سوخت موشک حاوی سوخت و اکسید کننده است و برخلاف سوخت جت ، نیازی به یک جزء خارجی ندارد: هوا یا آب. سوخت های موشکی با توجه به حالت تجمع ، به مایع ، جامد و هیبرید تقسیم می شوند. سوختهای مایع به سرما زا (با نقطه جوش اجزای زیر صفر درجه سانتیگراد) و جوش زیاد (بقیه) تقسیم می شوند. سوخت های جامد از یک ترکیب شیمیایی ، یک محلول جامد یا مخلوط پلاستیکی از اجزا تشکیل شده است. سوخت های ترکیبی از اجزاء در حالت های مختلف مختلف تشکیل شده اند و در حال حاضر در مرحله تحقیق هستند.
از نظر تاریخی ، اولین سوخت موشک پودر سیاه ، مخلوطی از نمک (اکسید کننده) ، زغال (سوخت) و گوگرد (اتصال دهنده) بود که برای اولین بار در موشک های چینی در قرن 2 بعد از میلاد استفاده شد. مهمات با موتور موشک پیشرانه جامد (موتور موشک پیشران جامد) در امور نظامی به عنوان وسیله آتش زا و علامت دهنده استفاده می شد.
پس از اختراع پودر بدون دود در پایان قرن نوزدهم ، یک سوخت بالستیت تک جزء بر اساس آن ایجاد شد که شامل محلول جامد نیتروسلولوز (سوخت) در نیتروگلیسیرین (عامل اکسید کننده) بود. سوخت بالستیت نسبت به پودر سیاه دارای چند برابر انرژی بیشتر است ، از مقاومت مکانیکی بالایی برخوردار است ، به خوبی شکل گرفته است ، ثبات شیمیایی را برای مدت طولانی در حین ذخیره سازی حفظ می کند و دارای قیمت پایین است. این ویژگی ها استفاده گسترده از سوخت بالستیک را در عظیم ترین مهمات مجهز به پیشرانه های جامد - موشک و نارنجک - از پیش تعیین کرد.
توسعه در نیمه اول قرن بیستم رشته های علمی مانند دینامیک گاز ، فیزیک احتراق و شیمی ترکیبات با انرژی بالا امکان گسترش ترکیب سوخت موشک را با استفاده از اجزای مایع فراهم کرد. اولین موشک رزمی با موتور موشک پیشران مایع (LPRE) "V -2" از یک اکسید کننده کرایوژنیک - اکسیژن مایع و سوختی با جوش زیاد - اتیل الکل استفاده کرد.
پس از جنگ جهانی دوم ، تسلیحات موشکی به دلیل توانایی حمل بارهای هسته ای به هدف در هر فاصله - از چندین کیلومتر (سیستم های موشکی) تا برد بین قاره ای (موشک های بالستیک) در توسعه نسبت به انواع دیگر سلاح ها از اولویت برخوردار بودند. علاوه بر این ، سلاح های موشکی به دلیل عدم وجود نیروی عقب نشینی هنگام پرتاب مهمات با موتورهای موشک ، به طور قابل توجهی جایگزین سلاح های توپخانه در حمل و نقل هوایی ، پدافند هوایی ، نیروهای زمینی و نیروی دریایی شده است.
همزمان با سوخت موشک بالستیک و مایع ، پیشرانه های جامد مخلوط چند جزء به دلیل طیف وسیع دمایی عملکرد ، از بین بردن خطر نشت اجزاء ، هزینه کمتر موتورهای موشکی جامد به دلیل عدم وجود ، مناسب ترین مورد برای مصارف نظامی هستند. خطوط لوله ، سوپاپ ها و پمپ ها با رانش بیشتر در واحد وزن.
ویژگی های اصلی سوخت موشک
علاوه بر حالت تجمع اجزای آن ، سوخت موشک با شاخص های زیر مشخص می شود:
- انگیزه خاص رانش ؛
- پایداری حرارتی؛
- پایداری شیمیایی؛
- سمیت بیولوژیکی ؛
- تراکم ؛
- دودی
نیروی محرکه خاص سوخت موشک به فشار و دما در محفظه احتراق موتور و همچنین ترکیب مولکولی محصولات احتراق بستگی دارد. علاوه بر این ، ضربه خاص بستگی به نسبت انبساط نازل موتور دارد ، اما این بیشتر به محیط خارجی فناوری موشک (جو هوا یا فضای بیرونی) مربوط می شود.
