На чем летают космические корабли топливо
Дорога в космос: необычный выбор топлива
Ракетой называется такой летательный аппарат, который перемещается за счет реактивной силы, возникающей в результате выбрасывания части собственной массы в направлении, противоположном ее движению. Есть важный нюанс — ракета, в отличие от реактивного самолета, не использует для полета вещество из окружающей среды. То есть кроме топлива она несет в себе еще и вещество, в котором это топливо будет сгорать — так называемый окислитель.
Характеристики полета ракеты определяются тем, какую массу и с какой скоростью она выбрасывает в процессе своей работы. В идеале хорошо бы отбрасывать тяжелое вещество с большой скоростью. А для этого в ракете должен протекать процесс, который обеспечит наиболее эффективное преобразование скрытой химической энергии топлива и окислителя в кинетическую энергию реактивной струи. К сожалению, в природе так не получается.
Правда, они уже понимали, что у твердого топлива есть свои принципиальные недостатки — например, горением твердого топлива в ракете практически невозможно управлять. Да и эффективность этого топлива не самая лучшая. Поэтому на заре ХХ века появилась новая идея — создать ракетный двигатель на жидком топливе, тягой которого можно управлять.
Теоретически все выглядело очень красиво. Нужно было взять жидкое топливо, например спирт или продукт перегонки нефти, а также какой-нибудь подходящий окислитель. Встретившись, эти вещества начали бы гореть в специальной камере и вылетать с огромной скоростью из сопла, обеспечивая ракете реактивную тягу. Регулируя подачу топлива и окислителя, реактивной тягой можно управлять, выключать двигатель и запускать заново. Но на практике все оказалось гораздо сложнее.
Чтобы запустить космический корабль на орбиту, а затем спустить его на Землю, топливо потребуется дважды — при разгоне во время выхода в космос и при торможении, чтобы сойти с орбиты. Каждый маневр требует своего запаса топлива, и чем больше топлива нам надо взять с собой, тем мощнее должна быть первая ступень ракеты, которая оторвет нас от Земли. Если запускается спутник на околоземную орбиту, то соотношение полезной нагрузки к общей массе ракеты будет около 1:40. В случае лунной обитаемой экспедиции на Землю вернется всего 1/550-я стартовой массы.
Это означает, что космические запуски для обеспечения их максимальной эффективности должны осуществляться разными ракетами-носителями, которые используют разные виды топлива и окислителя. Поначалу выбирали между спиртом и керосином, а из окислителей — между жидким кислородом и азотной кислотой. Потом стали появляться другие вещества, которые можно было применить в ракете с жидкостным двигателем.
Военные инженеры однозначно голосовали за так называемый гептил и азотную кислоту с тетраоксидом диазота, так как ракеты на этой смеси быстрее приводились в боевое состояние. Для гражданских целей или плановых военных запусков можно было использовать другие комбинации.
В СССР королем пилотируемых запусков стала пара «керосин + жидкий кислород», которая вывела в космос первый спутник и первого человека. Ракеты-носители семейства «Союз» по сей день являются самыми надежными «рабочими лошадками» космонавтики. Обычные грузы забрасываются на орбиту ракетами «Протон», которые летают на гептиле.
В США также использовали и используют керосин и жидкий кислород. Однако в рамках программы «Аполлон» была применена следующая комбинация: первая ступень работала на керосине и кислороде, а вот вторая и третья — на паре «жидкий водород + жидкий кислород». Это самая эффективная пара горючего и окислителя, в дальнейшем она была применена на космических кораблях «Спейс шаттл», в советском комплексе «Буран-Энергия» и сейчас применяется в ракете Европейского космического агентства «Ариан-5».
Водород как топливо всем хорош, в том числе и тем, что в процессе его сгорания в кислороде образуется лишь вода. Однако производство и хранение жидкого водорода весьма затратный процесс. Стремление получить более эффективное топливо побудило еще в 50-е годы начать работы по созданию своеобразного синтетического керосина, который можно было бы использовать как обычный керосин, но с гораздо более высокой эффективностью.
