Szilárd hajtóanyag

A szilárd rakéta-üzemanyag (SRT) szilárd anyag vagy egyedi anyagok keveréke, amely levegő  nélkül éghet , és nagy mennyiségű, magas hőmérsékletre melegített gáznemű munkafolyadékot bocsát ki. Szilárd hajtóanyagú rakétahajtóművekben használják a tolóerő létrehozására.

Fő típusok

Homogén üzemanyagok

A homogén tüzelőanyagokban ugyanazok a molekulák töltik be egyszerre az üzemanyag és az oxidálószer szerepét , ilyen üzemanyagok szinte mindig tartalmazzák a nitrocellulózt [1] .

Mivel az égőkupola vastagságának 10 mm-re történő növelése egybázisú tüzelőanyagok esetén nehéz az illékony oldószer eltávolításának időtartama miatt a vastag porpatronokból [2] , a homogén tüzelőanyagokból, a kettős bázisú tüzelőanyagok a leggyakoribbak. szilárd kolloid oldatok (általában nitrocellulóz ) nem illékony oldószerben-lágyítóban (általában nitroglicerinben , de más robbanóanyagokat is használnak, pl. EGDN , di- és trinitrotoluol ). Az ilyen típusú hajtóanyag klasszikus példája a ballisztikus hajtóanyag . A cellulóz-nitrát oxigénháztartása negatív, a nitroglicerin enyhén pozitív. Az ilyen típusú TRT blokkok gyártása során folyamatos préselést végeznek csigaprésen 60-80 °C hőmérsékleten.

Az ilyen üzemanyagok előnyei közé tartoznak a jó mechanikai tulajdonságok ( a modern ballisztikus üzemanyagok szakítószilárdsága 10-20 MPa ,[ pontosítás ] és egyéb szerkezeti tulajdonságok, nagy tárolási stabilitás , ipari érettség és alacsony költség, valamint alacsony szilárd és kondenzált részecskék tartalma az égéstermékekben (azaz „füstmentesség”) és környezetre káros anyagok (a klór hiánya miatt). Hátránya a fajlagos impulzus növelésének korlátozott lehetőségei és a nagyméretű (1 méternél nagyobb átmérőjű) dámák beszerzésének lehetetlensége [4] .

Füstpor

Történelmileg az első kevert hajtóanyag fekete por volt, de ma már csak pirotechnikai termékekben és modellrakétákban használják szilárd hajtóanyagként. Könnyen beszerezhető, de kicsi a fajlagos impulzusa, egyenetlen az égése, higroszkópos, és nehéz nagyméretű dámát beszerezni. Nagyméretű dáma 1-3 évnél hosszabb tárolása esetén a dáma megrepedezik a salétromkristályok növekedése és a páratartalom változása miatt. A keletkező repedések csökkentik a tárolás stabilitását, és a pellet égés közbeni tönkremeneteléhez vezethetnek. A feketepor-pelletek tárolási stabilitásának javítása érdekében a 19. század végén Svédországban javasolták a faszén egy részének az olaj aszfalt-bitumen frakciójával való helyettesítését. Ez közel háromszorosára növelte a 200-800 mm átmérőjű dámák eltarthatóságát (200 mm átmérőjű dáma esetén akár 7 év). A füstmentes porok iparági fejlesztésével a 40-50 mm-nél nagyobb átmérőjű TRT ellenőrzőket nem gyártják füstmentes porokból.

Modern kevert üzemanyagok

A vegyes szilárd tüzelőanyagok (CTT) szilárd tüzelőanyag és oxidálószer keveréke. A rakétatudomány számára számos különféle keverék létezik. Általános szabály, hogy mindegyiket kis mennyiségű hatékony szilárd oxidálószer körül hozzák létre, amelyeket különféle éghető anyagokkal kombinálnak. A leghíresebb oxidálószerek:

Tüzelőanyagként a következőket használják:

A modern, nagy teljesítményű szilárd hajtóanyagú motorokban leggyakrabban ammónium-perklorát alumínium és gumi keverékét használják. Néha a gumik helyett poliuretánt használnak, ami lehetővé teszi a TPT ellenőrzők eltarthatóságának növelését és merevségének növelését, de a gyárthatóság rovására. Az alumínium az oxidációs reakció magas fűtőértéke miatt a hőenergia fő forrása. A magas forráspont miatt azonban a szilárd hajtóanyagú rakétasugárban lévő alumínium-oxid szilárd anyag, és nem végez termodinamikai munkát, amikor a fúvókában tágul. Ezért a gáznemű termékek fő forrása egy polimer kötőanyag. A TRT szilárd égéstermékeinek összekeverése növeli a belső súrlódást a gázsugárban, ami csökkenti a szilárd hajtóanyagú rakétamotor hatásfokát. Az ilyen üzemanyag fajlagos impulzusa körülbelül 250-280 másodperc.

