Види ракетного палива: сучасні речовини та перспективні розробки

Відірватися від Землі, набрати швидкість, достатню, щоб вийти на орбіту – це потребує колосальних витрат палива. майже 308 тонн – лише одинадцять відсотків від загальної маси виходять у космос із корисним навантаженням. Понад 270 тонн палива згоряє, щоб «Союз» подолав тяжіння.

У матеріалі «Наукової Росії» про види ракетного палива, які використовують сьогодні, та про перспективні розробки.

Тверде ракетне паливо

Сьогодні димний порох використовують в основному в петардах, салютах та інших піротехнічних виробах, хоча спочатку саме він був першим ракетним паливом. ери.

Тверде ракетне паливо - це речовина, або суміш речовин, які здатні горіти без доступу кисню, при цьому виділяючи досить багато газу. . Недоліки таких двигунів - це невисокий питомий імпульс, труднощі в керування тягою двигуна та його повторним запуском; високий рівень вібрацій при роботі.Через недоліки твердопаливних двигунів, першими в космос полетіли саме ракети з двигунами на рідкому паливі, хоча тверді горючі суміші були винайдені раніше.

Твердопаливні прискорювачі використовували при запуску американських шатлів - два таких пристрої, довжиною сорок п'ять з половиною метрів і загальною масою 1180 тонн розганяли кораблі і відокремлювалися на висоті близько сорока п'яти кілометрів приблизно через дві хвилини після запуску: вони спускалися на парашутах і після заправки. .

Сучасні тверді палива – це суміш горючих речовин та окислювача. Для ракетобудування підходить багато, але більшість засновані на окислювачах, які здатні взаємодіяти з різним пальним. Це можуть бути перхлорати амонію, літію або калію. Або нітрати калію чи амонію. Як пальне використовують метали або їх сплави, наприклад, алюміній, магній, літій та берилій. Можливе використання інших матеріалів: полімерів або смол, як поліетилен, каучук і бітум.

Рідке ракетне паливо

Рідинні реактивні двигуни можуть використовувати як паливо одно-, дво- і трикомпонентні суміші. У них високий питомий імпульс, їх можна зупиняти та повторно запускати, що важливо при маневруванні в космосі, самі ракети на рідинних двигунах виходять легшими. Але вони складніше влаштовані й дорожче: система паливних баків, трубопроводів та насосів потребує більш ретельної підготовки та перевірки у процесі збирання та перед запуском.

Елементи рідкого палива – це пальне та окислювач. Вони подаються з різних баків під тиском через форсунки та перемішуються в камері згоряння.Після займання починається процес горіння, яке триває, поки пальне та окислювач надходять у камеру. Гас, водень, скраплений для закачування в баки та азотно-водневе з'єднання гідразин – основні види пального для рідинних ракетних двигунів. Якщо в якості пального використовують гас або водень, як окислювач застосовують зріджений кисень. Якщо пальним виступає гідразин, то як окислювач використовують чотирикіс азоту - N2O4.

Найчастіше горить водень - з'єднуючись з киснем він виділяє лише тепло і водяні пари. Гас, який очищають, щоб використовувати як пальне, при згорянні виділяє чадний та вуглекислий гази.

Паливо рідинних двигунів може бути однокомпонентним. Через невеликий питомий імпульс і меншу ефективність такі види менш популярні, ніж двокомпонентні суміші, але їх відрізняє простота в конструкції двигуна. Однокомпонентне паливо - це рідина, яка при взаємодії з каталізатором розкладається з утворенням гарячого газу. Це може бути гідразин, який розкладається на аміак і азот, або концентрований пероксид водню, який утворює перегріту водяну пару та кисень. Як каталізатор може виступати, наприклад, окис заліза.

Паливо майбутнього

Хімічні ракетні палива і рідкі, і тверді, здатні вивести космічні апарати на навколоземні або місячні орбіти, але для далеких космічних місій їх може бути недостатньо.

Одна із пропозицій, яка може вирішити проблему з далекими польотами – це ядерні двигуни. За розрахунками, ядерний тепловий двигун може доставити ракету на Марс лише за три місяці.Одна з американських компаній запропонувала використовувати ядерний двигун зі зрідженим воднем як робоче тіло. У такій системі реактор виробляє тепло із уранового палива. Це тепло нагріває водень, який при розширенні і створює тягу. Розробки ядерних ракетних двигунів починалися ще в п'ятдесятих роках, але поки що жодного з таких апаратів не було запущено.

