und dieses Problem verschärft sich, je länger der Flug geplant ist.

Als die Idee aufkam, Flüssiggas anstelle von Kerosin zu verwenden, zog Methan die Aufmerksamkeit der Wissenschaftler auf sich. Einer seiner Vorteile ist, dass es bei der Verbrennung keine Kohlenstoffablagerungen bildet, wodurch wiederverwendbare Raketentriebwerke hergestellt werden können.

Auch der Blick auf die eingesetzten Oxidationsmittel hat sich geändert. Weit verbreitet sind Wasserstoffperoxid, Salpeter- und Perchlorsäure sowie andere sauerstoffhaltige Oxidationsmittel. Tatsächlich ist flüssiger Sauerstoff das profitabelste Oxidationsmittel - in der Zusammensetzung von Säuren und anderen Oxidationsmitteln enthält es nicht mehr als ¾, der Rest ist tatsächlich Ballast.

Ab den 70er Jahren wurden Verbrennungskatalysatoren weit verbreitet verwendet, um die Vollständigkeit der Kraftstoffverbrennung zu erhöhen, Unterverbrennung zu beseitigen und die Motoreffizienz zu erhöhen.

Was machen Chemiker heute?

Versuche, noch effizientere und billigere Kraftstoffoptionen zu bekommen. Sie probierten sogar Zusammensetzungen auf der Basis von reinem Fluor, Kobalt und Beryllium aus.

Tatsächlich wird der Begriff Raketentreibstoff derzeit etwas vage. Wir sprechen nicht mehr von Stoffen, die brennen und Emissionen erzeugen können, sondern von neuen Zusammensetzungen, neuen Energiequellen, die sie freisetzen, ohne tatsächlich zu brennen.

Wenn Sie also atomaren (in Atome unterteilten) Wasserstoff in der Menge von einem Kilogramm nehmen und seine Atome dann wieder zu Molekülen kombinieren, können Sie eine riesige thermische Freisetzung erzielen, die ausreicht, um fünfhundert Liter Wasser zu kochen. Hört sich gut an? Ja, aber es gibt auch Nachteile - die extreme Instabilität von atomarem Wasserstoff und die Schwierigkeit, ihn in großen Mengen zu erhalten.

Und Designer fordern weiterhin "kompakte" Lösungen, die das Volumen von Raketentreibstofftanks reduzieren.

Was ist in naher Zukunft zu erwarten?

Seit zehn Jahren Entwicklung und Erprobung von Motoren, die weiterfliegen Erdgas. Der Vorteil dieses Kraftstoffs ist seine große Verfügbarkeit, sein niedriger Preis und seine nahezu unerschöpflichen Reserven.

Ionen- und Plasmatriebwerke sind bereits in Betrieb, und es wird ernsthaft über Systeme gesprochen, die mit Atomenergie betrieben werden.

Anscheinend steht die Ära eines neuen Weltraumtreibstoffs bevor - dies ist buchstäblich eine Frage von einem Jahrzehnt. Und wahrscheinlich werden diese neuen Zusammensetzungen zu einer Startrampe für die weit verbreitete Verwendung von Kernbrennstoff als Raketentreibstoff.

Tabelle 1. Physikochemische Eigenschaften bestimmte Raketentreibstoffe und ihre Bestandteile

Tabelle 2. Konstruktionsmerkmale einiger Flüssigtreibstoffe

Im allgemeinen Fall ist die Erwärmung des Arbeitsmediums als Bestandteil des Arbeitsprozesses eines thermischen Raketentriebwerks vorhanden. Darüber hinaus ist das Vorhandensein einer Wärmequelle - einer Heizung - formal obligatorisch (in einem bestimmten Fall kann ihre Wärmeleistung Null sein). Seine Art kann durch die Art der in Wärme umgewandelten Energie charakterisiert werden. So erhalten wir ein Klassifizierungsmerkmal, nach dem thermische Raketentriebwerke nach der Art der in thermische Energie des Arbeitsmediums umgewandelten Energie in elektrische, nukleare (Abb. 10.1.) und chemische (Abb. 13.1, Ebene) unterteilt werden 2).