Так появился синтин — искусственное топливо, получаемое в результате многоступенчатого химического процесса. И хотя оно действительно эффективнее керосина, но сложность его получения ограничивает использование, поскольку с распадом СССР на первое место вышла экономическая эффективность космических запусков. Одновременно появились и экологические ограничения.
В начале нового века появилась еще одна проблема — ограниченность источников качественного керосина. Для ракетных двигателей нужно высококачественное горючее, но источники нефти, из которой можно получить его, отнюдь не бесконечны. Поэтому возникла идея использовать вместо керосина сжиженный природный газ.
Метан — второй после водорода в рейтинге экологичности — при сгорании оставляет воду и углекислый газ. Хотя он энергетически менее эффективный, чем водород, но вместе с тем более эффективный, чем керосин. При этом природный газ не образует в двигателе нагар, который неминуемо образуется при сгорании керосина. А это открывает возможность для создания двигателей многоразового использования.
Конструкторы предполагают, что на сжиженном природном газе может летать первая ступень ракеты, которая после выполнения своей работы в плановом режиме вернется на космодром. Технология такого полета была отработана в системе «Энергия-Буран » и в принципе не представляет особой сложности.
Испытания ракетных двигателей, работающих на жидком природном газе, проводились в России и США начиная с 2007 года. Это топливо дешево и широко доступно, резервы его даже на Земле практически неисчерпаемы в обозримом будущем и уж тем более в нашей Солнечной системе.
Мы уже создали весьма прогрессивные двигатели для полетов в открытом космосе — плазменные и ионные — и вскоре сможем запустить системы с атомной (а, возможно, в будущем — и с термоядерной) энергетической установкой. Но стартовать с Земли все равно придется на ракетах, использующих энергию химических реакций. Они медлительны, но очень мощны. И газовые ракеты могут облегчить этот первый шаг на пути человека в космос.
/мысли пилота Петра Хрумова-Ника Римера в романе С.Лукьяненко «Звездная Тень»
При обсуждении статьи «Сага о ракетных топливах» был затронут довольно болезненный вопрос о безопасности жидких ракетных топлив, а также продуктов их сгорания, ну и немного про заправку РН. Однозначно не являюсь специалистом в этой области, но «за экологию» обидно.
Вместо предисловия предлагаю ознакомиться с публикацией «Плата за доступ в космическое пространство».
Экологическая безопасность ракетных пусков, испытаний и отработки двигательных установок (ДУ) летательных аппаратов (ЛА) в основном определяется применяемыми компонентами ракетного топлива (КРТ). Многие КРТ отличаются высокой химической активностью, токсичностью, взрыво- и пожароопасностью.
С учетом токсичности КРТ делятся на четыре класса опасности (по мере убывания опасности):
Водород жидкий, СПГ (метан СН4) и кислород жидкий не токсичны, но при эксплуатации систем с указанными КРТ необходимо учитывать их пожаро- и взрывоопасность (особенно водорода в смесях с кислородом и воздухом).
Санитарно-гигиенические нормы КРТ приведены в таблице:
Большинство горючих взрывоопасны и по ГОСТ 12.1.011 они отнесены к категории взрывоопасности IIА.
Продукты полного и частичного окисления КРТ в элементах двигателя и продукты их сгорания, как правило, содержат вредные соединения: окись углерода, углекислый газ, окислы азота (NOx) и др.
В двигателях и энергоустановках ракет большая часть подводимого к рабочему телу тепла (60. 70 %) выбрасывается в окружающую среду с реактивной струёй РД или охладителем (в случаях работы РД на испытательных стендах применяется вода). Выброс в атмосферу нагретых отработавших газов может влиять на местный микроклимат.
Фильм об РД-170, его производстве и испытаниях.
Недавний репортаж с НПО «Энергомаш»: видны две огромные вытяжные трубы испытательных стендов, сопутствующие строения и окрестности Химок:
На другой стороне крыши: можно увидеть сферические емкости для кислорода, цилиндрические — для азота, керосиновые цистерны чуть правее, в кадр не попали. В советское время на этих стендах испытывали двигатели для «Протона».
Совсем рядом с Москвой.
