Приветствую вас мои космические друзья.
Ракета "Сатурн-5", которая использовалась для запуска пилотируемых лунных миссий по программе "Аполлон" в 1960-х и 1970-х годах, содержала в своей первой ступени 810 700 литров жидкого керосина (или RP-1). Но почему же этот вид ракетного топлива так широко используется до сих пор?
В последнее время большое внимание уделяется использованию различных видов экологически чистого ракетного топлива, например жидкого водорода и жидкого метана. Такое топливо не только более экологично, но и обладает более высоким удельным импульсом, чем жидкий керосин. Однако, несмотря на преимущества такого топлива, жидкий керосин по-прежнему используется при запуске большинства ракет.
Так что же представляет собой жидкий керосин использующийся в качестве ракетного топлива?
Ракетное топливо RP-1, также известное как Rocket Propellent-1 ("Ракетное топливо-1") или Refined Petroleum-1 ("Очищенная нефть-1"), или "Нафтил" "Т-1", "РГ-1" (Использующийся на российских ракетах) - представляет собой высокоочищенную форму жидкого керосина. Оно имеет более высокую плотность, и гораздо более энергоэффективно по сравнению с другими видами топлива, например бензина или дизельного топлива.
Этот вид топлива обеспечивает более чистое горение, благодаря удалению или снижению содержания ряда нежелательных соединений, которые могут привести к выводу из строя различных компонентов ракетного двигателя. Кроме того при очистке жидкого керосина удаляются соединения, которые могут привести к коксованию и образованию отложений в критически важных компонентах ракетного двигателя.
Начиная с самых первых ракет, которые использовались во время космической гонки между США и Советским Союзом, и заканчивая самыми современными ракетами - для многих из них жидкий керосин это главное топливо использующиеся для одной или нескольких ступеней.
Как и все другие виды ракетного топлива, жидкий керосин требует наличия окислителя. В качестве такого окислителя используется жидкий кислород.
В процессе производства жидкого керосина он проходит несколько этапов очистки, при этом из него удаляются нежелательные примеси. Например удаляется сера, которая оказывает коррозионное воздействие на компоненты ракетного двигателя. Во время очистки жидкого керосина производители также стараются снизить количество алканов и алкенов (парафинов), поскольку они приводят к полимеризации топлива под воздействием высоких температур, а также во время его длительного хранения.
Преимущества использования жидкого керосина как ракетного топлива
К основным преимуществам использования использования жидкого керосина относятся:
- Он относительно дешев
- Может хранится при температуре окружающей среды
- Высокая плотность энергии
- Низкая токсичность
- Меньший объем топливных баков ракет
- Безопасность при работе обслуживающего персонала
- Высокая температура вспышки
1) Жидкий керосин относительно дешев
Любое жидкое топливо, требует определённой степени очистки. Чем больше стадий очистки, тем дороже становится конечный продукт. В результате высокоочищенный керосин для запуска ракет оказывается гораздо дороже авиационного топлива, которое, в свою очередь, значительно дороже других видов керосина. Однако по сравнению с высокой стоимостью производства жидкого водорода или метана, жидкий керосин является гораздо более дешёвым и экономически эффективным вариантом ракетного топлива.
2) Хранение при температуре окружающей среды
Стоимость — не единственный фактор, который следует учитывать при выборе топлива для ракет-носителей. Транспортировка, и хранение топлива также играет решающую роль. Чтобы поддерживать водород в жидком состоянии, его необходимо хранить при температуре ниже -253° по Цельсию. Для этого требуется специальное оборудование и особые меры предосторожности при работе с данным видом топлива. Как и жидкий водород, жидкий метан является криогенным топливом, которое необходимо охладить до температуры -162° по Цельсию, чтобы он оставался в жидком состоянии. С другой стороны, жидкий керосин можно транспортировать и хранить при температуре окружающей среды, что значительно облегчает его транспортировку и хранение в течение длительного времени.
3) Высокая плотность энергии
В космической отрасли особое внимание уделяется удельному импульсу ракетного топлива. Удельный импульс характеризует энергоэффективность ракетного двигателя и обычно измеряется в секундах. Хотя жидкий керосин не имеет такого высокого удельного импульса, как жидкий водород, он гораздо плотнее, а значит, для того же количества топлива требуются гораздо меньшие топливные баки. Более высокая плотность энергии также позволяет ракетному двигателю развивать большую тягу.
4) Низкая токсичность
На некоторых ракетах-носителях используется двухкомпонентное (гиперголическое) топливо. Однако двухкомпонентное топливо крайне токсично и требуют крайне осторожного обращения. Авария ракеты на стартовой площадке или вблизи поверхности земли окажет серьёзное воздействие на окружающую среду. Жидкий керосин намного менее токсичен, чем гиперголическое, и многие другие виды топлива. Удаление или снижение содержания сернистых соединений и других примесей в процессе очистки, способствует тому что это топливо становится менее опасным.