Layout, Design und erreichbare Parameter eines mit chemischen Treibstoffen betriebenen Raketentriebwerks werden maßgeblich durch den Aggregatzustand des Raketentreibstoffs bestimmt. Raketentriebwerke mit chemischem Treibstoff (in der ausländischen Literatur manchmal als chemische Raketentriebwerke bezeichnet) werden auf dieser Grundlage unterteilt in:

Flüssigkeitsraketentriebwerke - Flüssigkeitsraketentriebwerke, deren Treibstoffkomponenten im Lagerungszustand an Bord flüssig sind (Abb. 13.1, Ebene 3; Foto, Foto),

Feststoffraketentriebwerke - Feststoffraketentriebwerke (Abb. 1.7, 9.4, Foto, Foto),

Hybrid-Raketentriebwerke - GRE, deren Treibstoffkomponenten in unterschiedlichen Aggregatzuständen an Bord sind (Abb. 11.2).

Ein offensichtlicher Hinweis auf die Klassifizierung von Motoren mit chemischem Kraftstoff ist die Anzahl der Treibmittelkomponenten.

Zum Beispiel LRE auf Einkomponenten- oder Zweikomponentenkraftstoff, GRE auf Dreikomponentenkraftstoff (nach ausländischer Terminologie - auf Tribrid-Kraftstoff) (Abb. 13.1, Ebene 4).

Aufgrund von Konstruktionsmerkmalen ist es möglich, Raketentriebwerke mit Dutzenden von Überschriften zu klassifizieren, aber die Hauptunterschiede in der Leistung der Zielfunktion werden durch das Schema für die Versorgung der Brennkammer mit Komponenten bestimmt. Die typischste Klassifizierung auf dieser Grundlage ist LRE.

Klassifizierung von Raketentreibstoffen.

RT werden in fest und flüssig unterteilt. Festtreibstoffe haben gegenüber Flüssigtreibstoffen eine Reihe von Vorteilen: Sie sind lange lagerfähig, greifen die Hülle der Rakete nicht an und stellen aufgrund der geringen Toxizität keine Gefahr für das damit arbeitende Personal dar.

Die explosive Natur ihrer Verbrennung schafft jedoch Schwierigkeiten bei ihrer Anwendung.

Festtreibstoffe umfassen auf Nitrocellulose basierende ballistische und Kordit-Treibstoffe.

Das Flüssigtreibstoff-Strahltriebwerk, dessen Idee K. E. Tsiolkovsky gehört, ist in der Raumfahrt am weitesten verbreitet.

Flüssige RT kann einkomponentig und zweikomponentig sein (Oxidationsmittel und brennbar).

Zu den Oxidationsmitteln gehören: Salpetersäure und Stickoxide (Didioxid, Tetroxid), Wasserstoffperoxid, flüssiger Sauerstoff, Fluor und seine Verbindungen.

Als Brennstoffe werden Kerosine, flüssiger Wasserstoff, Hydrazine verwendet. Die am häufigsten verwendeten sind Hydrazin und unsymmetrisches Dimethylhydrazin (UDMH).

Substanzen, die Teil flüssiger RT sind, sind hochaggressiv und für den Menschen giftig. Der Sanitätsdienst steht daher vor dem Problem, präventive Maßnahmen zum Schutz des Personals vor akuten und chronischen MRT-Vergiftungen durchzuführen und bei Verletzungen die Notfallversorgung zu organisieren.

In diesem Zusammenhang werden die Pathogenese, die Klinik der Läsionen untersucht, Mittel zur Bereitstellung von Notfallversorgung und Behandlung der Betroffenen entwickelt, Mittel zum Schutz der Haut und der Atmungsorgane geschaffen, MPCs verschiedener CRTs und die erforderlichen Hygienestandards erstellt gegründet.

