Химия в бою
Шрифт:
Особые надежды возлагают зарубежные специалисты на поиск неуглеводородных видов топлива. Оказалось, что некоторые вещества, например аммиак, обеспечивают при сгорании более полное использование воздуха. Благодаря этому мощность, скажем, танкового дизельного двигателя на аммиаке возрастает на треть. Кроме того, подчеркивается в печати, аммиак можно получать из воздуха и воды непосредственно в районе военных действий.
Однако прежде чем аммиак удастся сделать моторным топливом, предстоит преодолеть немало трудностей. Дело в том, что аммиак — летучее и ядовитое вещество. Чтобы сохранить его в жидком виде при нормальной температуре, необходимо в резервуарах поддерживать давление 14 атмосфер. Большая летучесть
Таковы некоторые направления, по которым химия «наступает» на гегемонию нефти среди источников энергии для боевых машин. Как видно, «черному золоту» пока не угрожает серьезная конкуренция, однако бурный прогресс науки и техники наших дней уже не раз вносил существенные поправки в самые, казалось бы, незыблемые представления и Оценки. Не составляют исключения и вопросы обеспечения войск горючим.
Наш рассказ о топливе для войск был бы, однако, неполным, если бы мы ничего не сказали о ракетном топливе. Вести же о нем разговор заставляет то обстоятельство, что топливо это особое. Посмотрим прежде всего, чем оно отличается от привычных для нас видов горючего?
Мы обычно не задумываемся над тем, что для сгорания килограмма горючего в двигателе автомобиля, танка или самолета необходимо почти три килограмма окислителя — кислорода. Силовые установки машин черпают его из окружающей атмосферы. Строго говоря, бензин, керосин, дрова, уголь — это горючие материалы, а не топливо. Топливом они становятся лишь в смеси с кислородом. Вот почему говорят об их зависимости от окружающей среды. Но ведь ракета должна летать и в безвоздушном пространстве, лишенном кислорода. Значит, ей необходимо «возить» с собой и горючее и окислитель. Только вместе они могут служить источником энергии для движения ракеты — стать ракетным топливом. И тогда оно не будет зависеть от окружающей среды, получит способность «гореть» в любых условиях— в атмосфере, в космосе, под водой. Такова первая обязанность ракетного топлива.
С другой стороны, обратим внимание на то, что реактивные самолеты, ракеты не имеют движителя такого, скажем, как колеса у автомобиля, гусеницы у танка или воздушный винт у самолетов и вертолетов. Роль движителя у ракет выполняет реактивная струя выбрасываемых из двигателя газов — продуктов сгорания или разложения топлива. Создание в реактивном или ракетном двигателе струи газов, с большой скоростью вытекающих наружу и образующих необходимую силу тяги, — вторая особенность ракетного топлива.
Таким образом, в отличие от обычных видов горючего ракетное топливо не только источник энергии, но и генератор так называемого рабочего тела, то есть газовой смеси, при помощи которой преобразуется тепловая энергия в механическую. Отсюда и основные требования к ракетному топливу. Оно должно обладать повышенным содержанием энергии, чтобы обеспечивать образование большого количества газов, нагретых до высокой температуры. Чем больше будет выбрасываться газов из сопла ракетного двигателя, чем выше будет их скорость, тем быстрее будет двигаться ракета, тем эффективнее топливо. Существуют ли в природе вещества, отвечающие подобным требованиям?
Вообще говоря, ассортимент материалов для ракетного горючего очень широк. Теоретически применимы почти все элементы периодической системы и их многообразные соединения. Несколько ограниченнее выбор окислителя: кислород, фтор, кислородсодержащие и галоидные соединения, наиболее активные из которых соединения фтора. Одним словом, если число видов ракетного горючего, которые уже испытаны в разных странах, близко к сотне, то число видов окислителя не превышает полутора — двух десятков.
По своему
Дело в том, что свойства топлива в конечном счете определяют конструкцию двигателя, основные характеристики ракетной системы. Поэтому выбор наиболее эффективного топлива для ракет того или иного назначения, отмечают зарубежные специалисты, — дело сложное, связанное с проведением больших исследовательских и испытательных работ.
Прежде всего напомним, что об эффективности топлива судят по величине тяги, которую может развивать ракетный двигатель в секунду за счет сгорания в нем килограмма топлива в секунду при определенном давлении в камере сгорания. Эту величину называют удельной тягой или удельным импульсом, который исчисляют в кг сек/кг или просто в секундах. Чем больше скорость истечения, тем больше удельная тяга и, следовательно, тем совершеннее топливо.
В зависимости от сочетания топливных пар — горючего и окислителя — удельная тяга ракетных двигателей колеблется в широких пределах. Так, у современных жидких ракетных топлив удельная тяга может доходить, указывается в зарубежной печати, до 300–450, а с помощью добавки различных легких металлов — 500–600 секунд. У твердых топлив эта цифра значительно меньше— 150–300 секунд. Для сравнения отметим, что теоретически в ядерном ракетном двигателе удельная тяга составляет 2500 секунд, а в фотонном двигателе, создающем тягу в результате направленного истечения из него квантов света — фотонов, она достигает предельного значения — 30 миллионов секунд. Однако более высокая удельная тяга какого-либо вида топлива еще вовсе не означает его превосходства над остальными. Здесь приходится учитывать ряд других, часто весьма противоречивых требований.
Возьмем, например, твердое топливо. Оно удобно в обращении, но не обладает достаточным энергосодержанием и не «транспортабельно» в ракете: его нельзя перекачивать, перемещать из баков в камеру сгорания двигателя. Приходится топливо размещать непосредственно в камере сгорания. Это, безусловно, упрощает конструкцию и эксплуатацию ракеты, но ограничивает возможности увеличения запаса топлива. Ведь увеличение емкости камеры сгорания, работающей под давлением до 100 атмосфер и при температуре 2000–3000 градусов, связано с непомерным возрастанием ее веса. Кроме того, трудно обеспечить длительное и равномерное горение подобного топлива. Так, полная продолжительность работы — ресурс твердотопливного двигателя всего несколько десятков, иногда сотен секунд. В то же время ракетный двигатель на жидком топливе способен работать от нескольких минут до нескольких часов.
С другой стороны, ракетный двигатель на твердом топливе значительно проще и дешевле ракетного двигателя на жидком топливе. Анализ американских специалистов показал, что в среднем твердотопливные ракетные двигатели в расчете на килограмм веса обходятся в пять раз дешевле жидкостных, но при этом значительно уступают им в удельной тяге. Максимально достижимая скорость полета ракеты с твердотопливным двигателем равна 28 000 км/час, а с жидкостным — 50 000 км/час. Отсюда — поиск новых «форм» ракетного топлива, более удобных и в то же время более эффективных. В разных странах с каждым годом появляются новые виды гибридных, псевдоожиженных, желеобразных, тиксотропных и других ракетных топлив. Что они собой представляют?