El combustible per a coets conté combustible i oxidant i, a diferència del combustible per a avions, no necessita cap component extern: aire o aigua. Els combustibles de coets, segons el seu estat d’agregació, es divideixen en líquids, sòlids i híbrids. Els combustibles líquids es divideixen en criogènics (amb el punt d'ebullició dels components per sota de zero graus centígrads) i d'alta ebullició (la resta). Els combustibles sòlids consisteixen en un compost químic, una solució sòlida o una mescla plastificada de components. Els combustibles híbrids consten de components en diferents estats agregats i actualment es troben en fase d’investigació.
Històricament, el primer combustible per a coets va ser la pols negra, una barreja de salitre (oxidant), carbó vegetal (combustible) i sofre (aglutinant), que es va utilitzar per primera vegada als coets xinesos al segle II dC. Les municions amb un motor de coet de propulsió sòlid (motor de coet de propelent sòlid) s’utilitzaven en assumptes militars com a mitjà incendiari i de senyalització.
Després de la invenció de la pols sense fum a finals del segle XIX, es va desenvolupar un combustible balistític monocomponent basat en una solució sòlida de nitrocel·lulosa (combustible) en nitroglicerina (un agent oxidant). El combustible balistític té un múltiple d'energia superior en comparació amb la pols negra, té una elevada resistència mecànica, està ben format, manté l'estabilitat química durant molt de temps durant l'emmagatzematge i té un preu de baix cost. Aquestes qualitats van determinar l’ús generalitzat de combustible balístic en les municions més massives equipades amb propelents sòlids: coets i magranes.
El desenvolupament a la primera meitat del segle XX de disciplines científiques com la dinàmica dels gasos, la física de la combustió i la química dels compostos d'alta energia va permetre ampliar la composició dels combustibles de coets mitjançant l'ús de components líquids. El primer míssil de combat amb un motor de coet propulsor líquid (LPRE) "V-2" utilitzava un oxidant criogènic: oxigen líquid i un combustible d'alta ebullició: l'alcohol etílic.
Després de la Segona Guerra Mundial, les armes de coet van rebre una prioritat en el desenvolupament sobre altres tipus d’armes a causa de la seva capacitat per lliurar càrregues nuclears a un objectiu a qualsevol distància, des de diversos quilòmetres (sistemes de coets) fins a la distància intercontinental (míssils balístics). A més, les armes coets han suplantat significativament les armes d'artilleria en aviació, defensa aèria, forces terrestres i la marina a causa de la manca de força de retrocés en llançar municions amb motors coets.
Simultàniament al combustible de coets balístic i líquid, els propel·lents sòlids mixtos multicomponents es van desenvolupar com els més adequats per a ús militar a causa del seu ampli rang de temperatura d’operació, l’eliminació del perill d’abocaments de components, el menor cost dels motors de coet de combustible sòlid a causa de l’absència de canonades, vàlvules i bombes amb major empenta per unitat de pes.
Les principals característiques dels combustibles per a coets
A més de l'estat d'agregació dels seus components, els combustibles per a coets es caracteritzen pels següents indicadors:
- impuls específic d’empenta;
- estabilitat tèrmica;
- estabilitat química;
- toxicitat biològica;
- densitat;
- fum.
L'impuls específic d'embranzida dels combustibles de coets depèn de la pressió i la temperatura de la cambra de combustió del motor, així com de la composició molecular dels productes de combustió. A més, l’impuls específic depèn de la relació d’expansió del filtre del motor, però això està més relacionat amb l’entorn extern de la tecnologia de coets (atmosfera d’aire o espai exterior).
Es proporciona una major pressió mitjançant l'ús de materials estructurals d'alta resistència (aliatges d'acer per a motors de coets i organoplàstics per a propelents sòlids). En aquest aspecte, els motors coets propulsors líquids estan per davant dels propulsors sòlids a causa de la compacitat de la seva unitat de propulsió en comparació amb el cos d’un motor de combustible sòlid, que és una gran cambra de combustió.
L’alta temperatura dels productes de combustió s’aconsegueix afegint metall alumini o un compost químic: hidrur d’alumini al combustible sòlid. Els combustibles líquids només poden utilitzar aquests additius si estan engruixits amb additius especials. La protecció tèrmica dels motors coets propulsors líquids s’ofereix refredant-se amb combustible, protecció tèrmica dels propulsors sòlids, mitjançant la fixació ferma del bloc de combustible a les parets del motor i l’ús d’insercions de burnout compostes de carboni-carboni a la secció crítica de el broquet.
