Bahan bakar roket mengandung bahan bakar dan oksidator dan, tidak seperti bahan bakar jet, tidak memerlukan komponen eksternal: udara atau air. Bahan bakar roket, menurut keadaan agregasinya, dibagi menjadi cair, padat dan hibrida. Bahan bakar cair dibagi menjadi cryogenic (dengan titik didih komponen di bawah nol derajat Celcius) dan didih tinggi (sisanya). Bahan bakar padat terdiri dari senyawa kimia, larutan padat, atau campuran komponen yang diplastisasi. Bahan bakar hibrida terdiri dari komponen dalam keadaan agregat yang berbeda, dan saat ini sedang dalam tahap penelitian.
Secara historis, bahan bakar roket pertama adalah bubuk hitam, campuran sendawa (pengoksidasi), arang (bahan bakar) dan belerang (pengikat), yang pertama kali digunakan dalam roket Cina pada abad ke-2 Masehi. Amunisi dengan mesin roket propelan padat (solid propelan roket mesin) digunakan dalam urusan militer sebagai alat pembakar dan sinyal.
Setelah penemuan bubuk tanpa asap pada akhir abad ke-19, bahan bakar balistit komponen tunggal dikembangkan atas dasar itu, yang terdiri dari larutan padat nitroselulosa (bahan bakar) dalam nitrogliserin (zat pengoksidasi). Bahan bakar ballistite memiliki kelipatan energi yang lebih tinggi dibandingkan dengan serbuk hitam, memiliki kekuatan mekanik yang tinggi, terbentuk dengan baik, mempertahankan stabilitas kimia untuk waktu yang lama selama penyimpanan, dan memiliki harga yang murah. Kualitas-kualitas ini telah menentukan penggunaan bahan bakar balistik secara luas dalam amunisi paling masif yang dilengkapi dengan propelan padat - roket dan granat.
Perkembangan pada paruh pertama abad kedua puluh disiplin ilmu seperti dinamika gas, fisika pembakaran dan kimia senyawa berenergi tinggi memungkinkan untuk memperluas komposisi bahan bakar roket melalui penggunaan komponen cair. Rudal tempur pertama dengan mesin roket propelan cair (LPRE) "V-2" menggunakan pengoksidasi kriogenik - oksigen cair dan bahan bakar dengan titik didih tinggi - etil alkohol.
Setelah Perang Dunia II, senjata roket mendapat prioritas dalam pengembangan daripada jenis senjata lain karena kemampuannya untuk mengirimkan muatan nuklir ke target pada jarak berapa pun - dari beberapa kilometer (sistem roket) hingga jangkauan antarbenua (rudal balistik). Selain itu, senjata roket telah secara signifikan menggantikan senjata artileri dalam penerbangan, pertahanan udara, pasukan darat dan angkatan laut karena kurangnya kekuatan mundur ketika meluncurkan amunisi dengan mesin roket.
Bersamaan dengan bahan bakar roket balistik dan cair, propelan padat campuran multikomponen dikembangkan sebagai yang paling cocok untuk penggunaan militer karena rentang suhu operasi yang luas, penghapusan bahaya tumpahan komponen, biaya mesin roket propelan padat yang lebih rendah karena tidak adanya pipa, katup dan pompa dengan daya dorong yang lebih tinggi per satuan berat.
Karakteristik utama bahan bakar roket
Selain keadaan agregasi komponennya, bahan bakar roket dicirikan oleh indikator berikut:
- impuls dorong spesifik;
- stabilitas termal;
- stabilitas kimia;
- toksisitas biologis;
- kepadatan;
- asap.
Impuls dorong spesifik bahan bakar roket tergantung pada tekanan dan suhu di ruang bakar mesin, serta komposisi molekul produk pembakaran. Selain itu, impuls spesifik tergantung pada rasio ekspansi nosel mesin, tetapi ini lebih terkait dengan lingkungan eksternal teknologi roket (atmosfer udara atau luar angkasa).
Peningkatan tekanan disediakan melalui penggunaan bahan struktural dengan kekuatan tinggi (paduan baja untuk mesin roket dan organoplastik untuk propelan padat). Dalam aspek ini, mesin roket berbahan bakar cair berada di depan propelan padat karena kekompakan unit penggeraknya dibandingkan dengan bodi mesin berbahan bakar padat, yang merupakan satu ruang bakar besar.
