Смесевые ракетные топлива

1. В качестве смесевых топлив используются, как правило, соли неорганических кислот — азотной и хлорной. Их особенность — большой процент кислорода в молекуле. Все они по массе примерно наполовину состоят из кислорода. В обычных условиях они обладают химической стойкостью, но при сильном нагревании способны распадаться с выделением свободного кислорода. Все твёрдые окислители имеют в своём составе, помимо кислорода, атомы химических элементов, способные к окислению. Поэтому при разложении этих окислителей часть кислорода оказывается связанной с этими элементами и свободного кислорода выделяется значительно меньше, чем имеется в молекуле.

Самым распространённым окислителем твёрдых топлив является перхлорат аммония [NH₄ClO₄]. Эта соль представляет собой белый (бесцветный) кристаллический порошок, и разлагается она при нагревании выше 150 ⁰С. На воздухе незначительно увлажняется. Чувствителен к удару и трению, особенно при наличии органических примесей. Может гореть без горючего и взрываться. При горении не выделяет твёрдых веществ, но в его продуктах сгорания содержится агрессивный и довольно ядовитый газ — хлористый водород (HCl), который при наличии влаги образует с ней соляную кислоту. Преимущества перхлората аммония состоят в том, что он обладает невысокой температурой разложения и разлагается только на газообразные продукты с небольшой молекулярной массой, обладает малой гигроскопичностью, доступен, дёшев.

Другим окислителем является перхлорат калия [KClO₄]. Эта соль разлагается при температуре выше 440 ⁰С, на воздухе не увлажняется (негигроскопична), не горит и не взрывается. Весь кислород, содержащийся в её составе, является активным. При сгорании она выделяет твёрдое вещество — хлорид калия, который создаёт плотное дымовое облако. Наличие хлорида калия в продуктах сгорания резко ухудшает свойства ракетных топлив, т. е. условия перехода тепловой энергии в кинетическую в сопле ракетного двигателя.

Ещё один широко используемый окислитель — нитрат аммония[NH₄NO₃] (аммиачная селитра), используется также как азотное удобрение. Представляет собой бесцветный (белый) кристаллический порошок. Разлагается при температуре 243 ⁰С. Способен гореть и взрываться. При сгорании выделяется большое количество только газообразных продуктов. Смеси с органическими веществами способны самовозгораться, поэтому хранение ракетных топлив на его основе представляет серьёзную проблему. Имеет ядовитые свойства.

Приведёнными примерами не исчерпывается перечень возможных окислителей твёрдотопливных ракетных двигателей, в качестве которых могут использоваться, например, перхлораты лития[LiClO₄], нитрозила [NOClO₄] и нитрония [NO₂ClO₄], динитрат гидразина [N₂H₄ Ч 2 NO₃] и др.

2. Горюче-связующие вещества смесевых топлив — это высокомолекулярные органические соединения, или полимеры. Полимерами называются такие соединения, молекулы которых состоят из очень большого числа элементарных звеньев одинаковой структуры. Элементарные звенья соединяются между собой в длинные цепи линейного или разветвлённого строения. Свойства полимера зависят от химического строения элементарных звеньев, их количества и взаимного расположения.

Многие твёрдые полимеры получают из жидких веществ — мономеров, молекулы которых состоят из сравнительно небольшого числа атомов. Мономеры способны самопроизвольно соединяться в длинные цепи — полимеры? этот процесс называется полимеризацией.

Для ускорения полимеризации, или отверждения, применяются некоторые специальные вещества, называемые инициаторами, или отвердителями.

Многие высокомолекулярные соединения способны хорошо смешиваться и склеиваться с порошками (с кристаллическим окислителем и металлическим порошком), а затем превращаться в твёрдую монолитную массу после полимеризации. При нагревании некоторые полимеры размягчаются, становятся вязкотекущими, и в таком виде могут смешиваться с наполнителями, прочно удерживая их. При этом их можно заливать в формы и получать топливные заряды заданных размеров и форм.

Для применения в качестве горюче-связующих веществ удовлетворительными свойствами обладают синтетические соединения типа каучуков, смол и пластмасс, а также тяжёлые нефтепродукты — асфальт и битум. Состав и свойства нефтепродуктов колеблются в очень широких пределах, а нужные механические свойства сохраняются только в небольшом интервале температур. Поэтому чаще употребляются синтетические вещества, имеющие более постоянный состав и лучшие механические свойства. На практике применяют каучуки — полиуретановый, бутадиеновый и полисульфидный смолы — полиэфирную, эпоксидную и карбамидную, а также некоторые пластмассы, в состав которых входят атомы азота, кислорода, серы или хлора.

Основные недостатки полимерных смол и пластмасс как горюче-связующих веществ — малая эластичность и повышенная хрупкость при низких температурах. От этих недостатков в основном свободны синтетические каучуки.

3. Порошкообразные металлы могут вводиться в состав смесевых топлив в качестве дополнительного горючего компонента. Для этого пригодны металлические бериллий, литий, алюминий, магний, а так же некоторые их соединения. В результате введения указанных металлов происходит повышение запаса энергии топлива, т. е. увеличивается удельная тяга двигателей. Кроме того, металлические добавки повышают удельный вес топлива, что улучшает характеристики двигателя и ракеты в целом. При этом следует учитывать, что чем больше содержание металлсодержащего горючего, тем выше температура продуктов их сгорания. Почти все современные смесевые топлива содержат в качестве компонентов металлы.

Наиболее эффективным металлическим горючим является бериллий, однако перспективы применения бериллия очень ограничены, потому что его запасы незначительны, а продукты сгорания весьма ядовиты. Следующий по эффективности металл — литий. Его применение тормозится очень низкой температурой плавления (+186 ⁰С) и самовоспламенением на воздухе в расплавленном состоянии. Самым распространённым и наиболее дешёвым металлическим горючим является алюминий. Применение тонко измельчённого порошка алюминия в смесевых топливах не только повышает удельную тягу двигателей, но и улучшает надёжность их запуска и увеличивает стабильность горения топлива. Магний применяется редко, так как он в топливах даёт малую удельную тягу.

Кроме чистых металлов изучается применение в качестве дополнительных горючих веществ их соединений с водородом (гидридов).

4. Катализаторы и другие добавки вводятся в смесевые топлива в небольших количествах для улучшения процесса горения (сажа, соли некоторых металлов), придания топливу пластичных свойств (растительные, минеральные и синтетические масла), улучшения стойкости при хранении и стабильности состава (диэтилфталат, этилцентралит), облегчения технологии производства.

Технология изготовления зарядов из смесевых топлив включает смешение компонентов топлива, отливку и отверждение. В общем процесс изготовления смесевых топлив проще, чем порохов, однако при изготовлении крупногабаритных зарядов приходится преодолевать большие технологические трудности.