А у березні 2021 року в Роскосмосі повідомили, що у 2025-2030 роках планують випробувати ще одну перспективну розробку – нові іонні двигуни потужністю від 200 Вт до 35 кВ. Іонні двигуни – це тип електричних ракетних двигунів, які створюють потяг на базі іонізованого газу, розігнаного до високих швидкостей в електричному полі. Такі розробки вже використовують у космічних місіях. Іонні двигуни відрізняються малою витратою палива та тривалим часом роботи.

За матеріалами з відкритих джерел

Паливо для підкорення Всесвіту: чим заправляють космічні ракети зараз і чим заправлятимуть у майбутньому

У середині XIX століття письменник-фантаст Жюль Верн написав книгу про подорож на Місяць. У романі три герої розташувалися у невеликому вагоні-снаряді, який запустили в космос за допомогою гігантської гармати. Колись вчені всерйоз розглядали подібний спосіб освоєння позаземного простору, проте жодна гармата не змогла «підкинути» хоч якийсь тягар навіть на орбіту. Не змогли реалізувати й інші напівфантастичні винаходи, наприклад, ідею космічного ліфта. Сьогодні вантажі та люди потрапляють у космос лише на ракетах. З'ясуємо, яке паливо для цього використовується і яке можливо з'явиться в майбутньому.

Як і в двигуні внутрішнього згоряння автомобіля, в камері ракети спалюється вуглеводневе паливо. Внаслідок цього виділяється велика кількість теплової енергії.

Продукти згоряння залишають ракету у вигляді струменя полум'я, що створює потужну тягу, що розганяє космічну машину до потрібної швидкості. Таким чином рух полум'я компенсується рухом самої ракети: приблизно за таким же принципом полетить пляшка з газованою водою, якщо кинути в неї м'ятну цукерку і швидко перевернути шийкою вниз.

Стати земним супутником

Сучасні російські ракети-носії найчастіше літають на суміші гасу та рідкого кисню - це одна з найбільш вдалих комбінацій за фізико-хімічними та екологічними параметрами.

Для досягнення першої космічної швидкості та виходу на орбіту Землі потрібно багато вуглеводневого палива. Щоб ракета підняла і розігнала саму себе, інженери додають до її конструкції додаткові «баки» (паливні щаблі), які займають бпробільшу частину всієї маси ракети на старті. У польоті за спеціально продуманою програмою щаблі відчіплюються в міру спустошення та згоряють в атмосфері.

Все, що в результаті потрапляє на орбіту, становить не більше кількох відсотків від маси ракети на старті. Для порівняння: маса бензину в повному баку типового легкового автомобіля, навпаки, становить кілька відсотків від загальної маси машини.

Міжпланетне повідомлення

Для першої висадки людини на Місяць ракету заправляли киснем і воднем, що люблять холод. Холод потрібен, щоб гази залишалися в рідкому стані в момент зльоту та протягом усього польоту. Така комбінація дозволила досягти другої космічної швидкості.

Для недавнього запуску на Марс марсоходу «Персеверанс» була потрібна складніша і багатоступінчаста система, а також кілька видів палива.

За межі Сонячної системи

Останні півстоліття вчені розробляють ядерні та термоядерні ракетні двигуни. Це дозволяє досягти тієї ж тяги при меншій витраті палива та споряджати далекі космічні експедиції. Однак самі ядерні реакції складніше реалізувати та контролювати. Крім того, непросто отримати потрібне для подібних двигунів «паливо».

Одна з перспективних для космічних перельотів ядерних реакцій — перетворення рідкісних ізотопів водню та гелію, яким надувають повітряні кулі, в інший ізотоп гелію та протон — позитивно заряджену частинку атомних ядер. На Землі його майже немає, проте на Місяці досить багато: існують навіть проекти місячних баз, де міжпланетні космічні кораблі могли б «заправитися» перед далеким польотом.

Для міжзоряних подорожей перспективно виглядає технологія сонячного вітрила. Це тонке дзеркало великої площі: у створених прототипів вона сягає 15-20 квадратних метрів. Космічний апарат розкриває вітрило на орбіті, світло Сонця чи інших зірок відбивається від нього і підштовхує корабель. На відміну від ядерних зорельотів, прототипи сонячних вітрильників встигли побувати в космосі і показали хороші результати.

Поки більшість проектів космічного транспорту перебувають у розробці чи етапі теорії, основним паливом освоєння позаземного простору будуть вуглеводні.