Твёрдое ракетное топливо

В гомогенных топливах одни и те же молекулы одновременно играют роль топлива и окислителя, такие топлива практически всегда включают в себя нитроцеллюлозу[1].

Поскольку увеличение толщины горящего свода свыше 10 мм для одноосновных топлив затрудняется из-за длительности удаления летучего растворителя из толстосводных пороховых шашек[2], из гомогенных топлив наиболее распространены двухосновные топлива — твёрдые коллоидные растворы (как правило, нитроцеллюлозы) в нелетучем растворителе-пластификаторе (обычно в нитроглицерине, но используются и другие взрывчатые вещества, например, ЭГДН, ди- и тринитротолуол). Классическим примером данного вида топлив являются баллиститные ТРТ. Нитрат целлюлозы имеет отрицательный кислородный баланс, нитроглицерин имеет небольшой положительный кислородный баланс. Производство шашек ТРТ данного типа предусматривает проходное прессование на шнековом прессе при температуре 60-80 °С.

К достоинствам таких топлив относятся хорошие механические (предел прочности современных баллиститных топлив составляет 10-20 МПа, что на порядок превосходит смесевые ТРТ[3]), температурные^{[уточнить]} и другие конструкционные свойства, высокая стабильность при хранении, отработанность промышленностью и дешевизна, а также низкое содержание в продуктах горения твёрдых и конденсированных частиц (то есть «бездымность») и экологически вредных веществ (благодаря отсутствию в составе хлора). Недостатками же являются ограниченные возможности повышения удельного импульса и невозможность получения шашек большого размера (диаметром более 1 метра)[4].

Исторически первым смесевым топливом был чёрный порох, однако сейчас он применяется в качестве твёрдого ракетного топлива только в пиротехнических изделиях различного назначения и модельных ракетах. Он прост в получении, но имеет низкий удельный импульс, неравномерность горения, гигроскопичен, сложно получить шашки большого размера. При хранении шашек большого размера более 1-3 лет, происходит растрескивание шашки вследствие роста кристаллов селитры и изменения влажности шашки. Образовавшиеся трещины снижают стабильность хранения и могут привести к разрушению шашки при горении. Для повышения стабильности хранения пороховых шашек из дымного пороха, в конце 19-го века в Швеции было предложено заменить часть древесного угля на асфальт-битумную фракцию нефти. Это увеличило срок годности шашек диаметром 200—800 мм почти в 3 раза (до 7 лет для шашек диаметром 200 мм). С освоением промышленностью бездымных порохов, шашки ТРТ диаметром более 40-50 мм не производят из дымных порохов.

Смесевые твёрдые топлива (СТТ) представляют собой смесь твёрдых горючего и окислителя. Существует большое количество различных смесей, пригодных для ракетостроения. Как правило, все они создаются вокруг небольшого количества эффективных твёрдых окислителей, которые комбинируют с разнообразными горючими веществами. Наиболее известные окислители:

• перхлораты: аммония (NH₄ClO₄), лития (LiClO₄), калия (KClO₄);
• нитраты (селитры): калия (КNО₃), аммония (NH₄NO₃) и другие;
• динитрамид аммония (NH₄N(NO₂)₂).

В качестве горючего используются:

• металлы или их сплавы (алюминий, магний, литий, бериллий), гидриды металлов;
• полимеры и смолы (полиэтилен, полиуретан, полибутадиен, каучук, битум);
• другие вещества, например полисульфиды, бор, углерод;

В современных твердотопливных двигателях большой мощности чаще всего применяют смесь перхлората аммония с алюминием и каучуками. Иногда вместо каучуков используют полиуретан, что позволяет повысить срок годности шашки ТРТ и увеличить её жёсткость, но, в ущерб технологичности производства. Алюминий является основным источником тепловой энергии благодаря высокой теплотворности реакции окисления. Однако ввиду высокой температуры кипения оксид алюминия в реактивной струе РДТТ является твёрдым веществом и не совершает термодинамической работы при расширении в сопле. Поэтому основным источником газообразных продуктов является полимерное связующее. Примесь твёрдых продуктов сгорания ТРТ увеличивает внутреннее трение в реактивной струе газов, что снижает КПД работы РДТТ. Удельный импульс такого топлива около 250—280 секунд.

