Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Гиперголический топливный гидразин загружается на космический зонд MESSENGER . Дежурный одет в полный защитный костюм из-за опасных материалов.

Самовоспламеняющееся пропеллент комбинация используется в ракетном двигателе является одним, компоненты которого спонтанно воспламеняться , когда они вступают в контакт друг с другом.

Два компонента ракетного топлива обычно состоят из топлива и окислителя . Основные преимущества гиперголовых ракетных топлив состоят в том, что они могут храниться в жидком виде при комнатной температуре и что двигатели, работающие от них, легко надежно и многократно воспламеняются. Хотя гиперголические пропелленты широко используются, с ними трудно обращаться из-за их чрезвычайной токсичности и / или коррозионной активности .

В современном использовании термины «гипергол» или «гиперголовый пропеллент» обычно [ необходима ссылка ] означают наиболее распространенную такую ​​комбинацию пропеллентов, тетроксид диазота плюс гидразин и / или его родственники монометилгидразин (MMH) и несимметричный диметилгидразин .

История [ править ]

Советский исследователь ракетных двигателей Валентин Глушко экспериментировал с гиперголическим топливом еще в 1931 году. Первоначально оно использовалось для «химического зажигания» двигателей, запуска двигателей на керосине / азотной кислоте с начальным зарядом фосфора, растворенного в сероуглероде . [ необходима цитата ]

Начиная с 1935 года профессор О. Лутц из Немецкого авиационного института экспериментировал с более чем 1000 самовоспламеняющимися порохами. Он помог компании Walter в разработке C-Stoff, который воспламеняется концентрированной перекисью водорода. BMW разработала двигатели, сжигающие гиперголичную смесь азотной кислоты с различными комбинациями аминов, ксилидинов и анилинов. [1]

Гиперголическое топливо было открыто в третий раз независимо в США исследователями GALCIT и Navy Annapolis в 1940 году. Они разработали двигатели, работающие на анилине и азотной кислоте. [2] Роберт Годдард , Reaction Motors и Curtiss-Wright работали над анилиновыми / азотнокислотными двигателями в начале 1940-х годов для небольших ракет и реактивного взлета ( JATO ). [3] [ требуется полная ссылка ]

Ранний гиперголовый ракетный двигатель Walter 109-509A 1942–1945 годов.

В Германии с середины 1930-х годов через второй мировой войны , ракетных топлив были широко классифицированы как monergols , hypergols, NON-hypergols и lithergols . Окончание ergol представляет собой комбинацию греческого слова ergon или работа и латинского oleum или масла, на которое позже повлиял химический суффикс -ol от алкоголя . [Примечание 1] Монерголы были монотопливами , а негиперголы - двухкомпонентными.которые требовали внешнего зажигания, а литерголы представляли собой гибриды твердое / жидкое. Самовоспламеняющееся ракетного топливо (или , по крайней мере самовоспламеняющееся воспламенение) было гораздо менее подвержена твердыми запуски , чем электрическое или пиротехническое зажигание. Терминология «гипергол» была введена доктором Вольфгангом Нёггератом из Технического университета Брауншвейга , Германия. [4]

Единственным когда-либо развернутым истребителем с ракетным двигателем был Messerschmitt Me 163 B Komet . У Комета был HWK 109-509 , ракетный двигатель, который потреблял метанол / гидразин в качестве топлива и перекись с высоким содержанием перекиси в качестве окислителя. Гиперголический ракетный двигатель обладал преимуществом быстрого набора высоты и тактики быстрого попадания за счет того, что он был очень нестабильным и мог взорваться при любой степени невнимательности. Другие предлагаемые боевые ракетные истребители, такие как Heinkel Julia и разведывательные самолеты, такие как DFS 228, должны были использовать ракетные двигатели серии Walter 509, но, помимо Me 163, только Bachem Ba 349 Natter.Истребитель одноразового использования с вертикальным запуском постоянно проходил летные испытания с ракетной двигательной установкой Walter в качестве основной системы поддержки тяги для самолетов военного назначения.

Самые ранние баллистические ракеты , такие как советская Р-7 , запустившая Спутник-1, а также американские « Атлас» и « Титан-1» , использовали керосин и жидкий кислород . Хотя они предпочтительны в космических пусковых установках, трудности с хранением криогена, такого как жидкий кислород, в ракете, которую нужно было держать в готовности к запуску в течение нескольких месяцев или лет, привели к переходу на гиперголическое топливо в США Titan II и в большинстве советских стран. МБР типа Р-36 . Но трудности, связанные с такими коррозионными и токсичными материалами, в том числе утечки и взрывы в бункерах Titan-II, привели к их почти повсеместной замене натвердотопливные ускорители, сначала в западных баллистических ракетах подводных лодок, а затем в американских и советских межконтинентальных баллистических ракетах наземного базирования. [5]

Лунный модуль « Аполлон» , использовавшийся при посадке на Луну , использовал гиперголическое топливо как в спускаемых, так и в восходящих ракетных двигателях.

