Il carburante per missili contiene carburante e ossidante e, a differenza del carburante per aerei, non necessita di un componente esterno: aria o acqua. I combustibili per missili, in base al loro stato di aggregazione, si dividono in liquidi, solidi e ibridi. I combustibili liquidi si dividono in criogenici (con il punto di ebollizione dei componenti inferiore a zero gradi Celsius) e ad alto punto di ebollizione (il resto). I combustibili solidi sono costituiti da un composto chimico, una soluzione solida o una miscela plastificata di componenti. I combustibili ibridi sono costituiti da componenti in diversi stati aggregati e sono attualmente in fase di ricerca.
Storicamente, il primo carburante per missili era la polvere nera, una miscela di salnitro (ossidante), carbone (combustibile) e zolfo (legante), che fu usata per la prima volta nei razzi cinesi nel II secolo d. C. Le munizioni con un motore a razzo a propellente solido (motore a razzo a propellente solido) sono state utilizzate negli affari militari come mezzi incendiari e di segnalazione.
Dopo l'invenzione della polvere senza fumo alla fine del XIX secolo, sulla sua base è stato sviluppato un combustibile balistite monocomponente, costituito da una soluzione solida di nitrocellulosa (combustibile) in nitroglicerina (un agente ossidante). Il combustibile per balistite ha un multiplo di energia maggiore rispetto alla polvere nera, ha un'elevata resistenza meccanica, è ben formato, mantiene la stabilità chimica per lungo tempo durante lo stoccaggio e ha un prezzo basso. Queste qualità hanno predeterminato l'uso diffuso di carburante balistico nelle munizioni più massicce dotate di propellenti solidi: razzi e granate.
Lo sviluppo nella prima metà del ventesimo secolo di discipline scientifiche come la dinamica dei gas, la fisica della combustione e la chimica dei composti ad alta energia ha permesso di espandere la composizione dei combustibili per missili attraverso l'uso di componenti liquidi. Il primo missile da combattimento con un motore a razzo a propellente liquido (LPRE) "V-2" utilizzava un ossidante criogenico - ossigeno liquido e un combustibile ad alto punto di ebollizione - alcol etilico.
Dopo la seconda guerra mondiale, le armi a razzo hanno ricevuto una priorità nello sviluppo rispetto ad altri tipi di armi grazie alla loro capacità di fornire cariche nucleari a un bersaglio a qualsiasi distanza, da diversi chilometri (sistemi missilistici) a un raggio intercontinentale (missili balistici). Inoltre, le armi a razzo hanno notevolmente soppiantato le armi di artiglieria nell'aviazione, nella difesa aerea, nelle forze di terra e nella marina a causa della mancanza di forza di rinculo quando si lanciano munizioni con motori a razzo.
Contemporaneamente al combustibile per missili balistico e liquido, i propellenti solidi misti multicomponente si sono sviluppati come i più adatti per l'uso militare grazie al loro ampio intervallo di temperature di funzionamento, all'eliminazione del pericolo di fuoriuscite di componenti, al minor costo dei motori a razzo a propellente solido a causa dell'assenza di tubazioni, valvole e pompe con maggiore spinta per unità di peso.
Le principali caratteristiche dei combustibili per missili
Oltre allo stato di aggregazione dei suoi componenti, i combustibili per missili sono caratterizzati dai seguenti indicatori:
- impulso specifico di spinta;
- stabilità termica;
- stabilità chimica;
- tossicità biologica;
- densità;
- fumosità.
L'impulso di spinta specifico dei combustibili per missili dipende dalla pressione e dalla temperatura nella camera di combustione del motore, nonché dalla composizione molecolare dei prodotti della combustione. Inoltre, l'impulso specifico dipende dal rapporto di espansione dell'ugello del motore, ma questo è più correlato all'ambiente esterno della tecnologia missilistica (atmosfera aerea o spazio esterno).
L'aumento della pressione è fornito attraverso l'uso di materiali strutturali ad alta resistenza (leghe di acciaio per motori a razzo e organoplastici per propellenti solidi). In questo aspetto, i motori a razzo a propellente liquido sono davanti ai propellenti solidi grazie alla compattezza della loro unità di propulsione rispetto al corpo di un motore a combustibile solido, che è una grande camera di combustione.
