Kriogén hajtóanyag - alacsony forráspontú [comm. 1] folyékony rakéta-üzemanyag , amelynek legalább az egyik összetevője ( oxidálószer , üzemanyag ) kriogén , azaz 120 K (−153,15 °C ) alatti hőmérsékletű [2] . A kriogén üzemanyag-komponensek közé tartoznak a cseppfolyósított gázok: oxigén , hidrogén , fluor és mások. A kriogén ellentéte a magas forráspontú komponensek, vagyis azok, amelyek 298 K (24,85 °C) feletti hőmérsékleten használhatók [1] .
A kriogén üzemanyag komponensei 120 K alatti forráspontú cseppfolyósított gázok. A legelterjedtebb kriogén komponens az űrrakétákban oxidálószerként használt folyékony oxigén [3] . Oxigénnel párosítva különféle típusú üzemanyagok használhatók. A modern rakétákon ezek a kerozin különféle fajtái , valamint a kriogén üzemanyagok, elsősorban a hidrogén [4] . Olyan motorokat fejlesztenek és tesztelnek , amelyek cseppfolyósított metánt [5] [6] és földgázt (LNG) [7] használnak üzemanyagként . A cseppfolyósított fluort és az ózont is kriogén oxidálószernek tekintették , de a nagy várható hatásfok ellenére nem találtak gyakorlati alkalmazást a nehéz kezelhetőség, a nagy robbanékonyság, az extrém kémiai agresszivitás és a toxicitás miatt [8] .
A folyékony hidrogén mint tüzelőanyag és a folyékony oxigén mint oxidálószer lehetővé teszi a rendelkezésre álló tüzelőanyagok közül a maximális hatásfok elérését [9] , ezt a kombinációt, amely az égés során a legnagyobb gázkiáramlási sebességet adja, K. E. Ciolkovsky javasolta „referencia-üzemanyagként” pár”, amellyel más lehetséges rakéta-üzemanyag-lehetőségeket hasonlított össze. Ezt követően Ciolkovszkij, figyelembe véve a különféle tüzelőanyagok használatának kényelmét is, azt javasolta, hogy a hidrogént olyan szénhidrogénekkel helyettesítsék , amelyek a molekulában a lehető legmagasabb hidrogéntartalmúak [10] . A folyékony hidrogén alacsony sűrűségű, ami nagy üzemanyagtartályok létrehozását igényli, bonyolítja és megnehezíti a rakéta kialakítását, és csökkenti a tömegtökéletességét [comm. 2] [12] . A modern rakétatechnikában az üzemanyag-sűrűség növelésére és a párolgási veszteségek csökkentésére a salakhidrogént 14 K hőmérsékletre hűtve alkalmazzák, azaz olyan állapotban, ahol a folyékony és a szilárd fázis egyaránt jelen van durva szuszpenzió formájában . 13] .
A gázcseppfolyósítási folyamatok javultak az elmúlt évtizedekben a jobb berendezések megjelenésével és a rendszer hőveszteségének szabályozásával. A tipikus módszerek kihasználják a gáz hőmérsékletét, amely gyorsan lehűl a szabályozott gáznyomás felengedésekor. Elegendő nyomással, majd nyomáscsökkentéssel a legtöbb gáz cseppfolyósítható, amint azt a Joule-Thomson-effektus szemlélteti [14] .
Bár a földgáz cseppfolyósítása tárolásra, szállításra és felhasználásra meglehetősen költséghatékony, a gáz körülbelül 10-15 százaléka fogyasztódik el e folyamat során [15] . Az optimális folyamat négy propános hűtési szakaszból és két etilénhűtési fokozatból áll. Egy további hűtőközeg fokozat hozzáadható , de a kapcsolódó berendezések többletköltsége gazdasági szempontból nem indokolt [16] .
A kriogén komponensek lehetővé teszik a fajlagos impulzus legmagasabb értékének elérését a rendelkezésre álló kémiai hajtóanyagok közül, ezért széles körben használják őket az űrrepülőgépekben [3] . Ugyanakkor a felhasznált kriogén komponensek (oxigén, hidrogén, metán) nem mérgezőek, és kiömlés esetén lényegesen kevésbé károsítják a környezetet, mint a magas forráspontú salétromsav- és dinitrogén-tetroxid alapú oxidálószerek és a különféle hidrazin -származékokon alapuló rakéta-üzemanyag [17] .