В настоящее время множество «гражданских» ЖРД используют углеводородные горючие. Их продукты полного сгорания (водяные пары Н2О и диоксид углерода СО2) условно не считаются химическими загрязнителями окружающей среды.
Все остальные компоненты являются либо дымообразующими, либо токсичными веществами, оказывающими вредное влияние на человека и окружающую среду.
По сравнению с тепловыми двигателями других типов, токсичность ракетных двигателей имеет свои особенности, обусловленные специфическими условиями их эксплуатации, применяемыми топливами и уровнем их массовых расходов, более высокими значениями температур в реакционной зоне, эффектами догорания выхлопных газов в атмосфере, спецификой конструкций двигателей.
Отработавшие ступени ракет-носителей (РН), падая на землю, разрушаются и оставшиеся в баках гарантированные запасы стабильных компонентов топлива загрязняют и отравляют прилегающий к месту падения участок земли или водоем.
С целью повышения энергетических характеристик ЖРД компоненты топлива подаются в камеру сгорания при соотношении, соответствующем коэффициенту избытка окислителя αдв 0,99 при доверительной вероятности 0,95 необходимо провести n = 300 безотказных испытаний, а для Рн > 0,999 – n =1000 безотказных испытаний.
Если рассматривать ЖРД, то процесс отработки проводится в следующей последовательности:
В практике создания двигателей известны 2 метода стендовой доводки: последовательный (консервативный) и параллельный (ускоренный).
Испытательный стенд – это техническое устройство для установки объекта испытания в заданное положение, создания воздействий, съема информации и осуществления управления процессом испытаний и объектом испытаний.
Испытательные стенды различного назначения обычно состоят из двух частей, соединенных коммуникациями:
— исполнительной, состоящей из объекта испытания и систем, обеспечивающих воздействие различных эксплуатационных факторов;
— командной в виде пульта управления и систем информации (преобразование, анализ и отображение информации о параметрах объекта испытания).
Схемы и фото дадут понимания больше, чем мои словесные конструкции:
В настоящее время для вывода тяжелых грузов (орбитальных станций с массой до 20 тонн) в РФ применяется РН “Протон” с использованием высокотоксичных компонентов топлива НДМГ и АТ. Для уменьшения вредного влияния РН на окружающую среду была проведена модернизация ступеней и двигателей ракеты (“Протон-М”) с целью значительного уменьшения остатков компонента в баках и магистралях питания ДУ:
Ещё для вывода полезных нагрузок в России используются (или использовались) относительно дешевые конверсионные ракетные системы “Днепр”, “Стрела”, “Рокот”, “Циклон” и “Космос-3М”, работающие на токсичных топливах.
Была идея (расскажу отдельно про ОКР) перевести эти двигатели с компонентов топлива АТ+НДМГ на экологически чистые. Например, на кислород и керосин. Много занимались этим вопросом в КБХА. Задача оказалась далеко не простая. Совместно с КМЗ /Красноярск/ более 10 лет продолжаются работы по переводу двигателя 3Д-37. Фактически получается почти новый двигатель, хотя там оставалась «кислая» схема и не было вопросов по охлаждающей способности КС. Этот двигатель получил индекс РД-0155 и РКЦ Макеева рассматривает его возможное применение в «Воздушном старте».
Водород и испытательные стенды ЖРД для такого топлива имеют свои «примочки». В начальной стадии работ с водородом ввиду его значительной взрыво– и пожароопасности в США не было единого мнения о целесообразности дожигания всех видов выбросов водорода. Так, фирма «Пратт-Уитни» (США) придерживалась мнения, что сжигание всего количества выбрасываемого водорода гарантирует полную безопасность испытаний, поэтому над всеми вентиляционными трубами сброса водорода испытательных стендов поддерживается пламя газообразного пропана.
Фирма «Дуглас-Эркрафт» (США) считала достаточным выпускать газообразный водород в малых количествах через вертикальную трубу, находящуюся на значительном удалении от мест проведения испытаний, без его дожигания.
В Российских стендах в процессе подготовки и проведения испытаний дожигаются выбросы водорода с расходами более 0,5 кг/с. При меньших расходах водород не дожигается, а отводится из технологических систем испытательного стенда и сбрасывается в атмосферу через дренажные выводы с азотными поддувами.