Trägerraketen und Antriebssysteme verschiedener Raumfahrzeuge sind das primäre Anwendungsgebiet für Flüssigtreibstoff-Raketentriebwerke.

Zu den Vorteilen von LRE gehören:

Der höchste spezifische Impuls in der Klasse der chemischen Raketentriebwerke (über 4.500 m/s für ein Sauerstoff-Wasserstoff-Paar, für Kerosin-Sauerstoff - 3.500 m/s).

Schubsteuerbarkeit: Durch die Anpassung des Kraftstoffverbrauchs ist es möglich, die Schubmenge in einem weiten Bereich zu ändern und den Motor vollständig zu stoppen und dann neu zu starten. Dies ist notwendig, wenn das Gerät im Weltraum manövriert wird.

Beim Bau großer Raketen, beispielsweise Träger, die tonnenschwere Lasten in eine erdnahe Umlaufbahn bringen, lässt sich durch den Einsatz von Flüssigtreibstoff-Raketentriebwerken ein Gewichtsvorteil gegenüber Feststofftriebwerken (Solid Propellant Engines) erzielen. Erstens aufgrund eines höheren spezifischen Impulses und zweitens aufgrund der Tatsache, dass flüssiger Treibstoff auf einer Rakete in separaten Tanks enthalten ist, aus denen er mit Pumpen in die Brennkammer geleitet wird. Dadurch ist der Druck in den Tanks deutlich (zehnfach) niedriger als in der Brennkammer, und die Tanks selbst sind dünnwandig und relativ leicht. Bei einem Feststoffraketentriebwerk ist der Brennstoffbehälter auch eine Brennkammer und muss einem hohen Druck (mehrere zehn Atmosphären) standhalten, was zu einer Gewichtszunahme führt. Je größer das Treibstoffvolumen auf der Rakete ist, desto größer sind die Behälter für seine Lagerung und desto mehr wirkt sich der Gewichtsvorteil des LRE im Vergleich zum Feststoffraketentriebwerk aus und umgekehrt: bei kleinen Raketen die Präsenz eines Turbopumpenaggregates macht diesen Vorteil zunichte.

LRE-Nachteile:

LRE und eine darauf basierende Rakete sind viel komplexer und teurer als ein gleichwertiger Festbrennstoff (obwohl 1 kg Flüssigbrennstoff um ein Vielfaches billiger ist als Festbrennstoff). Es ist notwendig, eine Flüssigtreibstoffrakete mit mehr Vorsicht zu transportieren, und die Technologie zu ihrer Vorbereitung für den Start ist komplexer, mühsamer und zeitaufwändiger (insbesondere wenn Flüssiggase als Treibstoffkomponenten verwendet werden), daher sind für Militärraketen Feststoff- Kraftstoffmotoren werden derzeit aufgrund ihrer höheren Zuverlässigkeit, Mobilität und Kampfbereitschaft bevorzugt.

Die Bestandteile des flüssigen Kraftstoffs in der Schwerelosigkeit bewegen sich unkontrolliert im Raum der Tanks. Für ihre Abscheidung müssen spezielle Maßnahmen ergriffen werden, z. B. das Einschalten von Hilfsmotoren, die mit festen Brennstoffen oder Gas betrieben werden.

Gegenwärtig haben chemische Raketentriebwerke (einschließlich LRE) die Grenze der Kraftstoffenergiekapazität erreicht, und daher ist theoretisch die Möglichkeit einer signifikanten Erhöhung ihres spezifischen Impulses nicht vorgesehen, und dies begrenzt die Fähigkeiten der Raketentechnologie basierend auf der Verwendung von Chemiemotoren, die in zwei Bereichen bereits beherrscht werden. :

Raumflüge im erdnahen Raum (sowohl bemannt als auch unbemannt).

Weltraumforschung im Sonnensystem mit Hilfe automatischer Geräte (Voyager, Galileo).