افزایش فشار از طریق استفاده از مواد سازه ای با استحکام بالا (آلیاژهای فولادی برای موتورهای موشک و ارگانوپلاستیک ها برای پیشرانه های جامد) ایجاد می شود. در این جنبه ، موتورهای موشکی با سوخت مایع به دلیل فشردگی پیشرانه خود در مقایسه با بدنه موتور سوخت جامد که یک محفظه احتراق بزرگ است ، از پیشرانه های جامد جلوتر هستند.
دمای بالای محصولات احتراق با افزودن فلز آلومینیوم یا یک ترکیب شیمیایی - هیدرید آلومینیوم به سوخت جامد حاصل می شود. سوختهای مایع تنها در صورت غلیظ شدن با افزودنیهای خاص می توانند از چنین افزودنیهایی استفاده کنند. حفاظت حرارتی موتورهای موشک پیشرانه مایع با خنک سازی با سوخت ، حفاظت حرارتی پیشرانهای جامد-با اتصال محکم بلوک سوخت به دیواره های موتور و استفاده از درجهای فرسودگی ساخته شده از کامپوزیت کربن-کربن در بخش حساس نازل
ترکیب مولکولی محصولات احتراق / تجزیه سوخت بر میزان جریان و حالت تجمع آنها در خروجی نازل تأثیر می گذارد. هرچه وزن مولکولها کمتر باشد ، سرعت جریان بیشتر می شود: ترجیح ترین محصولات احتراق مولکولهای آب هستند ، پس از آنها نیتروژن ، دی اکسید کربن ، اکسیدهای کلر و دیگر هالوژنها وجود دارد. حداقل آلومینا ترجیح داده می شود ، که در نازل موتور به حالت جامد متراکم می شود و در نتیجه حجم گازهای منبسط کننده را کاهش می دهد. علاوه بر این ، کسر اکسید آلومینیوم به دلیل ساییدگی ساینده کارآمدترین نازل های سهموی لاوال ، استفاده از نازل های مخروطی را مجبور می کند.
برای سوخت های موشکی نظامی ، پایداری حرارتی آنها به دلیل طیف وسیعی از دمای عملیات فناوری موشک از اهمیت ویژه ای برخوردار است. بنابراین ، سوختهای مایع برودتی (اکسیژن + نفت سفید و اکسیژن + هیدروژن) فقط در مرحله اولیه توسعه موشکهای قاره پیما (R-7 و Titan) و همچنین برای پرتاب وسایل نقلیه فضایی قابل استفاده مجدد (شاتل فضایی و Energia) برای پرتاب ماهواره ها و سلاح های فضایی به مدار زمین کم در نظر گرفته شده است.
در حال حاضر ، ارتش از سوخت مایع منحصراً بر اساس نیتروژن تتروکسید (AT ، اکسید کننده) و دی متیل هیدرازین نامتقارن (UDMH ، سوخت) استفاده می کند. پایداری حرارتی این جفت سوخت با نقطه جوش AT (+ 21 درجه سانتی گراد) تعیین می شود ، که استفاده از این سوخت توسط موشک ها را در شرایط ترموستات در سیلوهای موشکی ICBM و SLBM محدود می کند. به دلیل تهاجمی بودن اجزاء ، فناوری تولید و کارکرد تانک های موشکی تنها در اختیار یک کشور در جهان است - اتحاد جماهیر شوروی / RF (ICBMs "Voevoda" و "Sarmat" ، SLBMs "Sineva" و " آستر "). به عنوان یک استثنا ، AT + NDMG به عنوان سوخت موشک های کروز هواپیماهای Kh-22 Tempest استفاده می شود ، اما به دلیل مشکلات در عملکرد زمینی ، Kh-22 و نسل بعدی Kh-32 آنها برنامه ریزی شده است که با جت جایگزین شوند. موشک های کروز زیرکون از نفت سفید به عنوان سوخت استفاده می کنند.
