СИЛА И СЛАБОСТЬ ХИМИИ 3


Очевидно, для такой цели кислород часто может оказаться непригодным — к тому моменту, когда он понадо

бится, в баке уже не останется ни капли этой прозрачной голубоватой жидкости. Понятно, что это относится и к другим ракетным топливам, представляющим собой криогенные, т. е. низкокипящие жидкости. Правда, с помощью хорошей теплоизоляции эти потери на испарение можно существенно уменьшить.

Азотная кислота и перекись водорода не обладают таким недостатком и поэтому являются «сохраняющимися» *) окислителями. Этим в большой мере объясняется их прочное положение в ракетной технике, несмотря на существенно меньшую скорость истечения, которую они обеспечивают.

Таким же «сохраняющимся» является и еще один окислитель, получивший некоторое применение, хотя предложен он был в нашей стране почти три десятилетия назад. Речь идет о четырехокиси азота или азоттетроксиде (N2O4). Он обладает большей теплопроизводительностью с теми же горючими, чем азотная кислота и, тем более, перекись водорода, и большим удельным весом, чём жидкий кислород, но некоторые эксплуатационные недостатки — относительно низкая температура кипения (21° С) и высокая температура замерзания (минус 11°)—препятствуют его широкому применению.

Если применяющиеся в настоящее время жидкие окислители можно легко пересчитать по пальцам, то иначе обстоит дело с горючими. Применение получили самые разные горючие, здесь налицо огромный выбор. Но ведущее место среди них занимают предложенные еще Циолковским жидкие углеводороды — различные продукты переработки нефти. Нефть, послужившая основой для развития авиации и автомобильного транспорта, дает отличные топлива и для ракетной техники, главным образом керосин, а также бензин и другие углеводороды. На углеводородном горючем (окислителем служил жидкий кислород либо четырехокись азота) работал и первый советский жидкостный ракетный двигатель, созданный еще в 1930 г. в Газодинамической лаборатории в Ленинграде; на нем же (с жидким кислородом) работал двигатель первой советской жидкостной ракеты, запущенной 17 августа 1933 г.; на керосине (с азотной кислотой)—двигатель первого в мире ракетопланера, летавшего у нас

) Часто применяют термин «долгохранимые».

Ш стране под управлением летчика В. П. Федорова 28 февраля 1940 г.

Широко применялся некоторое время тому назад также спирт — на нем, в частности, работали двигатели ракет «ФАУ-2», однако спирт менее теплопроизводителен и почти полностью вытеснен углеводородами. В последние годы за рубежом, главным образом в США, находят применение азотоводородные горючие, например, аммиак (NH3), гидразин (N2H4) и различные их производные, в частности, несимметричный диметилгидразин ((CH3)2NNH2) и др.

Какие же значения удельного импульса характерны для применяющихся в настоящее время топлив раздельной подачи? Об этом можно судить по приводимой таблице (как указывалось выше, приводятся теоретические максимальные значения удельного импульса /):

Топливо J, сек

Кислород с бензином ............. 450

Кислород с этиловым спиртом........ 430

Перекись водорода с бензином........ 380

Перекись водорода с этиловым спиртом . . . 340

Азотная кислота с керосином......... 370

Реально достижимые в двигателях значения удельного импульса значительно меньше приведенных в таблице и составляют примерно 60—70% от них. Так, например, для кислорода с бензином это значение составляет примерно 310—320 сек, для кислорода с гидразином несколько больше, примерно 350 сек. Вот эти-то значения удельного импульса, не превышающие 350—360 сек, и характеризуют практически лучшие достижения ракетной техники, полученные с помощью «обычных» жидких ракетных топлив раздельной подачи. Именно им во многом обязана ракетная техника прославившими ее замечательными победами.

Жидкостные ракетные двигатели, работающие на указанных выше топливах, достигли к настоящему времени высокой степени совершенства и представляют собой поистине одно из чудес нашего времени. Эти двигатели — сердце современной ракетной техники. Уже созданы двигатели, развивающие тягу в десятки и даже сотни тонн (рис. 5), способные работать непрерывно в течение многих

Рис. 5“. Советский жидкостный ракетный двигатель РД-107 тягой (в пустоте) 102 т. Двигатель работает на жидком кислороде и керосине и развивает удельный импульс 314 сек. Пять таких двигателей были установлены на космической ракете-носителе «Восток»,

минут (очень небольшие двигатели могут работать даже многие часы подряд)) и поглощающие ежесекундно сотни килограммов, а то и тонны топлива. Еще совсем недавно такие данные показались бы просто невероятными...