С токсичными компонентами РТ («вонючими») дело обстоит значительно хуже. Как при испытаниях ЖРД:
Так и при пусках (и аварийных, и частично при успешных):
Вопрос ущерба, наносимого окружающей среде, при возможных авариях на участке вывода и при падении отделяющихся частей ракет очень важен, так как эти аварии практически непрогнозируемы.
«Вернёмся к нашим баранам». Китайские пусть сами разбираются, тем более, их очень уж много.
В западной части Алтае-Саянского региона расположены шесть районов (полей) падения вторых ступеней РН, запускаемых с космодрома Байконур. Четыре из них, входящие в зону Ю-30 (№№ 306, 307, 309, 310), расположены в крайней западной части региона, на границе Алтайского края и Восточно-Казахстанской области. Входящие в зону Ю-32 районы падения №№ 326, 327 расположены в восточной части республики, в непосредственной близости от оз. Телецкое.
Районы падения №№ 306, 307, 309 используются с середины 60-х годов (по официальным данным) для приземления вторых ступеней РН «Союз» и ее модификаций (на углеводородных топливах); остальные районы – с начала 70-х годов для приземления фрагментов вторых ступеней РН «Протон» (на гидразинном топливе).
В случае использования ракет с экологически чистыми компонентами топлива мероприятия по ликвидации последствий в местах падения отделяющихся частей сводятся к механическим способам сбора остатков металлоконструкций.
Особые мероприятия должны проводиться по ликвидации последствий падения ступеней, содержащих тонны невыработанного НДМГ, который проникает в почву и, хорошо растворяясь в воде, может распространяться на большие расстояния. Азотный тетроксид быстро рассеивается в атмосфере и не является определяющим фактором заражения местности. По проведенным оценкам, требуется не менее 40 лет для полной рекультивации земли, используемой в качестве зоны падения ступеней с НДМГ в течение 10 лет. При этом должны быть проведены работы по выемке и перевозке значительного количества грунта из мест падения. Исследования в местах падения первых ступеней РН «Протона» показали, что зона заражения грунта при падении одной ступени занимает площадь
50 тыс. м2 с поверхностной концентрацией в центре 320-1150 мг/кг, что в тысячи раз превышает предельно допустимую концентрацию.
В настоящее время не существует эффективных способов нейтрализации зараженных зон горючим НДМГ.
Всемирной организацией здравоохранения НДМГ внесен в список особо опасных химических соединений. Справка: Гептил в 6 раз токсичнее синильной кислоты! И где вы видели 100 тон синильной кислоты СРАЗУ?
Продукты сгорания гептила и амила (окисления) при испытании ракетных двигателей или запуске ракет носителей.
В «вики» всё просто и безобидно:
На «выхлопе»: водичка, азот и углекислый газ.
А в жизни всё сложнее: Км и альфа, соответственно, массовое соотношение окислитель/горючее 1,6:1 или 2,6:1 = совершенно дикий избыток окислителя (пример: N2O4: НДМГ = 2.6:1 (260 г. и 100 г.- как пример):
Когда этот букетик встречается с другим замесом-нашим воздухом+органика(пыльца)+пыль+оксиды серы+ метан+пропан+и тд, то результаты окисления/горения выглядят так:
Нитрозодиметиламин (химическое название: N-метил-N-нитрозометанамин). Образуется при окислении гептила амилом. Хорошо растворим в воде. Вступает в реакции окисления и восстановления, с образованием гептила, диметилгидразина, диметиламина, аммиака, формальдегида и других веществ. Является высоко токсичным веществом 1-го класса опасности. Канцероген, обладает кумулятивными свойствами. ПДК: в воздухе рабочей зоны – 0,01 мг/м3, то есть в 10 раз более опасный по сравнению с гептилом, в атмосферном воздухе населенных пунктов — 0,0001 мг/м3 (среднесуточная), в воде водоемов-0,01 мг/л.