Suhu tinggi dari produk pembakaran dicapai dengan menambahkan logam aluminium atau senyawa kimia - aluminium hidrida ke bahan bakar padat. Bahan bakar cair dapat menggunakan aditif tersebut hanya jika mereka dikentalkan dengan aditif khusus. Perlindungan termal mesin roket propelan cair disediakan dengan pendinginan dengan bahan bakar, perlindungan termal propelan padat - dengan menempelkan blok bahan bakar dengan kuat ke dinding mesin dan penggunaan sisipan burnout yang terbuat dari komposit karbon-karbon di bagian kritis nozel.
Komposisi molekul produk pembakaran / dekomposisi bahan bakar mempengaruhi laju aliran dan keadaan agregasinya di pintu keluar nosel. Semakin rendah berat molekul, semakin tinggi laju aliran: produk pembakaran yang paling disukai adalah molekul air, diikuti oleh nitrogen, karbon dioksida, oksida klorin dan halogen lainnya; paling tidak disukai adalah alumina, yang mengembun menjadi padatan di nosel mesin, sehingga mengurangi volume gas yang mengembang. Selain itu, fraksi aluminium oksida memaksa penggunaan nozel berbentuk kerucut karena keausan abrasif dari nozel parabola Laval yang paling efisien.
Untuk bahan bakar roket militer, stabilitas termalnya sangat penting karena rentang suhu yang luas dari operasi teknologi roket. Oleh karena itu, bahan bakar cair kriogenik (oksigen + minyak tanah dan oksigen + hidrogen) hanya digunakan pada tahap awal pengembangan rudal balistik antarbenua (R-7 dan Titan), serta untuk peluncuran kendaraan ruang angkasa yang dapat digunakan kembali (Space Shuttle dan Energia) dimaksudkan untuk meluncurkan satelit dan senjata luar angkasa ke orbit rendah bumi.
Saat ini, militer menggunakan bahan bakar cair dengan titik didih tinggi secara eksklusif berdasarkan nitrogen tetroksida (AT, oksidator) dan dimetilhidrazin asimetris (UDMH, bahan bakar). Stabilitas termal dari pasangan bahan bakar ini ditentukan oleh titik didih AT (+ 21 ° C), yang membatasi penggunaan bahan bakar ini oleh rudal dalam kondisi termostat di silo rudal ICBM dan SLBM. Karena agresivitas komponen, teknologi produksi dan pengoperasian tank rudal mereka / hanya dimiliki oleh satu negara di dunia - USSR / RF (ICBM "Voevoda" dan "Sarmat", SLBM "Sineva" dan " Liner"). Sebagai pengecualian, AT + NDMG digunakan sebagai bahan bakar untuk rudal jelajah pesawat Kh-22 Tempest, tetapi karena masalah dengan operasi darat, Kh-22 dan generasi berikutnya Kh-32 direncanakan akan diganti dengan jet bertenaga. Rudal jelajah zirkon menggunakan minyak tanah sebagai bahan bakar.
Stabilitas termal bahan bakar padat terutama ditentukan oleh sifat pelarut dan pengikat polimer yang sesuai. Dalam komposisi bahan bakar ballistite, pelarutnya adalah nitrogliserin, yang dalam larutan padat dengan nitroselulosa memiliki rentang suhu operasi dari minus hingga plus 50 ° C. Dalam bahan bakar campuran, berbagai karet sintetis dengan kisaran suhu operasi yang sama digunakan sebagai pengikat polimer. Namun, stabilitas termal komponen utama bahan bakar padat (amonium dinitramid + 97 ° C, aluminium hidrida + 105 ° C, nitroselulosa + 160 ° C, amonium perklorat dan HMX + 200 ° C) secara signifikan melebihi sifat serupa dari pengikat yang diketahui., dan oleh karena itu pencarian yang relevan untuk komposisi baru mereka.
Pasangan bahan bakar yang paling stabil secara kimiawi adalah AT + UDMG, karena teknologi domestik yang unik dari penyimpanan ampul dalam tangki aluminium di bawah sedikit tekanan nitrogen berlebih untuk waktu yang hampir tidak terbatas telah dikembangkan untuk itu. Semua bahan bakar padat secara kimiawi terdegradasi dari waktu ke waktu karena dekomposisi spontan polimer dan pelarut teknologinya, setelah itu oligomer masuk ke dalam reaksi kimia dengan komponen bahan bakar lain yang lebih stabil. Oleh karena itu, pemeriksa propelan padat perlu diganti secara teratur.
Komponen bahan bakar roket yang beracun secara biologis adalah UDMH, yang mempengaruhi sistem saraf pusat, selaput lendir mata dan saluran pencernaan manusia, dan memicu kanker. Dalam hal ini, bekerja dengan UDMH dilakukan dalam mengisolasi pakaian pelindung bahan kimia dengan menggunakan alat bantu pernapasan mandiri.