Számos nagy teljesítményű katonai termékben az ammónium-perklorát helyett néha ammónium-dinitramidot használnak, amely nagyobb fajlagos impulzust ad. Ez azonban sokkal drágább, gondos kezelést igényel a TPT patron gyártási szakaszában, és növeli a patron lumbágóra és detonációra való érzékenységét.

Számos katonai rakéta (SAM-ok, ICBM-ek, légi harci rakéták stb.) TRT energiáját növeli a HMX hozzáadásával a TRT-hez, ami némileg rontja a működési tulajdonságokat, de lehetővé teszi a TRT fajlagos impulzusának növelését [5] .

Az elmúlt évtizedekben a szilárd rakéta-tüzelőanyagok energetikai tulajdonságainak javítása, valamint a környezetre gyakorolt ​​káros hatások csökkentése érdekében intenzív kutatások folytak az ammónium-perklorát helyettesítésére alkalmas klórmentes oxidálószerek után. az anyagok még mindig túl drágák, nem hatékonyak vagy veszélyesek.

Az STT gyártás első szakasza egy oxidálószer (őrlés és szárítás) és egy tüzelőanyag-kötőanyag (oligomerek, lágyítók és a redox iniciáló rendszer (OVIS) szerves részének) összekeverését foglalja magában. Ezután az oxidálószert összekeverik az OVIS ásványi komponenseivel, az üzemanyag-kötőanyagot pedig a többi szilárd komponenssel (robbanóanyagok, fémporok, égési katalizátorok, kémiai stabilitás-stabilizátorok stb.). A viszkózus tüzelőanyag-kötőanyag és az oxidálószer összekeverése forgó vagy forgó keverőkben, alacsony fordulatszámon történik. A kész masszát a szilárd hajtóanyagú rakétamotor testébe vagy egy (korábban tapadásgátlóval bevont) formába töltjük. Az ellenőrzőt egy ideig emelt hőmérsékleten (45-70 * C) tartják egy hőkamrában. Minél nagyobb a töltés és minél nagyobb az üzemanyag energiája, annál alacsonyabb a fűtési hőmérséklet és annál hosszabb az expozíció. Miután a polimer üzemanyag-kötőanyagot térhálósították egy háromdimenziós térhálós hálóval, a blokkot lehűtik, és eltávolítják a formából (ha formába öntötték), vagy elküldik a szilárd hajtóanyagú rakétamotor végső összeszerelésére (ha a motorházba öntötték). A CTT-k drágábbak és nehezebb a TRT előállítása, de nagy energiateljesítményt biztosítanak, és szinte bármilyen méretű (több száz tonnáig vagy annál nagyobb) dáma gyártását teszik lehetővé [4] .

Módosított kétbázisú hajtóanyagok

A vegyes tüzelőanyagokhoz jelentős mennyiségű kétbázisú tüzelőanyag adható komponensként. Az ilyen kompozíciókat módosított kettős bázisú üzemanyagoknak nevezik.

Karamell üzemanyag

A kézműves rakétamodellezésben elterjedt a kálium-nitráton és a mindennapi életben elérhető szerves kötőanyagokon ( szorbit , cukor stb.) alapuló, házilag készített vegyes tüzelőanyag. Meglehetősen egyszerű a gyártása és kezelése, alacsony a fajlagos impulzusa, instabil tulajdonságok jellemzik, és a gyártás során veszélyes. A hasonló kézműves alakulatok időnként szabálytalan fegyveres alakulatokat használnak rövid hatótávolságú, irányítatlan rakétákhoz (például NUR " Kassam ").

Szokatlan üzemanyagok

2009-ben az Egyesült Államokban vízjég és finoman diszpergált (körülbelül 80 nanométeres) alumíniumpor alapú szilárd hajtóanyagú motor földi tűzvizsgálatát végezték el [6] [7] . Ma a NASA ezt a keveréket nagyon ígéretesnek tartja (főleg olcsósága miatt) a szilárd tüzelőanyagok helyett.

Szilárd-folyékony üzemanyagok

Ismeretesek a rakétamotorok, ahol az üzemanyag szilárd tüzelőanyag, az oxidálószer pedig egy folyékony anyag, amelyet szivattyúkkal, csővezetékeken keresztül juttatnak az égéstérbe. Az ilyen üzemanyag előnyei a motor tolóerejének szabályozása, a magasabb égési hőmérséklet elérése a kamra folyékony oxidálószerrel történő hűtésével. Az ilyen rakétahajtóművek az LRE és a szilárd hajtóanyagú rakétahajtóművek közötti köztesek [8] .

Az égési folyamat

Az égési folyamat három szakaszból áll:

  • inert fűtés;
  • az üzemanyag-összetevők bomlása;
  • gáznemű oxidok kémiai kölcsönhatása. éghető elemek nagy mennyiségű hő felszabadulásával.

