يحتوي وقود الصواريخ على وقود ومؤكسد ، وعلى عكس وقود الطائرات ، لا يحتاج إلى مكون خارجي: هواء أو ماء. تنقسم أنواع وقود الصواريخ ، وفقًا لحالة تجميعها ، إلى سائل ، صلب ومختلط. ينقسم الوقود السائل إلى أنواع مبردة (حيث درجة غليان المكونات أقل من صفر درجة مئوية) وغليان عالي (الباقي). يتكون الوقود الصلب من مركب كيميائي أو محلول صلب أو خليط ملدن من المكونات. يتكون الوقود الهجين من مكونات في حالات مجمعة مختلفة ، وهو حاليًا في مرحلة البحث.
تاريخياً ، كان وقود الصواريخ الأول عبارة عن مسحوق أسود ، وهو خليط من الملح الصخري (مؤكسد) والفحم (الوقود) والكبريت (مادة رابطة) ، والذي استخدم لأول مرة في الصواريخ الصينية في القرن الثاني الميلادي. تم استخدام الذخيرة بمحرك صاروخي يعمل بالوقود الصلب (محرك صاروخي يعمل بالوقود الصلب) في الشؤون العسكرية كوسيلة حارقة وإشارات.
بعد اختراع المسحوق الذي لا يدخن في نهاية القرن التاسع عشر ، تم تطوير وقود باليستيت أحادي المكون على أساسه ، ويتألف من محلول صلب من النيتروسليلوز (الوقود) في النتروجليسرين (عامل مؤكسد). يحتوي وقود الباليستيت على مضاعفات طاقة أعلى مقارنة بالمسحوق الأسود ، وله قوة ميكانيكية عالية ، ومتشكل جيدًا ، ويحتفظ بالثبات الكيميائي لفترة طويلة أثناء التخزين ، وله سعر منخفض التكلفة. حددت هذه الصفات مسبقًا الاستخدام الواسع النطاق للوقود الباليستي في الذخيرة الأكثر ضخامة المجهزة بالوقود الصلب - الصواريخ والقنابل اليدوية.
إن التطور في النصف الأول من القرن العشرين للتخصصات العلمية مثل ديناميات الغاز وفيزياء الاحتراق وكيمياء المركبات عالية الطاقة جعل من الممكن توسيع تكوين وقود الصواريخ من خلال استخدام المكونات السائلة. أول صاروخ قتالي بمحرك صاروخي يعمل بالوقود السائل (LPRE) "V-2" يستخدم مؤكسد مبرد - أكسجين سائل ووقود عالي الغليان - كحول إيثيلي.
بعد الحرب العالمية الثانية ، حظيت الأسلحة الصاروخية بالأولوية في التطوير على الأنواع الأخرى من الأسلحة نظرًا لقدرتها على إيصال شحنات نووية إلى هدف على أي مسافة - من عدة كيلومترات (أنظمة صواريخ) إلى مدى عابر للقارات (الصواريخ الباليستية). بالإضافة إلى ذلك ، حلت الأسلحة الصاروخية محل أسلحة المدفعية بشكل كبير في الطيران والدفاع الجوي والقوات البرية والبحرية بسبب نقص قوة الارتداد عند إطلاق الذخيرة بمحركات الصواريخ.
بالتزامن مع وقود الصواريخ الباليستية والسائلة ، تم تطوير الوقود الصلب المختلط متعدد المكونات باعتباره الأكثر ملاءمة للاستخدام العسكري نظرًا لنطاق درجة حرارة التشغيل الواسع ، والقضاء على خطر انسكاب المكونات ، وانخفاض تكلفة محركات الصواريخ التي تعمل بالوقود الصلب بسبب عدم وجود خطوط الأنابيب والصمامات والمضخات ذات الدفع الأعلى لكل وحدة وزن.
الخصائص الرئيسية لوقود الصواريخ
بالإضافة إلى حالة تجميع مكوناتها ، تتميز أنواع وقود الصواريخ بالمؤشرات التالية:
- الدافع المحدد للدفع ؛
- الاستقرار الحراري
- الاستقرار الكيميائي؛
- السمية البيولوجية
- كثافة؛
- دخان.