Среди западных космических агентств наблюдается тенденция отхода от больших гиперголических ракетных двигателей к водородно-кислородным двигателям с более высокими характеристиками. Ariane 1-4 с их гиперголичными первой и второй ступенями (и дополнительными гиперголическими ускорителями на Ariane 3 и 4) были сняты с производства и заменены Ariane 5, в котором первая ступень работает на жидком водороде и жидком кислороде. Titan II, III и IV с их гиперголичными первой и второй ступенями также были сняты с производства. Ракеты Hypergolic по-прежнему широко используются на разгонных ступенях, когда требуется несколько периодов выжигания на берегу, и в системах аварийного спасения .

Характеристики [ править ]

Баки с гиперголическим топливом орбитальной системы маневрирования космического корабля " Индевор"

Преимущества [ править ]

Ракетные двигатели, работающие на гиперголическом топливе, обычно просты и надежны, поскольку им не нужна система зажигания. Хотя более крупные гиперголовые двигатели в некоторых ракетах-носителях используют турбонасосы , большинство гиперголовых двигателей работают под давлением. Газ, обычно гелий , подается в топливные баки под давлением через ряд обратных и предохранительных клапанов . Топливо, в свою очередь, проходит через регулирующие клапаны в камеру сгорания; там их мгновенное контактное зажигание предотвращает накопление смеси непрореагировавших порохов и последующее возгорание при потенциально катастрофическом жестком запуске .

Наиболее распространенные гиперголовые топлива, гидразин , монометилгидразин и несимметричный диметилгидразин , а также окислитель, четырехокись азота , являются жидкими при обычных температурах и давлениях. Поэтому их иногда называют хранимым жидким ракетным топливом . Они подходят для использования в многолетних космических полетах. Cryogenity из жидкого водорода и жидкого кислорода ограничивает их практическое применение для космических ракет - носителей , где они должны быть сохранены только кратко. [ необходима цитата ]

Поскольку гиперголические ракеты не нуждаются в системе зажигания, они могут запускать любое количество раз, просто открывая и закрывая топливные клапаны до тех пор, пока топливо не будет исчерпано, и поэтому они уникально подходят для маневрирования космического корабля и хорошо подходят, хотя и не однозначно, в качестве разгонных ступеней. таких космических ракет-носителей, как Delta II и Ariane 5 , которые должны выполнить более одного выстрела. Перезапускаемые несамовоспламеняющихся ракетные двигатели , тем не менее существуют, в частности , криогенная (кислород / водород) RL-10 на Centaur и J-2 на Сатурн V . RP-1 / LOX Merlin на Соколе 9 также может быть перезапущен.[ необходима цитата ]

Недостатки [ править ]

По сравнению с их массой традиционные гипергольные пропелленты менее энергетичны, чем такие криогенные комбинации пропеллентов, как жидкий водород / жидкий кислород или жидкий метан / жидкий кислород. [ необходима цитата ] Ракета-носитель, в которой используется гиперголическое топливо, должна поэтому нести большую массу топлива, чем та, которая использует это криогенное топливо.

Коррозионная , токсичность и канцерогенность традиционных hypergolics требуют дорогостоящих мер предосторожности. [6] [7]

Гиперголические комбинации [ править ]

Общие [ править ]

Общие [ по чьему мнению? ] гиперголические комбинации пропеллента включают: [ необходима цитата ]

  • Aerozine 50 + четырехокись азота (NTO) - широко используется в исторических американских ракетах, включая Titan II ; все двигатели лунного модуля « Аполлон» ; и служебную двигательную установку в служебном модуле Apollo . Аэрозин 50 представляет собой смесь 50% НДМГ и 50% прямого гидразина (N 2 H 4 ). [8]
  • Несимметричный диметилгидразин (НДМГ) + тетроксид азота (NTO) - часто используется Роскосмосом , например, в ракетном семействе Proton , и поставляется им во Францию ​​для первой и второй ступеней Ariane 1 (заменен на UH 25 ); Ракеты ISRO с двигателем Vikas . [9]
  • Монометилгидразин (MMH) + тетроксид азота (NTO) - двигатели меньшего размера и подруливающие устройства для управления реакцией: [ необходима цитата ] Система управления реакцией командного модуля Apollo ; Космический шаттл OMS и RCS; [10] Ariane 5 EPS; [11] Двигатели Draco, используемые космическим кораблем SpaceX Dragon . [12]
  • Тонка (TG-02, примерно 50% триэтиламина и 50% ксилидина ) обычно окисляется азотной кислотой или ее безводными производными оксида азота (группа AK-2x в Советском Союзе), например AK-20F (80% HNO 3 и 20% N 2 O 4 с ингибитором ).
  • Триэтилборан / триэтилалюминий (TEA-TEB) + жидкий кислород - используется в процессе зажигания некоторых ракетных двигателей, использующих жидкий кислород, используемых в семействе двигателей SpaceX Merlin и Rocketdyne F-1 .