La composició molecular dels productes de combustió / descomposició del combustible afecta el cabal i el seu estat d’agregació a la sortida del broc. Com més baix és el pes de les molècules, més gran és el cabal: els productes de combustió més preferits són les molècules d’aigua, seguides de nitrogen, diòxid de carboni, òxids de clor i altres halògens; el menys preferit és l'alúmina, que es condensa a un sòlid al broquet del motor, reduint així el volum de gasos en expansió. A més, la fracció d’òxid d’alumini obliga a utilitzar broquets cònics a causa del desgast abrasiu dels broquets Laval parabòlics més eficients.
Per als combustibles de coets militars, la seva estabilitat tèrmica és particularment important a causa de l’ampli rang de temperatura de la tecnologia de coets. Per tant, els combustibles líquids criogènics (oxigen + querosè i oxigen + hidrogen) només es van utilitzar en la fase inicial del desenvolupament de míssils balístics intercontinentals (R-7 i Titan), així com per a vehicles de llançament de vehicles espacials reutilitzables (Space Shuttle i Energia) destinat al llançament de satèl·lits i armes espacials a l’òrbita terrestre baixa.
Actualment, els militars utilitzen exclusivament combustible líquid d’alta ebullició a base de tetroxid de nitrogen (AT, oxidant) i dimetilhidrazina asimètrica (UDMH, combustible). L’estabilitat tèrmica d’aquest parell de combustible està determinada pel punt d’ebullició de l’AT (+ 21 ° C), que limita l’ús d’aquest combustible pels míssils en condicions termoestabilitzades en sitges de míssils ICBM i SLBM. A causa de l’agressivitat dels components, la tecnologia de producció i operació dels tancs de míssils només era propietat d’un país del món: l’URSS / RF (ICBMs "Voevoda" i "Sarmat", SLBMs "Sineva" i " Folre "). Com a excepció, l'AT + NDMG s'utilitza com a combustible per als míssils de creuer Kh-22 Tempest, però a causa de problemes amb l'operació terrestre, el Kh-22 i la seva pròxima generació Kh-32 està previst reemplaçar-lo per motors de reacció Míssils de creuer Zircon que utilitzen querosè com a combustible.
L’estabilitat tèrmica dels combustibles sòlids es determina principalment per les propietats corresponents del dissolvent i del polimer. En la composició dels combustibles balistítics, el dissolvent és la nitroglicerina, que en una solució sòlida amb nitrocel·lulosa té un rang de temperatura de funcionament des de menys fins a més 50 ° C. En els combustibles mixtos, s’utilitzen diverses gomes sintètiques amb el mateix rang de temperatura de funcionament com a aglutinant de polímers. Tanmateix, l’estabilitat tèrmica dels components principals dels combustibles sòlids (dinitramida d’amoni + 97 ° C, hidrur d’alumini + 105 ° C, nitrocel·lulosa + 160 ° C, perclorat d’amoni i HMX + 200 ° C) supera significativament la propietat similar dels aglutinants coneguts, i per tant, és una cerca rellevant de les seves noves composicions.
El parell de combustible més estable químicament és AT + UDMG, ja que s’hi ha desenvolupat una tecnologia domèstica única d’emmagatzematge ampulitzat en dipòsits d’alumini sota un lleuger excés de pressió de nitrogen durant un temps gairebé il·limitat. Tots els combustibles sòlids es degraden químicament amb el pas del temps a causa de la descomposició espontània dels polímers i els seus dissolvents tecnològics, després dels quals els oligòmers entren en reaccions químiques amb altres components del combustible més estables. Per tant, els correctors de combustible sòlid necessiten una substitució regular.
El component biològicament tòxic dels combustibles de coets és l’UDMH, que afecta el sistema nerviós central, les mucoses dels ulls i el tracte digestiu humà i provoca càncer. En aquest sentit, es treballa amb UDMH aïllant vestits de protecció química amb l’ús d’aparells de respiració autònoms.