يعتمد الدافع الدافع المحدد لوقود الصواريخ على الضغط ودرجة الحرارة في غرفة الاحتراق بالمحرك ، فضلاً عن التركيب الجزيئي لمنتجات الاحتراق. بالإضافة إلى ذلك ، يعتمد الدافع المحدد على نسبة تمدد فوهة المحرك ، ولكن هذا يرتبط أكثر بالبيئة الخارجية لتكنولوجيا الصواريخ (الغلاف الجوي أو الفضاء الخارجي).
يتم توفير ضغط متزايد من خلال استخدام المواد الإنشائية ذات القوة العالية (سبائك الصلب لمحركات الصواريخ والبلاستيك العضوي للوقود الصلب). في هذا الجانب ، تتقدم محركات الصواريخ التي تعمل بالوقود السائل على الوقود الصلب نظرًا لانضغاط وحدة الدفع الخاصة بها مقارنة بجسم محرك الوقود الصلب ، وهو عبارة عن غرفة احتراق كبيرة.
يتم تحقيق درجة الحرارة العالية لمنتجات الاحتراق عن طريق إضافة معدن الألمنيوم أو مركب كيميائي - هيدريد الألومنيوم إلى الوقود الصلب. يمكن أن يستخدم الوقود السائل مثل هذه المواد المضافة فقط إذا تم تكثيفها بإضافات خاصة. يتم توفير الحماية الحرارية لمحركات الصواريخ التي تعمل بالوقود السائل عن طريق التبريد بالوقود ، والحماية الحرارية للوقود الصلب - عن طريق ربط كتلة الوقود بقوة بجدران المحرك واستخدام إدخالات الاحتراق المصنوعة من مركب الكربون والكربون في القسم الحرج من الفوهة.
يؤثر التركيب الجزيئي لمنتجات الاحتراق / التحلل للوقود على معدل التدفق وحالة تجميعها عند مخرج الفوهة. كلما انخفض وزن الجزيئات ، زاد معدل التدفق: أكثر منتجات الاحتراق المفضلة هي جزيئات الماء ، يليها النيتروجين وثاني أكسيد الكربون وأكاسيد الكلور وغيرها من الهالوجينات ؛ الأقل تفضيلاً هو الألومينا ، التي تتكثف إلى مادة صلبة في فوهة المحرك ، مما يقلل من حجم الغازات المتوسعة. بالإضافة إلى ذلك ، فإن كسر أكسيد الألومنيوم يفرض استخدام الفوهات المخروطية بسبب التآكل الكاشطة لفوهات لافال المكافئة الأكثر كفاءة.
بالنسبة لوقود الصواريخ العسكرية ، فإن استقرارها الحراري له أهمية خاصة بسبب النطاق الواسع لدرجات الحرارة لتشغيل تكنولوجيا الصواريخ. لذلك ، تم استخدام الوقود السائل المبرد (الأكسجين + الكيروسين والأكسجين + الهيدروجين) فقط في المرحلة الأولى من تطوير الصواريخ الباليستية العابرة للقارات (R-7 و Titan) ، وكذلك لمركبات الإطلاق للمركبات الفضائية القابلة لإعادة الاستخدام (مكوك الفضاء و Energia) مخصص لإطلاق الأقمار الصناعية وأسلحة الفضاء في مدار أرضي منخفض.
حاليًا ، يستخدم الجيش وقودًا سائلًا عالي الغليان يعتمد على رابع أكسيد النيتروجين (AT ، مؤكسد) وثنائي ميثيل هيدرازين غير المتماثل (UDMH ، وقود). يتم تحديد الثبات الحراري لزوج الوقود هذا من خلال نقطة غليان AT (+ 21 درجة مئوية) ، مما يحد من استخدام هذا الوقود بواسطة الصواريخ في ظل الظروف الحرارية في صوامع الصواريخ البالستية العابرة للقارات (ICBM) و SLBM. نظرًا لعدوانية المكونات ، كانت تقنية إنتاجها وتشغيلها من دبابات الصواريخ مملوكة / مملوكة لدولة واحدة فقط في العالم - الاتحاد السوفياتي / RF (الصواريخ الباليستية العابرة للقارات "Voevoda" و "Sarmat" و SLBMs "Sineva" و " بطانة"). كاستثناء ، يتم استخدام AT + NDMG كوقود لصواريخ كروز للطائرات Kh-22 Tempest ، ولكن بسبب مشاكل في التشغيل الأرضي ، من المقرر استبدال Kh-22 والجيل التالي من Kh-32 بالطاقة النفاثة صواريخ كروز الزركون التي تستخدم الكيروسين كوقود.
