Металл — горючее

Выбор самых эффективных горючих и окислителей — первая из проблем ра­кетно-космической техники. А главный энергетический показатель, определяю­щий эффективность ракетного топли­ва,— это скорость истечения продуктов его сгорания из сопла двигателя. Чем выше скорость, тем больше тяга двига­теля при заданном расходе топлива, тем меньше топливных запасов требуется для достижения заданной скорости полета, тем больше полезный груз, который может вывести ракета на околоземную орбиту или к планетам Солнечной си­стемы.

Лучшее горючее

Скорость истечения U прямо связана с количеством тепла (Q, которое выде­ляется при горении на единицу массы продуктов сгорания. А выделяющееся тепло зависит от теплотворной способности горючего (Н) и от количества окислителя, необходимого для его пол­ного сгорания (О/Г):

Теплотворная способность элементов зависит от их порядкового номера в Периодической системе: всплески тепло­творной способности чередуются с про­валами, причем с возрастанием порядкового номера всплески становятся все ниже и ниже. Очевидно, в качестве го­рючего можно рассматривать элементы лишь первых двух периодов. Это водо­род, бериллий, бор, углерод, литий, алю­миний, магний. Вне конкуренции среди них, бесспорно, водород, теплотворная способность которого вдвое — вчетверо выше, чем у остальных. С этим свя­зана и относительна высокая калорий­ность углеводородных топлив, например керосина и бензина.

Теперь посмотрим, как обстоит дело с другой важнейшей характеристикой го­рючего — соотношением О/Г. Здесь металлы вне конкуренции: кислорода для полного сжигания I кг алюминия тре­буется втрое меньше, чем для сжигания 1 кг углерода, и в 3,8 раза меньше, чем для сжигания I кг керосина. Поэто­му р для металлов оказывается несколь­ко выше, чем для других горючих. Даже алюминий и магний с их невысокой теплотворной способностью вполне мо­гут конкурировать с углеводородами.

Этим достоинства горючих металлов первых двух периодов не исчерпываются. Они весьма химически активны и потому могут использовать при горении не толь­ко свободный кислород, но и кислород, входящий в молекулы прочных хими­ческих соединений, например воды и углекислого газа. Это значительно рас­ширяет круг возможных окислителей для ракетных и реактивных топлив. Еще одно немаловажное достоинство метал­лического горючего — высокая плот­ность, а значит, компактность запасов топлива. Наконец, горючие металлы можно хранить неограниченно долго.

После использования - сжечь

Достоинства металлов как горючего для ракет первыми оценили Ф. А. Цандер и Ю. В. Кондратюк. Они отмечали, что при сгорании алюминия выделяется теп­ла на единицу массы продуктов сгорания в 1,6 раза больше, чем при сгорании бензина, а при сгорании лития — вдвое больше.

В статье «Перелеты на другие пла­неты» (1924 г.) Ф. А. Цандер предла­гал использовать в космической ракете на начальном участке ее полета (в пре­делах земной атмосферы) крылья из дюраля или электрона. Поскольку в без­воздушном пространстве крылья будут не нужны, их можно втянуть внутрь ракеты, превратить в порошок или рас­плавить, а потом сжечь в качестве

горючего. Идея использовать элементы конструкции межпланетного корабля как дополнительное горючее открывает воз­можности увеличить топливные запасы, уменьшить пассивную массу ракеты. И хотя серьезные технические труд­ности, с которыми связана реализация идеи, еще не разрешены, это отнюдь не фантастика.

Добавки

Ракетный двигатель на твердом топливе прост, удобен в эксплуатации, высоко надежен. Его используют в метеороло­гических, аэрологических, противоградовых и осветительных ракетах. Он при­меняется как разгонный двигатель кос­мических ракет. Наконец, ракеты на твердом топливе составляют основу ра­кетных арсеналов современных армий.

По зарубежным данным, большинство известных в настоящее время твердых ракетных топлив содержат металличе­ские добавки, чаще всего алюминий. Ме­талл вводят в топливо в виде тонко­измельченного порошка. Металлическая добавка позволяет значительно повысить скорость истечения, а также увеличить плотность топлива и стабильность его горения. Например, добавление 15% алюминия к одному из топлив повы­сило температуру продуктов сгорания с 2220 до 3260К, а скорость истечения продуктов сгорания возросла при этом с 2370 до 2530 м/с.

Однако металлы, сгорая, образуют оксиды, которые при температуре рабо­тающего ракетного двигателя остаются в жидком или даже твердом состоянии. Конденсированные продукты сгорания (в отличие от газообразных) не могут совершать работу расширения и заметно снижают эффективность происходящего в сопле преобразования: тепловой энер­гии продуктов сгорания — в кинетиче­скую энергию истекающей струи. Поэто­му увеличение содержания горючего ме­талла в твердом ракетном топливе це­лесообразно лишь до определенного уровня. При превышении этого уровня скорость истечения продуктов сгорания начинает падать.

В ракетном двигателе на жидком топ­ливе замена жидкого горючего метал­лами (даже бериллием или литием) не позволяет превысить характеристики из­вестных высокоэнергетических топлив­ных систем: фтор — водород или кис­лород — водород. Однако при исполь­зовании тройной топливной системы ме­талл — водород — кислород или металл — водород — фтор скорость исте­чения можно существенно увеличить. Например, добавка бериллия к жидко­му ракетному топливу (фтор — водород) позволяет повысить скорость продуктов сгорания с 4100 до 4560 м/с.