Химия в бою

Прежде всего напомним, что об эффективности топлива судят по величине тяги, которую может развивать ракетный двигатель в секунду за счет сгорания в нем килограмма топлива в секунду при определенном давлении в камере сгорания. Эту величину называют удельной тягой или удельным импульсом, который исчисляют в кг сек/кг или просто в секундах. Чем больше скорость истечения, тем больше удельная тяга и, следовательно, тем совершеннее топливо.

В зависимости от сочетания топливных пар — горючего и окислителя — удельная тяга ракетных двигателей колеблется в широких пределах. Так, у современных жидких ракетных топлив удельная тяга может доходить, указывается в зарубежной печати, до 300–450, а с помощью добавки различных легких металлов — 500–600 секунд. У твердых топлив эта цифра значительно меньше— 150–300 секунд. Для сравнения отметим, что теоретически в ядерном ракетном двигателе удельная тяга составляет 2500 секунд, а в фотонном двигателе, создающем тягу в результате направленного истечения из него квантов света — фотонов, она достигает предельного значения — 30 миллионов секунд. Однако более высокая удельная тяга какого-либо вида топлива еще вовсе не означает его превосходства над остальными. Здесь приходится учитывать ряд других, часто весьма противоречивых требований.

Возьмем, например, твердое топливо. Оно удобно в обращении, но не обладает достаточным энергосодержанием и не «транспортабельно» в ракете: его нельзя перекачивать, перемещать из баков в камеру сгорания двигателя. Приходится топливо размещать непосредственно в камере сгорания. Это, безусловно, упрощает конструкцию и эксплуатацию ракеты, но ограничивает возможности увеличения запаса топлива. Ведь увеличение емкости камеры сгорания, работающей под давлением до 100 атмосфер и при температуре 2000–3000 градусов, связано с непомерным возрастанием ее веса. Кроме того, трудно обеспечить длительное и равномерное горение подобного топлива. Так, полная продолжительность работы — ресурс твердотопливного двигателя всего несколько десятков, иногда сотен секунд. В то же время ракетный двигатель на жидком топливе способен работать от нескольких минут до нескольких часов.

С другой стороны, ракетный двигатель на твердом топливе значительно проще и дешевле ракетного двигателя на жидком топливе. Анализ американских специалистов показал, что в среднем твердотопливные ракетные двигатели в расчете на килограмм веса обходятся в пять раз дешевле жидкостных, но при этом значительно уступают им в удельной тяге. Максимально достижимая скорость полета ракеты с твердотопливным двигателем равна 28 000 км/час, а с жидкостным — 50 000 км/час. Отсюда — поиск новых «форм» ракетного топлива, более удобных и в то же время более эффективных. В разных странах с каждым годом появляются новые виды гибридных, псевдоожиженных, желеобразных, тиксотропных и других ракетных топлив. Что они собой представляют?

Гибридное ракетное топливо, состоящее из двух компонентов— твердого и жидкого, дает возможность размещать один из них — жидкое горючее или окислитель в топливном баке ракеты, то есть увеличить возимый запас топлива, длительность работы двигателя. Псевдо-ожиженное, что означает почти жидкое, топливо состоит из твердых частичек, находящихся во взвешенном состоянии. В таком виде его можно подавать из бака в камеру сгорания подобно жидкому топливу. Желеобразным, как показывает само название, считают горючее, которое представляет собой студенистую массу, суспензию порошкообразного металла в жидком компоненте, например алюминия в гидразине. Оно обладает повышенным энергосодержанием. Те из топлив, что приобретают текучесть и становятся пригодными для жидкостных ракетных двигателей под действием давления, получили название тиксотропных. Так ищут за рубежом компромисса между достоинствами и недостатками твердых и жидких компонентов ракетных топлив.

Перечень проблем, стоящих перед специалистами в области ракетного топлива, этим, однако, не исчерпывается. Выяснилось, например, что многие вещества, включаемые в состав ракетных топлив, оказывают отравляющее воздействие на человека, главным образом на его дыхательные пути. При этом некоторые из них в десятки раз более токсичны, чем такие отравляющие вещества, как фосген, синильная кислота. Так, предельно допустимая концентрация фосгена равна 0,5 мг/м³, а для смеси некоторых видов окислителя, скажем, фтора и озона — 0,03 мг/м³, окиси фтора и пентаборана — 0,01 мг/м³. Понятно, что токсичность ракетного топлива серьезно осложняет процессы его хранения, заправки и транспортировки.