Однако даже эти двигатели пасуют перед трудностями космического полета. Верно, что с их помощью уже удалось достичь многого — запустить первые искусственные спутники Земли и первые космические ракеты. Несомненно и то, что в самом недалеком будущем этот список побед будет значительно увеличен. И все же с помощью существующих двигателей и топлив межпланетный полет человека практически невозможен. Действительно, по расчетам ученых) при современном состоянии развития ракетной техники для межпланетного полета человека с возвращением на Землю понадобится ракетный поезд, масса которого при взлете с Земли составит ... несколько миллионов тонн! Создание такой ракетной системы, конечно, возможно, но мало вероятно. Чтобы уменьшить взлетную массу или увеличить долю полезного груза во взлетной массе, необходимо увеличивать удельный импульс: это — основной путь уменьшения затрат топлива на совершение полета.

Но, может быть, в перспективе химия, используя все свои возможности, все же сможет решить эту задачу? Каковы еще не использованные, скрытые ресурсы химии, которые можно было бы поставить на службу ракетной технике?

Так, например, в этой связи приходит мысль, что, может быть, решение проблемы связано не с рассмотренными выше двухкомпонентными жидкими топливами, а с унитарными жидкими и твердыми химическими топливами. Как известно, такие топлива уже весьма широко применяются в ракетной технике. В их число, как указывалось выше, входят и однокомпонентные топлива, и смеси различных веществ, или, как их часто называют, твердые и жидкие пороха.

*) Фирма Марквардт, например, провела испытание своего неох-лаждаемого двигателя тягой 90 кГ непрерывно в течение 17 час. 22 мин.

) См., например, статью акад. Л. И. Седова в газете «Правда» 12 июня 1957 г.

Однако легко убедиться в ошибочности этой мысли. Хотя унитарные топлива различного типа играют все большую роль в ракетной технике, да и в космонавтике тоже, и эта их роль будет, несомненно, и в дальнейшем возрастать, все же не с ними связано будущее космонавтики.

Из однокомпонентных жидких ракетных топлив в настоящее время получили применение такие вещества, как перекись водорода (уже не в качестве окислителя), нитрометан, изопропилнитрат и некоторые другие. Однако за весьма редким исключением эти жидкости применяются не в качестве собственно топлив для ракетных двигателей, а используются в ракетных системах для различных вспомогательных нужд. Так, например, на этих топливах работают газогенераторные установки, питающие горячими газами турбины для привода топливных насосов в так называемых турбонасосных агрегатах. Применяются эти топлива во вспомогательных силовых установках ракет, необходимых для привода различных агрегатов: электрогенераторов, гидронасосов и т. д. Используются они в системах управления ракет и для других подобных целей, но не в самих ракетных двигателях. Это объясняется просто — теплопроизводительность таких топлив значительно меньше, чем у двухкомпонентных. Если бы она была большой, то подобные топлива не могли бы даже существовать, так как были бы неустойчивыми и со взрывом распадались от малейшего толчка или иного воздействия. Значит, и перспектив здесь никаких нет.

То же относится, по существу, и к унитарным многокомпонентным жидким топливам, т. е. представляющим собой растворы двух или большего числа различных жидких компонентов топлива. Из таких топлив за рубежом находят некоторое применение растворы аммиака и окиси азота, нитрометана и углеводородных горючих и др. И эти топлива, хотя и весьма выгодные в отношении эксплуатационной простоты и обладающие другими качествами, которые позволяют рассчитывать на их применение и в будущем, имеют и должны неизбежно иметь меньшую тепло-производительность, чем топлива раздельной подачи, впервые вступающие в контакт только в камере сгорания двигателя.

Значит, будущее космонавтики не может быть связано и с этими топливами.