El valor de la densitat de combustible afecta directament la massa dels dipòsits de combustible LPRE i el cos del coet de combustible sòlid: com més alta sigui la densitat, menys serà la massa paràsita del coet. La densitat més baixa del parell hidrogen + oxigen és de 0,34 g / cu. cm, un parell de querosè + oxigen té una densitat d’1,09 g / cu. cm, AT + NDMG - 1, 19 g / cu. cm, nitrocel·lulosa + nitroglicerina - 1,62 g / cu. cm, alumini / hidrur d’alumini + perclorat / dinitramida d’amoni - 1,7 g / cc, HMX + perclorat d’amoni - 1,9 g / cc. En aquest cas, cal tenir en compte que el motor de coet de combustible sòlid de combustió axial, la densitat de la càrrega de combustible és aproximadament dues vegades inferior a la densitat del combustible a causa de la secció en forma d’estrella del canal de combustió, per mantenir una pressió constant a la cambra de combustió, independentment del grau de combustió. El mateix s'aplica als combustibles balístics, que es formen com un conjunt de cinturons o pals per escurçar el temps de combustió i la distància d'acceleració de coets i coets. En contrast amb ells, la densitat de la càrrega de combustible en motors coets de combustible sòlid de combustió final basada en HMX coincideix amb la densitat màxima indicada per a això.
L’última de les principals característiques dels combustibles per a coets és el fum dels productes de combustió, desemmascarant visualment el vol de coets i coets. Aquesta característica és inherent als combustibles sòlids que contenen alumini, els òxids dels quals es condensen a un estat sòlid durant l'expansió al broc del motor de coets. Per tant, aquests combustibles s’utilitzen en propel·lents sòlids de míssils balístics, la secció activa de la trajectòria dels quals es troba fora de la línia de visió de l’enemic. Els míssils aeronàutics s’alimenten amb combustible HMX i perclorat d’amoni, coets, granades i míssils antitanques, amb combustible balístic.
Energia dels combustibles de coets
Per comparar les capacitats energètiques de diversos tipus de combustible per a coets, és necessari establir condicions de combustió comparables per a ells en forma de pressió a la cambra de combustió i la relació d’expansió del filtre del motor de coet, per exemple, 150 atmosferes i 300 vegades expansió. Aleshores, per a parells / triplets de combustible, l’impuls específic serà:
oxigen + hidrogen: 4,4 km / s;
oxigen + querosè - 3,4 km / s;
AT + NDMG: 3,3 km / s;
dinitramida d'amoni + hidrur d'hidrogen + HMX - 3,2 km / s;
perclorat d'amoni + alumini + HMX - 3,1 km / s;
perclorat d'amoni + HMX - 2,9 km / s;
nitrocel·lulosa + nitroglicerina - 2,5 km / s.
El combustible sòlid basat en dinitramida d’amoni és un desenvolupament domèstic de finals dels anys vuitanta, es va utilitzar com a combustible per a la segona i tercera etapa dels míssils RT-23 UTTKh i R-39 i encara no ha estat superat en les característiques energètiques per les millors mostres de combustible estranger basat en perclorat d’amoni utilitzat als míssils Minuteman-3 i Trident-2. La dinitramida d’amoni és un explosiu que detona fins i tot de la radiació lumínica; per tant, la seva producció es du a terme en habitacions il·luminades per làmpades vermelles de baixa potència. Les dificultats tecnològiques no van permetre dominar el procés de fabricació de combustible per a coets en qualsevol lloc del món, excepte a l’URSS. Una altra cosa és que la tecnologia soviètica s’implementava rutinàriament només a la planta química de Pavlograd, situada a la regió de Dnepropetrovsk de la RSS d’Ucraïna, i es va perdre als anys noranta després que la planta es convertís per produir productes químics domèstics. No obstant això, a jutjar per les característiques tàctiques i tècniques d'armes prometedores del tipus RS-26 "Rubezh", la tecnologia es va restaurar a Rússia a la dècada de 2010.
Un exemple de composició altament eficaç és la composició de combustible sòlid per a coets de la patent russa núm. 2241693, propietat de la planta de Perm per a empreses estatals federals que porta el nom de CM. Kirov :
agent oxidant: dinitramida d'amoni, 58%;
combustible - hidrur d'alumini, 27%;
plastificant: nitroisobutiltrinitrateglicerina, 11, 25%;
aglutinant - cautxú nitril de polibutadien, 2, 25%;
enduridor: sofre, 1,49%;
estabilitzador de combustió: alumini ultrafí, 0,01%;
additius: negre de fum, lecitina, etc.