Brennstoffkomponenten

Die Wahl der Treibstoffkomponenten ist eine der wichtigsten Entscheidungen bei der Konstruktion eines Raketentriebwerks, die viele Details des Triebwerksdesigns und späterer technischer Lösungen vorgibt. Daher erfolgt die Auswahl des Kraftstoffs für LRE unter umfassender Berücksichtigung des Zwecks des Motors und der Rakete, auf der er installiert ist, der Betriebsbedingungen, der Produktionstechnologie, der Lagerung, des Transports zum Startplatz usw .

Einer der wichtigsten Indikatoren, die die Kombination von Komponenten charakterisieren, ist der spezifische Impuls, der bei der Konstruktion von Trägerraketen für Raumfahrzeuge besonders wichtig ist, da das Verhältnis von Treibstoffmasse und Nutzlast und folglich die Abmessungen und die Masse des Ganzen Rakete (siehe Abb. . Tsiolkovsky-Formel), die sich als unrealistisch herausstellen kann, wenn der spezifische Impuls nicht hoch genug ist. Tabelle 1 zeigt die Haupteigenschaften einiger Kombinationen flüssiger Brennstoffkomponenten.

Neben konkreten Impulsen bei der Auswahl von Kraftstoffkomponenten können weitere Indikatoren für Kraftstoffeigenschaften eine entscheidende Rolle spielen, darunter:

Die Dichte beeinflusst die Tankgrößen der Komponenten. Wie aus Tabelle folgt. 1, Wasserstoff ist brennbar, mit dem höchsten spezifischen Impuls (für jedes Oxidationsmittel), aber er hat eine extrem niedrige Dichte. Daher verwenden die ersten (größten) Stufen von Trägerraketen normalerweise andere (weniger effiziente, aber dichtere) Brennstoffarten wie Kerosin, wodurch die Größe der ersten Stufe auf ein akzeptables Maß reduziert werden kann. Beispiele für solche "Taktiken" sind die Saturn-5-Rakete, deren erste Stufe Sauerstoff / Kerosin-Komponenten verwendet, und die 2. und 3. Stufe - Sauerstoff / Wasserstoff, und das Space-Shuttle-System, in dem Festtreibstoff-Booster als Booster verwendet werden erste Stufe.

Der Siedepunkt, der die Betriebsbedingungen der Rakete ernsthaft einschränken kann. Nach diesem Indikator werden die Bestandteile flüssiger Brennstoffe in kryogene - auf extrem niedrige Temperaturen gekühlte verflüssigte Gase und hochsiedende - Flüssigkeiten mit einem Siedepunkt über 0 ° C unterteilt.

Kryokomponenten können nicht lange gelagert und über weite Strecken transportiert werden, daher müssen sie in speziellen energieintensiven Industrien in unmittelbarer Nähe des Startplatzes hergestellt (zumindest verflüssigt) werden, was die Trägerrakete völlig unbeweglich macht. Darüber hinaus haben kryogene Komponenten weitere physikalische Eigenschaften, die zusätzliche Anforderungen an ihren Einsatz stellen. Beispielsweise führt das Vorhandensein von sogar einer geringen Menge Wasser oder Wasserdampf in Behältern mit verflüssigten Gasen zur Bildung von sehr harten Eiskristallen, die, wenn sie in das Raketentreibstoffsystem gelangen, auf dessen Teile als abrasives Material wirken und können einen schweren Unfall verursachen. Während der vielen Stunden, in denen die Rakete für den Start vorbereitet wird, gefriert eine große Menge Raureif, der sich in Eis verwandelt, darauf, und der Fall seiner Teile aus großer Höhe stellt eine Gefahr für das an der Vorbereitung beteiligte Personal dar an der Rakete selbst und der Startausrüstung. Flüssiggase beginnen nach dem Befüllen mit Raketen zu verdampfen und müssen bis zum Start kontinuierlich durch ein spezielles Nachfüllsystem nachgefüllt werden. Überschüssiges Gas, das beim Verdampfen der Komponenten entsteht, muss so entfernt werden, dass sich der Oxidator nicht mit dem Brennstoff vermischt und ein explosionsfähiges Gemisch bildet.