يتم تحديد الثبات الحراري للوقود الصلب بشكل أساسي من خلال الخواص المقابلة للمذيب والمواد اللاصقة للبوليمر. في تكوين وقود الباليستيت ، يكون المذيب هو النتروجليسرين ، والذي يكون في محلول صلب مع النيتروسليلوز نطاق درجة حرارة التشغيل من سالب إلى زائد 50 درجة مئوية. في الوقود المختلط ، يتم استخدام أنواع مختلفة من المطاط الصناعي مع نفس نطاق درجة حرارة التشغيل كمواد رابطة بوليمر.ومع ذلك ، فإن الثبات الحراري للمكونات الرئيسية للوقود الصلب (ثنائي نترات الأمونيوم + 97 درجة مئوية ، وهيدريد الألومنيوم + 105 درجة مئوية ، والنيتروسليلوز + 160 درجة مئوية ، وفوق كلورات الأمونيوم و HMX + 200 درجة مئوية) يتجاوز بشكل كبير الخاصية المماثلة للمجلدات المعروفة ، وبالتالي فهو بحث ذو صلة عن مؤلفاتهم الجديدة.
زوج الوقود الأكثر استقرارًا كيميائيًا هو AT + UDMG ، حيث تم تطوير تقنية محلية فريدة للتخزين المضخم في خزانات الألومنيوم تحت ضغط نيتروجين زائد طفيف لفترة غير محدودة تقريبًا. تتحلل جميع أنواع الوقود الصلب كيميائيًا بمرور الوقت بسبب التحلل التلقائي للبوليمرات ومذيباتها التكنولوجية ، وبعد ذلك تدخل أوليغومرات في تفاعلات كيميائية مع مكونات وقود أخرى أكثر استقرارًا. لذلك ، تحتاج أجهزة فحص الوقود الصلب إلى استبدال منتظم.
المكون السام بيولوجيا لوقود الصواريخ هو UDMH ، الذي يؤثر على الجهاز العصبي المركزي والأغشية المخاطية للعين والجهاز الهضمي البشري ، ويؤدي إلى الإصابة بالسرطان. في هذا الصدد ، يتم تنفيذ العمل مع UDMH في عزل بدلات الحماية الكيميائية باستخدام جهاز التنفس المستقل.
تؤثر قيمة كثافة الوقود بشكل مباشر على كتلة خزانات الوقود LPRE وجسم الصاروخ الذي يعمل بالوقود الصلب: فكلما زادت الكثافة ، قلت الكتلة الطفيلية للصاروخ. أدنى كثافة لزوج وقود الهيدروجين + الأكسجين هي 0.34 جم / متر مكعب. سم ، زوج من الكيروسين + الأكسجين له كثافة 1.09 جم / مكعب. سم ، AT + NDMG - 1 ، 19 جم / متر مكعب. سم ، نيتروسليلوز + نيتروجليسرين - 1.62 جم / متر مكعب. سم ، هيدريد الألومنيوم / الألومنيوم + بيركلورات / ثنائي نترات الأمونيوم - 1.7 جم / سم مكعب ، HMX + فوق كلورات الأمونيوم - 1.9 جم / سم مكعب. في هذه الحالة ، يجب ألا يغيب عن البال أن محرك الصاروخ الذي يعمل بالوقود الصلب للاحتراق المحوري ، فإن كثافة شحنة الوقود أقل مرتين تقريبًا من كثافة الوقود بسبب المقطع على شكل نجمة لقناة الاحتراق ، المستخدمة للحفاظ على ضغط مستمر في غرفة الاحتراق ، بغض النظر عن درجة احتراق الوقود. الأمر نفسه ينطبق على الوقود الباليستي ، الذي يتكون على شكل مجموعة من الأحزمة أو العصي لتقصير وقت الاحتراق ومسافة التسارع للصواريخ والصواريخ. على عكسهم ، فإن كثافة شحنة الوقود في محركات الصواريخ التي تعمل بالوقود الصلب للاحتراق النهائي على أساس HMX تتطابق مع أقصى كثافة محددة لها.
آخر الخصائص الرئيسية لوقود الصواريخ هو دخان نواتج الاحتراق ، مما يكشف بصريًا عن تحليق الصواريخ والصواريخ. هذه الميزة متأصلة في الوقود الصلب المحتوي على الألومنيوم ، حيث تتكثف أكاسيده إلى حالة صلبة أثناء التمدد في فوهة محرك الصاروخ. لذلك ، يتم استخدام هذه الأنواع من الوقود في الوقود الصلب للصواريخ الباليستية ، حيث يكون الجزء النشط من مسارها خارج خط رؤية العدو. يتم تزويد صواريخ الطائرات بوقود HMX ووقود فوق كلورات الأمونيوم والصواريخ والقنابل اليدوية والصواريخ المضادة للدبابات - بالوقود الباليستي.