L'alta temperatura dei prodotti della combustione si ottiene aggiungendo alluminio metallico o un composto chimico - idruro di alluminio al combustibile solido. I combustibili liquidi possono utilizzare tali additivi solo se sono addensati con additivi speciali. La protezione termica dei motori a razzo a propellente liquido è fornita dal raffreddamento con carburante, dalla protezione termica dei propellenti solidi - fissando saldamente il blocco di carburante alle pareti del motore e l'uso di inserti di combustione realizzati in composito carbonio-carbonio nella sezione critica di l'ugello.
La composizione molecolare dei prodotti di combustione/decomposizione del combustibile influenza la portata e il loro stato di aggregazione all'uscita dell'ugello. Minore è il peso delle molecole, maggiore è la portata: i prodotti di combustione maggiormente preferiti sono le molecole d'acqua, seguite da azoto, anidride carbonica, ossidi di cloro e altri alogeni; meno preferita è l'allumina, che condensa in un solido nell'ugello del motore, riducendo così il volume dei gas in espansione. Inoltre, la frazione di ossido di alluminio obbliga all'uso di ugelli conici a causa dell'usura abrasiva dei più efficienti ugelli parabolici Laval.
Per i combustibili per missili militari, la loro stabilità termica è di particolare importanza a causa dell'ampia gamma di temperature di funzionamento della tecnologia missilistica. Pertanto, i combustibili liquidi criogenici (ossigeno + cherosene e ossigeno + idrogeno) sono stati utilizzati solo nella fase iniziale dello sviluppo di missili balistici intercontinentali (R-7 e Titan), nonché per veicoli di lancio di veicoli spaziali riutilizzabili (Space Shuttle e Energia) destinato al lancio di satelliti e armi spaziali in orbita bassa.
Attualmente, i militari utilizzano esclusivamente carburante liquido ad alto punto di ebollizione a base di tetrossido di azoto (AT, ossidante) e dimetilidrazina asimmetrica (UDMH, carburante). La stabilità termica di questa coppia di combustibili è determinata dal punto di ebollizione di AT (+ 21 ° C), che limita l'uso di questo carburante da parte dei missili in condizioni termostatate nei silos missilistici ICBM e SLBM. A causa dell'aggressività dei componenti, la tecnologia della loro produzione e funzionamento dei carri armati missilistici era / è di proprietà di un solo paese al mondo: l'URSS / RF (ICBM "Voevoda" e "Sarmat", SLBM "Sineva" e " Rivestimento"). In via eccezionale, AT + NDMG viene utilizzato come carburante per i missili da crociera dell'aereo Kh-22 Tempest, ma a causa di problemi con il funzionamento a terra, il Kh-22 e la loro prossima generazione Kh-32 dovrebbero essere sostituiti con propulsori a reazione Missili da crociera allo zircone che usano il cherosene come carburante.
La stabilità termica dei combustibili solidi è determinata principalmente dalle proprietà corrispondenti del solvente e del legante polimerico. Nella composizione dei combustibili di balistite, il solvente è la nitroglicerina, che in una soluzione solida con nitrocellulosa ha un intervallo di temperatura di funzionamento da meno a più 50 ° C. Nei combustibili misti, come legante polimerico vengono utilizzate varie gomme sintetiche con lo stesso intervallo di temperatura di esercizio. Tuttavia, la stabilità termica dei principali componenti dei combustibili solidi (dinitramide di ammonio + 97 ° C, idruro di alluminio + 105 ° C, nitrocellulosa + 160 ° C, perclorato di ammonio e HMX + 200 ° C) supera significativamente la proprietà simile dei leganti noti, e quindi è rilevante ricercare le loro nuove composizioni.
La coppia di combustibili chimicamente più stabile è AT + UDMG, poiché per essa è stata sviluppata una tecnologia domestica unica di stoccaggio amplificato in serbatoi di alluminio sotto una leggera pressione in eccesso di azoto per un tempo quasi illimitato. Tutti i combustibili solidi si degradano chimicamente nel tempo a causa della decomposizione spontanea dei polimeri e dei loro solventi tecnologici, dopo di che gli oligomeri entrano in reazioni chimiche con altri componenti del combustibile più stabili. Pertanto, i controllori a propellente solido necessitano di una sostituzione regolare.
Il componente biologicamente tossico dei combustibili per missili è l'UDMH, che colpisce il sistema nervoso centrale, le mucose degli occhi e il tratto digestivo umano e provoca il cancro. A questo proposito, il lavoro con UDMH viene svolto nell'isolamento di tute di protezione chimica con l'uso di un autorespiratore.
