На каком топливе летают космические ракеты?
Все тепловые двигатели, в число которых входят и ракетные, превращают внутреннюю энергию сжигаемого топлива в механическую. Топливо при этом может иметь весьма разнообразные формы и параметры. Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) не приемлют ни дрова, ни уголь, им подавай нечто жидкое или газообразное. Но бывают вещества совсем необычные.
Ядовитые смеси
Каким бы ни было топливо, его горение по сути есть процесс окисления, который возможен только при наличии кислорода в чистом виде либо в каком-либо соединении (например, азотная кислота, перекись водорода и т.п.). Окружающая нас земная атмосфера содержит 21% кислорода, и этого вполне достаточно для горения, то есть для работы тепловых машин. Другое дело, когда тепловой двигатель установлен на объекте, выходящем за пределы земной атмосферы. Там он работать не сможет — ему просто «нечем дышать». Поэтому космические, как и боевые баллистические ракеты, приводимые в движение ракетными двигателями, должны нести комплексное топливо, состоящее из горючего и окислителя, причём последнего должно быть, как правило, больше (приблизительно раза в полтора).
Горючее для ракетных двигателей должно отвечать целому ряду требований. Прежде всего учитывается его энергоёмкость, определяемая удельной теплотой сгорания, а также плотность (чем она меньше, тем больше полезного груза сможет поднять ракета). Поскольку старт ракет и начальный участок их траектории проходит в атмосфере, то к компонентам ракетного топлива предъявляются и экологические требования.
В качестве горючего чаще всего используются керосин, метиловый и этиловый спирты и водород. Последний имеет самую высокую удельную теплоту сгорания и самую низкую плотность. Однако реально водород может быть использован только в сжиженном состоянии, для достижения которого газ нужно охладить до -259 °С. В противном случае (использования в газообразном состоянии) потребовались бы баки непомерного размера либо прочные (и соответственно тяжёлые) баки, рассчитанные на высокое давление сжатого газа.
Последним достижением советских химиков стала разработка ракетного горючего гептила и окислителя амила. Надо отметить, что оба эти вещества способны нанести серьёзный урон как людям, так и любым природным объектам. Любое соприкосновение с гептилом пагубно влияет практически на все системы человеческого организма. Поэтому хранение его затруднено, а личный состав, обслуживающий снаряжённые гептилом ракеты, может работать только в защитных комбинезонах и противогазах. Учитывая это, несмотря на высокую энергоёмкость, топливо «гептил/амил» используется только в боевых баллистических ракетах.
Поиск продолжается
Учёные и инженеры многих стран продолжают поиск альтернативных компонентов ракетного топлива. В поле их зрения попал природный газ. Почти не уступая керосину и превосходя спирты по энергоёмкости, этот газ имеет невысокую плотность. Однако, возможно, главным его преимуществом является доступность и дешевизна в связи с гигантскими масштабами разведанных природных запасов и развитием газодобычи во всём мире.
Основным компонентом природных газов является метан. Этот простейший из углеводородов, имеющий несложную формулу CH4, известен науке уже давно. Ещё в 1776 году итальянский физик Алессандро Вольта обнаружил метан в болотах озера Лаго-Маджоре. В ходе исследований он показал возможность поджигать газ с помощью электрической искры.
На Земле метана много: из него состоят рудничные газы, он составляет до 90% попутных нефтяных газов. По утверждению астрофизиков, метан в значительных концентрациях присутствует в атмосферах планет-гигантов Солнечной системы. Так, предположительно, на поверхности Титана в условиях низких температур (-180 °С) расположены целые озёра жидкой метано-этановой смеси. Правда, дотянуться до этих сокровищ человечеству в обозримой перспективе вряд ли удастся.
Впервые о метане как о потенциальном ракетном горючем упоминалось 60 лет назад в книге Валентина Глушко и Георгия Лангемака, однако применение метана (как и водорода) сдержи — « валось в связи с приоритетом в ж те годы разработок боевых paкет на основе топлива, способного длительно сохранять свои качества после заполнения ракетных баков. Но начиная с 1981 года к перспективным разработкам плотно подключилась ведущая двигателестроитель-ная фирма НПО «Энергомаш» им. Глушко. К настоящему времени здесь проведены широкие теоретические и экспериментальные исследования по созданию жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) на топливной паре «метан-кислород». Оба компонента используются в сжиженном состоянии, для чего метан охлаждается до -165 °С. Результаты исследований подтвердили целесообразность разработки на этой топливной паре ЖРД практически любой мощности. XXI век становится веком информации, а это потребует вывода в космос на различные орбиты сотен спутников Земли и иных космических объектов. Станет необходимым использование высоконадёжных и экономичных ракет большой грузоподъёмности, не наносящих ущерба экологии нашей планеты. Какие преференции обещает метан? Замена жидким метаном керосина обеспечивает более высокие энергетические характеристики ракет (даёт увеличение на 20-30% массы полезного груза при той же стартовой массе ракеты);
— высокую экологическую чистоту как продуктов сгорания, так и компонентов топлива, попадающих на землю при аварийных проливах;
— более низкую (приблизительно в три раза) стоимость заправки ракеты.
Кроме того, близость температурных диапазонов жидких фаз кислорода и метана открывает дорогу для новых конструктивных решений, способствующих снижению веса ракеты.
Из-за того что плотность сжиженного метана меньше на 20%, чем у керосина, в тех же топливных баках ракеты размещается меньшая масса горючего. Однако это с избытком компенсируется повышенной удельной энергоёмкостью метана.
