Войти
Около 2 литров RP-1 RP-1 (альтернативно Rocket Propellant-1 или Refined Petroleum-1 ) представляет собой высокоочищенную форму керосина, внешне похожего на реактивное топливо, используемое как ракетное топливо. RP-1 имеет более низкий удельный импульс, чем жидкий водород (LH 2), но он дешевле, стабилен при комнатной температуре, гораздо менее взрывоопасен, и намного плотнее. RP-1 значительно более мощный, чем LH 2 по объему. RP-1 также имеет часть токсичности и канцерогенности опасности гидразина, другого жидкого топлива, работающего при комнатной температуре.
Аполлон 8, Сатурн V : 810 700 литров RP-1; 1311100 л LOX РП-1 - топливо в ускорителях первой ступени кораблей Союз-ФГ, Зенит, Дельта I-III, Atlas, Falcon 9, Antares и Tronador II. Он также питал первые ступени двигателей Энергия, Титан I, Сатурн I и IB и Сатурн V. Индийская организация космических исследований (ISRO) также разрабатывает двигатель на основе RP-1 для своих будущих ракет.
Во время и сразу после Второй мировой войны, спирты (в основном этанол, иногда метанол ) были наиболее распространенными видами топлива для больших жидкостных ракет. Их высокая теплота испарения предохраняла двигатели с регенеративным охлаждением от плавления, особенно с учетом того, что спирты обычно содержат несколько процентов воды. Однако было установлено, что углеводородное топливо повысит эффективность двигателя из-за немного более высокой плотности, отсутствия атома кислорода в молекуле топлива и незначительное содержание воды. Однако какой бы углеводород ни был выбран, он должен воспроизводить охлаждающую способность спирта.
Многие ранние ракеты сжигали керосин, но по мере увеличения времени горения, эффективности сгорания и давления в камере сгорания массы двигателя уменьшались, что приводило к неуправляемым температурам двигателя. Сырой керосин, используемый в качестве охлаждающей жидкости, имеет тенденцию диссоциировать и полимеризоваться. Легкие продукты в виде пузырьков газа вызывают кавитацию, а тяжелые в виде восковых отложений блокируют узкие охлаждающие каналы в двигателе. В результате нехватка охлаждающей жидкости приводит к дальнейшему повышению температуры и вызывает усиление полимеризации, что ускоряет разрушение. Цикл быстро увеличивается (то есть тепловой разгон ) до тех пор, пока не произойдет разрыв стенки двигателя или другой механический отказ, и он сохраняется даже тогда, когда весь поток охлаждающей жидкости состоит из керосина. В середине 1950-х годов конструкторы ракет обратились к инженерам-химикам с просьбой разработать термостойкий углеводород, в результате чего получился РП-1.
В течение 1950-х годов LOX (жидкий кислород ) стал предпочтительным окислителем для использования с RP-1, хотя также применялись другие окислители.
Во-первых, соединения серы были строго ограничены. Небольшие количества серы естественным образом присутствуют в ископаемом топливе. Было известно, что сера и соединения серы атакуют металлы при высоких температурах. Кроме того, даже небольшие количества серы способствуют полимеризации.
Алкены и ароматические углеводороды удерживаются на очень низких уровнях. Эти ненасыщенные углеводороды имеют тенденцию к полимеризации не только при температуре, но и при длительном хранении. В то время считалось, что ракеты, работающие на керосине, могут оставаться на хранении в течение многих лет в ожидании активации. Позднее эта функция была передана твердотопливным ракетам, хотя высокотемпературные преимущества насыщенных углеводородов остались. Из-за низкого содержания алкенов и ароматических соединений RP-1 менее токсичен, чем различные реактивные и дизельные топлива, и намного менее токсичен, чем бензин.
. Были выбраны или синтезированы более желательные изомеры. Линейные алканы были удалены в пользу сильно разветвленных и циклических молекул. Это повышенное сопротивление термическому разрушению, так как эти типы изомеров улучшают октановое число в поршневых двигателях. Реактивные двигатели, системы обогрева и освещения, ранее использовавшие керосин, гораздо меньше интересовались термическим распадом и содержанием изомеров. Наиболее желательными изомерами были полициклические соединения, слабо напоминающие ладдераны.