Остаются твердые топлива. Они вызывают, на первый взгляд, особый интерес, ибо в настоящее время, как указывается в зарубежной печати, старые оценки этого древнейшего ракетного топлива во многом меняются. До последнего времени твердые топлива применялись в основном лишь в ракетной артиллерии «ближнего боя», т. е. для ракет с небольшой дальностью полета. Несмотря на бесспорные эксплуатационные достоинства таких топлив, связанные прежде всего с возможностью снаряжения ракет непосредственно на заводе-изготовителе с последующим длительным хранением до момента использования, их применение для мощных дальних ракет — и тем более в космонавтике — всерьез не рассматривалось. Однако в последние годы, это положение изменилось. Появились тяжелые ракеты значительной дальности и даже межконтинентальные баллистические ракеты на твердом топливе (рис. 6). Ракетные двигатели твердого топлива стали все шире применяться и в космонавтике — в качестве мощных стартовых ускорителей и на последних ступенях многоступенчатых ракет. Есть даже случаи, правда, пока еще редкие, вывода на орбиту искусственных спутников с помощью космической ракеты-носителя, имеющей на всех ступенях только ракетные двигатели твердого топлива. Такой ракетой-носителем является, например, американская четырехступенчатая ракета «Скаут».

Такой пересмотр взглядов на ракетные двигатели твердого топлива и их роль в ракетной технике и космонавтике связан, с одной стороны, с выявившимися серьёзными трудностями эксплуатации мощных жидкостных ракет, а с другой, — с прогрессом в развитии твердого топлива. Этот прогресс коснулся главным образом самих топлив — их характеристик и методов снаряжения ими ракет. Решающую роль здесь сыграло освоение технологического процесса отливки зарядов топлива непосредственно в камеру сгорания двигателя, что позволило изготовлять эти камеры из простой стали и делать их относительно тонкостенными)- Секрет тут прост — топливный заряд в этом случае горит изнутри и защищает стенки от непосредственного воздействия раскаленных газов — продуктов сгорания. Но совсем не простым было освоение такого

*) Aviation Week, 1962, 77, № 13,

метода изготовлений ракет: длй этого понадобились разработка новых пластичных топлив, отработка ряда сложных новых технологических процессов, создание нового

Рис. 6. Размеры и тяга пороховых двигателей быстро увеличиваются (США).

а) ^Стартовый самолетный двигатель (1941 г.) тягой 11 кГ (в руках) и двигатель весом 10 400 кГ первой ступени четырехступенчатой ракеты «Скаут» (Interavia, № 6, 1958); б) двигатель диаметром 3050 мм, развивший при испытании в мае 1962 г. тягу 180 Т. Вес заряда топлива 78 Т (Aviation Week, № 21, 76, 1962; Aerospace, № 6, 1962).

оборудования. Кстати сказать, идея разгрузки корпуса Двигателя от непосредственного воздействия давления и температуры горящих газов привела к разработке ряда двигателей, практически вовсе не имеющих корпуса

6 обычном, старом Представлении. Так, например, в ряде конструкций корпус изготовляется из пропитанного синтетической смолой стекловолокна, обычно методом намотки). В последнее время разрабатываются двигатели, изготовление которых как бы ставится с ног на голову: вместо того, чтобы заряд топлива заливался в корпус, сначала полностью готовится литой заряд, а затем прямо на нем образуется своеобразный корпус путем электролитического осаждения какого-либо высокопрочного металла, например, никеля). Но, пожалуй, пределом в этом отношении являются проекты вовсе «бескорпусных» двигателей, имеющих оболочку из сравнительно более прочного и медленно горящего твердого топлива ). Разумеется, что таким образом может быть обеспечено достижение рекордно высокого значения числа Циолковского. А вместе с тем решается и другая задача — на Землю перестают падать опасные для жизни людей части ракет.

Удалось добиться за последние годы и существенного увеличения удельного импульса твердых ракетных топлив, главным образом в результате применения вместо старых двухосновных новых смесевых (или составных) топлив, представляющих собой тонкую механическую смесь неорганического окислителя и органического полимерного горючего — связки ).

За рубежом практически достигнуты значения удельного импульса порядка 220—240 сек. Для применяющегося сейчас там топлива, состоящего из перхлората аммония в качестве окислителя и полиуретана в качестве горючего достижимо максимальное значение удельного импульса порядка 260—270 сек. Таким образом, в отношении удельного импульса отставание твердых топлив от жидких значительно сократилось).