5) Меньший объем топливных баков ракет
Высокая плотность жидкого керосина влечет за собой уменьшение объема топливных баков ступеней ракет. К примеру более низкая плотность жидкого водорода, требует гораздо больших топливных баков для того же объема ракетного топлива. Этот факт имеет решающее значение, поскольку любая экономия массы приводит к меньшим затратам энергии, а следовательно к меньшему количеству топлива, которое требуется ракете для вывода полезной нагрузки на околоземную орбиту.
6) Безопасность при работе обслуживающего персонала
Такие виды топлива, как жидкий водород и метан, экологически безопасны, поскольку практически не производят побочных продуктов, загрязняющих атмосферу. Кроме того, водород обладает гораздо более высоким удельным импульсом тяги, чем жидкий керосин. Но как мы помним, и жидкий водород и жидкий метан хранятся при очень низкой температуре, и как только их начинают закачивать в топливные баки ракеты, топливо нагревается и начинает испаряться, вызывая повышение давления внутри баков.
Поэтому необходимо обеспечить стравливание испаряющегося топлива, чтобы предотвратить разрушение баков от повышения давления. Это приводит к накоплению значительного количества опасных газов около ракеты и в районе стартового стола. Накопление газов увеличивает вероятность непреднамеренного возгорания, и создает опасную ситуацию для наземных служб, работающих на стартовой площадке. Жидкий керосин хранится при температуре окружающей среды и не требует вентиляции баков. Это делает работу персонала гораздо более безопасной.
7) Высокая температура вспышки
Поскольку более 85% массы ракеты составляет топливо, одной из самых серьёзных проблем перед запуском, и во время старта, является опасность непреднамеренного возгорания и последующего взрыва. Жидкий керосин имеет высокую температуру вспышки - то есть, чтобы он мог воспламенится, топливу необходимо достичь гораздо более высокой температуры. Это обеспечивает относительную безопасность при использовании большого объема данного вида топлива.
Недостатки использования жидкого керосина как ракетного топлива
Несмотря на многочисленные преимущества, жидкий керосин также имеет ряд недостатков. Наиболее значительными являются:
- Меньший удельный импульс
- Накопление отложений в ракетных двигателях
- Загрязнение атмосферы
- Наличие пространства между баками
1) Меньший удельный импульс
К сожалению, большая молекулярная масса топлива, обеспечивающая высокую плотность энергии, имеет и недостаток. Ракетный двигатель работающий на жидком керосине значительно уступает двигателю работающему на жидком водороде по такому параметру как удельный импульс.
2) Накопление отложений в ракетных двигателях
Жидкий керосин - это углеводород. При его сгорании образуется углекислый газ и другие побочные продукты, которые могут привести к коксованию и образованию отложений в ракетном двигателе и топливных магистралях. И хотя некоторый уровень коксования на самом деле может быть полезным, так как при этом образуется тонкая пленка, которая помогает защитить стенки сопла двигателя от горячих газов, чрезмерное накопление отложений может привести к засорению компонентов двигателя, перегреву и снижению его производительности. Большое количество накопившихся отложений также затрудняет и значительно увеличивает стоимость восстановления двигателей для повторного использования при последующих запусках.
3) Загрязнение атмосферы
В связи с трендом по сокращению выбросов и повышению экологической безопасности, экологически чистое топливо, такое как жидкий водород и метан, становится все более популярными. Хотя жидкий керосин считается относительно чистым, по сравнению со многими другими видами топлива, при его сгорании происходит загрязнение атмосферы нашей планеты. Одним из побочных продуктов сгорания керосина является углекислый газ, способствующий загрязнению атмосферы. Кроме того, он является парниковым газом, что способствует глобальному потеплению. Побочными продуктами сгорания также являются оксид азота, сажа и некоторые сернистые соединения, которые также вносят свой вклад в загрязнение.
4) Наличие пространства между баками
Одним из главных преимуществ керосина является то, что он остаётся жидким при комнатной температуре. Тем не менее для горения топлива требуется окислитель в виде жидкого кислорода, что создаёт определённые трудности. Жидкий кислород необходимо хранить при температуре около -183° по Цельсию. Это не представляет проблемы при использовании жидкого водорода или метана. Но большая разница температур между керосином и жидким кислородом требует наличия пространства между баками, для того чтобы изолировать друг от друга теплое топливо и холодный окислитель. Все это увеличивает размер и массу ракеты-носителя.
И так - использование жидкого керосина как ракетного топлива имеет как преимущества, так и недостатки. Однако на данный момент преимущества этого вида топлива значительно перевешивают его недостатки, и можно быть уверенными в том, что в обозримом будущем керосин все также будет использоваться на многих ракетах-носителях.
Читайте также:
Ну а на сегодня у меня всё. Спасибо за внимание!