Тетраметилтетразен (4,4,4,4-тетраметил-2-тетразен)-продукт разложения гептила. Ограниченно растворим в воде. Стабилен в абиотической среде, в воде очень стабилен. Разлагается с образованием диметиламина и ряда неидентифицированных веществ. По токсичности имеет 3-й класс опасности. ПДК: в атмосферном воздухе населенных пунктов – 0,005 мг/м3, в воде водоемов–0,1 мг/л.
Диоксид азота NO2-сильный окислитель, органические соединения загораются в смеси с ним. В обычных условиях диоксид азота существует в равновесии с амилом (тет-раоксидом азота). Оказывает раздражающее действие на зев, может быть одышка, отеки легких, слизистых оболочек дыхательных путей, дегенерация и некроз тканей в печени, почках, головном мозге человека. ПДК: в воздухе рабочей зоны-2 мг/м3, в атмосферном воздухе населенных мест-0,085 мг/м3(максимально разовая) и 0,04 мг/м3 (среднесуточная), класс опасности–2.
Оксид углерода (угарный газ)-продукт неполного сгорания органических (углеродсодержащих) видов топлива. Монооксид углерода может длительно (до 2 месяцев) находиться в воздухе без изменения. Оксид углерода-яд. Связывает гемоглобин крови в карбоксигемоглобин, нарушая способность к переносу кислорода к органам и тканям человека. ПДК: в атмосферном воздухе населенных мест — 5,0 мг/м3 (максимально разовая) и 3,0 мг/м3 (среднесуточная). При наличии в воздухе одновременно оксида углерода и соединений азота токсическое действие оксида углерода на людей усиливается.
Формальдегид (муравьиный альдегид)-токсин. Формальдегид обладает резким запахом, он сильно раздражает слизистые оболочки глаз и носоглотки даже при незначительных концентрациях. Оказывает общетоксическое действие (поражение центральной нервной системы, органов зрения, печени, почек), оказывает раздражающее, аллергенное, канцерогенное, мутагенное действие. ПДК в атмосферном воздухе: среднесуточная — 0,012 мг/м3, максимально разовая — 0,035 мг/м3.
Интенсивная ракетно-космическая деятельность на территории России в последние годы породила огромное количество проблем: загрязнение окружающей среды отделяющимися частями ракет-носителей, токсическими компонентами ракетного топлива (гептил и его производные, азотный тетраоксид и др.) Кто-то («партнёры») тихо сопя и хихикая над журналистом-экономистом и мифическими батутами, спокойненько и не сильно напрягаясь заменил все первые (и вторые) ступени (Delta-IV, Arian-IV, Atlas-V) на высококипящих компонентах на безопасные, а кто-то усиленно осуществлял пуски РН «Протон», «Рокот», «космос» и т.д. гробя себя и природу. При этом, за труды праведные, платилось аккуратно нарезанной бумагой из типографии ФРС США, да и бумаг-то оставалась «там».
Кратко о военном применении гептила:
Ступени противоракет систем ПРО, морские баллистические ракеты подводных лодок (БРПЛ), космические ракеты, разумеется ракеты ПВО, а также оперативно-тактические ракеты (средней дальности).
Армия и Флот оставили «гептиловый» след во Владивостоке и на Дальнем Востоке, Северодвинске, Кировской области и ряде окрестностей, Плесецке, Капустином Яру, Байконуре, Перми, Башкирии и т.д. Нельзя забывать, что ракеты перевозили, ремонтировали, переснаряжали и т.д., и все это на суше, вблизи промышленных мощностей, где этот гептил и производили. Про аварии с этими высокотоксичными компонентами и про информирование органов гражданской власти, ГО (МЧС) и населения — кто знает, тот расскажет больше.
Необходимо помнить места производства и испытания двигателей находятся не в пустыне: Воронеж, Москва (Тушино), завод «Нефтеоргсинтез» в Салавате (Башкирия) и т.д.
На боевом дежурстве в РФ находится несколько десятков МБР Р-36М, УТТХ/Р-36М2.
И много ещё УР-100Н УТТХ с гептильной заправкой.
Совсем плохо поддаются анализу результаты деятельности войск ПВО, оперировавших ракетами С-75, С-100, С-200.