A kriogén komponensek ugyanakkor nehezen üzemeltethetők, a nagy párolgási veszteségek miatt nem szállíthatók és tárolhatók speciális intézkedések nélkül, speciálisan kialakított és összetett konténereken, tárolókon kívül [18] [19] . A kriogén hajtóanyag-komponenseket használó rakétákat nem lehet sokáig tankolni, és kilövés késedelme esetén a tartályok folyamatos feltöltését vagy az üzemanyag-leeresztéssel történő kilövés megszakítását igénylik [20] . Azokon az űrjárműveken, ahol tömegkorlátozások miatt nem lehet megszervezni a szükséges fokú hőszigetelést, a kriogén alkatrészek alkalmazása is korlátozott. Ezenkívül az alacsony hőmérséklet, amelyen a kriogén alkatrészeket kell tartani, speciális anyagválasztást, valamint az üzemanyagtartályok és a motorok tervezését követeli meg [3] .
Kísérleti folyékony üzemanyagú rakéták, amelyeket az 1920-as és 1930-as években készített R. Goddard az Egyesült Államokban , Interplanetary Communications Society(VfR) Németországban , a Szovjetunióban működő Jet Propulsion Study Group folyékony oxigént használt oxidálószerként könnyű szénhidrogénekkel és más típusú üzemanyagokkal kombinálva. Ezzel egyidejűleg L. Crocco Olaszországban és V. P. Glushko csoportja a Leningrádi Gázdinamikai Laboratóriumban magas forráspontú tüzelőanyagokkal kísérleteztek, oxidálószerként nitrogén-tetroxidot és salétromsavat használva [21] .
A Wernher von Braun által kifejlesztett és a második világháború végén Németországban elfogadott " A-4 " ("V-2") világ első nagy hatótávolságú ballisztikus rakétáján az oxidálószer folyékony oxigén volt, az üzemanyag pedig 75 % etil-alkohol . amely lehetővé tette a szénhidrogén üzemanyagokhoz viszonyított hatásfok enyhe csökkenésével az égéstér hőmérsékletének csökkentését, a motor tervezésének egyszerűsítését és működési idejének növelését [21] . A "folyékony oxigén-etil-alkohol" üzemanyagpárt a Szovjetunióban és az USA-ban létrehozott háború utáni rakétákon is használták, mint például az " R-1 ", " R-2 ", " R-5 " [22] , " Viking ", " Redstone " , rakéta repülőgép " X-1 " és mások [4] . Az első szovjet és amerikai interkontinentális rakéták (" R-7 ", " R-9 ", " Atlas ", " Titan-1 ") és amerikai közepes hatótávolságú rakéták (" Tor ", " Jupiter ") szintén folyékony oxigént használtak. oxidálószer kerozinnal, mint üzemanyaggal párosítva, azonban a kriogén komponensek kezelésének bonyolultsága és a hosszú kilövés előtti előkészítési idő oda vezetett, hogy magas forráspontú, majd később szilárd tüzelőanyagokat kezdtek használni a harci rakétákon [22] [23 ] ] .
A kriogén üzemanyagokat nagy hatékonyságuk miatt széles körben alkalmazzák az űrrakétákban, ami lehetővé teszi a hasznos teher tömegének növelését vagy a hordozó tömegének és méreteinek csökkentését [3] . Az első szovjet interkontinentális R-7 rakétát, amely folyékony oxigént használt oxidálószerként, az 1960-as évek végén leszerelték, de az erre épülő űrkomplexumok a 21. században is működnek [24] . Az Atlas rakéták következő generációi , amelyeket már kifejezetten űrhordozónak terveztek, szintén folyékony oxigént használnak, mint például az N-1 , a Saturn , a Zenit , a Falcon , az Angara és mások. Folyékony oxigént is használnak a „ DM ” család felső szakaszaiban , ami lehetővé teszi a zárványok számának csökkentését és nagy pontosság elérését az űrhajók kilövésénél [25] .
A "folyékony oxigén-folyékony hidrogén" üzemanyagpár használata a sok műszaki nehézség ellenére nagy előnyökkel jár, ha nehéz osztályú rakétákon használják . Ezt a párost a Saturn család rakétáinak felső fokozatain használták, az Space Shuttle rendszert, használják az Ariane-5 , Delta-4 , H-IIA hordozókon , a színpadonCentaurcsalád rakétáinChangzheng Az egyetlen szovjet oxigén-hidrogén rakéta, amely repült, a szupernehéz Energia [26 ] volt . Bejelentették egy oxigén-hidrogén felső fokozatú KVTK kifejlesztését az Angara hordozóhoz [27] .