Состояние энергетики смесевых твердых ракетных топлив, пути повышения энергетики и связанные с этим проблемы

УДК 662.6

Д.Б. Лемперт

Институт проблем химической физики РАН, г. Черноголовка

СОСТОЯНИЕ ЭНЕРГЕТИКИ СМЕСЕВЫХ ТВЕРДЫХ РАКЕТНЫХ ТОПЛИВ,

ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗАННЫЕ С ЭТИМ ПРОБЛЕМЫ

Бурное развитие химии смесевых твердых ракетных топлив (СТРТ) можно датировать 50’60-ми годами XX столетия, когда в наиболее мощных странах, в том числе СССР, началось интенсивное развитие ракетной техники как для ракет военного назначения, так и для космических исследований. Начальное противостояние между разработчиками жидкотопливных и твердотопливных ракетных двигателей быстро пришло к согласию, когда все поняли, что как ЖРД, так и РДТТ имеют свои достоинства и недостатки и для каждого из этих

155

типов двигателей есть достойное место для оптимального выполнения определенного круга задач.

Доклад посвящен обсуждению энергетических параметров СТРТ. Если в начале 50-х годов твердыми топливами служили композиции типа баллиститных порохов, где реально в одной молекуле содержался и окислитель и горючее, то к концу 50-х уже полным ходом производили смесевые твердотопливные композиции, где энергетическая и окислительная функции были разнесены между компонентами - в качестве окислителя стали использовать неорганический окислитель (чаще всего перхлорат аммония), а в качестве энергетического компонента металл (алюминий или бериллий). Это привело к резкому росту удельного импульса (Isp) - до 250 с алюминием и до 270 с бериллием [1] (при Pc:Pa=40:1). Вскоре от применения бериллия отказались из-за чрезвычайно высокой чувствительности его оксида. В 60’70-е годы наблюдаются два новых всплеска энергетики СТРТ - создание топлив с гидридом алюминия (AlH3, AH°f =-90 ккал/кг, d= 1.48 г/см3, его научились синтезировать в виде полимера таким, что он даже не растворяется в кислотах, тогда как другие гидриды легких металлов разлагаются уже в воде) и открытие в ИОХ РАН [2] нового вещества аммониевой соли динитрамида (АДНА, AH°f =-270 ккал/кг, d= 1.82 г/см3).

©

Открытие этого вещества, его синтез и внедрение в производство

nh4

/

©

no2

\

N no2

в течение 10 лет после открытия можно считать одним из рекордов химии XX века - еще за 10 лет до открытия АДНА даже серьезные ученые-химики немогли бы поверить, что такое вещество способно существовать и будет даже вполне стабильным, и может обеспечить

неизменность топливных характеристик в течение 15-летнего хранения в обычных условиях. Следующим шагом стало совместное использование гидрида алюминия и АДНА в композиции, это позволило создать составы с величиной уд.импульса 276 и плотностью 1.64 [3]. И с этого периода (конец 70-х - начало 80-х) рост энергетики СТРТ резко упал, даже остановился. И тогда был поставлен вопрос, а каковы вообще пределы роста энергетики химических твердых композиций. Есть ли еще запасы у химии, а если есть, то стоит ли создавать более энергоемкие композиции? Ведь уже было понятно, что за всякое увеличение энергетических свойств СТРТ приходится платить ухудшением множества других эксплуатационных харак-

теристик (например, чувствительность к механическим воздействиям, термическая стабильность, совместимость компонентов, обеспечение необходимого закона горения и т.д., и, наконец, цена).

Повышение энергетики ракетных топлив может быть осуществлено только двумя путями [4]:

а) повышение тепловыделения в процессе горения композиции и

б) увеличение теплового кпд за счет повышения доли легких газов (в основном, водорода) в продуктах сгорания.

Первый путь (а) в свою очередь может быть разделен на два:

> повышение энергии взаимодействия между компонентами топлива, т.е. использование компонентов, которые вступают в реакцию друг с другом с мощным тепловыделением -это уже вышеописанное включение в состав алюминия, или, тем более, бериллия, использование компонентов с т.н. активным фтором, т.е. содержащим функциональные группы >NF или -№2, энтальпия образования соединений с этими группами мало отличается от аналогичных соединений с группами >N0 или -№02, но при образовании ОТ выделяется существенно больше тепла, чем при образовании воды.

> повышение энтальпии образования компонентов (особенно, присутствующих в композиции с высоким процентным содержанием, например, окислитель). Уже при определенном увеличении энтальпии образования окислителя он уже может не быть «окислителем» в

156

прямом смысле этого слова, когда собственно энергии его распада достаточно для газификации всей композиции до высоких температур [5]. На сегодняшний день наиболее перспективным путем получения высокоэнтальпийных соединений, пригодных к использованию в ракетных топливах, где присутствие тяжелых атомов крайне неблагоприятно отражается на энергетике (повышается средняя молекулярная масса газообразных продуктов), является создание различных полиазотистых соединений, например, (ЛН^ = +1010 ккал/кг, ё=1.84 г/см3).

