- История и уроки ракетной техники
Что нам про фтор ответили на кафедре в Бауманке? Пишу ниже.
Помню, как в детстве зачитывался книжками о космосе, о ракетах. С большим интересом изучал таблицы эффективности ракетных топлив и окислителей. С друзьями делали небольшие самодельные ракеты и запускали их на природе. Это были еще 1980-е годы.
Можно сказать, что "серьезному" развитию ракетных двигателей уже около ста лет. И пройдено много испытаний, экспериментов, восторгов и разочарований.
Некоторые топлива и окислители оказались наиболее "популярными" со всех точек зрения. Таковы, например, пара керосин (топливо) и кислород (окислитель). Некоторые, как метан и кислород вдруг стали активно использоваться лишь недавно. Иные, как перекись водорода, нашли ограниченное применение.
А вот пары с фтором, как окислителем, до сих пор так и не используются.
И иногда у тех, кто интересуется ракетной техникой, возникает вопрос "ПОЧЕМУ?" Почему забыли про фтор? Ведь он обладает огромной окислительной способностью. Горение во фторе даст больше тепла и обеспечит больший удельный импульс тяги, чем в кислороде и других окислителях?
И правда, в чем же дело?
Можем сначала посмотреть на следующую таблицу. Здесь приведены значения удельных импульсов тяги по ГОСТу (м/с) и также часто встречающиеся (в секундах). Основной источник здесь. Импульсы даются пустотные при адиабатном расширении от 70 атм до нуля.
В ней мы видим, что фтор в паре с водородом способны дать огромный удельный импульс тяги. Эта величина (по ГОСТ) показывает эффективную скорость истечения газов. Также иногда интерпретируют эту величину в секундах как тягу при расходе 1 Н веса топлива. Фторо-водородная пара более чем на 5% превосходит по этому показателю кислородно-водородную.
Еще более ярко это видно из диаграммы, где по вертикали также отложен удельный импульс тяги:
Казалось бы, пара фтор+водород дает наилучшие показатели. На самом деле есть даже еще более крутые варианты. Например, фтор + литий, или фтор + водород + литий. Однако мы так и не делаем подобные движки.
Эта диаграмма не показывает еще одного преимущества с фтором. Он на 20% более плотный, чем кислород. А в жидком состоянии даже на 33% более плотный. Плотность жидкого кислорода равна 1140 кг/куб.м, а у фтора она 1512 кг/куб.м. То есть для хранения фтора нужны на треть менее объемные баки, чем для хранения такой же массы кислорода.
Если позволите лирическое отступление, то одним из самых невыгодных (в плане малой плотности) компонентов топлив является водород. Например, плотность жидкого водорода порядка 70 кг/куб.м, у метана 415 кг/куб.м. При этом плотность керосина порядка 800 кг/куб.м, гептила 900 кг/куб.м. Самый яркий контраст по требуемому объему баков между водородом и фтором: для хранения фтора нужны баки в 20 раз МЕНЬШЕГО объема, чем для водорода.
Но вернемся к фтору по сравнению с другими окислителями. Вроде бы, все выгоды налицо. Но нет! Нет ему "зеленого света".
Конечно, стоит сказать, что и производство кислорода будет дешевле того же самого фтора. Но не этот фактор оказался решающим.
Когда возникла дискуссия между инженерами-ракетчиками на самом высоком уровне еще в 1950-е годы по поводу топлив для баллистических ракет, Королев отказался наотрез рассматривать пару амил-гептил, так как это токсичные компоненты. И ратовал только за керосин и кислород или водород и кислород. Фтор же еще более токсичен.
Но, с другой стороны, наука же не стоит на месте! Можно же решить вопрос. Помните, как раньше говорили? "Вы же коммунист! Для коммунистов нет нерешаемых проблем". Партия ставит задачу, значит, надо фтор усмирять.
Задачу поставили перед конструкторским бюро Глушко. И они-таки сделали двигатель РД-301, который планировали использовать для последних ступеней ракет и разгонных блоков. То есть для высот выше 70-100 км.
И он действительно работал на фторе. Правда, в паре не с водородом, а с жидким аммиаком. Однако одним из продуктов сгорания и этой пары является фтороводород.
Как бы то ни было, после рассмотрения всех "за" и "против" решили не рисковать. Распылять фторид аммония в верхних слоях стратосферы неизвестно чем чревато для будущих поколений. Тогда не знали про разрушение озонового слоя, но сейчас мы знаем. Пусть он и ниже уровня разделения ступеней, но кто знает, какая на тех высотах динамика движения газовых слоев, какая диффузия газов? В плане экологии перестраховка не мешает.
Но главные аргументы были более приземленными - а что, если авария на старте? Разлитый фтороводород - это разъедание конструкций. Взрыв вообще может превратиться в экологическую катастрофу. Слишком много рисков. А бонусы тяги этот риск не оправдывают. В итоге РД-301 так ни разу и не летал. Я верю, оно и к лучшему.
К слову, поэтому же не стали делать фторо-водородные двигатели. С точки зрения токсичности продуктов сгорания - это еще хуже. При горении получаем чистейшую плавиковую кислоту - ядовитый продукт, разъедающий многие материалы, и даже стекло.
Даже на высотах выше 100 км заниматься распылением плавиковой кислоты - занятие, за которое потомки, скорее всего, спасибо не скажут. В будущем может пострадать озоновый слой, или что-то еще, о чем мы пока не знаем, как не знали об озоновых дырах наши предки в 1960-е годы. Интересно, могут ли спутники получить коррозию, если их орбиты будут пролетать через такой реактивный след? В 70-е годы в космосе еще не было так "тесно", как сейчас. Но "разъедать пространство" и все, что в нем может находиться не слишком перспективная идея. Я, конечно, шучу про разъедание пространства :) И вряд ли на орбите будет так тесно, чтобы фтороводородный след мог нанести существенный урон :) Но все равно было решено, что потенциальных минусов тут больше, чем плюсов. Почему-то думаю, решись мы на эту авантюру, это было бы сродни переходу на темную сторону силы. И чем мы тогда лучше Дарта Вейдера?
Даже работа с топливной парой амил-гептил - это строжайшая система безопасности, нормы, правила, дегазация, работа технических специалистов в противогазах и ОЗК. А со фтором будет и того строже и опаснее...
Когда мы на кафедре в Бауманке задавали вопросы про фтор, как окислитель, то получили от преподавателя такой ответ:
Такие исследования велись, проводились расчеты. И больше всего в итоге всех отрезвила экономическая составляющая. С учетом технических решений для компенсации токсичности, с учетом безопасности, с учетом особых материалов для производства и хранения фтора, для трубопроводов, вентилей, для систем дегазации и так далее, получилось очень интересно. Сделать ракету и систему заправки с фтором, как окислителем, на то время выходило дороже, чем если и ракету и все конструкции космодрома делать из чистого золота.
Вот такой ответ. :)
В общем, Королев был прав. Опять! Очень его уважаю и как инженера, и как человека, и как провидца перспективных технических решений.
Если интересно, приглашаю также познакомиться с весьма полезной статьей о фторном ЖРД ведущего специалиста НПО ЭНЕРГОМАШ Вячеслава Рахманина. Он здесь дает другой ракурс, приводит всю историю чисто с технической стороны, без вопросов экологии, но очень познавательно и интересно.
На этом, пожалуй, всё.
- Пишите, что получилось написать интересно, что было нового?
- А чего не хватило, и какие еще остались вопросы?
Буду рад вашим комментариям.
До новых встреч!