По утверждению экспертов Всемирной организации здравоохранения, срок нейтрализации гептила, являющегося токсичным веществом I класса опасности, на наших широтах составляет: в почве — более 20 лет, в водоемах — 2-3 года, в растительности — 15-20 лет.
С одной стороны: отсутствие затрат на утилизацию боевых РН (МБР, БРПЛ, ЗУР, ОТР) и даже получение прибыли и экономия затрат на вывод ПН на орбиту;
С другой стороны: вредное воздействие на окружающую среду, население в зоне пуска и падения отработанных ступеней конверсионных РН;
А с третьей стороны: без РН на высококипящих компонентах РФ сейчас обойтись не может.
ЖЦИ Р-36М2/РС-20В Воевода (SS-18 mod.5-6 SATAN) по некоторым политическим аспектам (ПО Южный Машиностроительный Завод (г. Днепропетровск), да и просто по временной деградации не может быть продлён.
Перспективная тяжелая межконтинентальная баллистическая ракета РС-28 / ОКР Сармат, ракета 15А28 — SS-X-30(проект) будет на высококипящих токсичных компонентах.
Отстаём мы несколько в РДТТ и особенно в БРПЛ:
Хроника мучений «Булавы» до 2010.
Поэтому для ПЛАРБ будет использоваться лучшая в мире (по энергетическому совершенству, и вообще шедевр) БРПЛ Р-29РМУ2.1 /ОКР Лайнер: на АТ+НДМГ.
Кратко: системы заправки стартовых комплексов РН с применением токсичных компонентов.
Стартовые комплексы РН “Космос-1” и “Космос-3М” создавались на базе комплексов баллистических ракет Р-12 и Р-14 без существенных доработок по ее связям с наземным оборудованием. Это обусловило наличие на стартовом комплексе множества ручных операций, в том числе на заправленной компонентами топлива РН. В последующем многие операции были автоматизированы и уровень автоматизации работ на комплексе РН “Космос-3М” уже составляет более 70%.
Однако некоторые операции, в том числе повторное подсоединение заправочных коммуникаций для слива топлива в случае отмены пуска, выполняются вручную. Основными системами СК являются системы заправки компонентами топлива, сжатыми газами и система дистанционного управления заправкой. Кроме того, в составе СК имеются агрегаты, уничтожающие последствия работы с токсичными компонентами топлива (дренируемые пары КРТ, водные растворы, образующиеся при различного рода смывах, промывках оборудования).
Основное оборудование систем заправки – емкости, насосы, пневмогидросистемы – размещаются в железобетонных сооружениях, заглубленных в землю. Хранилища КРТ, сооружение для сжатых газов, система дистанционного управления заправкой располагаются на значительных расстояниях друг от друга и стартовых устройств в целях обеспечения их сохранности в аварийных случаях.
На стартовом комплексе РН “Циклон” автоматизированы все основные и многие вспомогательные операции.
Уровень автоматизации по циклу предстартовой подготовки и пуска РН составляет 100 %.
Дезинтоксикация гептила:
Сущность способа уменьшения токсичности НДМГ заключается в подаче в топливные баки ракет 20 % раствора формалина:
(CH3)2NNH2 + CH2O = (CH3)2NN=CH2 + H2O + Q
Данная операция в избытке формалина приводит к полному (100 %) уничтожению НДМГ путем его превращения в диметилгидразон формальдегида за один цикл обработки за время 1-5 секунд. При этом исключается образование диметилнитрозоамина (CH3)2NN=О.
Следующей фазой процесса является уничтожение диметилгидразона формальдегида (ДМГФ) путем добавления в баки уксусной кислоты, вызывающей димеризацию ДМГФ в бис-диметилгидразон глиоксаля и полимерную массу. Время проведения реакции — около 1 минуты:
(CH3)2NN=CH2+Н+ → (CH3)2NN=CHНС=NN(CH3)2+полимеры+Q
Образующаяся масса умеренно токсична, хорошо растворима в воде.
Пора закругляться, в послесловии не удержусь и опять процитирую С.Лукьяненко:
/Председатель правительственной комиссии Л.И. Брежнев