Менее распространенные и устаревшие [ править ]

Менее распространенные и устаревшие [ по мнению кого? ] гиперголические пропелленты включают: [ необходима цитата ]

  • Гидразин + азотная кислота (токсичный, но стабильный), [13] [ неудавшаяся проверка ]
  • Анилин + азотная кислота (нестабильный, взрывоопасный), используемый в капрале WAC [ необходима ссылка ]
  • Анилин + перекись водорода (пыленепроницаемые, взрывоопасные)
  • Фурфуриловый спирт + IRFNA (или красная дымящая азотная кислота )
  • Скипидар + IRFNA (полет на французском Diamant A первой ступени)
  • НДМГ + IRFNA - MGM-52 Lance ракетный комплекс [ править ]
  • T-Stoff (стабилизированный> 80% перекиси) + C-Stoff (метанол, гидразин, вода, катализатор) - немецкий ракетный истребитель Messerschmitt Me 163 времен Второй мировой войны, для его двигателя Walter 109-509A
  • Керосин + ( перекись высокого качества + катализатор) - Гамма , при этом перекись сначала разлагается катализатором. Холодная перекись водорода и керосин не являются гиперголичными, но концентрированная перекись водорода (называемая высокопробной перекисью или HTP), проходящая через катализатор, дает свободный кислород и пар при температуре выше 700 ° C (1300 ° F), который является гиперголичным по отношению к керосину. [14]
  • Тетраметилэтилендиамин + IRFNA - менее токсичная и немутагенная альтернатива гидразину и его производным.
  • Пентаборан (9) и диборан + тетроксид азота - пентаборан (9) , так называемое Zip-топливо , использовался в сочетании с четырехокись азота в советском ракетном двигателе РД-270М .
  • Трифторид хлора (ClF3) + все известные виды топлива - Кратковременно рассматривается как окислитель из-за его высокой гиперголичности со всеми стандартными видами топлива, но в значительной степени от него отказались из-за сложности безопасного обращения с веществом. [15]

Связанные технологии [ править ]

Пирофорные вещества, которые самопроизвольно воспламеняются в присутствии воздуха, также иногда сами используются в качестве ракетного топлива или для воспламенения других видов топлива. Например, смесь триэтилборана и триэтилалюминия (которые по отдельности и даже в большей степени вместе пирофорны) использовалась для запуска двигателей в SR-71 Blackbird и в двигателях F-1 на ракете Saturn V и используется в Merlin. двигатели на ракетах SpaceX Falcon 9 .

Заметки [ править ]

  1. ^ "-ergol", Оксфордский словарь английского языка

Ссылки [ править ]

Цитаты
  1. ↑ О. Лутц, в « Истории разработки немецких управляемых ракет» , 1957 г. [ ISBN отсутствует ] [ необходима страница ]
  2. ^ Саттон, Джордж П., История жидкостных ракетных двигателей
  3. ^ Документы Роберта Х. Годдарда
  4. ^ Боты, Stüwe (1998), Пенемюнде West: Die Erprobungsstelle дер Люфтвафф für Geheime Fernlenkwaffen унд Дерен Entwicklungsgeschichte , Пена Munde Запад: Weltbildverlag, стр. 220, ISBN 9783828902947 (на немецком)
  5. ^ Кларк (1972), стр. 214
  6. ^ Краткое изложение разливов и пожаров, связанных с гиперголическим ракетным топливом НАСА и ВВС США, в интернет-архиве
  7. ^ "Опасность токсичного пороха" на YouTube
  8. ^ Кларк (1972), стр. 45
  9. ^ "Индус: ISRO тестирует двигатель Vikas" . 2014-03-23. Архивировано из оригинала на 2014-03-23 . Проверено 29 июля 2019 .
  10. ^ TA Heppenheimer (2002). Разработка шаттла, 1972–1981 гг . Пресса Смитсоновского института, ISBN 1-58834-009-0 . [ требуется страница ] 
  11. ^ "Отчет о космическом запуске: Ariane 5 Data Sheet" .
  12. ^ «Обновления SpaceX» . SpaceX . 2007-12-10. Архивировано из оригинала на 4 января 2011 года . Проверено 3 февраля 2010 .
  13. ^ Браун, Чарльз Д. (2003). Элементы конструкции космического корабля . AIAA. п. 211. ISBN. 978-1-56347-524-5.
  14. ^ «Перекись с высоким содержанием перекиси» (pdf) . Проверено 11 июля 2014 года .
  15. ^ Кларк, Джон Д. (1972). Зажигание! Неофициальная история жидкого ракетного топлива . Издательство Университета Рутгерса. п. 214. ISBN 978-0-8135-0725-5.
Библиография
  • Кларк, Джон (1972). Зажигание! Неофициальная история жидкого ракетного топлива . Нью-Брансуик, Нью-Джерси: Rutgers University Press. п. 14. ISBN 0-8135-0725-1.
  • Современная инженерия для проектирования жидкостных ракетных двигателей , Хузель и Хуанг, паб. AIAA, 1992. ISBN 1-56347-013-6 . 
  • История жидкостных ракетных двигателей , Дж. Саттон, паб. AIAA 2005. ISBN 1-56347-649-5 . 

Внешние ссылки [ править ]

  • «Гиперголическая реакция» . Периодическая таблица видео . Ноттингемский университет . 2009 г.