Ракетно гориво — дефиниция, видове и състав

Ракетен пропелант или ракетно гориво означава гориво за ракети. То може да бъде под формата на твърдо, течно или газообразно вещество. По-голямата част от ракетите са химически ракети, задвижвани с огън. Повечето химически ракети използват две горива: гориво и окислител. Тези два химикала понякога се смесват, а понякога се съхраняват в отделни контейнери.

Космическата совалка имаше твърдогоривни ускорители с прахообразен алуминий като гориво и амониев перхлорат като окислител. Основните двигатели на космическата совалка използваха течен водород като гориво и течен кислород като окислител.

Играчката водна ракета използва като гориво газ, например сгъстен въздух.

Видове пропеланти и основни характеристики

• Твърди пропеланти — представляват смес от гориво, окислител и втвърдяващ/свързващ агент. Най-често срещаните съставки са амониев перхлорат (окислител), прахообразен алуминий (метален добавък за повишаване на енергията и плътността) и полиуретанов или друг полимерен свързваател като своя собствена горивна матрица (например HTPB). Твърдите пропеланти се използват в ускорители и военни ракети, тъй като са прости за съхраняване и осигуряват голям тягателен импулс при стартиране.
• Течни пропеланти — разделят се на бипропелантни (гориво + окислител, съхранявани отделно) и монопропелантни (еднокомпонентни, разграждащи се с катализатор). Примери:
  • Хладни/криогенни комбинации: течен водород (LH2) + течен кислород (LOX) — много висока ефективност (висок ударен импулс), но изискват ниски температури и специална изолация.
  • Керосин (RP-1) + LOX — по-плътна и лесно съхраняема от LH2 комбинация, използвана в ракети-носители.
  • Съхраняеми/хиперголни системи: течно азотно тетроксид (N2O4) + UDMH или хидразинови производни — запалват се при контакт, удобни за маньоври и дълготрайно съхранение, но токсични.
  • Монопропеланти: дeкомпозиция на хидразин или разреден водороден пероксид върху катализатор — използват се за малки корекционни двигатели и реакционни контролни системи.
• Хибридни пропеланти — комбинират твърдо гориво (напр. HTPB) и течен/газообразен окислител (напр. азотен оксид N2O или LOX). Предлагат по-добър контрол на тягата от твърдите системи и по-проста конструкция спрямо течните, но имат свои инженерни предизвикателства.
• Газообразни пропеланти — използват се предимно в малки системи за ориентация и корекции (cold gas thrusters) — например сгъстен въздух или азот. Играчните водни ракети използват сгъстен въздух и вода като реактивна маса.

Състав и технологии

Съставът на пропелантите зависи от изискванията за тягателна мощност, ефективност, съхранение и безопасност. Някои ключови компоненти и понятия:

• Окислител — предоставя кислород или друг окисляващ агент за горенето (LOX, амониев перхлорат, N2O4 и др.).
• Гориво — може да е органично (керосин, водород), метално (алуминий във твърдите смески) или химично активирано (хидразинови съединения).
• Биндери и пластомери — в твърдите пропеланти свързват прахообразните компоненти и действат като гориво (HTPB, полиуретан и др.).
• Метални добавки — алуминий и други метали увеличават плътността и топлинната енергия при изгаряне, но и променят продуктите на горенето.
• Катализатори — за монопропеланти (напр. дехидратация на хидразин) се използват катализатори за контролирана декампозиция.

Параметри на производителността

• Ударен импулс (Isp) — основната мярка за ефективност на пропеланта; по-висок Isp означава по-добра горивна ефективност. Приблизително: твърди пропеланти ~200–300 s, керосин/LOX ~300–350 s, LH2/LOX до ~450 s (в зависимост от двигателя и режима).
• Плътност и енергийна плътност — влияят върху обема на горивото и конструкцията на резервоарите.
• Съхранение — някои пропеланти изискват криогенни условия (LH2/LOX), други са стабилни при стайна температура (UDMH/N2O4), а трети са чувствителни към влага или топлина.

Предимства, недостатъци и безопасност

• Твърди пропеланти: предимства — простота, голяма тяга при стартиране и дългосрочна стабилност; недостатъци — по-малък контрол над горенето и сложност при загасване.
• Течни пропеланти: предимства — възможност за контрол на тягата, запалване/гасене и ефективност; недостатъци — по-сложни системи, рискове при съхранение и пълнене.
• Токсичност и околна среда: някои пропеланти са силно токсични (UDMH, хидразинови съединения), а изгарянето на перхлоратни твърди горива може да освобождава корозивни и канцерогенни продукти (напр. HCl). В практиката се прилагат строги протоколи за безопасност, персонална защита и контрол на емисиите.

Приложения

• Космически ракети-носители (комбинации LOX/RP-1, LOX/LH2, твърди ускорители).
• Корекционни и маневрени двигатели (хиперголни системи, монопропеланти като хидразин).
• Военни и балистични системи (твърди или стоковидни течни горива, често със съхраняеми окислители).
• Малки реакции и ориентация: cold gas thrusters (азот) и водни ракети за образователни/играчни приложения — вижте водна ракета.

Общи съвети за експлоатация и регулиране

Работата с пропеланти изисква специализирано оборудване и обучение. Някои важни практики включват: контрол на температурата и налягането при криогенни горива, използване на материали устойчиви на корозивни продукти, правилна вентилация, мониторинг на емисиите и процедури при аварии. Поради токсичността на някои съединения има международни и национални регулации за производство, транспорт и изхвърляне.

Това е общ преглед на основните видове и състави на ракетното гориво. За по-специфична информация (например състав на определен твърд пропелант, точни характеристики на даден течен двигател или регулации в конкретна страна) е добре да се консултирате със специализирана техническа литература и нормативни документи.

Въпроси и отговори

В: Какво представлява ракетното гориво?

В: Под какви форми може да бъде ракетното гориво?

В: С какво се задвижват повечето ракети?

В: Кои са двата химикала, които се използват като ракетно гориво в повечето химически ракети?

В: Понякога ли горивото и окислителят в химическите ракети се смесват?

В: От какво са направени ускорителите на твърдо гориво на космическата совалка?

В: С какво се захранваха основните двигатели на космическата совалка?

Търсене по буква