Hochsiedende Komponenten sind viel bequemer für Transport, Lagerung und Handhabung, sodass sie in den 1950er Jahren kryogene Komponenten aus dem Bereich der militärischen Raketentechnik verdrängten. Seitdem ist dieser Bereich immer mehr geworden fester Brennstoff. Doch beim Bau von Raumfahrzeugen behalten kryogene Treibstoffe aufgrund ihrer hohen Energieeffizienz immer noch ihren Platz, und bei Manövern im Weltall, wenn der Treibstoff monate- oder sogar jahrelang in Tanks gelagert werden muss, sind hochsiedende Komponenten am akzeptabelsten. Ein Beispiel für eine solche „Arbeitsteilung“ findet sich in den am Apollo-Projekt beteiligten Flüssigtreibstoff-Raketentriebwerken: Alle drei Stufen der Saturn-5-Trägerrakete verwenden kryogene Komponenten, und die Motoren des Mondschiffs sind dafür ausgelegt Flugbahnkorrektur und für Manöver in einer Mondumlaufbahn hochsiedendes asymmetrisches Dimethylhydrazin und Tetroxid-Dianitrogen verwenden.

chemische Aggressivität. Alle Oxidationsmittel haben diese Eigenschaft. Daher kann das Vorhandensein in den für das Oxidationsmittel bestimmten Tanks selbst kleine Mengen organischer Substanzen (z. B. Fettflecken von menschlichen Fingern) einen Brand verursachen, wodurch sich das Material des Tanks selbst entzünden kann (Aluminium, Magnesium, Titan und Eisen brennen sehr heftig in einer Raketenoxidationsumgebung). Oxidatoren werden aufgrund ihrer Aggressivität in der Regel nicht als Kühlmittel in LRE-Kühlsystemen, sondern in HD-Gasgeneratoren verwendet; um die thermische Belastung der Turbine zu reduzieren, wird das Arbeitsfluid mit Kraftstoff und nicht mit einem Oxidator übersättigt. Bei niedrigen Temperaturen ist flüssiger Sauerstoff vielleicht das sicherste Oxidationsmittel, da alternative Oxidationsmittel wie Distickstofftetroxid oder konzentrierte Salpetersäure mit Metallen reagieren, und obwohl sie hochsiedende Oxidationsmittel sind, die bei normaler Temperatur lange gelagert werden können, die Lebensdauer der Tanks in denen sie sich befinden, ist begrenzt.

Die Toxizität von Kraftstoffkomponenten und ihren Verbrennungsprodukten ist eine ernsthafte Einschränkung ihrer Verwendung. Zum Beispiel ist Fluor, wie aus Tabelle 1 hervorgeht, als Oxidationsmittel wirksamer als Sauerstoff, bildet jedoch in Verbindung mit Wasserstoff Fluorwasserstoff - eine äußerst giftige und aggressive Substanz, die mehrere hundert, noch mehr freisetzt Tausende von Tonnen eines solchen Verbrennungsprodukts in die Atmosphäre während des Starts einer großen Rakete sind also selbst bei einem erfolgreichen Start eine große, von Menschen verursachte Katastrophe. Und im Falle eines Unfalls und einer Verschüttung einer solchen Menge dieser Substanz kann der Schaden nicht zur Rechenschaft gezogen werden. Daher wird Fluor nicht als Kraftstoffkomponente verwendet. Giftig sind auch Stickstofftetroxid, Salpetersäure und unsymmetrisches Dimethylhydrazin. Derzeit ist das (aus ökologischer Sicht) bevorzugte Oxidationsmittel Sauerstoff und der Brennstoff Wasserstoff, gefolgt von Kerosin.