Все эти обстоятельства, вместе со значительно большей надежностью и простотой, меньшими размерами и весом ракет твердого топлива по сравнению с жидкостными ракетами и привели к значительному повышению интереса

*) Space/Aeronautics, XII, 1965, стр. 75.

) Technology Week, 8. V. 1967, стр. 41.

) Product Engineering, 12. IX. 1966; Machine Desing, 3. II. 1966.

) Aviation Week, 1960, 72, № 14.

) Следует отметить, что новые топлива, например, полиуретано- • вые, имеют весьма сложный состав — в них входит 12—14 компонентов (Astronautics, III, 1962).

к этим ракетам й появлению ряда таких ракет с весьма прогрессивными характеристиками. В США, например, существуют ракеты на твердом топливе диаметром 3 м и проектируются мощные ракетные двигатели твердого топлива диаметром 7 м и даже больше, тягой более двух тысяч тонн ).

Возможно и дальнейшее повышение удельного импульса твердых ракетных топлив; в этом направлении за рубежом ведутся настойчивые исследования. В частности, указывается, что добавление к таким топливам металлов, например, алюминия, бора или бериллия, может привести к увеличению удельного импульса на 10—15%, так что станут возможны значения удельного импульса порядка 300—350 сек. Такие значения уже достигаются при испытаниях). А по прогнозам некоторых американских ученых в будущем, к 2000 г., окажутся возможными даже значения 350—450 сек).

И все же, несмотря на свои достоинства и, несомненно, все более широкое применение в будущем, твердые топлива всегда будут уступать лучшим жидким топливам раздельной подачи в отношении удельного импульса. Это объясняется тем, что такие топлива представляют собой смесь уже частично прореагировавших веществ с соответственно уменьшенной химической энергией. Кроме того, до сих пор остается практически нерешенной задача регулирования величины тяги, а также проблема возможности повторных запусков двигателя твердого топлива, хотя и в этом отношении в последнее время, судя по сообщениям зарубежной печати, появились некоторые обнадеживающие перспективы).

Поэтому понятно, что надежды космонавтики связаны в основном не с твердыми топливами, хотя и здесь остается еще одна возможность, о которой будет идти речь ниже. Очевидно, что наибольшая величина удельного импульса может быть получена все же с помощью тех топлив, которые и сейчас являются основными для космонавтики — жидких топлив раздельной подачи. Конечно, при этом имеется в виду дальнейшее усовершенствование таких

0 Machine Design, 27. IV. 1967, стр. 26.

) Space/Aeronautics RaD., 1966, стр. 100.

) Реферативный журнал «Исследование космического пространства», I, 1968, реф. 1.62.442.

) VDI-Zeitschrift, 1967, т. 109, № 12 и др.

топлив. Однако существуют ли возможности подобного усовершенствования?

Оказывается, существуют, и весьма серьезные. Химия еще далеко не сказала своего последнего слова в этом отношении. Не удивительно, что в десятках лабораторий мира ведется интенсивное исследование многих сотен различных компонентов новых высококалорийных жидких ракетных топлив, с помощью которых может быть достигнута значительно большая скорость истечения.

Поскольку число возможных окислителей несравненно меньше, чем горючих, то снова целесообразно начать

именно с перспективных окислителей. На первый взгляд, казалось бы, даже сама постановка вопроса о лучших

окислителях, чем жидкий кислород, должна вызывать

удивление. Нельзя же, в самом деле, быть более правоверным, чем сам пророк Магомет! Однако в данном

случае эта старая истина оказывается несостоятельной. Идеальный окислитель — кислород должен скромно уступить свое место лучшему, даже лучшим, ибо такие существуют.

