Чем кормить ракету?

Полеты по Галактике, орбитальные станции… Мечты о перемещениях в космосе не стали бы явью, не изобрети человечество ракетное топливо. Кстати, чем именно заправляют космические летательные аппараты? Можно ли заправить ракету автомобильным топливом и какой вид двигателя самый мощный? Рассказываем, чем же «кормить» ракету.

Действие равно противодействию

Большинство двигателей, которые отправляют ракеты в космос, реактивные. Это значит, что в отличие от машинных двигателей они ничего не вращают, а получают энергию другим путем. 

В камерах ракетных двигателей сжигается топливо. Образующийся газ под высоким давлением выбрасывается в одном направлении, а ракета с определенным ускорением летит в другую сторону. Это согласуется с третьим законом Ньютона — действие равно противодействию. Сила ракетного двигателя, то есть скорость выбрасывания газов, называется «тягой». В метрической системе она измеряется в ньютонах, но в США считают в «фунтах тяги». Один фунт тяги равен 4,45 ньютона. 

Различают твердотопливный и жидкостный двигатели. В топливах для них всегда есть окислитель для воспламенения и горючее, из которого получается рабочий газ, создающий тягу.

Твердая мощь для ракеты

Твердое топливо — смесь веществ, способных гореть без доступа к ним кислорода. Их делят на два типа: двухосновные (иначе их называют гомогенными) и смесевые. Первый тип представляет собой твердый раствор. Чаще всего нитроцеллюлозы в нитроглицерине. Исторически в состав смесевого твердого топлива входил порох, но теперь в нем содержатся перохлорат аммония, мелкодисперсный сферический порошок алюминия или магния и органический полимер.

ЛИКБЕЗ

Твердотопливный двигатель или РДТТ (ракетный двигатель твердого топлива) иначе называют твердотопливным ускорителем (ТТУ).
Жидкостный двигатель сокращают как ЖРД (жидкостный ракетный двигатель).

Андрей Рюрикович, заслуженный испытатель космической техники:

— Твердотопливный двигатель проще в изготовлении и обслуживании. По сути, это просто бочка с дыркой. А жидкостный — вакханалия трубопроводов и разных агрегатов, поэтому надежность их меньше. При этом у ЖРД больше удельный импульс и управляемость: проще включать/выключать, регулировать величину тяги. Жидкостный двигатель, если он заправлен криогенным топливом, обладает одной особенностью — сложнейшей процедурой заправки перед стартом (ракета Илона Маска Falcon 9 взорвалась именно во время заправки топливом). РДТТ включил, и все: пока не прогорит — не выключишь. 

Однажды произошла ситуация с американским шаттлом: авария одного из трех жидкостных двигателей на старте. Аварийный и два других жидкостных двигателя удалось выключить до запуска ТТУ. Если бы авария развивалась еще пару секунд и ТТУ включился, катастрофа и гибель экипажа были бы неминуемы. 

Твердотопливные двигатели проще в обслуживании. Лежат себе и лежат. Требуется только периодически проверять температуру и влажность в хранилище. Но если он пролежит очень долго, происходит «высыхание» заряда, и в нем появляются трещины, которые при зажигании двигателя резко увеличивают площадь горения топлива, и, соответственно, давление внутри камеры сгорания. Тогда ТТУ превращается в непредсказуемую мину: то ли сработает как надо, то ли разнесет вдребезги себя и все вокруг.

Гибкое управление

Жидкое топливо состоит из горючего и окислителя, но в камеру сгорания они закачиваются по отдельности и смешиваются позже. Топливо для жидкостных двигателей бывает однокомпонентное и двухкомпонентное. Однокомпонентное топливо (обычно это нитрометан) распадается на окислитель (кислород) и горючее. При использовании двухкомпонентного топлива окислитель подается к горючему отдельно. 

Для жидких ракетных топлив окислителями могут быть жидкий кислород, перекись водорода, азотная кислота с 15–20 % окислов азота, четырех­окись азота, тетранитрометан, фтор и его смеси с жидким кислородом. Горючим для жидких топлив бывают керосин, водород, гидразин (азотно-водородное соединение N2H4), бензин, парафины и ароматические соединения, окись углерода, циклогексан и циклопропан, этилен, окись пропилена или этилена, ацетилен с водородом.