Il valore della densità del carburante influenza direttamente la massa dei serbatoi del carburante LPRE e del corpo del razzo a propellente solido: maggiore è la densità, minore è la massa parassita del razzo. La densità più bassa della coppia di combustibile idrogeno + ossigeno è 0,34 g/cu. cm, una coppia di cherosene + ossigeno ha una densità di 1,09 g/cu. cm, AT + NDMG - 1, 19 g / cu. cm, nitrocellulosa + nitroglicerina - 1,62 g / cu. cm, alluminio/idruro di alluminio + perclorato/dinitramide di ammonio - 1,7 g/cc, HMX + perclorato di ammonio - 1,9 g/cc. In questo caso, va tenuto presente che il motore a razzo a propellente solido di combustione assiale, la densità della carica di carburante è circa due volte inferiore alla densità del carburante a causa della sezione a forma di stella del canale di combustione, utilizzata per mantenere una pressione costante nella camera di combustione, indipendentemente dal grado di esaurimento del carburante. Lo stesso vale per i combustibili balistici, che sono formati come un insieme di cinghie o bastoncini per accorciare il tempo di combustione e la distanza di accelerazione di razzi e razzi. In contrasto con loro, la densità della carica di carburante nei motori a razzo a propellente solido di combustione finale basati su HMX coincide con la densità massima indicata per esso.
L'ultima delle principali caratteristiche dei combustibili per missili è il fumo dei prodotti della combustione, che smaschera visivamente il volo di razzi e razzi. Questa caratteristica è inerente ai combustibili solidi contenenti alluminio, i cui ossidi vengono condensati allo stato solido durante l'espansione nell'ugello del motore a razzo. Pertanto, questi combustibili sono utilizzati nei propellenti solidi dei missili balistici, la cui sezione attiva della traiettoria è al di fuori della linea di vista del nemico. I missili degli aerei sono alimentati con HMX e carburante perclorato di ammonio, razzi, granate e missili anticarro - con carburante balistico.
Energia dei combustibili per missili
Per confrontare le capacità energetiche di vari tipi di carburante per missili, è necessario impostare condizioni di combustione comparabili per loro sotto forma di pressione nella camera di combustione e il rapporto di espansione dell'ugello del motore a razzo, ad esempio 150 atmosfere e 300 volte espansione. Quindi, per le coppie/triplette di carburante, l'impulso specifico sarà:
ossigeno + idrogeno - 4,4 km / s;
ossigeno + cherosene - 3,4 km / s;
AT + NDMG - 3,3 km / s;
dinitramide di ammonio + idruro di idrogeno + HMX - 3,2 km / s;
perclorato di ammonio + alluminio + HMX - 3,1 km / s;
perclorato di ammonio + HMX - 2,9 km / s;
nitrocellulosa + nitroglicerina - 2,5 km / s.
Il combustibile solido a base di dinitramide di ammonio è uno sviluppo domestico della fine degli anni '80, è stato utilizzato come combustibile per il secondo e il terzo stadio dei missili RT-23 UTTKh e R-39 e non è stato ancora superato nelle caratteristiche energetiche dai migliori campioni di combustibile estraneo a base di perclorato di ammonio utilizzato nei missili Minuteman-3 e Trident-2. La dinitramide di ammonio è un esplosivo che detona anche da radiazioni luminose, pertanto la sua produzione viene effettuata in ambienti illuminati da lampade rosse a bassa potenza. Le difficoltà tecnologiche non hanno permesso di padroneggiare il processo di produzione di carburante per missili sulla sua base in qualsiasi parte del mondo, tranne che in URSS. Un'altra cosa è che la tecnologia sovietica è stata implementata di routine solo nell'impianto chimico di Pavlograd, situato nella regione di Dnepropetrovsk della SSR ucraina, ed è stata persa negli anni '90 dopo che l'impianto è stato convertito per produrre prodotti chimici domestici. Tuttavia, a giudicare dalle caratteristiche tattiche e tecniche delle armi promettenti del tipo RS-26 "Rubezh", la tecnologia è stata ripristinata in Russia negli anni 2010.
Un esempio di una composizione altamente efficace è la composizione del combustibile solido per missili del brevetto russo n. 2241693, di proprietà della Federal State Unitary Enterprise Perm Plant dal nome CM. Kirov :
agente ossidante - dinitramide di ammonio, 58%;
carburante - idruro di alluminio, 27%;
plastificante - nitroisobutiltrinitrateglicerina, 11, 25%;
legante - gomma nitrilica polibutadiene, 2, 25%;
indurente - zolfo, 1,49%;
stabilizzatore di combustione - alluminio ultrafine, 0,01%;
additivi - nerofumo, lecitina, ecc.
