Bahan api roket tentera

Isi kandungan:

Bahan api roket tentera
Bahan api roket tentera

Video: Bahan api roket tentera

Video: Bahan api roket tentera
Video: Chatib Basri: Strategi Jokowi Antara Perseteruan Joe Biden Dan Xi Jinping, Sampai Kekeliruan Mardigu 2024, Mac
Anonim

Bahan bakar roket mengandungi bahan bakar dan pengoksidasi dan, tidak seperti bahan bakar jet, tidak memerlukan komponen luaran: udara atau air. Bahan bakar roket, mengikut keadaan agregatnya, dibahagikan kepada cecair, pepejal dan hibrid. Bahan bakar cecair dibahagikan kepada kriogenik (dengan titik didih komponen di bawah sifar darjah Celsius) dan didih tinggi (selebihnya). Bahan api pepejal terdiri daripada sebatian kimia, larutan pepejal, atau campuran komponen plastik. Bahan bakar hibrid terdiri daripada komponen dalam keadaan agregat yang berbeza, dan kini dalam peringkat penyelidikan.

Bahan api roket tentera
Bahan api roket tentera

Dari segi sejarah, bahan bakar roket pertama adalah serbuk hitam, campuran saltpeter (pengoksidaan), arang (bahan bakar) dan belerang (pengikat), yang pertama kali digunakan dalam roket Cina pada abad ke-2 Masihi. Amunisi dengan enjin roket propelan pepejal (mesin roket propelan pepejal) digunakan dalam urusan ketenteraan sebagai alat pembakar dan isyarat.

Imej
Imej

Selepas penemuan serbuk tanpa asap pada akhir abad ke-19, bahan bakar balistit komponen tunggal dikembangkan berdasarkan asasnya, yang terdiri daripada larutan pepejal nitroselulosa (bahan bakar) dalam nitrogliserin (agen pengoksidaan). Bahan bakar balistit mempunyai gandaan tenaga yang lebih tinggi berbanding serbuk hitam, mempunyai kekuatan mekanikal yang tinggi, terbentuk dengan baik, mengekalkan kestabilan kimia untuk waktu yang lama semasa penyimpanan, dan mempunyai harga yang rendah. Kualiti ini telah menentukan penggunaan bahan bakar balistik secara meluas dalam peluru paling besar yang dilengkapi dengan bahan pendorong padat - roket dan bom tangan.

Imej
Imej

Perkembangan pada separuh pertama abad kedua puluh disiplin saintifik seperti dinamika gas, fizik pembakaran dan kimia sebatian tenaga tinggi memungkinkan untuk memperluas komposisi bahan bakar roket melalui penggunaan komponen cecair. Peluru berpandu tempur pertama dengan enjin roket propelan cecair (LPRE) "V-2" menggunakan pengoksidasi kriogenik - oksigen cair dan bahan bakar mendidih tinggi - etil alkohol.

Selepas Perang Dunia II, senjata roket mendapat keutamaan dalam pengembangan dibandingkan jenis senjata lain kerana kemampuannya untuk menyampaikan muatan nuklear ke sasaran pada jarak apa pun - dari beberapa kilometer (sistem roket) hingga jarak antarbenua (peluru berpandu balistik). Di samping itu, senjata roket telah menggantikan senjata artileri dengan ketara dalam penerbangan, pertahanan udara, kekuatan darat dan tentera laut kerana kekurangan daya tarik ketika melancarkan peluru dengan mesin roket.

Imej
Imej

Serentak dengan bahan bakar roket balistik dan cair, propelan pepejal campuran multikomponen dikembangkan sebagai yang paling sesuai untuk kegunaan ketenteraan kerana jarak operasi suhu yang luas, penghapusan bahaya tumpahan komponen, kos rendah mesin enjin roket pepejal kerana ketiadaan saluran paip, injap dan pam dengan daya tujah yang lebih tinggi per unit berat.

