Folyékony hajtóanyag

A hajtóanyag látszólagos sűrűsége , amely specifikus impulzusként meghatározó nullpont, meghatározza az impulzus sűrűségét (vagy az impulzus sűrűségét) e két mennyiség szorzataként:

énd=doroo⋅énso{\ displaystyle I _ {\ mathrm {d}} = d _ {\ mathrm {prop}} \ cdot I _ {\ mathrm {sp}}}

val vel:

• I d az impulzus-sűrűség s kg m −3 -ban kifejezve
• d támassza alá a hajtóanyag látszólagos sűrűségét kg / m 3 -ben mérve
• A másodpercekben mért fajlagos impulzust sp

Néha a nyomaték ( I sp ,  I d ) helyett a nyomaték ( v e ,  d prop ) jelenik meg a folyékony hajtóanyagok számértékeinek táblázataiban.

A folyékony hajtóanyag tulajdonságai

Hipergolikus / nem hipergolikus

A pár hajtóanyagok nevezik hipergol , amely, ha érintkezésbe kerülnek egymással, autokataiízisét saját redox  : égés kezdeményezett spontán, anélkül, hogy szükség van egy rendszer. Gyújtás, ami egyszerűsíti a termelés a rakéta motor . A meghajtás megbízhatósága javul, mert lehetővé válik a tolóerő két szeleppel ( hajtóanyagonként egy ) történő szabályozása anélkül, hogy komplex és törékeny gyújtásszabályozó rendszerekhez kellene folyamodni. Ezenkívül a hajtóanyagok jellege megakadályozza őket abban, hogy robbanékony keverék formájában felhalmozódjanak, ami a gyújtás (káros indítás ) során káros túlnyomást okoz . Másrészt az ilyen hipergolok kezelése nagy kémiai reakcióképességük miatt általában veszélyes.

Ez minősíti a kriogén egy hajtóanyagot , amelynek legalább az egyik hajtóanyagot kell tartani alatti hőmérsékleten -150  ° C , a hőmérséklet, amelyen egyes légi gázokat lecsapódik környezeti nyomáson. Az ilyen hajtóanyagok általában nagyon hatékonyak, de csak a Földről történő felszálláshoz használhatók , mert hosszú ideig nem tarthatók a kívánt hőmérsékleten, miután betöltötték a hordozórakétába . Különösen ez a helyzet a folyékony hidrogénnel , amely azonnal elpárolog, amint egy tartályba kerül.

Ezzel szemben a tárolható hajtóanyagok hosszú ideig folyékonyan tarthatók anélkül, hogy tárolásához speciális létesítményekre lenne szükség.

Folyékony hajtóanyagok kifejlesztése és felhasználása

Az 1940-es években

Az űrhajózás alapjait a német mérnökök a második világháború alatt egy sor technikai újítás útján fektették le, amelyeket vegyi anyagok egész sora támogatott, amelyeket levélben szokás megjelölni, különösen (hozzávetőleges összetétel tömegben):

• A-Stoff  : oxigén O 2folyékony ( kriogén hajtóanyag, amelyet a B-Stoff-nál használnak a V-2 rakétákban )
• B-Stoff  : hidrazin-hidrát N 2 H 4• H 2 Ovagy (75% etanol H 3 C-CH 2- OH+ 25% víz , H 2 Ohasználható az A-Stoff in V-2 rakéták )
• C-Stoff  : 57% metanol CH 3 OH+ 43% hidrazin-hidrát N 2 H 4• H 2 O( a Messerschmitt Me 163B T-Stoff - jával együtt használják )
• M-Stoff  : metanol CH 3 OH
• N-Stoff  : klór-trifluorid ClF 3
• R-Stoff  : 57% xilidin H 2 N-C 6 H 3 (CH 3 ) 2+ 43% trietil-amin , N (CH 2 CH 3 ) 3
• S-Stoff  : 90-97% salétromsav HNO 3+ 3-10% ( a kénsav H 2 SO 4vagy vas-perklorid FeCl 3 )
• SV-Stoff  : (85-90% salétromsav HNO 3+ 10-15% kénsav H 2 SO 4) Vagy (95% salétromsav HNO 3+ 5% nitrogén-peroxid N 2 O 4 )
• T-Stoff  : 72-76% hidrogén-peroxid , H 2 O 2+ 18-19% vizet H 2 O+ 5-10% ( 8-hidroxi-kinolin + nátrium-foszfát Na 3 PO 4+ foszforsav H 3 PO 4), hipergolikus a C-Stoff- tal

A második világháború után

Különösen sok hadifogoly életének árán fejlesztették ki, a német vegyi meghajtási technológiát az 1950-es években amerikai és szovjet mérnökök vették igénybe , akik más, néha egzotikus anyagokkal, például tetrafluor-hidrazinnal N 2 F 4 kísérleteztek.a pentaborane B 5 H 9.