Возможные комбинации «горючее — окислитель»:

Жидкие водород и кислород для космических шаттлов.
Бензин и жидкий кислород использовались в ракетах Годдарда.
Керосин и жидкий кислород применялись для первой ступени «Сатурн-5» в программе «Апполон».
Спирт и жидкий кислород в немецких ракетах V2, известных как «Фау-2» — первые в мире баллистические ракеты.
Четырехокись азота и монометилгидразин использовались в двигателях аппарата «Кассини».

Глупые вопросы о топливе

NT: Хранят ли топливо, и как это делают?
РОСКОСМОС: Двухкомпонентные хранят и транспортируют отдельно, и только непосредственно перед стартом ими заправляют ракету-носитель. Гептил может находиться в составе ракеты десятилетиями. Сроки хранения топлива в незаправленном состоянии (например, отдельно кислород и керосин) сопоставимы с автомобильным. 
Андрей Рюрикович: Криогенные компоненты, такие как жидкий кислород и жидкий водород, хранят в специальных цистернах-термосах – дюарах.

NT: Можно ли использовать ракетное топливо для заправки обычных двигателей внутреннего сгорания? 
РОСКОСМОС: Этот вопрос, на наш взгляд, больше относится к ведению автоинженеров и автопроизводителей. Вот, например, бензин и дизельное топливо, созданные и предназначенные для двигателей внутреннего сгорания, непригодны для использования в ракетных.
А.Р.: Бензин и дизельное топливо не используют из-за малой эффективности. Но ракеты Годдарда и первые советские ракеты летали на бензине.

NT: Вредно ли ракетное топливо для окружающей среды?
РОСКОСМОС: Экологичность заключается в воздействии соединений топлива на окружающую среду, здоровье людей и всего живого. К экологичным топливам можно отнести комбинации: керосин (нафтил) — кислород, водород — кислород, метан. Кислород, керосин и водород не опасны — при сгорании вреда от них даже меньше, чем от автомобильного топлива. Гептил токсичен, однако реальную опасность для здоровья он может представлять лишь в процессе производства. Хранится это топливо в герметичных условиях, исключающих взаимодействие с внешней средой. А продукты сгорания гептила опасности для экологии и здоровья человека не представляют.

Топливо будущего

Химическое ракетное топливо эффективно применяется для полетов на околоземной или лунной орбитах, но скорость, которую оно позволяет развивать космическому кораблю, недостаточна для освоения дальнего космоса. 

Эту проблему могли бы решить ядерные двигатели. Их разработки начались еще в 50-е годы прошлого века в США и СССР. Однако до сих пор ни одна ракета с ядерным двигателем не была запущена. Топливом для него служат уран и плутоний. Энергия распада или синтеза во время ядерных реакций нагревает горючее (водород или аммиак) и позволяет ракете лететь. Опасность заключается в том, что газ, который будет вылетать из сопла ракеты с ядерным двигателем, также радиоактивен. Это значит, что такие типы двигателей нельзя применять на Земле.

Ионный — еще один перспективный вид двигателя. Он состоит из электрического генератора, создающего сильное электрическое поле высокого напряжения. Положительно заряженные ионы газообразных веществ (водорода, гелия, ртути, ксенона, цезия) попадают в электрическое поле и разгоняются до космических скоростей. Затем выбрасываются из сопла, создавая таким образом тягу. 

Центр общественных коммуникаций корпорации «РОСКОСМОС»:

— В российской ракетно-космической промышленности используются в основном два вида жидких химических топлив: пара керосин (или его разновидность — нафтил) + кислород, которую применяют для ракет-носителей «Союз», «Ангара», «Зенит», и гептил — на ракетах-носителях «Протон», «Рокот», «Днепр». Ведутся перспективные разработки двигателя для работы на топливе водород + кислород — ранее этот вид топлива был использован для второй ступени сверхтяжелой ракеты-носителя «Энергия». Еще из перспективных видов ракетного топлива можно назвать метан. 

Возможности химического типа топлива (жидкого, твердого, газа) уже хорошо изучены, и его потенциал используется «на пределе». Поэтому ученые исследуют нехимические двигательные установки: ядерные, ионные, плазменные и подобные. Кое-какие успехи уже достигнуты, однако полностью заменить химическое топливо пока не представляется возможным. 

Материал опубликован в журнале NewTone