Ciri-ciri utama bahan bakar roket

Sebagai tambahan kepada keadaan agregat komponennya, bahan bakar roket dicirikan oleh petunjuk berikut:

- dorongan tujahan khusus;

- kestabilan terma;

- kestabilan kimia;

- ketoksikan biologi;

- ketumpatan;

- berasap.

Dorongan tujahan khusus bahan bakar roket bergantung pada tekanan dan suhu di ruang pembakaran mesin, serta komposisi molekul produk pembakaran. Sebagai tambahan, dorongan khusus bergantung pada nisbah pengembangan muncung mesin, tetapi ini lebih berkaitan dengan persekitaran luaran teknologi roket (atmosfer udara atau ruang luar).

Imej
Imej

Peningkatan tekanan diberikan melalui penggunaan bahan struktur dengan kekuatan tinggi (aloi keluli untuk mesin roket dan organoplastik untuk bahan pendorong pepejal). Dalam aspek ini, enjin roket-propelan cair berada di depan propelan pepejal kerana kekompakan unit pendorongnya dibandingkan dengan badan enjin bahan api pepejal, yang merupakan salah satu ruang pembakaran yang besar.

Suhu tinggi produk pembakaran dicapai dengan menambahkan aluminium logam atau sebatian kimia - aluminium hidrida ke bahan api pepejal. Bahan bakar cair dapat menggunakan bahan tambahan tersebut hanya jika bahan ini menebal dengan bahan tambahan khas. Perlindungan haba enjin roket propelan cair disediakan dengan penyejukan dengan bahan bakar, perlindungan termal pendorong pepejal - dengan melekatkan blok bahan api dengan kuat ke dinding enjin dan penggunaan sisipan burnout yang diperbuat daripada komposit karbon-karbon di bahagian kritikal muncung.

Imej
Imej

Komposisi molekul produk pembakaran / penguraian bahan api mempengaruhi kadar aliran dan keadaan pengagregatan mereka di pintu keluar muncung. Semakin rendah berat molekul, semakin tinggi kadar aliran: produk pembakaran yang paling disukai adalah molekul air, diikuti oleh nitrogen, karbon dioksida, klorin oksida dan halogen lain; paling tidak disukai adalah alumina, yang mengembun ke pepejal di muncung mesin, sehingga mengurangkan jumlah gas yang mengembang. Sebagai tambahan, pecahan aluminium oksida memaksa penggunaan muncung kerucut kerana pemakaian muncung Laval parabola yang paling berkesan.

Bagi bahan api roket tentera, kestabilan terma mereka sangat penting kerana suhu operasi teknologi roket yang luas. Oleh itu, bahan bakar cair kriogenik (oksigen + minyak tanah dan oksigen + hidrogen) hanya digunakan pada tahap awal pengembangan peluru berpandu balistik antarbenua (R-7 dan Titan), serta untuk melancarkan kenderaan kenderaan angkasa yang dapat digunakan semula (Space Shuttle dan Energia) bertujuan untuk melancarkan satelit dan senjata angkasa ke orbit bumi rendah.

Imej
Imej

Pada masa ini, tentera menggunakan bahan bakar cecair didih tinggi secara eksklusif berdasarkan nitrogen tetroxide (AT, oksidator) dan dimetilhidrazin asimetrik (UDMH, bahan bakar). Kestabilan terma pasangan bahan bakar ini ditentukan oleh titik didih AT (+ 21 ° C), yang membatasi penggunaan bahan bakar ini oleh peluru berpandu dalam keadaan termostat di silo peluru berpandu ICBM dan SLBM. Oleh kerana sifat komponen yang agresif, teknologi pengeluaran dan operasi tangki peluru berpandu dimiliki / dimiliki oleh hanya satu negara di dunia - USSR / RF (ICBM "Voevoda" dan "Sarmat", SLBM "Sineva" dan " Pelapik "). Sebagai pengecualian, AT + NDMG digunakan sebagai bahan bakar untuk peluru berpandu pesawat Kh-22 Tempest, tetapi kerana masalah dengan operasi darat, Kh-22 dan generasi berikutnya Kh-32 dirancang untuk diganti dengan jet-powered Peluru berpandu zirkon menggunakan minyak tanah sebagai bahan bakar.