♦

О

/

\

N

N

N

O

Ч

фуразано-тетразиндиоксид

N

N

N

O

На сегодня это наиболее энергоемкий из реально существующих компонентов для СТРТ, в паре с обыч- ным активным связующим он обеспечивает величину Isp порядка 275 с при плотности 1.77 г/см3, и это без

потерь на наличие конденсированной фазы впродуктах сгорания, что имеет место в составах с металлами.

В настоящее время множество научных школ во многих странах ведут активные разработки по поиску новых высокоэнтальпийных полиазотистых соединений

и нет сомнений, что такие соединения, содержащие выше 70 масс.% азота, будут получены,

и энтальпия их образования будет существенно выше 1100 ккал/кг. Топлива на основе высо-коэнтальпийных (с энтальпией образования выше примерно 600 ’ 800 ккал/кг) соединений уже не нуждаются в таком энергетическом компоненте как алюминий, тем более, магний или бор - энергии, запасенной внутри самой молекулы, и без того много, чтобы разогреть продукты сгорания до 3500-4000 K, а дополнительно введенный металл лишь снизит количество газообразного рабочего тела и это приведет к снижению Isp.

Недостатком топлив на базе столь высокоэнтальпийных полиазотистых соединений с низким или даже нулевым содержанием водорода являются их высокая чувствительность и высокая температура горения (Tc), неприемлемая для современных ракетных двигателей. Имеющиеся приемы снижения температуры горения сопряжены со снижением удельного импульса, но есть приемы, чтобы производная ôIsp/ôTc была минимальна, т.е. чтобы снижение Tc на каждый градус сопровождалось бы меньшим падением Isp. Это достигается введением соединений с максимально высоким содержанием водорода.

Второй путь (б) - повышение доли водорода как альтернативный путь повышения энергетики - мощный рычаг для развития высокоимпульсных СТРТ, и тут основной резерв - это использование гидрида алюминия. Гидрид бериллия позволит получить рекордно высокие величины Isp, но тут та же проблема токсичности, что и с металлическим бериллием. Многочисленные гидриды бора менее эффективны, чем гидрид алюминия, во-первых, потому, что легкие борогидриды BxHy, содержащие высокое количество водорода (при x<5), это газообразные вещества, а бороводороды BxHy, начиная c x=6, являясь конденсированными продуктами, содержат от силы 12-14 масс.% водорода и по энергетике не могут конкурировать с гидридом алюминия, тем более, что плотность всех бороводородов ниже 1.0.

Каждый из описанных альтернативных путей повышения энергетики СТРТ является более оптимальным для определенного круга композиций, например, для композиций, не содержащих металла как энергетического компонента, оптимальнее повышать энтальпию образования компонентов, для металлсодержащих - выгоднее повышать долю водорода.

В докладе приводятся подробные данные о различных путях повышения энергетики, приводятся конкретные примеры, обсуждаются некоторые негативные последствия, к которым может привести дальнейшее повышение энергетики.

157

Библиографический список

1. Нечипоренко, Г. H. Исследование энергетических возможностей ракетных топлив, содержащих бериллий и его гидрид / Г. Н. Нечипоренко, Д. Б. Лемперт // Химическая Физика. - 1998. - Т.17, вып. 10. - C. 93-100

2. Lukyanov, O. A. Chemistry of Dinitramide and its Salts / O. A. Lukyanov, V. A. Tarta-kovskii // Rus.Chem.Journal.41. - 1997. - N 2 - С. 5-13.

3. Лемперт, Д. Б. Исследование энергетических возможностей РТ, содержащих гидрид алюминия / Д. Б. Лемперт, Г. Н. Нечипоренко, С. И. Согласнова // Химическая Физика. -1999. - Т.18, вып. 9. - С. 86-94

4. Лемперт, Д. Б. Два основных пути повышения энергетики СТРТ - повышение тепловыделения и оптимизация состава продуктов сгорания / Д. Б. Лемперт, Г. Н. Нечипоренко, Г. Б. Манелис // Космический вызов 21 века. - 2010. - Т.4. - С. 412-418.

5. Лемперт, Д. Б. Энергетические возможности композиций на базе полиазотистых вы-сокоэнтальпийных веществ / Д. Б. Лемперт, Г. Н. Нечипоренко, С. И. Согласнова // Физика горения и взрыва. - 2009. - Т.45, вып. 2. - С. 58-67