. При производстве эти сорта подвергали тщательной переработке для удаления примесей и побочных фракций. Высказывались опасения, что пепел может заблокировать топливопроводы и проходы двигателя, а также привести к износу клапанов и подшипников турбонасоса, смазываемых топливом. Слегка тяжелые или слишком легкие фракции влияли на смазочные свойства и, вероятно, отделялись во время хранения и под нагрузкой. Остальные углеводороды составляют C 12 масс. Из-за отсутствия легких углеводородов RP-1 имеет высокую точку вспышки и представляет меньшую пожароопасность, чем бензин / бензин или даже немного струйного и дизельное топливо.
В целом конечный продукт дороже прямогонного керосина. На бумаге любая нефть может произвести немного RP-1 при достаточной переработке. На практике топливо поступает с небольшого количества нефтяных месторождений с высококачественной базой. Это в сочетании с небольшим спросом на нишевом рынке по сравнению с другими потребителями нефти ведет к росту цены. Военные спецификации RP-1 описаны в MIL-R-25576, а химические и физические свойства RP-1 описаны в NISTIR 6646.
Советские и российские керосины ракетного качества очень похожи на RP- 1 и обозначаются T-1 и RG-1. Плотность выше, 0,82-0,85 г / мл, по сравнению с RP-1 при 0,81 г / мл. На короткое время Советы достигли еще большей плотности за счет сверхохлаждения керосина в топливных баках ракеты, но это частично свело на нет цель использования керосина по сравнению с другими сверхохлажденными видами топлива. В случае с ракетой Союз и другими ракетами на базе R7 температурный ущерб был незначительным. Уже имелись установки для управления криогенным жидким кислородом и жидким азотом, которые намного ниже температуры керосина. Центральный керосиновый бак пусковой установки окружен с четырех сторон и сверху баллонами с жидким кислородом; емкость с жидким азотом находится рядом внизу. Керосиновые баки четырех ускорителей относительно небольшие и компактные, они также находятся между баком с жидким кислородом и баком с жидким азотом. Таким образом, если керосин был первоначально охлажден, он мог оставаться таким в течение короткого времени, необходимого для завершения подготовки к запуску. Последняя версия Falcon 9, Falcon 9 Full Thrust, также имеет возможность переохлаждения топлива RP-1 до −7 ° C, что дает увеличение плотности на 2,5–4%.
| LOX / керосин | |
|---|---|
| Isp на уровне моря | 220–265 с |
| Isp в вакууме | 292–309 с |
| Отношение окислителя к топливу | 2,56 |
| Плотность (г / мл) | 0,81–1,02 |
| Отношение теплоемкости | 1,24 |
| Температура горения | 3670 K |
С химической точки зрения углеводородный пропеллент менее эффективен, чем водородное топливо, поскольку водород выделяет больше энергии на единицу массы во время сгорания, что обеспечивает более высокую скорость выхлопа. Частично это является результатом большой массы атомов углерода по сравнению с атомами водорода. Углеводородные двигатели также обычно работают с высоким содержанием топлива, что приводит к образованию некоторого количества CO вместо CO 2 в результате неполного сгорания, хотя это не является уникальным для углеводородных двигателей, поскольку водородные двигатели также обычно работают с высоким содержанием топлива для лучшей общей производительности. Некоторые российские двигатели используют форвакуумные камеры с турбонасосом, обогащенные кислородом, но основная камера сгорания по-прежнему работает с высоким содержанием топлива. В целом керосиновые двигатели генерируют Isp в диапазоне от 270 до 360 секунд, а водородные двигатели - от 370 до 465 секунд.
Во время остановки двигателя расход топлива быстро падает до нуля, пока двигатель еще достаточно горячий. Остаточное и захваченное топливо может полимеризоваться или даже карбонизироваться в горячих точках или в горячих компонентах. Даже без горячих точек тяжелое топливо может образовывать нефтяные остатки, как это видно в баках для бензина, дизельного топлива или реактивного топлива, которые эксплуатируются в течение многих лет. Жизненный цикл ракетных двигателей измеряется минутами или даже секундами, что предотвращает появление действительно тяжелых отложений. Однако ракеты гораздо более чувствительны к отложению, как описано выше. Таким образом, керосиновые системы обычно влекут за собой больше разборок и капитальных ремонтов, что приводит к операционным затратам и затратам на рабочую силу. Это проблема как для одноразовых, так и для многоразовых двигателей, потому что перед запуском двигатели необходимо запустить несколько раз с земли. Даже испытания на хладотекучесть, в которых топливо не воспламеняется, могут оставлять остатки.