Imej
Imej

Kestabilan terma bahan api pepejal terutamanya ditentukan oleh sifat sepadan pelarut dan pengikat polimer. Dalam komposisi bahan bakar balistit, pelarut adalah nitrogliserin, yang dalam larutan padat dengan nitroselulosa mempunyai julat suhu operasi dari minus hingga plus 50 ° C. Dalam bahan bakar campuran, pelbagai getah sintetik dengan julat suhu operasi yang sama digunakan sebagai pengikat polimer. Walau bagaimanapun, kestabilan terma komponen utama bahan api pepejal (ammonium dinitramide + 97 ° C, aluminium hidrida + 105 ° C, nitroselulosa + 160 ° C, amonium perklorat dan HMX + 200 ° C) secara signifikan melebihi sifat serupa pengikat yang diketahui, dan oleh itu adalah carian yang sesuai untuk komposisi baru mereka.

Pasangan bahan bakar yang paling stabil secara kimia adalah AT + UDMG, kerana teknologi domestik unik penyimpanan ampulisasi dalam tangki aluminium di bawah sedikit tekanan nitrogen berlebihan untuk masa yang hampir tidak terhad telah dikembangkan untuknya. Semua bahan api pepejal merosot secara kimia dari masa ke masa kerana penguraian polimer dan pelarut teknologinya secara spontan, selepas itu oligomer memasuki reaksi kimia dengan komponen bahan bakar lain yang lebih stabil. Oleh itu, pemeriksa propelan pepejal memerlukan penggantian berkala.

Komponen beracun dari bahan bakar roket adalah UDMH, yang mempengaruhi sistem saraf pusat, membran mukus mata dan saluran pencernaan manusia, dan memprovokasi barah. Dalam hal ini, kerja dengan UDMH dilakukan dalam mengasingkan pakaian pelindung kimia dengan penggunaan alat pernafasan mandiri.

Nilai ketumpatan bahan api secara langsung mempengaruhi jisim tangki bahan bakar LPRE dan badan roket propelan pepejal: semakin tinggi ketumpatannya, semakin sedikit jisim parasit roket. Ketumpatan terendah pasangan hidrogen + oksigen ialah 0.34 g / cu. cm, sepasang minyak tanah + oksigen mempunyai ketumpatan 1.09 g / cu. cm, AT + NDMG - 1, 19 g / cu. cm, nitroselulosa + nitrogliserin - 1,62 g / cu. cm, aluminium / aluminium hidrida + perklorat / amonium dinitramida - 1,7 g / cc, HMX + amonium perklorat - 1,9 g / cc. Dalam kes ini, perlu diingat bahawa enjin roket propelan pepejal pembakaran paksi, ketumpatan muatan bahan bakar kira-kira dua kali lebih sedikit daripada ketumpatan bahan bakar kerana bahagian saluran pembakaran berbentuk bintang, yang digunakan untuk mengekalkan tekanan berterusan di ruang pembakaran, tanpa mengira tahap pembakaran bahan bakar. Hal yang sama berlaku untuk bahan bakar balistik, yang dibentuk sebagai satu set tali pinggang atau tongkat untuk memendekkan waktu pembakaran dan jarak pecutan roket dan roket. Berbeza dengan mereka, ketumpatan muatan bahan bakar dalam enjin roket propelan pepejal pembakaran akhir berdasarkan HMX bertepatan dengan kepadatan maksimum yang ditunjukkan untuknya.