Nilai densitas bahan bakar secara langsung mempengaruhi massa tangki bahan bakar LPRE dan badan roket propelan padat: semakin tinggi densitas, semakin sedikit massa parasit roket. Densitas terendah dari pasangan bahan bakar hidrogen + oksigen adalah 0,34 g / cu. cm, sepasang minyak tanah + oksigen memiliki massa jenis 1,09 g/cu. cm, AT + NDMG - 1, 19 g / cu. cm, nitroselulosa + nitrogliserin - 1,62 g / cu. cm, aluminium / aluminium hidrida + perklorat / amonium dinitramid - 1,7 g / cc, HMX + amonium perklorat - 1,9 g / cc. Dalam hal ini, harus diingat bahwa mesin roket propelan padat pembakaran aksial, densitas muatan bahan bakar kira-kira dua kali lebih kecil dari densitas bahan bakar karena bagian saluran pembakaran berbentuk bintang, digunakan untuk mempertahankan tekanan konstan di ruang bakar, terlepas dari tingkat pembakaran bahan bakar. Hal yang sama berlaku untuk bahan bakar balistik, yang dibentuk sebagai seperangkat sabuk atau tongkat untuk mempersingkat waktu pembakaran dan jarak akselerasi roket dan roket. Berbeda dengan mereka, kepadatan muatan bahan bakar di mesin roket propelan padat pembakaran akhir berdasarkan HMX bertepatan dengan kepadatan maksimum yang ditunjukkan untuk itu.
Karakteristik utama bahan bakar roket yang terakhir adalah asap produk pembakaran, yang secara visual membuka kedok penerbangan roket dan roket. Fitur ini melekat pada bahan bakar padat yang mengandung aluminium, oksida yang terkondensasi menjadi padat selama ekspansi di nosel mesin roket. Oleh karena itu, bahan bakar ini digunakan dalam propelan padat rudal balistik, bagian aktif dari lintasan yang berada di luar garis pandang musuh. Rudal pesawat berbahan bakar HMX dan bahan bakar amonium perklorat, roket, granat, dan rudal anti-tank - dengan bahan bakar balistik.
Energi bahan bakar roket
Untuk membandingkan kemampuan energi dari berbagai jenis bahan bakar roket, perlu untuk mengatur kondisi pembakaran yang sebanding untuk mereka dalam bentuk tekanan di ruang bakar dan rasio ekspansi nosel mesin roket - misalnya, 150 atmosfer dan 300 kali lipat ekspansi. Kemudian, untuk pasangan bahan bakar / triplet, impuls spesifiknya adalah:
oksigen + hidrogen - 4,4 km / s;
oksigen + minyak tanah - 3,4 km / s;
AT + NDMG - 3,3 km / dtk;
amonium dinitramid + hidrogen hidrida + HMX - 3,2 km / s;
amonium perklorat + aluminium + HMX - 3,1 km / s;
amonium perklorat + HMX - 2,9 km / s;
nitroselulosa + nitrogliserin - 2,5 km / s.
Bahan bakar padat berbasis amonium dinitramid adalah pengembangan dalam negeri pada akhir 1980-an, digunakan sebagai bahan bakar untuk tahap kedua dan ketiga rudal RT-23 UTTKh dan R-39 dan belum melampaui karakteristik energi oleh sampel terbaik bahan bakar asing berbasis amonium perklorat yang digunakan dalam rudal Minuteman-3 dan Trident-2. Amonium dinitramid adalah bahan peledak yang meledak bahkan dari radiasi cahaya; oleh karena itu, produksinya dilakukan di ruangan yang diterangi oleh lampu merah berdaya rendah. Kesulitan teknologi tidak memungkinkan untuk menguasai proses pembuatan bahan bakar roket berdasarkan basisnya di mana pun di dunia, kecuali di Uni Soviet. Hal lain adalah bahwa teknologi Soviet secara rutin diterapkan hanya di pabrik kimia Pavlograd, yang terletak di wilayah Dnepropetrovsk di SSR Ukraina, dan hilang pada 1990-an setelah pabrik diubah untuk memproduksi bahan kimia rumah tangga. Namun, dilihat dari karakteristik taktis dan teknis dari senjata tipe RS-26 "Rubezh" yang menjanjikan, teknologi itu dipulihkan di Rusia pada 2010-an.
Contoh komposisi yang sangat efektif adalah komposisi bahan bakar roket padat dari paten Rusia No. 2241693, yang dimiliki oleh Pabrik Perm Perusahaan Kesatuan Negara Federal yang dinamai CM. Kirov :
zat pengoksidasi - amonium dinitramid, 58%;
bahan bakar - aluminium hidrida, 27%;
plasticizer - nitroisobutiltrinitrategliserin, 11, 25%;
pengikat - karet polibutadiena nitril, 2, 25%;
pengeras - belerang, 1,49%;
stabilizer pembakaran - aluminium ultrafine, 0,01%;
aditif - karbon hitam, lesitin, dll.
