Вилли Лей - Ракеты и полеты в космос

Химикам, специалистам по топливам, конечно, были хорошо известны все возможности известных тогда топлив для ускорителей. Главной их проблемой в этом деле было не столько отыскание собственно горючего, то есть сжигаемого вещества, сколько подбор окислителя — вещества, дающего необходимый для горения кислород. Все известные в ту пору твердые окислители делились на две группы, в каждой из которых имелось большое количество веществ, отличавшихся своими преимуществами и недостатками.

К первой группе относились нитраты, из которых больше всего в пиротехнической практике был известен нитрат калия (КМО 3). Почти 40% его веса составляет кислород, выделяющийся при сгорании. Однако продукты сгорания с этим окислителем состоят главным образом из дымов, что создает при работе с ним большие трудности. Следующим в этой группе был нитрат натрия (NаNО 3), который выделяет еще больше кислорода (около 47%), но также дает много дыма и, кроме того, имеет еще ряд недостатков. Третий окислитель, нитрат аммония (NH 4NO 3), не образует при сгорании никаких твердых продуктов, но выделяет всего лишь 20% кислорода, так как часть кислорода уходит на соединение с водородом той же молекулы. Помимо этого, при большом увеличении температуры (выше 32° С) сильно изменяется объем нитрата аммония, что представляется небезопасным [20] Позднее было установлено, что от этого фактора можно легко освободиться. Филиал по ракетным топливам фирмы «Филиппс петролеум» разработал твердое топливо для ускорителей, состоящее из сажи, синтетической резины и некоторых присадок с нитратом аммония в качестве окислителя. Это топливо весьма устойчиво к большим колебаниям температуры, но выделяет при горении небольшое количество дыма. (Прим. авт.) .

Вторая группа включала в себя перхлораты. На первый взгляд эти вещества кажутся более эффективными, чем нитраты, так как выделяют в среднем более 50% (по весу) кислорода. Так, перхлорат магния (MgCl0 4) выделяет 57,2% кислорода. Но химики отвергли это вещество из-за его чрезвычайно высокой гигроскопичности. Следующим по количеству выделяемого кислорода (52%) является перхлорат натрия (NaCl0 4), тоже весьма гигроскопичное соединение, которое при горении выбрасывает твердое вещество — поваренную соль. Еще один окислитель этой группы, перхлорат калия (KClO 4), дает почти 46% кислорода, но так же, как и перхлорат натрия, образует твердый остаток—хлористый калий (КСl). Последний в группе—перхлорат аммония (NH 4Cl0 4); он высвобождает до 34% кислорода, не изменяет объема, как нитрат аммония, и не выбрасывает с продуктами сгорания никаких твердых веществ. Но одним из продуктов сгорания перхлората аммония является хлористый водород (НСl) — крайне токсичное и весьма активное вещество, которое в сыром воздухе образует туман.

Из всех перечисленных окислителей только перхлорат калия может быть использован в ракетном двигателе, и он действительно был применен в качестве топливного компонента Гуггенхеймской авиационной лабораторией Калифорнийского института технологии (сокращенно GALCIT) [21] Это топливо состояло из 70—78% КСlO 4 и 22—30% асфальта с небольшим добавлением асфальтового маcла. (Прим. авт). .

Однако мы забыли еще об одной группе химических веществ с высокими окислительными свойствами—о так называемых пикратах, основой которых является пикриновая кислота. Эта кислота может служить взрывчатым веществом, и, кроме того, она довольно токсична. Ее полное название — тринитрофенол (НО • С 6Н 2(N0 2) 3). Химики относят ее к типичным нитросоединениям ароматического ряда, а военные называют ее лиддитом или мелинитом.Очень чистая пикриновая кислота сама по себе вполне безопасна, но она легко образует при реакциях с металлами некоторые соли — пикраты, чрезвычайно чувствительные к трению или нагреванию. Пикраты тяжелых металлов, особенно таких, как свинец, детонируют при малейшей встряске. С пикратами легких металлов обращаться легче; уже давно известны такие пикратные пороха, как порох Брюжера и порох Дезиньоля, которые применялись как для гражданских взрывных работ, так и для военных целей. Порох Брюжера состоял на 54% из пикрата аммония, на 45% из нитрата калия и 1% инертных веществ. Порох Дезиньоля включал в себя пикрат калия, нитрат калия и древесный уголь.

В настоящее время применяется пороховая ракетная смесь, близко напоминающая порох Брюжера, которая состоит из пикрата аммония (40—70%), нитрата калия (20—50%) и твердой добавки.

Однако, несмотря на определенную перспективность пикратных порохов, более употребительными стали все же старые двухосновные пороха Нобеля, которые теперь изготовляются не в виде прессованных шашек, а в форме литых пороховых зарядов. Прессованные шашки Нобеля обычно включали в себя 50—60% нитроклетчатки, 30—45% нитроглицерина и 1—10% других веществ, литые же заряды наряду с нитроклетчаткой (45—55%) и нитроглицерином (25—40%) содержат еще до 12—22% пластификатора и около 1—2% различных специальных добавок.

Замена прессования отливкой позволила создавать заряды толщиной более 30 см и длиной свыше 180 см, высвобождающие всю энергию, заключенную в них, в течение 2,5—3 секунд и создающие тем самым огромный начальный импульс. Большие литые пороховые заряды окружены слоем пластмассы, который плотно прилегает к стенкам корпуса ракетного двигателя.

Один из таких больших ускорителей показан в разрезе на рис. 33. В этом образце передняя плита давит на заряд с помощью мощной пружины. Это позволяет фиксировать положение заряда и иметь небольшое пространство для компенсации теплового расширения заряда в начале горения. Заряд воспламеняется спереди, а горение развивается от центрального канала к периферии заряда. Путем придания центральному каналу определенной формы можно обеспечить регулировку внутреннего давления. Рассмотренная выше крестообразная шашка, например, горит таким образом, что внутреннее давление является максимально высоким в момент воспламенения заряда, в то же время толстостенная трубчатая шашка теоретически обеспечивает постоянное давление в камере сгорания в течение всего периода работы двигателя; такое горение называется горением при неизменной тяге. Если давление в камере сгорания поднимается с момента воспламенения и возрастает до тех пор, пока весь заряд не выгорит, имеет место, как говорят, горение с возрастанием тяги. Такое горение наиболее характерно для шашки, выполненной в форме стержня с несколькими продольными каналами; менее присуще оно таким шашкам, которые плотно прилегают к стенкам корпуса двигателя и имеют только один центральный канал. Если последний имеет не круглую, а звездообразную форму, происходит интересное явление: заряд горит с небольшим возрастанием тяги в течение первой четверти секунды, затем, в продолжение 2 секунд, горит с падением тяги, после чего тяга снова возрастает. К тому же звездообразное сечение центрального канала предъявляет весьма небольшие требования к прочности корпуса и таким образом позволяет уменьшить его вес.