Prospettive per lo sviluppo di combustibili per missili
Le principali direzioni per lo sviluppo di combustibili liquidi per missili sono (in ordine di priorità di attuazione):
- l'uso di ossigeno sottoraffreddato per aumentare la densità dell'ossidante;
- passaggio a un combustibile vapore ossigeno + metano, la cui componente combustibile ha il 15% di energia in più e una capacità termica 6 volte migliore rispetto al cherosene, tenendo conto del fatto che i serbatoi di alluminio sono induriti alla temperatura del metano liquido;
- aggiunta di ozono alla composizione dell'ossigeno al livello del 24% per aumentare il punto di ebollizione e l'energia dell'ossidante (una grande percentuale di ozono è esplosiva);
- l'uso di carburante tissotropico (addensato), i cui componenti contengono sospensioni di pentaborano, pentafluoruro, metalli o loro idruri.
L'ossigeno superraffreddato viene già utilizzato nel veicolo di lancio Falcon 9; motori a razzo alimentati a ossigeno + metano sono in fase di sviluppo in Russia e negli Stati Uniti.
La direzione principale nello sviluppo di combustibili solidi per missili è il passaggio a leganti attivi contenenti ossigeno nelle loro molecole, che migliora l'equilibrio ossidativo dei propellenti solidi nel loro insieme. Un moderno campione domestico di tale legante è la composizione polimerica "Nika-M", che comprende gruppi ciclici di dinitrile diossido e butilendiolo polieteruretano, sviluppata dall'Istituto di ricerca statale "Kristall" (Dzerzhinsk).
Un'altra direzione promettente è l'espansione della gamma di esplosivi alla nitrammina usati, che hanno un bilancio di ossigeno più elevato rispetto all'HMX (meno 22%). Prima di tutto, questi sono l'esanitroesaazaisowurtzitane (Cl-20, bilancio dell'ossigeno meno 10%) e l'ottanitrocubano (bilancio dell'ossigeno zero), le cui prospettive dipendono dalla riduzione del costo della loro produzione - attualmente Cl-20 è un ordine di grandezza più costoso rispetto all'HMX, l'ottonitrocubano è un ordine di grandezza più costoso di Cl -venti.
Oltre al miglioramento delle tipologie note di componenti, si stanno svolgendo ricerche anche in direzione della creazione di composti polimerici, le cui molecole sono costituite esclusivamente da atomi di azoto collegati da singoli legami. Come risultato della decomposizione di un composto polimerico sotto l'azione del riscaldamento, l'azoto forma semplici molecole di due atomi collegati da un triplo legame. L'energia rilasciata in questo caso è il doppio dell'energia degli esplosivi alla nitrammina. Per la prima volta, nel 2009 scienziati russi e tedeschi hanno ottenuto composti azotati con un reticolo cristallino simile a un diamante durante esperimenti su un impianto pilota congiunto sotto l'azione di una pressione di 1 milione di atmosfere e una temperatura di 1725 ° C. Attualmente sono in corso lavori per raggiungere lo stato metastabile dei polimeri di azoto a pressione e temperatura ordinarie.
Gli ossidi di azoto più elevati sono promettenti composti chimici contenenti ossigeno. Il noto ossido nitrico V (una molecola piatta di cui sono costituiti due atomi di azoto e cinque atomi di ossigeno) non ha alcun valore pratico come componente di combustibile solido a causa del suo basso punto di fusione (32°C). Indagini in questa direzione vengono effettuate ricercando un metodo per la sintesi dell'ossido nitrico VI (esaossido di tetra-azoto), la cui struttura molecolare ha la forma di un tetraedro, ai cui vertici vi sono quattro atomi di azoto legati a sei atomi di ossigeno situati sui bordi del tetraedro. La completa chiusura dei legami interatomici nella molecola dell'ossido nitrico VI consente di prevedere per essa una maggiore stabilità termica, simile a quella dell'urotropina. Il bilancio dell'ossigeno dell'ossido nitrico VI (più 63%) consente di aumentare significativamente il peso specifico di componenti ad alta energia come metalli, idruri metallici, nitrammine e polimeri di idrocarburi nel combustibile solido per missili.