طاقة وقود الصواريخ
لمقارنة قدرات الطاقة لأنواع مختلفة من وقود الصواريخ ، من الضروري تعيين ظروف احتراق مماثلة لها في شكل ضغط في غرفة الاحتراق ونسبة التمدد لفوهة محرك الصاروخ - على سبيل المثال ، 150 جوًا و 300 ضعفًا. توسع. بعد ذلك ، بالنسبة لأزواج الوقود / ثلاثة توائم ، سيكون الدافع المحدد هو:
الأكسجين + الهيدروجين - 4.4 كم / ث ؛
الأكسجين + الكيروسين - 3.4 كم / ثانية ؛
AT + NDMG - 3.3 كم / ثانية ؛
ثنائي نترات الأمونيوم + هيدروجين هيدروجين + HMX - 3.2 كم / ثانية ؛
فوق كلورات الأمونيوم + الألومنيوم + HMX - 3.1 كم / ثانية ؛
فوق كلورات الأمونيوم + HMX - 2.9 كم / ثانية ؛
النيتروسليلوز + النتروجليسرين - 2.5 كم / ثانية.
يعد الوقود الصلب المعتمد على ثنائي نترات الأمونيوم تطورًا محليًا في أواخر الثمانينيات ، وقد تم استخدامه كوقود للمرحلتين الثانية والثالثة من صواريخ RT-23 UTTKh و R-39 ولم يتم تجاوزه بعد في خصائص الطاقة بواسطة أفضل العينات من الوقود الأجنبي القائم على بيركلورات الأمونيوم. المستخدم في صواريخ Minuteman-3 و Trident-2.ثنائي نترات الأمونيوم مادة متفجرة تنفجر حتى من إشعاع الضوء ؛ لذلك يتم إنتاجها في غرف مضاءة بمصابيح حمراء منخفضة الطاقة. لم تسمح الصعوبات التكنولوجية بإتقان عملية تصنيع وقود الصواريخ على أساسه في أي مكان في العالم ، باستثناء الاتحاد السوفيتي. شيء آخر هو أن التكنولوجيا السوفيتية تم تنفيذها بشكل روتيني فقط في مصنع بافلوغراد الكيميائي ، الواقع في منطقة دنيبروبيتروفسك في جمهورية أوكرانيا الاشتراكية السوفياتية ، وفُقد في التسعينيات بعد تحويل المصنع لإنتاج مواد كيميائية منزلية. ومع ذلك ، بناءً على الخصائص التكتيكية والتقنية للأسلحة الواعدة من نوع RS-26 "Rubezh" ، تمت استعادة التكنولوجيا في روسيا في 2010.
مثال على التركيب الفعال للغاية هو تكوين وقود الصواريخ الصلب من براءة الاختراع الروسية رقم 2241693 ، المملوكة لمصنع بيرم الموحد التابع للدولة الفيدرالية والذي يحمل اسم سم. كيروف :
عامل مؤكسد - ثنائي نترات الأمونيوم ، 58 ٪ ؛
الوقود - هيدريد الألومنيوم ، 27٪ ؛
الملدنات - نيترويزوبوتيل ترينتراتيجليسرين ، 11 ، 25٪ ؛
الموثق - مطاط النتريل البولي ، 2 ، 25 ٪ ؛
مقوي - الكبريت ، 1.49٪ ؛
مثبت الاحتراق - ألومنيوم متناهي الصغر ، 0.01٪ ؛
المضافات - أسود الكربون ، الليسيثين ، إلخ.
آفاق تطوير وقود الصواريخ
الاتجاهات الرئيسية لتطوير وقود الصواريخ السائل هي (بترتيب أولوية التنفيذ):
- استخدام الأكسجين فائق التبريد من أجل زيادة كثافة المؤكسد ؛
- الانتقال إلى بخار الوقود الأكسجين + الميثان ، حيث يحتوي المكون القابل للاشتعال فيه على طاقة أعلى بنسبة 15٪ وسعة حرارية أفضل بست مرات من الكيروسين ، مع مراعاة حقيقة أن خزانات الألمنيوم تصلب عند درجة حرارة الميثان السائل ؛
- إضافة الأوزون إلى تركيبة الأكسجين عند مستوى 24٪ لزيادة درجة الغليان وطاقة المؤكسد (نسبة كبيرة من الأوزون قابلة للانفجار) ؛
- استخدام وقود متغير الانسيابية (كثيف) ، تحتوي مكوناته على معلقات للبنتابوران أو خماسي الفلورايد أو المعادن أو هيدراتها.
يتم استخدام الأكسجين فائق التبريد بالفعل في مركبة الإطلاق Falcon 9 ؛ ويجري تطوير محركات الصواريخ التي تعمل بوقود الأكسجين + الميثان في روسيا والولايات المتحدة.
الاتجاه الرئيسي في تطوير وقود الصواريخ الصلب هو الانتقال إلى مواد رابطة نشطة تحتوي على الأكسجين في جزيئاتها ، مما يحسن توازن الأكسدة للوقود الصلب ككل. العينة المحلية الحديثة لمثل هذا الرابط هي تركيبة البوليمر "Nika-M" ، والتي تتضمن مجموعات دورية من ثنائي أكسيد ثنائي النتريل و butylenediol polyetherurethane ، التي طورها معهد الأبحاث الحكومي "Kristall" (Dzerzhinsk).
الاتجاه الواعد الآخر هو توسيع نطاق متفجرات النترامين المستخدمة ، والتي تتمتع بتوازن أكسجين أعلى مقارنةً بـ HMX (ناقص 22 ٪). بادئ ذي بدء ، هذه هي هيكسانيتروهيكسازايسوورتزيتان (Cl-20 ، توازن الأكسجين ناقص 10٪) وأوكتانيتروكوبين (توازن صفر أكسجين) ، والتي تعتمد احتمالاتها على تقليل تكلفة إنتاجها - حاليًا Cl-20 هو ترتيب من حيث الحجم أغلى من HMX ، فإن octonitrocubane هو ترتيب من حيث الحجم أغلى من Cl -twenty.
بالإضافة إلى تحسين الأنواع المعروفة من المكونات ، يتم إجراء الأبحاث أيضًا في اتجاه إنشاء مركبات بوليمر ، تتكون جزيئاتها حصريًا من ذرات نيتروجين متصلة بواسطة روابط مفردة. نتيجة لتحلل مركب بوليمر تحت تأثير التسخين ، يشكل النيتروجين جزيئات بسيطة من ذرتين متصلتين برابطة ثلاثية. الطاقة المنبعثة في هذه الحالة هي ضعف طاقة متفجرات النترامين. لأول مرة ، حصل العلماء الروس والألمان على مركبات النيتروجين ذات الشبكة البلورية الشبيهة بالماس في عام 2009 خلال تجارب أجريت على مصنع تجريبي مشترك تحت ضغط مليون ضغط جوي ودرجة حرارة 1725 درجة مئوية. حاليًا ، يجري العمل على تحقيق حالة مستقرة من بوليمرات النيتروجين عند الضغط العادي ودرجة الحرارة.
تعد أكاسيد النيتروجين المرتفعة مركبات كيميائية تحتوي على أكسجين واعدة. أكسيد النيتريك المعروف V (جزيء مسطح يتكون من ذرتين نيتروجين وخمس ذرات أكسجين) ليس له قيمة عملية كمكون للوقود الصلب بسبب نقطة انصهاره المنخفضة (32 درجة مئوية). يتم إجراء التحقيقات في هذا الاتجاه من خلال البحث عن طريقة لتخليق أكسيد النيتريك السادس (سداسي أكسيد النيتروجين رباعي النيتروجين) ، الذي يحتوي جزيء الإطار على شكل رباعي السطوح ، حيث توجد أربع ذرات نيتروجين مرتبطة به. ست ذرات أكسجين تقع على حواف رباعي الوجوه. إن الإغلاق الكامل للروابط بين الذرية في جزيء أكسيد النيتريك VI يجعل من الممكن التنبؤ بزيادة الاستقرار الحراري ، على غرار استقرار urotropin. يتيح توازن الأكسجين لأكسيد النيتريك السادس (زائد 63٪) زيادة كبيرة في الثقل النوعي للمكونات عالية الطاقة مثل المعادن وهيدرات المعادن والنيترامين والبوليمرات الهيدروكربونية في وقود الصواريخ الصلب.