ثبات حرارتی سوخت های جامد عمدتا توسط خواص مربوطه حلال و اتصال دهنده پلیمری تعیین می شود. در ترکیب سوخت های بالستیت ، حلال نیتروگلیسیرین است که در یک محلول جامد با نیتروسلولوز دارای محدوده دمای عملکرد از منفی تا 50 درجه سانتی گراد است. در سوخت های مخلوط ، لاستیک های مصنوعی مختلف با محدوده دمای کارکرد یکسان به عنوان چسب پلیمری استفاده می شوند.با این حال ، پایداری حرارتی اجزای اصلی سوخت های جامد (آمونیوم دینیترامید + 97 درجه سانتی گراد ، هیدرید آلومینیوم + 105 درجه سانتی گراد ، نیتروسلولوز + 160 درجه سانتی گراد ، پرکلرات آمونیوم و HMX + 200 درجه سانتی گراد) به طور قابل توجهی از ویژگی مشابه چسباننده های شناخته شده فراتر می رود. ، و بنابراین جستجوی مناسب برای ترکیبات جدید آنها است.
از نظر شیمیایی پایدارترین جفت سوخت AT + UDMG است ، زیرا یک فناوری منحصر به فرد داخلی ذخیره سازی آمپول دار در مخازن آلومینیومی تحت فشار بیش از حد نیتروژن برای مدت تقریبا نامحدود برای آن ایجاد شده است. همه سوختهای جامد به دلیل تجزیه خود به خود پلیمرها و حلالهای تکنولوژیکی آنها به مرور زمان از بین می روند و پس از آن الیگومرها با سایر اجزای سوخت پایدارتر وارد واکنشهای شیمیایی می شوند. بنابراین ، چکرهای سوخت جامد نیاز به جایگزینی منظم دارند.
جزء سمی بیولوژیکی سوخت موشک UDMH است که بر سیستم عصبی مرکزی ، مخاط چشم و دستگاه گوارش انسان تأثیر می گذارد و سرطان را تحریک می کند. در این راستا ، کار با UDMH در جداسازی لباس های حفاظتی شیمیایی با استفاده از دستگاه تنفس خودکار انجام می شود.
مقدار چگالی سوخت به طور مستقیم بر جرم مخازن سوخت LPRE و بدنه موشک جامد سوخت تأثیر می گذارد: هرچه چگالی بیشتر باشد ، جرم انگلی موشک کمتر است. کمترین چگالی جفت سوخت هیدروژن + اکسیژن 0.34 گرم در متر مکعب است. سانتی متر ، یک جفت نفت سفید + اکسیژن دارای چگالی 1.09 گرم در متر مکعب است. سانتی متر ، AT + NDMG - 1 ، 19 گرم / مکعب سانتی متر ، نیتروسلولز + نیتروگلیسیرین - 1.62 گرم / مکعب سانتی متر ، آلومینیوم / آلومینیوم هیدرید + پرکلرات / آمونیوم دینیترامید - 1.7 گرم در سی سی ، HMX + پرکلرات آمونیوم - 1.9 گرم / سی سی. در این مورد ، باید در نظر داشت که موتور موشک جامد احتراق محوری ، چگالی بار سوخت تقریباً دو برابر چگالی سوخت به دلیل بخش ستاره ای شکل کانال احتراق ، مورد استفاده قرار می گیرد. برای حفظ فشار ثابت در محفظه احتراق ، صرف نظر از میزان سوختن سوخت. همین امر در مورد سوخت های بالستیک نیز صادق است که به صورت مجموعه ای از کمربندها یا چوب ها برای کوتاه کردن زمان سوزاندن و فاصله شتاب راکت ها و موشک ها ایجاد می شود. در مقابل آنها ، چگالی شارژ سوخت در موتورهای موشک پیشرانه جامد احتراق نهایی بر اساس HMX با حداکثر چگالی مشخص شده برای آن مطابقت دارد.
آخرین ویژگی اصلی سوخت موشک ، دود محصولات احتراق است که از نظر بصری پرواز موشک و موشک را پنهان می کند. این ویژگی ذاتی سوخت جامد حاوی آلومینیوم است که اکسیدهای آن در حالت انبساط در نازل موتور موشک به حالت جامد متراکم می شود. بنابراین ، این سوخت ها در پیشرانه های جامد موشک های بالستیک استفاده می شود که بخش فعال مسیر آن خارج از دید دشمن است. موشک های هواپیما از سوخت HMX و آمونیوم پرکلرات ، موشک ، نارنجک و موشک های ضد تانک - با سوخت بالستیک استفاده می کنند.