В ряде военных изделий с высокими ТТХ вместо перхлората аммония иногда применяется динитрамид аммония, дающий больший удельный импульс. Однако он гораздо дороже, требует аккуратного обращения на стадии производства шашки ТРТ и повышает восприимчивость шашки к прострелу и детонации.

Энергетика ТРТ для ряда ракет военного назначения (ЗУР, МБР, УР воздушного боя и пр.) повышается добавкой октогена в ТРТ, это несколько ухудшает эксплуатационные свойства, но позволяет увеличить удельный импульс тяги ТРТ[5].

В последние десятилетия для повышения энергетических свойств твёрдых ракетных топлив, а также уменьшения вредного влияния на окружающую среду, ведётся интенсивный поиск бесхлорных окислителей для ТРТ на замену перхлорату аммония, но все предлагаемые вещества пока слишком дороги, неэффективны или опасны.

Первая стадия производства СТТ включает подготовку окислителя (измельчение и сушка) и приготовление горюче-связующего (смешение олигомеров, пластификаторов и органической части окислительно-восстановительной инициирующей системы (ОВИС)). Затем смешивают окислитель с минеральными компонентами ОВИС, а горюче-связующее с остальными твёрдыми компонентами (БВВ, порошки металлов, катализаторы горения, стабилизаторы химической стойкости и пр.). Смешение вязкого горюче-связующего и окислителя производят в ротационных или роторных смесителях при небольшой скорости вращения. Готовой массой заполняют корпус РДТТ или форму (предварительно покрытую антиадгезивом). Шашку выдерживают некоторое время при повышенной температуре (45-70*С) в термокамере. Чем крупнее заряд и чем выше энергетика топлива, тем ниже температура нагрева и длительнее выдержка. После сшивки полимерного горюче-связующего трёхмерной сеткой поперечных связей, шашку остужают и вынимают из формы (если отливали в форму) или направляют для окончательной сборки РДТТ (если отливали в корпус двигателя). СТТ являются более дорогими и сложными в производстве ТРТ, но, они обеспечивают высокие энергетические характеристики и позволяют производить шашки практически любого размера (до нескольких сотен тонн и более)[4].

В качестве компонентов в смесевые топлива могут добавляться значительные количества двухосновных топлив. Такие составы называют модифицированными двухосновными топливами.

В кустарном ракетомоделизме получило широкое распространение самодельное смесевое топливо на основе нитрата калия и органических связующих, доступных в быту (сорбит, сахар и т. п.). Достаточно простое в изготовлении и обращении, оно обладает невысоким удельным импульсом, отличается нестабильными свойствами и опасно в производстве. Аналогичные кустарные составы иногда используют нерегулярные вооружённые формирования для неуправляемых реактивных снарядов малой дальности (например, НУР «Кассам»).

В 2009 году в США прошли наземные огневые испытания твердотопливного двигателя на основе водяного льда и мелкодисперсного (около 80 нанометров) алюминиевого порошка[6][7]. На сегодня НАСА рассматривает эту смесь как весьма перспективную (особенно в силу дешевизны) альтернативу твёрдому топливу.

Известны ракетные двигатели, где горючее является твердым топливом, а окислитель — жидким веществом, подаваемым в камеру сгорания насосами по трубопроводам. Достоинствами такого топлива являются возможность управления тягой двигателя, достижение более высоких температур сгорания за счет охлаждения камеры жидким окислителем. Такие ракетные двигатели являются промежуточными между ЖРД и РДТТ[8].