Prospek pengembangan bahan bakar roket
Arahan utama pengembangan bahan bakar roket cair adalah (dalam urutan prioritas pelaksanaan):
- penggunaan oksigen superdingin untuk meningkatkan kepadatan oksidator;
- transisi ke bahan bakar uap oksigen + metana, komponen yang mudah terbakar yang memiliki energi 15% lebih tinggi dan kapasitas panas 6 kali lebih baik daripada minyak tanah, dengan mempertimbangkan fakta bahwa tangki aluminium dikeraskan pada suhu metana cair;
- menambahkan ozon ke komposisi oksigen pada tingkat 24% untuk meningkatkan titik didih dan energi pengoksidasi (sebagian besar ozon bersifat eksplosif);
- penggunaan bahan bakar thixotropic (kental), yang komponennya mengandung suspensi pentaborane, pentafluoride, logam atau hidridanya.
Oksigen superdingin sudah digunakan di kendaraan peluncuran Falcon 9; mesin roket berbahan bakar oksigen + metana sedang dikembangkan di Rusia dan Amerika Serikat.
Arah utama dalam pengembangan bahan bakar roket padat adalah transisi ke pengikat aktif yang mengandung oksigen dalam molekulnya, yang meningkatkan keseimbangan oksidasi propelan padat secara keseluruhan. Sampel domestik modern dari pengikat semacam itu adalah komposisi polimer "Nika-M", yang mencakup gugus siklik dinitril dioksida dan butilenadiol polieteruretan, yang dikembangkan oleh Institut Penelitian Negara "Kristall" (Dzerzhinsk).
Arah lain yang menjanjikan adalah perluasan jangkauan bahan peledak nitramine bekas, yang memiliki keseimbangan oksigen lebih tinggi dibandingkan dengan HMX (minus 22%). Pertama-tama, ini adalah hexanitrohexaazaisowurtzitane (Cl-20, keseimbangan oksigen minus 10%) dan oktanitrocubane (keseimbangan oksigen nol), prospek yang bergantung pada pengurangan biaya produksi mereka - saat ini Cl-20 adalah urutan besarnya lebih mahal dari HMX, octonitrocubane adalah urutan besarnya lebih mahal dari Cl-dua puluh.
Selain meningkatkan jenis komponen yang diketahui, penelitian juga sedang dilakukan ke arah pembuatan senyawa polimer, yang molekulnya hanya terdiri dari atom nitrogen yang dihubungkan oleh ikatan tunggal. Sebagai hasil dari penguraian senyawa polimer di bawah aksi pemanasan, nitrogen membentuk molekul sederhana dari dua atom yang dihubungkan oleh ikatan rangkap tiga. Energi yang dilepaskan dalam hal ini adalah dua kali energi bahan peledak nitramin. Untuk pertama kalinya, senyawa nitrogen dengan kisi kristal seperti berlian diperoleh oleh ilmuwan Rusia dan Jerman pada tahun 2009 selama percobaan di pabrik percontohan bersama di bawah aksi tekanan 1 juta atmosfer dan suhu 1725 ° C. Saat ini, pekerjaan sedang dilakukan untuk mencapai keadaan metastabil dari polimer nitrogen pada tekanan dan suhu biasa.
Oksida nitrogen yang lebih tinggi menjanjikan senyawa kimia yang mengandung oksigen. Nitric oxide V yang terkenal (molekul datar yang terdiri dari dua atom nitrogen dan lima atom oksigen) tidak memiliki nilai praktis sebagai komponen bahan bakar padat karena titik lelehnya yang rendah (32 ° C). Investigasi ke arah ini dilakukan dengan mencari metode untuk sintesis oksida nitrat VI (tetra-nitrogen hexaoxide), molekul kerangka yang berbentuk tetrahedron, di simpul yang ada empat atom nitrogen yang terikat pada enam atom oksigen yang terletak di tepi tetrahedron. Penutupan lengkap ikatan interatomik dalam molekul oksida nitrat VI memungkinkan untuk memprediksi peningkatan stabilitas termal, mirip dengan urotropin. Keseimbangan oksigen oksida nitrat VI (ditambah 63%) memungkinkan untuk secara signifikan meningkatkan berat jenis komponen energi tinggi seperti logam, hidrida logam, nitramin, dan polimer hidrokarbon dalam bahan bakar roket padat.