Imej
Imej

Yang terakhir dari ciri utama bahan bakar roket adalah asap produk pembakaran, secara visual membongkar penerbangan roket dan roket. Ciri ini terdapat pada bahan api pepejal yang mengandungi aluminium, oksida yang padat ke keadaan pepejal semasa pengembangan di muncung mesin roket. Oleh itu, bahan bakar ini digunakan dalam pendorong padat peluru berpandu balistik, bahagian aktif lintasan yang berada di luar garis pandang musuh. Peluru berpandu kapal terbang dilengkapi dengan bahan bakar HMX dan amonium perklorat, roket, bom tangan dan peluru berpandu anti-tangki - dengan bahan bakar balistik.

Tenaga bahan api roket

Untuk membandingkan keupayaan tenaga dari pelbagai jenis bahan bakar roket, perlu menetapkan keadaan pembakaran yang setanding bagi mereka dalam bentuk tekanan di ruang pembakaran dan nisbah pengembangan muncung mesin roket - misalnya, 150 atmosfera dan 300 kali ganda pengembangan. Kemudian, untuk pasangan bahan bakar / kembar tiga, dorongan khusus adalah:

oksigen + hidrogen - 4.4 km / s;

oksigen + minyak tanah - 3.4 km / s;

AT + NDMG - 3.3 km / s;

ammonium dinitramide + hidrogen hidrida + HMX - 3.2 km / s;

amonium perklorat + aluminium + HMX - 3.1 km / s;

amonium perklorat + HMX - 2.9 km / s;

nitroselulosa + nitrogliserin - 2.5 km / s.

Imej
Imej

Bahan api pepejal berdasarkan ammonium dinitramide adalah pembangunan domestik pada akhir 1980-an, ia digunakan sebagai bahan bakar untuk tahap kedua dan ketiga peluru berpandu RT-23 UTTKh dan R-39 dan belum dilampaui ciri-ciri tenaga dengan sampel terbaik bahan api asing berdasarkan amonium perklorat yang digunakan dalam peluru berpandu Minuteman-3 dan Trident-2. Ammonium dinitramide adalah bahan letupan yang meletup bahkan dari sinaran cahaya; oleh itu, penghasilannya dilakukan di bilik yang diterangi oleh lampu merah berkuasa rendah. Kesukaran teknologi tidak memungkinkan untuk menguasai proses pembuatan bahan bakar roket berdasarkannya di mana saja di dunia, kecuali di USSR. Perkara lain adalah bahawa teknologi Soviet dilaksanakan secara rutin hanya di kilang kimia Pavlograd, yang terletak di wilayah Dnepropetrovsk SSR Ukraine, dan hilang pada tahun 1990-an setelah kilang itu ditukar untuk menghasilkan bahan kimia rumah tangga. Namun, berdasarkan ciri taktikal dan teknikal senjata menjanjikan jenis RS-26 "Rubezh", teknologi itu dipulihkan di Rusia pada tahun 2010-an.

Imej
Imej

Contoh komposisi yang sangat berkesan adalah komposisi bahan api roket pepejal dari paten Rusia No. 2241693, yang dimiliki oleh Federal Plant Unitary Enterprise Perm CM. Kirov :

agen pengoksidaan - ammonium dinitramide, 58%;

bahan api - hidrida aluminium, 27%;

plasticizer - nitroisobutyltrinitrateglycerin, 11, 25%;

pengikat - getah nitril polibutadiena, 2, 25%;

pengeras - sulfur, 1.49%;

penstabil pembakaran - aluminium ultrafine, 0.01%;

bahan tambahan - karbon hitam, lesitin, dll.

Prospek untuk pengembangan bahan bakar roket

Petunjuk utama untuk pengembangan bahan bakar roket cair adalah (mengikut urutan keutamaan pelaksanaan):

- penggunaan oksigen supercool untuk meningkatkan ketumpatan pengoksidaan;

- peralihan ke oksigen wap bahan bakar + metana, komponen yang mudah terbakar mempunyai tenaga 15% lebih tinggi dan kapasiti haba 6 kali lebih baik daripada minyak tanah, dengan mengambil kira fakta bahawa tangki aluminium mengeras pada suhu metana cair;

- menambahkan ozon ke komposisi oksigen pada tahap 24% untuk meningkatkan takat didih dan tenaga pengoksidaan (sebilangan besar ozon mudah meletup);

- penggunaan bahan bakar thixotropic (menebal), komponennya mengandungi suspensi pentaborane, pentafluorida, logam atau hidrida mereka.