Mindezek a folyamatok egyidejűleg zajlanak, és gyakorlatilag nincsenek felosztva térbeli zónákra az égő ellenőrző felülete közelében. A TPT égéstermékeinek magas szilárd részecskék tartalma csökkenti a nyomás hatását a pellet égési sebességére. A véletlenszerű nyomásesések és a kezdeti hőmérséklet hatásának csökkentése érdekében a patron égési sebességére és a tolóerő ingadozására TRT égési katalizátorokat használnak. Leggyakrabban az átmeneti fémek ásványi vagy szerves vegyületei működnek égési katalizátorként. Például: vas-oxid, króm-oxid, ólom-dikromát, ólom-oxid, ólom-karbonát, ferrocén , kobalt és króm-trisz-acetil-acetonátok stb. Ezeket az adalékokat a ballisztikus TRT és STT összetételéhez adják, leggyakrabban 1- 5%.

Mindenesetre, a nyomás növekedése a pellet égési területén az égési sebesség bizonyos mértékű növekedéséhez vezet. Bizonyos körülmények között ez a szilárd hajtóanyagú rakétamotor testének tönkremeneteléhez vezethet. A magas hőmérséklet egyes ballisztikus hajtóanyagok meglágyulását és alakjának megváltoztatását is okozhatja a szilárd hajtóanyag burkolatában. Amikor egy ilyen szilárd hajtóanyagú rakétamotort indítanak, a patron megsemmisül, és a fúvóka kritikus része eltömődik .

Az égési sebesség értékét befolyásoló tényezők:

  • az oxidálószer és a fémes tüzelőanyag frakcionált részecskemérete;
  • üzemanyag összetétele;
  • a kezdeti hőmérséklet hatása;
  • nyomás hatása az égéstérben;
  • technológiai adalékok hatása;
  • a tüzelőanyag égési felületén átfújó gázáramlás sebességének hatása.

Alkalmazás

  • A pirotechnikai termékekben, beleértve a polgári termékeket is, olcsó és megbízható fekete port használnak. A kis méretű (mérsékelt fajlagos impulzusú és maximális égési nyomású) termékek szinte korlátlanul üzemképesek, ha védve vannak a nedvességtől és a hőmérsékletváltozásoktól.
  • A nitroglicerinben és/vagy más folyékony nitroészterekben (dietilén-glikol-dinitrát stb.) készült szilárd nitrocellulóz oldaton alapuló , viszonylag olcsó lőport általában rakéták és/vagy közelharci rakéták ( SAM , NURS , ATGM , ATGM ).
  • A nagy hordozórakétákban (például amerikai űrsiklókban ), ICBM -ekben és más, maximális energiát igénylő szilárd hajtóanyagú rakétákban általában vegyes tüzelőanyagot használnak. Ezenkívül az STT-t egyes hajóelhárító rakétákban és rakétákban is használják, a nagy fajlagos impulzus és a patron hosszú, stabil égése miatt.

Szilárd hajtóanyag orosz fejlesztői és gyártói

Lásd még

Jegyzetek

  1. ↑ TU Delft: Szilárd rakétahajtóanyagok és tulajdonságaik  (angol)  (downlink) . Hozzáférés dátuma: 2016. február 16. Az eredetiből archiválva : 2016. március 4.
  2. ↑ A szovjet hadsereg RS rakétatölteteinek létrehozásának története 1941-1945 között . epizodsspace.airbase.ru. Letöltve: 2020. február 20. Az eredetiből archiválva : 2020. február 22.
  3. ↑ Vetrov V. V. et al. A páncéltörő irányított rakéták tervezésének és működésének alapjai  / szerk. A. G. Shipunova . - Tula: TulGU, 2006. - ISBN 5-7679-0867-0 .
  4. ↑ 1 2 Robbanóanyag kidobása (hozzáférhetetlen láncszem) . Kémia és kémiai technológia az életben . Hozzáférés dátuma: 2015. január 27. Az eredetiből archiválva : 2015. január 28. 
  5. ↑ Ya.M. Pauskin. Rakéta üzemanyagok / B.I. Trifonov. - Rakéta- és űrtechnika. - Moszkva: Mir, 1975. - S. 8-12. — 188 p.
  6. ↑ Rakéta alternatíva //RBC daily, 2009-08-25
  7. ↑ Új rakétaüzemanyag keverék jég és fém archiválva 2012. április 15-én a Wayback Machine -nél // Space.com
  8. ↑ Gilberg L. A. A repülőgéptől az orbitális komplexumig. - M., Felvilágosodás, 1992. - p. 103

Linkek

  Ugrás a Wikidata elemre  Szótárak és enciklopédiák