С другой стороны, ниже давления в камере около 1000 фунтов на квадратный дюйм (7 МПа) керосин может образовывать сажистые отложения на внутренней стороне сопла и гильзы камеры. Это действует как значительный изоляционный слой и может уменьшить тепловой поток в стену примерно в два раза. Однако большинство современных углеводородных двигателей работают при более высоком давлении, поэтому для большинства двигателей это не оказывает существенного влияния.
В последних двигателях, работающих на тяжелых углеводородах, были модифицированы компоненты и введены новые рабочие циклы в попытке лучше управлять остатками топлива, добиться более постепенного охлаждения или того и другого. Это все еще оставляет проблему недиссоциированного нефтяного остатка. Другие новые двигатели пытались полностью обойти эту проблему, переключившись на легкие углеводороды, такие как метан или пропан газ. Оба являются летучими веществами, поэтому остатки двигателя просто испаряются. При необходимости растворители или другие слабительные средства можно пропустить через двигатель для завершения диспергирования. Короткоцепочечный углеродный каркас пропана (молекула C 3) очень трудно разрушить; метан с одним атомом углерода (C 1) технически вообще не является цепью. Продукты распада обеих молекул также являются газами, с меньшими проблемами из-за фазового разделения и гораздо меньшей вероятностью полимеризации и осаждения. Однако метан (и, в меньшей степени, пропан) снова создает неудобства в обращении, которые изначально вызывали появление керосинов.
Низкое давление паров керосинов обеспечивает безопасность наземным экипажам. Однако в полете керосиновый бак нуждается в отдельной системе наддува, чтобы восполнять объем топлива при его сливе. Обычно это отдельный резервуар с жидкостью или инертным газом под высоким давлением, например азотом или гелием. Это создает дополнительные расходы и вес. Криогенные или летучие пропелленты обычно не требуют отдельного давления; вместо этого часть топлива расширяется (часто с нагревом двигателя) до газа низкой плотности и направляется обратно в свой резервуар. Некоторые конструкции с легколетучим порохом даже не нуждаются в газовом контуре; некоторая часть жидкости автоматически испаряется, чтобы заполнить ее собственный контейнер. Некоторые ракеты используют газ от газогенератора для создания давления в топливном баке; обычно это выхлоп турбонасоса . Хотя это позволяет сэкономить вес отдельной газовой системы, теперь контур должен работать с горячим химически активным газом, а не с холодным инертным.
Несмотря на химические ограничения, RP-1 имеет ограничения на поставку из-за очень небольшого размера индустрии ракет-носителей по сравнению с другими потребителями нефти. Хотя материальная цена такого высокоочищенного углеводорода все еще ниже, чем у многих других ракетных топлив, количество поставщиков RP-1 ограничено. Некоторые двигатели пытались использовать более стандартные, широко распространенные нефтепродукты, такие как реактивное топливо или даже дизельное топливо. При использовании альтернативных или дополнительных методов охлаждения двигателя некоторые двигатели могут переносить неоптимальные составы.
Любое топливо на углеводородной основе при сжигании производит больше загрязнения воздуха, чем один только водород. Сжигание углеводородов приводит к образованию диоксида углерода (CO 2), оксида углерода (CO), углеводородов (HC) и оксидов азота (NO x), а водород (H 2) реагирует с кислородом (O 2) с образованием только воды (H 2 O), при этом также выделяется некоторое количество непрореагировавшего H 2.
В первых ракетах Роберта Х. Годдарда использовался бензин.
Пока разрабатывалась спецификация RP-1, Rocketdyne экспериментировал с. Хотя он превосходит RP-1, он никогда не был принят для использования - его формулировка не была завершена до разработки Atlas и Titan I (спроектированных на основе RP-1), что привело к тому, что RP-1 стал стандартным углеводородным ракетным топливом.
Советские формулировки обсуждались выше. Кроме того, Советы кратко использовали синтин (русский : синтин), формулировку более высокой энергии, используемую в верхних ступенях. Синтин представляет собой 1-метил-1,2-дициклопропилциклопропан (C. 10H. 16). Россия также объявила о планах по замене корабля "Союз-2" с РГ-1 на "нафтил" или "нафтил".
После стандарта РП-1 был разработан РП-2. Основное отличие - еще более низкое содержание серы. Однако, поскольку большинство пользователей принимают RP-1, не было особых стимулов производить и хранить второй, еще более редкий и более дорогой препарат.
Группа OTRAG запустила тестовые машины с использованием более распространенных смесей. По крайней мере, в одном случае ракета приводилась в движение дизельным топливом. Однако ни одна ракета OTRAG не подошла даже близко к орбите.