Oksigen supercool telah digunakan dalam kenderaan pelancaran Falcon 9; enjin roket berbahan oksigen + metana sedang dikembangkan di Rusia dan Amerika Syarikat.

Arah utama dalam pengembangan bahan bakar roket pepejal adalah peralihan ke pengikat aktif yang mengandung oksigen dalam molekulnya, yang meningkatkan keseimbangan pengoksidaan propelan pepejal secara keseluruhan. Sampel domestik moden pengikat seperti itu adalah komposisi polimer "Nika-M", yang merangkumi kumpulan siklik dinitril dioksida dan butilenediol polieteruretana, yang dikembangkan oleh Institut Penyelidikan Negeri "Kristall" (Dzerzhinsk).

Imej
Imej

Arah lain yang menjanjikan adalah pengembangan jangkauan bahan letupan nitramin yang digunakan, yang mempunyai keseimbangan oksigen yang lebih tinggi dibandingkan dengan HMX (minus 22%). Pertama sekali, ini adalah hexanitrohexaazaisowurtzitane (Cl-20, keseimbangan oksigen tolak 10%) dan octanitrocubane (keseimbangan oksigen sifar), prospek yang bergantung pada pengurangan kos pengeluaran mereka - pada masa ini Cl-20 adalah pesanan magnitud yang lebih mahal daripada HMX, octonitrocubane adalah urutan besarnya lebih mahal daripada Cl -twenty.

Imej
Imej

Sebagai tambahan untuk meningkatkan jenis komponen yang diketahui, penelitian juga dilakukan ke arah pembuatan sebatian polimer, molekul-molekul yang terdiri secara eksklusif dari atom nitrogen yang dihubungkan oleh ikatan tunggal. Hasil daripada penguraian sebatian polimer di bawah tindakan pemanasan, nitrogen membentuk molekul sederhana dua atom yang dihubungkan oleh ikatan tiga. Tenaga yang dibebaskan dalam kes ini adalah dua kali tenaga bahan letupan nitramin. Buat pertama kalinya, sebatian nitrogen dengan kisi kristal seperti berlian diperoleh oleh saintis Rusia dan Jerman pada tahun 2009 semasa eksperimen pada loji juruterbang bersama di bawah tekanan 1 juta atmosfera dan suhu 1725 ° C. Pada masa ini, kerja sedang dijalankan untuk mencapai keadaan polimer nitrogen yang dapat metastabil pada tekanan dan suhu biasa.

Imej
Imej

Nitrogen oksida yang lebih tinggi menjanjikan sebatian kimia yang mengandungi oksigen. Nitrik oksida V yang terkenal (molekul rata yang terdiri daripada dua atom nitrogen dan lima atom oksigen) tidak mempunyai nilai praktikal sebagai komponen bahan api pepejal kerana titik leburnya yang rendah (32 ° C). Penyelidikan ke arah ini dilakukan dengan mencari kaedah untuk sintesis nitrik oksida VI (tetra-nitrogen heksaoksida), molekul kerangka yang memiliki bentuk tetrahedron, di bucu yang terdapat empat atom nitrogen yang terikat pada enam atom oksigen yang terletak di tepi tetrahedron. Penutupan ikatan interatomik lengkap dalam molekul nitrik oksida VI memungkinkan untuk meramalkan peningkatan kestabilan terma, sama dengan urotropin. Keseimbangan oksigen nitrat oksida VI (ditambah 63%) memungkinkan untuk meningkatkan graviti spesifik komponen tenaga tinggi seperti logam, hidrida logam, nitramina dan polimer hidrokarbon dalam bahan api roket pepejal.

Disyorkan: