Mafuta ya roketi yana mafuta na kioksidishaji na, tofauti na mafuta ya ndege, haiitaji sehemu ya nje: hewa au maji. Mafuta ya roketi, kulingana na hali yao ya mkusanyiko, imegawanywa katika kioevu, imara na chotara. Mafuta ya kioevu yamegawanywa katika cryogenic (na kiwango cha kuchemsha cha vifaa chini ya digrii sifuri za Celsius) na kuchemsha sana (iliyobaki). Mafuta mango yanajumuisha kiwanja cha kemikali, suluhisho thabiti, au mchanganyiko wa vifaa vya plastiki. Mafuta ya mseto yanajumuisha vifaa katika majimbo tofauti ya jumla, na kwa sasa wako katika hatua ya utafiti.
Kihistoria, mafuta ya kwanza ya roketi yalikuwa poda nyeusi, mchanganyiko wa chumvi ya chumvi (kioksidishaji), mkaa (mafuta) na kiberiti (binder), ambayo ilitumika kwanza katika roketi za Wachina katika karne ya 2 BK. Risasi zilizo na injini ya roketi thabiti (injini ya roketi thabiti) ilitumika katika maswala ya kijeshi kama njia ya kuchoma na kuashiria.
Baada ya uvumbuzi wa poda isiyo na moshi mwishoni mwa karne ya 19, mafuta ya sehemu moja yalitengenezwa kwa msingi wake, yenye suluhisho thabiti la nitrocellulose (mafuta) katika nitroglycerin (wakala wa vioksidishaji). Mafuta ya Ballistite yana nishati nyingi nyingi ikilinganishwa na poda nyeusi, ina nguvu kubwa ya kiufundi, imeundwa vizuri, inabaki na utulivu wa kemikali kwa muda mrefu wakati wa kuhifadhi, na ina bei ya chini. Sifa hizi zilitangulia matumizi ya kuenea ya mafuta ya balistiki katika risasi kubwa zaidi zilizo na vifaa vyenye nguvu - roketi na mabomu.
Maendeleo katika nusu ya kwanza ya karne ya ishirini ya taaluma kama za mienendo ya gesi, fizikia ya mwako na kemia ya misombo yenye nguvu nyingi ilifanya iweze kupanua muundo wa mafuta ya roketi kupitia utumiaji wa vifaa vya kioevu. Kombora la kwanza la mapigano na injini ya roketi inayotumia maji (LPRE) "V-2" ilitumia kioksidishaji cha cryogenic - oksijeni ya kioevu na mafuta yenye kuchemsha sana - pombe ya ethyl.
Baada ya Vita vya Kidunia vya pili, silaha za roketi zilipewa kipaumbele katika maendeleo kuliko aina zingine za silaha kwa sababu ya uwezo wao wa kutoa malipo ya nyuklia kwa shabaha kwa umbali wowote - kutoka kilomita kadhaa (mifumo ya roketi) hadi anuwai ya mabara (makombora ya balistiki). Kwa kuongezea, silaha za roketi zimebadilisha kwa kiasi kikubwa silaha za silaha katika anga, ulinzi wa anga, vikosi vya ardhini na jeshi la majini kwa sababu ya ukosefu wa nguvu ya kurudisha wakati wa kuzindua risasi na injini za roketi.
Wakati huo huo na mafuta ya roketi ya balistiki na kioevu, vifaa vyenye mchanganyiko vingi vimetengenezwa kama inayofaa zaidi kwa matumizi ya kijeshi kwa sababu ya operesheni yao ya joto, kuondoa hatari ya kumwagika kwa sehemu, gharama ya chini ya injini za roketi zenye nguvu kwa sababu ya kutokuwepo kwa mabomba, valves na pampu zilizo na msukumo wa juu kwa kila uzito.
Tabia kuu za mafuta ya roketi
Mbali na hali ya mkusanyiko wa vifaa vyake, mafuta ya roketi yanaonyeshwa na viashiria vifuatavyo:
- msukumo maalum wa kutia;
- utulivu wa joto;
- utulivu wa kemikali;
- sumu ya kibaolojia;
- wiani;
- moshi.
Msukumo maalum wa mafuta ya roketi hutegemea shinikizo na joto kwenye chumba cha mwako wa injini, na pia muundo wa Masi ya bidhaa za mwako. Kwa kuongezea, msukumo maalum unategemea uwiano wa upanuzi wa bomba la injini, lakini hii inahusiana zaidi na mazingira ya nje ya teknolojia ya roketi (anga ya anga au nafasi ya nje).
Shinikizo lililoongezeka hutolewa kupitia utumiaji wa vifaa vya kimuundo na nguvu kubwa (aloi za chuma kwa injini za roketi na organoplastiki kwa vichocheo vikali). Katika hali hii, injini za roketi zinazotumia kioevu ziko mbele ya vichocheo vikali kwa sababu ya ujumuishaji wa kitengo chao cha kusukuma ikilinganishwa na mwili wa injini yenye nguvu ya mafuta, ambayo ni chumba kimoja kikubwa cha mwako.
Joto la juu la bidhaa za mwako hupatikana kwa kuongeza aluminium ya chuma au kiwanja cha kemikali - hydride ya aluminium kwa mafuta dhabiti. Mafuta ya kioevu yanaweza kutumia viongeza kama hivyo ikiwa imekunzwa na viongeza maalum. Kinga ya joto ya injini za roketi inayotumia kioevu hutolewa kwa kupoza na mafuta, kinga ya mafuta ya vichocheo vikali - kwa kuambatisha kwa nguvu kizuizi cha mafuta kwenye kuta za injini na utumiaji wa uingizaji wa kuchoma moto uliotengenezwa na mchanganyiko wa kaboni-kaboni katika sehemu muhimu ya bomba.
Muundo wa Masi ya bidhaa za mwako / mtengano wa mafuta huathiri kiwango cha mtiririko na hali yao ya mkusanyiko kwenye njia ya pua. Uzito wa chini wa molekuli, ndivyo kiwango cha mtiririko kinavyoongezeka: bidhaa zinazowaka zaidi mwako ni molekuli za maji, ikifuatiwa na nitrojeni, dioksidi kaboni, oksidi za klorini na halojeni zingine; inayopendelewa zaidi ni alumina, ambayo hujikunja kuwa dhabiti kwenye bomba la injini, na hivyo kupunguza kiwango cha gesi zinazopanuka. Kwa kuongezea, sehemu ya oksidi ya alumini inalazimisha utumiaji wa nozzles za kupendeza kwa sababu ya kuvaa kwa abrasive ya nozzles bora zaidi ya Laval.
Kwa mafuta ya roketi ya jeshi, utulivu wao wa joto ni wa umuhimu sana kwa sababu ya joto anuwai ya operesheni ya teknolojia ya roketi. Kwa hivyo, mafuta ya kioevu ya cryogenic (oksijeni + mafuta ya taa na oksijeni + haidrojeni) yalitumika tu katika hatua ya mwanzo ya ukuzaji wa makombora ya baisikeli ya bara (R-7 na Titan), na vile vile kwa uzinduzi wa magari ya nafasi zinazoweza kutumika tena (Space Shuttle na Energia) iliyokusudiwa kuzindua satelaiti na silaha za nafasi kwenye obiti ya ardhi ya chini.
Hivi sasa, jeshi hutumia mafuta ya kioevu yanayochemka sana kulingana na nitrojeni ya nitrojeni (AT, kioksidishaji) na asymmetric dimethylhydrazine (UDMH, mafuta). Utulivu wa joto wa jozi hii ya mafuta imedhamiriwa na kiwango cha kuchemsha cha AT (+ 21 ° C), ambacho kinazuia utumiaji wa mafuta haya kwa makombora chini ya hali ya joto katika ICBM na silos za kombora za SLBM. Kwa sababu ya uchokozi wa vifaa, teknolojia ya uzalishaji na uendeshaji wa mizinga ya kombora ilikuwa / inamilikiwa na nchi moja tu ulimwenguni - USSR / RF (ICBMs "Voevoda" na "Sarmat", SLBMs "Sineva" na " Kitambaa "). Kama ubaguzi, AT + NDMG hutumiwa kama mafuta kwa makombora ya kusafiri kwa ndege ya Kh-22 Tempest, lakini kwa sababu ya shida ya operesheni ya ardhini, Kh-22 na kizazi chao kijacho Kh-32 imepangwa kubadilishwa na nguvu ya ndege. Makombora ya zircon ya kutumia mafuta ya taa kama mafuta.
Utulivu wa mafuta ya mafuta imara husababishwa hasa na mali zinazofanana za kutengenezea na binder ya polima. Katika muundo wa mafuta ya ballistite, kutengenezea ni nitroglycerin, ambayo katika suluhisho thabiti na nitrocellulose ina kiwango cha joto cha operesheni kutoka kwa chini hadi zaidi ya 50 ° C. Katika mafuta mchanganyiko, rubbers anuwai anuwai zilizo na kiwango sawa cha joto la utendaji hutumiwa kama binder ya polymer. Walakini, utulivu wa joto wa vitu kuu vya mafuta dhabiti (ammonium dinitramide + 97 ° C, hydride ya aluminium + 105 ° C, nitrocellulose + 160 ° C, perchlorate ya amonia na HMX + 200 ° C) inazidi kwa kiasi kikubwa mali kama hiyo ya wafungaji wanaojulikana., na kwa hivyo ni utaftaji unaofaa wa nyimbo zao mpya.
Jozi ya mafuta yenye utulivu zaidi ni AT + UDMG, kwani teknolojia ya kipekee ya uhifadhi wa jumla katika mizinga ya alumini chini ya shinikizo kidogo la nitrojeni kwa muda karibu na ukomo imetengenezwa kwa hiyo. Nishati zote zenye kemikali huharibika kwa muda kwa sababu ya kuoza kwa polima na vimumunyisho vyao vya kiteknolojia, na baada ya hapo oligomers huingia kwenye athari za kemikali na vitu vingine vya mafuta vilivyo imara zaidi. Kwa hivyo, vikaguaji vyenye nguvu vinahitaji uingizwaji wa kawaida.
Sehemu ya sumu ya kibaolojia ya mafuta ya roketi ni UDMH, ambayo huathiri mfumo mkuu wa neva, utando wa macho na njia ya kumengenya ya binadamu, na husababisha saratani. Katika suala hili, kufanya kazi na UDMH hufanywa kwa kutenganisha suti za kinga za kemikali na matumizi ya vifaa vya kupumulia vyenye.
Thamani ya msongamano wa mafuta huathiri moja kwa moja misa ya mizinga ya mafuta ya LPRE na mwili thabiti wa roketi: kiwango cha juu, wiani wa vimelea wa roketi hupungua. Uzito wa chini zaidi wa jozi ya mafuta ya oksijeni + ya oksijeni ni 0.34 g / cu. cm, jozi ya mafuta ya taa + oksijeni ina msongamano wa 1.09 g / cu. cm, AT + NDMG - 1, 19 g / cu. cm, nitrocellulose + nitroglycerini - 1.62 g / cu. cm, aluminium / hidridi ya aluminium + perchlorate / ammonium dinitramide - 1.7 g / cc, HMX + perchlorate ya amonia - 1.9 g / cc. Katika kesi hiyo, inapaswa kuzingatiwa kuwa injini ya roketi thabiti ya mwako wa axial, wiani wa malipo ya mafuta ni takriban mara mbili chini ya msongamano wa mafuta kwa sababu ya sehemu ya umbo la nyota ya kituo cha mwako. kudumisha shinikizo la kila wakati kwenye chumba cha mwako, bila kujali kiwango cha uchovu wa mafuta. Vile vile hutumika kwa mafuta ya balistiki, ambayo hutengenezwa kama seti ya mikanda au vijiti ili kufupisha wakati wa kuwaka na kasi ya kuongeza kasi ya roketi na roketi. Kinyume na wao, wiani wa malipo ya mafuta katika injini zenye nguvu za roketi ya mwako wa mwisho kulingana na HMX inafanana na kiwango cha juu kilichoonyeshwa kwa hiyo.
Sifa ya mwisho ya mafuta kuu ya roketi ni moshi wa bidhaa za mwako, ikionesha kufunua kuruka kwa roketi na roketi. Kipengele hiki ni asili ya mafuta dhabiti yaliyo na aluminium, oksidi ambazo zimegawanywa kwa hali ngumu wakati wa upanuzi wa bomba la injini ya roketi. Kwa hivyo, mafuta haya hutumiwa katika vichocheo vikali vya makombora ya balistiki, sehemu inayofanya kazi ya njia ambayo iko nje ya mstari wa macho wa adui. Makombora ya ndege yanachochewa na HMX na mafuta ya perchlorate ya amonia, roketi, mabomu na makombora ya kuzuia tank - na mafuta ya balistiki.
Nishati ya mafuta ya roketi
Ili kulinganisha uwezo wa nishati ya aina anuwai ya mafuta ya roketi, inahitajika kuweka hali inayowaka ya mwako kwao kwa njia ya shinikizo kwenye chumba cha mwako na uwiano wa upanuzi wa bomba la injini ya roketi - kwa mfano, anga 150 na mara 300 upanuzi. Kisha, kwa jozi za mafuta / tatu, msukumo maalum utakuwa:
oksijeni + hidrojeni - 4.4 km / s;
oksijeni + mafuta ya taa - 3.4 km / s;
Katika + NDMG - 3.3 km / s;
ammonium dinitramide + hidridi hidrojeni + HMX - 3.2 km / s;
perchlorate ya amonia + aluminium + HMX - 3.1 km / s;
perchlorate ya amonia + HMX - 2.9 km / s;
nitrocellulose + nitroglycerini - 2.5 km / s.
Mafuta thabiti kulingana na dinitramide ya amonia ni maendeleo ya ndani ya miaka ya 1980, ilitumika kama mafuta kwa hatua ya pili na ya tatu ya makombora ya RT-23 UTTKh na R-39 na bado haijazidi sifa za nishati na sampuli bora. ya mafuta ya kigeni kulingana na perchlorate ya amonia iliyotumiwa katika makombora ya Minuteman-3 na Trident-2. Ammonium dinitramide ni mlipuko ambao hupuka hata kutoka kwa mionzi nyepesi, kwa hivyo, uzalishaji wake unafanywa katika vyumba vilivyoangaziwa na taa nyekundu zenye nguvu ndogo. Shida za kiteknolojia hazikuruhusu kusimamia mchakato wa utengenezaji wa mafuta ya roketi kwa msingi wake mahali popote ulimwenguni, isipokuwa katika USSR. Jambo lingine ni kwamba teknolojia ya Soviet ilitekelezwa mara kwa mara tu kwenye kiwanda cha kemikali cha Pavlograd, kilichoko katika mkoa wa Dnepropetrovsk wa SSR ya Kiukreni, na ilipotea miaka ya 1990 baada ya mmea kubadilishwa ili kutoa kemikali za nyumbani. Walakini, kwa kuangalia tabia na mbinu za kuahidi silaha za aina ya RS-26 "Rubezh", teknolojia hiyo ilirejeshwa nchini Urusi mnamo miaka ya 2010.
Mfano wa muundo mzuri sana ni muundo wa mafuta thabiti ya roketi kutoka kwa hati miliki ya Urusi Nambari 2241693, inayomilikiwa na Kiwanda cha Shirikisho la Umoja wa Shirikisho la Shirikisho la Serikali. SENTIMITA. Kirov :
wakala wa oksidi - dinitramide ya amonia, 58%;
mafuta - hidridi ya aluminium, 27%;
plasticizer - nitroisobutyltrinitrateglycerini, 11, 25%;
binder - polybutadiene mpira wa nitrile, 2, 25%;
ngumu - sulfuri, 1.49%;
kiimarishaji cha mwako - ultrafine aluminium, 0.01%;
viongeza - kaboni nyeusi, lecithini, nk.
Matarajio ya ukuzaji wa mafuta ya roketi
Maagizo kuu ya ukuzaji wa mafuta ya roketi ya kioevu ni (kwa utaratibu wa utekelezaji wa kipaumbele):
- matumizi ya oksijeni iliyotiwa juu ili kuongeza wiani wa kioksidishaji;
- mpito kwa oksijeni ya mvuke ya mafuta + methane, ambayo sehemu inayowaka ambayo ina nishati ya juu 15% na uwezo wa joto bora mara 6 kuliko mafuta ya taa, kwa kuzingatia ukweli kwamba mizinga ya aluminium ni ngumu kwa joto la methane ya maji;
- kuongeza ozoni kwenye muundo wa oksijeni kwa kiwango cha 24% ili kuongeza kiwango cha kuchemsha na nguvu ya kioksidishaji (sehemu kubwa ya ozoni ni kulipuka);
- matumizi ya mafuta ya thixotropic (unene), vifaa ambavyo vina kusimamishwa kwa pentaborane, pentafluoride, metali au hydridi zao.
Oksijeni iliyo na nguvu nyingi tayari inatumika katika gari la uzinduzi wa Falcon 9; injini za roketi za oksijeni + zinazotengenezwa na methane zinaendelea kutengenezwa nchini Urusi na Merika.
Mwelekeo kuu katika ukuzaji wa mafuta thabiti ya roketi ni mpito kwa vifungo vyenye oksijeni kwenye molekuli zao, ambayo inaboresha usawa wa oksidi ya vichocheo vikali kwa ujumla. Sampuli ya kisasa ya ndani ya binder kama hiyo ni muundo wa polima "Nika-M", ambayo ni pamoja na vikundi vya baiskeli za dioksidi ya dinitrile na butylenediol polyetherurethane, iliyotengenezwa na Taasisi ya Utafiti ya Jimbo "Kristall" (Dzerzhinsk).
Mwelekeo mwingine wa kuahidi ni upanuzi wa anuwai ya milipuko ya nitramini iliyotumiwa, ambayo ina usawa mkubwa wa oksijeni ikilinganishwa na HMX (minus 22%). Kwanza kabisa, hizi ni hexanitrohexaazaisowurtzitane (Cl-20, usawa wa oksijeni ukiondoa 10%) na octanitrocubane (usawa wa oksijeni), matarajio ambayo yanategemea kupunguza gharama ya uzalishaji wao - kwa sasa Cl-20 ni agizo la ukubwa ghali zaidi kuliko HMX, octonitrocubane ni agizo la ukubwa ghali zaidi kuliko Cl -twenty.
Mbali na kuboresha aina zinazojulikana za vifaa, utafiti pia unafanywa katika mwelekeo wa kuunda misombo ya polima, molekuli ambazo zinajumuisha tu atomi za nitrojeni zilizounganishwa na vifungo kimoja. Kama matokeo ya kuoza kwa kiwanja cha polima chini ya hatua ya kupokanzwa, nitrojeni huunda molekuli rahisi za atomi mbili zilizounganishwa na dhamana tatu. Nishati iliyotolewa katika kesi hii ni mara mbili ya nishati ya vilipuzi vya nitramine. Kwa mara ya kwanza, misombo ya nitrojeni na kimiani kama kioo ya almasi ilipatikana na wanasayansi wa Urusi na Wajerumani mnamo 2009 wakati wa majaribio kwenye kiwanda cha majaribio cha pamoja chini ya shinikizo la anga milioni 1 na joto la 1725 ° C. Hivi sasa, kazi inaendelea kufikia hali ya kupendeza ya polima za nitrojeni kwa shinikizo na joto la kawaida.
Oksidi za juu za nitrojeni zinaahidi misombo ya kemikali iliyo na oksijeni. Oksidi inayojulikana ya nitriki V (molekuli tambarare ambayo ina atomi mbili za nitrojeni na atomi tano za oksijeni) haina thamani ya kweli kama sehemu ya mafuta dhabiti kwa sababu ya kiwango chake kidogo cha kuyeyuka (32 ° C). Uchunguzi katika mwelekeo huu unafanywa kwa kutafuta njia ya muundo wa nitriki oxide VI (tetra-nitrojeni hexaoxide), molekuli ya mfumo ambayo ina umbo la tetrahedron, kwenye viunga ambavyo kuna atomi nne za nitrojeni zilizounganishwa na atomi sita za oksijeni ziko pembezoni mwa tetrahedron. Kufungwa kamili kwa vifungo vya interatomic kwenye molekuli ya oksidi ya nitriki VI inafanya uwezekano wa kutabiri kwa kuongezeka kwa utulivu wa joto, sawa na ile ya urotropini. Usawa wa oksijeni wa oksidi ya nitriki VI (pamoja na 63%) inafanya uwezekano wa kuongeza kwa kiasi kikubwa uzito maalum wa vifaa vyenye nguvu nyingi kama metali, hydridi za chuma, nitramini na polima za hydrocarbon kwenye mafuta thabiti ya roketi.