Perspectives per al desenvolupament de combustibles per a coets
Les principals direccions per al desenvolupament de combustibles de coets líquids són (en l'ordre de prioritat d'implementació):
- l’ús d’oxigen super refredat per augmentar la densitat de l’oxidant;
- transició a un vapor de combustible oxigen + metà, el component combustible del qual té un 15% d’energia superior i una capacitat tèrmica 6 vegades millor que el querosè, tenint en compte el fet que els dipòsits d’alumini s’endureixen a la temperatura del metà líquid;
- afegir ozó a la composició d’oxigen a un nivell del 24% per tal d’augmentar el punt d’ebullició i l’energia de l’oxidant (una gran proporció d’ozó és explosiva);
- l’ús de combustible tixotròpic (espessit), els components del qual contenen suspensions de pentaborà, pentafluorur, metalls o els seus hidrurs.
Ja s’utilitza oxigen refredat al vehicle de llançament Falcon 9; a Rússia i als Estats Units s’estan desenvolupant motors coets oxigen + metà.
La direcció principal en el desenvolupament de combustibles de coets sòlids és la transició a aglutinants actius que contenen oxigen a les seves molècules, cosa que millora el balanç d’oxidació dels propelents sòlids en el seu conjunt. Una mostra domèstica moderna d’aquest aglomerant és la composició polimèrica "Nika-M", que inclou grups cíclics de diòxid de dinitril i polieteruretà de butilenediol, desenvolupada per l'Institut Estatal d'Investigació "Kristall" (Dzerzhinsk).
Una altra direcció prometedora és l’ampliació de la gamma d’explosius de nitramina usats, que tenen un balanç d’oxigen més alt en comparació amb HMX (menys un 22%). En primer lloc, es tracta d’hexanitrohexaazaisowurtzitane (Cl-20, saldo d’oxigen menys el 10%) i octanitrocubà (saldo d’oxigen zero), les perspectives de les quals depenen de reduir el cost de la seva producció; actualment, el Cl-20 és un ordre de magnitud més car que l'HMX, l'octonitrocubà és un ordre de magnitud més car que el Cl-vint.
A més de millorar els tipus de components coneguts, també s’està investigant en la direcció de la creació de compostos polimèrics, les molècules dels quals consisteixen exclusivament en àtoms de nitrogen connectats per enllaços simples. Com a resultat de la descomposició d’un compost polimèric sota l’acció de l’escalfament, el nitrogen forma molècules simples de dos àtoms connectats per un triple enllaç. L'energia alliberada en aquest cas és el doble de l'energia dels explosius de nitramina. Per primera vegada, els compostos de nitrogen amb una xarxa cristal·lina semblant a un diamant van ser obtinguts per científics russos i alemanys el 2009 durant experiments en una planta pilot conjunta sota l’acció d’una pressió d’1 milió d’atmosferes i una temperatura de 1725 ° C. Actualment, s’està treballant per aconseguir l’estat metastable dels polímers de nitrogen a pressió i temperatura ordinàries.
Els òxids de nitrogen més alts són compostos químics prometedors que contenen oxigen. El conegut òxid nítric V (una molècula plana que consta de dos àtoms de nitrogen i cinc àtoms d’oxigen) no té cap valor pràctic com a component del combustible sòlid a causa del seu baix punt de fusió (32 ° C). Les investigacions en aquesta direcció es duen a terme cercant un mètode per a la síntesi d’òxid nítric VI (hexaòxid de tetra-nitrogen), la molècula del qual té la forma d’un tetraedre, als vèrtexs del qual hi ha quatre àtoms de nitrogen units a sis àtoms d’oxigen situats a les vores del tetraedre. El tancament complet dels enllaços interatòmics a la molècula d'òxid nítric VI permet predir que augmentarà l'estabilitat tèrmica, similar a la de la urotropina. El balanç d’oxigen de l’òxid nítric VI (més un 63%) permet augmentar significativament la gravetat específica de components d’alta energia com els metalls, hidrurs metàl·lics, nitramines i polímers d’hidrocarburs en el combustible sòlid dels coets.