A etanolt H 3 C-CH 2- OHszéles körben használják, tisztán vagy keverve más tüzelőanyagok, a német és a szövetséges mérnökök a 1940-es években , mert a nagy latens hő párologtatás, ami lehetővé tette, hogy hűtésére használható motorokat. Teljesítménye ennek ellenére alacsonyabb, mint amit a sűrűbb és energikusabb szénhidrogének megengednek . A szénhidrogének rakéta-üzemanyagként való alkalmazásának legfőbb akadálya az volt, hogy rossz volt a termikus viselkedésük: amikor a motor hűtőkörein áthaladtak, a nehezebb frakciók hajlamosak polimerizálódni és blokkolni a frakciók elpárologtatásából származó buborékokat. A legkönnyebbek, amelyek végül akadályozták az áramköröket.

Ezeket a problémákat az 1950-es évek közepén oldották meg , jelentősen csökkentve a polimerizációt elősegítő kéntartalmat , valamint a telítetlen szénhidrogénekét (amelyek a legvalószínűbb polimerizációra), miközben az elágazó és gyűrűs alkánokat részesítik előnyben , amelyek jobban ellenállnak a hőnek, mint lineáris alkánok. A keresett fajok C 12-es létra típusúak. Ez az RP-1 , a Finomított petróleum-1 vagy a Rakéta-hajtóanyag-1 kifejlesztéséhez vezetett, a verziótól függően. A kőolajipar és a finomítási technikák fejlődésével az RP-1 és a folyékony hidrogén azóta üzemanyagként, míg a hidrazin-hidrát N 2 H 4• H 2 O( B-Stoff ) váltotta vízmentes metilezett formái, monomethylhydrazine H 2 N-NHCH 3(MMH) és aszimmetrikus dimetil-hidrazint H 2 N-N (CH 3 ) 2 (UDMH) a precíziós manőverek teljesítményének növelése érdekében.

Az oxidáló oldalt tekintve a folyékony oxigén maradt a kerozinnal ( RP-1 ) és a folyékony hidrogénnel történő erőforrás-alkalmazások oxidálószereként , míg az SV-Stoff kutatása a HNO 3 salétromsav stabilizálására irányult.a nitrogén-dioxid gőzök NO 2 káros hatásainak korlátozásabőségesen szabadul fel a salétromsavból (ezek a gőzök is az oka annak, hogy a HNO 3a koncentrátumot füstölgő salétromsavnak , angolul WFNA- nak hívják , a White Fuming salétromsavnak ). Ez a HNO 3 hígításával történta nitrogén-peroxiddal N 2 O 4, Amelyik a teljes vöröses színű (innen a név vörösfüstös salétromsav , RFNA angolul), míg a korróziós probléma a tartályok oldották hozzáadásával HF hidrogén-fluorid passziválására a felület belsejében tartályok-réteget a fém-fluorid abban: ezt gátolt vörös füstölgő salétromsavnak vagy angolul IRFNA-nak nevezzük .

Ma

Szokás hivatalosan megkülönböztetni a folyékony hajtóanyagok három típusát az őket alkotó hajtóanyagok száma szerint:

1. a monopropellensek (vagy monoergolok ), amelyek csak egy hajtóanyagból állnak;
2. a két komponensből álló diergolok (vagy bipropellánsok );
3. a triergolok , amelyek három hajtóanyagból állnak.

Ez a nómenklatúra valójában meglehetősen mesterséges, mert az alapvető különbség a monopropellensek és más folyékony hajtóanyagok között rejlik :

• a monopellánsok katalizált exoterm bomlás alapján működnek;
• a többi hajtóanyag egy vagy több üzemanyag egy vagy több oxidálószerben történő elégetésén alapul.

A hidrazin N 2 H 4a leggyakrabban használt monopropellant , különösen az utolsó süllyedés fázisában űrszondák leszállás előtt a saját cél: ez volt a helyzet a leszálló a Viking program, valamint a Phoenix küldetése , amely megérkezett Mars on 2008. május 25. A Mars Reconnaissance Orbiter- t több mint egy tonna hidrazin tartalékkal állították pályára, hogy stabilizálják pályáját a Mars körül . Hidrazin bomlik nagyon exoterm egy fém katalizátor a irídium a timföld Al 2 O 3vagy szén nanoszálak / grafit vagy molibdén-nitrid az alumínium-oxid , amelyek katalizálják a reakciót:

1. 3 N 2 H 4→ 4 NH 3+ N 2
2. N 2 H 4→ N 2+ 2 H 2
3. 4 NH 3+ N 2 H 4→ 3 N 2+ 8 H 2

Ezek a reakciók engedje elég energiát, hogy a meghajtó a égéstérbe , hogy 800  ° C-on egy milliszekundumos nagyon jó hatékonyságot, ami egy adott vákuumban impulzus körülbelül 220  s .

A tárolható hajtóanyag-technológiákat nagyrészt katonai céllal hajtották végre, elsősorban annak érdekében, hogy az arzenálok rendelkezésére álljanak a lehető leggyorsabban, a lehető leghosszabb idő alatt kész lövegrakéták a lehető legkisebb létesítményekből. A legtöbb orosz és amerikai hordozható hajtóanyagú hordozórakéta tehát interkontinentális ballisztikus rakétákból származik .