انرژی سوخت موشک
برای مقایسه قابلیت های انرژی انواع سوخت موشک ، لازم است شرایط احتراق قابل مقایسه ای را برای آنها در قالب فشار در محفظه احتراق و نسبت انبساط نازل موتور موشک برای آنها تعیین کنید - به عنوان مثال ، 150 اتمسفر و 300 برابر گسترش سپس ، برای جفت / سه گانه سوخت ، انگیزه خاص خواهد بود:
اکسیژن + هیدروژن - 4.4 کیلومتر در ثانیه ؛
اکسیژن + نفت سفید - 3.4 کیلومتر در ثانیه ؛
AT + NDMG - 3.3 کیلومتر در ثانیه ؛
آمونیوم دینیترامید + هیدروژن هیدرید + HMX - 3.2 کیلومتر در ثانیه ؛
آمونیوم پرکلرات + آلومینیوم + HMX - 3.1 کیلومتر در ثانیه ؛
پرکلرات آمونیوم + HMX - 2.9 کیلومتر در ثانیه ؛
نیتروسلولز + نیتروگلیسیرین - 2.5 کیلومتر در ثانیه
سوخت جامد بر اساس آمونیوم دینیترامید یک توسعه داخلی در اواخر دهه 1980 است ، از آن به عنوان سوخت برای مراحل دوم و سوم موشک های RT-23 UTTKh و R-39 استفاده می شود و هنوز از نظر ویژگی های انرژی توسط بهترین نمونه ها پیشی گرفته نشده است. از سوخت خارجی بر اساس پرکلرات آمونیوم استفاده می شود در موشک های Minuteman-3 و Trident-2.آمونیوم دینیترامید یک ماده منفجره است که حتی از تابش نور منفجر می شود ؛ بنابراین ، تولید آن در اتاقهایی انجام می شود که توسط لامپهای قرمز کم قدرت روشن می شوند. مشکلات تکنولوژیکی اجازه نمی دهد که بر فرایند تولید سوخت موشک در هر نقطه از جهان ، به جز اتحاد جماهیر شوروی مسلط شود. نکته دیگر این است که فناوری شوروی به طور معمول فقط در کارخانه شیمیایی پاولوگراد ، واقع در منطقه Dnepropetrovsk در SSR اوکراین اجرا می شد و در دهه 1990 پس از تبدیل کارخانه به تولید مواد شیمیایی خانگی از بین رفت. با این حال ، با توجه به ویژگی های تاکتیکی و فنی سلاح های امیدوار کننده از نوع RS-26 "روبژ" ، این فناوری در دهه 2010 در روسیه بازسازی شد.
نمونه ای از ترکیب بسیار م isثر ، ترکیب سوخت جامد موشک از ثبت اختراع روسیه شماره 2241693 است که متعلق به کارخانه واحد دولتی فدرال پرم به نام سانتی متر. کیروف :
عامل اکسید کننده - آمونیوم دینیترامید ، 58 ؛
سوخت - هیدرید آلومینیوم ، 27؛ ؛
نرم کننده - nitroisobutyltrinitrateglycerin ، 11 ، 25 ؛
چسب - لاستیک پلی بوتادین نیتریل ، 2 ، 25؛ ؛
سخت کننده - گوگرد ، 1.49؛ ؛
تثبیت کننده احتراق - آلومینیوم فوق العاده ، 0.01؛ ؛
مواد افزودنی - سیاه کربن ، لسیتین و غیره
چشم اندازهای توسعه سوخت موشک
جهت اصلی توسعه سوخت های موشک مایع عبارتند از (به ترتیب اولویت اجرا):
- استفاده از اکسیژن فوق سرد به منظور افزایش چگالی اکسید کننده ؛
- انتقال به اکسیژن بخار سوخت + متان ، که جزء قابل احتراق آن 15٪ انرژی بالاتر و 6 برابر ظرفیت حرارتی بهتر از نفت سفید دارد ، با توجه به این واقعیت که مخازن آلومینیوم در دمای متان مایع سخت می شوند.