И прежде всего таким лучшим оказывается... снова кислород! Действительно, тот же самый кислород может с одним и тем же горючим вступить в значительно более теплопроизводительную реакцию. Для этого нужно только связать в молекуле не по два, как обычно, а по три атома кислорода. Мы знаем вещество, которое при этом получается,— оно носит название озона). Все дело в том, какая из обеих молекул, кислорода и озона, более прочно «сбита» из атомов, т. е. в какой из них больше энергия связи атомов, входящих в молекулу. Чтобы разбить каждую из этих молекул на составляющие их атомы кислорода, нужно затратить значительную энергию. Но, оказывается, молекула кислорода более прочна, затрата энергии на ее разложение, т. е. диссоциацию, больше (в расчете на один атом кислорода), чем для молекулы озона. Это значит, что энергия связи атомов в молекуле озона меньше. Понятно поэтому, что молекула озона Оз образуется из обычного кислорода О2 с затратой энергии, т. е. представляет собой эндотермическое химическое вещество.

*) Озон в качестве окислителя ракетных топлив предложен К. Э. Циолковским в 1914 г.

Так, например, в земной атмосфере на больших высотах образование озона, являющегося спасительным для всего живущего на Земле (он защищает от вредного действия ультрафиолетового излучения Солнца), происходит с использованием энергии коротковолнового излучения.

Образуется озон в природе и под действием электрического разряда. Этим объясняется специфический «грозовой» запах — он вызывается озоном, образующимся при вспышках молнии. Электрический заряд или высокочастотные колебания используются для этой цели и в промышленных установках. Но если для образования молекулы озона затрачивается энергия, то при распаде этой молекулы затраченная энергия снова выделяется, как это происходило, например, в рассмотренном выше примере с перекисью водорода. Поэтому общая химическая энергия, освобождающаяся при реакции сгорания с участием озона, будет больше, чем для простого кислорода, примерно на одну четверть (указывается величина 719 ккал/кг *)). Больше будет, соответственно, и удельный импульс. Если учесть, что жидкий озон обладает и большим удельным весом, чем жидкий кислород (1,35 против 1,14 у кислорода), а его температура кипения выше (минус 112° против минус 183° С), то станет очевидно преимущество жидкого озона в качестве окислителя в ракетной технике по сравнению с жидким кислородом. К сожалению, однако, столь же существенны и недостатки жидкого озона. Главный из них — исключительная химическая неустойчивость, нестабильность жидкого озона. Даже малейший удар, толчок, тепловое или иное воздействие приводит обычно к взрыву озона. Иногда взрыв, кажется, происходит без всякого видимого повода. Это сущий дьявол, как о нем говорят химики. При взрыве возникает движущаяся с огромной скоростью — по некоторым данным более 200 км/сек) — детонационная волна и развивается разрушающее детонационное давление более 4000 атм). Понятно, насколько затруднительно, даже практически невозможно использование озона в качестве ракетного топлива. И все же проблема стабилизации жидкого озона, задача обеспечения

*) Raketentechnik und Raumfahrtforschung, № 2, 1960. !) Jet Propulsion, V, 1956.

) Missiles and Rockets, 9. IJ. 1959.

его необходимой устойчивости не является безнадежной. Об усиленных исследованиях в этом направлении, ведущихся, в частности, в США, уже примерно в течение 20 лет часто сообщает зарубежная печать)- Указывается даже, что получены определенные успехи в этом направлении; главное здесь заключается, очевидно, в устранении даже ничтожных загрязнений озона (порядка 20 частей на миллион), являющихся первой причиной его неустойчивости.

В настоящее время ракетная техника еще далека от возможности использовать в качестве окислителя озон, неизвестно даже, придет ли вообще такое время. По некоторым данным сейчас есть практическая возможность применять растворы озона в жидком кислороде) с концентрацией озона в них до 30%. Однако и эти «адские смеси» требуют исключительно осторожного обращения. Имеется, очевидно, принципиальная возможность использования замороженного, т. е. твердого озона в качестве компонента твердых криогенных ракетных топлив; для этого необходима температура минус 195° С. Это только одна из подобных возможностей. Другой такой возможностью является, например, применение так называемых озонидов — достаточно стабильных металлических и органических соединений — в качестве более теплопроизводительной замены применяющихся в настоящее время окислителей твердых смесевых топлив — перхлоратов и нитратов. С их помощью может быть обеспечен, как указывается в зарубежной печати, удельный импульс порядка

325—350 сек).

По величине удельного импульса озон является наилучшим из возможных окислителей. Но лишь немногим уступает ему в этом отношении другой криогенный окислитель, лишенный недостатка, связанного с нестабильностью.