- افزودن ازن به ترکیب اکسیژن در سطح 24 به منظور افزایش نقطه جوش و انرژی اکسید کننده (بخش زیادی ازن منفجره است) ؛
- استفاده از سوخت تیکسوتروپیک (غلیظ شده) که اجزای آن حاوی سوسپانسیون پنتابوران ، پنتافلوراید ، فلزات یا هیدریدهای آنها است.
اکسیژن فوق خنک در حال حاضر در خودرو پرتاب کننده فالکون 9 استفاده می شود ؛ موتورهای موشکی با اکسیژن + متان در روسیه و ایالات متحده در حال توسعه هستند.
جهت اصلی در توسعه سوختهای موشکی جامد ، انتقال به اتصال دهنده های فعال حاوی اکسیژن در مولکولهای آنها است که باعث بهبود تعادل اکسیداسیون پیشرانهای جامد به طور کلی می شود. یک نمونه داخلی مدرن از چنین چسبان ، ترکیب پلیمری "Nika-M" است که شامل گروههای حلقوی دی نیتریل دی اکسید و بوتیلن دیول پلی اورتوران است که توسط موسسه تحقیقاتی دولتی "Kristall" (Dzerzhinsk) توسعه یافته است.
جهت امیدوارکننده دیگر گسترش دامنه مواد منفجره نیترامین مورد استفاده است که در مقایسه با HMX (منهای 22 درصد) تعادل اکسیژن بالاتری دارند. اول از همه ، اینها hexanitrohexaazaisowurtzitane (Cl-20 ، تعادل اکسیژن منهای 10) و octanitrocubane (تعادل اکسیژن صفر) است که چشم انداز آنها بستگی به کاهش هزینه تولید آنها دارد-در حال حاضر Cl-20 یک مرتبه گرانتر است اکتونیتروکوبان نسبت به HMX گرانتر از Cl -twenty است.
علاوه بر بهبود انواع اجزای شناخته شده ، تحقیقاتی نیز در جهت ایجاد ترکیبات پلیمری در حال انجام است که مولکول های آنها منحصراً از اتم های نیتروژن متصل به یکدیگر با پیوندهای واحد تشکیل شده است. در نتیجه تجزیه یک ترکیب پلیمری تحت اثر حرارت ، نیتروژن مولکول های ساده ای از دو اتم را ایجاد می کند که با پیوند سه گانه به هم متصل شده اند. انرژی آزاد شده در این حالت دو برابر انرژی مواد منفجره نیترامین است. برای اولین بار ، ترکیبات نیتروژن با یک شبکه کریستالی شبیه الماس در سال 2009 توسط دانشمندان روسی و آلمانی طی آزمایش بر روی یک کارخانه آزمایشی مشترک تحت فشار 1 میلیون اتمسفر و دمای 1725 درجه سانتی گراد به دست آمد. در حال حاضر ، کار برای دستیابی به حالت پایدار پلیمرهای نیتروژن در فشار و دمای معمولی در حال انجام است.
اکسیدهای نیتروژن بالاتر ترکیبات شیمیایی حاوی اکسیژن امیدوار کننده هستند. اکسید نیتریک معروف V (یک مولکول مسطح که شامل دو اتم نیتروژن و پنج اتم اکسیژن است) به دلیل نقطه ذوب پایین (32 درجه سانتی گراد) به عنوان جزء سوخت جامد هیچ ارزش عملی ندارد. تحقیقات در این راستا با جستجوی روشی برای سنتز اکسید نیتریک VI (هگزاکسید تترا نیتروژن) انجام می شود ، که مولکول چارچوبی آن به شکل چهار وجهی است ، که در راس آن چهار اتم نیتروژن به هم متصل شده اند. شش اتم اکسیژن در لبه های چهارضلعی واقع شده است. بسته شدن کامل پیوندهای بین اتمی در مولکول اکسید نیتریک VI امکان پیش بینی افزایش ثبات حرارتی را برای آن ، مشابه اوروتروپین ، فراهم می آورد. تعادل اکسیژن نیتریک اکسید VI (به علاوه 63)) باعث می شود که وزن مخصوص اجزای پرانرژی مانند فلزات ، هیدریدهای فلزی ، نیترامین ها و پلیمرهای هیدروکربنی در سوخت موشک جامد به میزان قابل توجهی افزایش یابد.