*) Jet Propulsion, HI, 1957; Interavia Air Letter, 10. VIII. 1964, № 5555/ и др.

) Применение таких растворов в ракетной технике предложено в 1930 г. в Газодинамической лаборатории (Ленинград). В последнее время работами советских ученых показана возможность консервации озона и в некоторых органических растворителях, например, фреонах, при низких температурах («Успехи химии», 1967, т. 36, вып. 4).

) Missiles and Rockets, 22. IX. 1958,

Речь идет о жидком фторе, о котором уже упоминалось выше). Если не считать озона, то фтор обеспечивает наибольший из всех окислителей удельный импульс. Это и не удивительно, если учесть, что во всех без исключения случаях фтор выступает в качестве окислителя, не реагируя лишь с благородными газами. Это — самый сильный из известных в природе окислителей, именно ему принадлежит корона «короля окислителей». Недаром он получил свое название — оно происходит от греческого слова «фто-рос», что значит «разрушающий». Как уже указывалось выше, фтор заставляет окисляться даже такие признанные окислители, как кислород или хлор (для этого требуется, правда, некоторый подвод энергии извне). Горючие материалы, такие как дерево и другие, немедленно вспыхивают при внесении в среду фтора. В обычных условиях фтор представляет собой зеленовато-желтый газ с резким неприятным запахом, но при охлаждении до минус 188° С он превращается в сильно ядовитую, плотную (удельный вес 1,51) жидкость, оказывающую сильное воздействие почти на все известные конструкционные материалы). Больший удельный импульс, чем при использовании жидкого кислорода, и значительно больший удельный вес фтора, а также его большое распространение в природе (в этом отношении он занимает 13-е место среди других элементов), делают его весьма перспективным окислителем, несмотря на достаточные серьезные недостатки — ядовитость (в отличие от многих других аналогичных ядов, ядовит не только сам фтор, но и его соединения, в том числе и продукты сгорания, что затрудняет, в частности, огневые испытания двигателей на фторе), химическую агрессивность, большую стоимость. Не удивительно, что в США, например, за последние 10—15 лет производство жидкого фтора быстро развивается (это объясняется также растущим использованием соединений фтора в ряде других отраслей промышленности). Разрабатывается и испытывается ряд двигателей, работающих на жидком фторе ).

) Использование жидкого фтора в качестве окислителя в ра* кетной технике предложено Ф. Цандером в 1932 г.

) Canadian Aeronautical Journal, 1. XII. 1959.

) Экспресс-информация «Астронавтика и ракетодинамика» 13. IX. 1967, вып. 34 и др.

Правда, до сих пор в эксплуатации фтор как единственный окислитель не применяется, однако он уже используется в смеси с жидким кислородом. Добавка к кислороду 30% жидкого фтора позволила, в частности, существенно увеличить тягу маршевого жидкостного ракетного двигателя американской космической ракеты-носителя «Атлас» ).

Наряду с самим жидким фтором перспективными являются и некоторые окислители на базе фтора, в первую очередь трехфтористый хлор (Feed). Хотя это вещество обеспечивает несколько меньший удельный импульс, но зато более плотно (его удельный вес 1,7) и имеет температуру кипения всего минус 12° С, т. е, гораздо более пригодно для длительного хранения, так как оно не сопровождается большими потерями на испарение. Другим перспективным окислителем на базе фтора является его соединение с кислородом — моноокись фтора, или двуфтористый кислород (OF2)) или еще мало изученное своеобразное соединение фтора с озоном). В качестве окислителя для сохраняемых топлив в США разработан пер-хлорилфторид (CIO3F)), но он обеспечивает меньший удельный импульс, чем указанные выше другие соединения фтора. Кстати сказать, как это уже отмечалось выше в отношении озона, фтор в замороженном виде (а также в виде различных соединений с углеродом и легкими металлами)) может быть использован с большим эффектом и в качестве компонента твердых ракетных топлив будущего ).



Электрические межпланетные корабли, Гильзин К.А., 1970



Блондинка за углом смотреть фильм
Маленькая Вера смотреть фильм
Любовь и голуби смотреть фильм