Извечная мечта человека о космосе стала реальностью благодаря химии. Хотя топливо, которое используется для запуска ракет, такое же углеводородное, как и то, что наши предки сжигали в кострах и светильниках.
Важное отличие ракеты от самолёта состоит в том, что она должна нести не только топливо, но и окислитель, который нужен для его сгорания. Вещества из окружающей среды она не применяет.
Скорость полета ракеты определяется скоростью и объемом выбрасываемой в полете массы. То есть летит она тем быстрее, чем более тяжелое вещество может отбрасывать и чем с большей скоростью может это делать. Чтобы обеспечить этот процесс, нужно максимально эффективно преобразовывать энергию горючего и окислителя в реактивный выброс.
Сколько лет ракетам на самом деле?
«Меньше сотни», – уверенно ответит почти каждый человек. И ошибется, потому что еще две тысячи лет назад попытки создания ракет были сделаны в Китае. Тогда ракеты пытались запускать на смеси угля (топливо), селитры (окислитель) и серы (катализатор).
Разумеется, никаких впечатляющих результатов это не принесло.
По мере развития науки становилось очевидно, что твердое топливо вообще не подходит для этой цели: его эффективность слишком мала, а горение почти нельзя контролировать в летящей ракете.
Новейшие ракетные теории
В начале XX века появились первые разработки ракетных двигателей на жидком топливе с управляемой тягой. В теории все получалось отлично: берем спирт и окислитель, строим специальную камеру. Вещества горят и с огромной скоростью выбрасываются из сопла, давая нужную степень реактивной тяги. Управляем тягой, регулируя подачу веществ.
Но как быть с тем, что топливо требуется дважды? Ведь ракета сначала выходит на земную орбиту, а потом возвращается на землю. Для этого ее сначала нужно разогнать, а потом затормозить, на все это необходимо топливо, и ракета должна нести его с собой. А чем больше вес, тем более мощная первая ступень требуется, иначе ракета вообще не оторвется от земли.
Вскоре пришли к мысли, что для эффективного запуска нужны разные носители с разным топливом. Выбор был между керосином и спиртом, а в качестве окислителя должны были выступать азотная кислота или жидкий кислород. В СССР для пилотируемых запусков использовали смесь керосина и жидкого кислорода, именно она применялась для вывода первого спутника и первого запуска человека в космос.
Потом появились и другие варианты. Гептил с азотной кислотой и сейчас используется для заброски грузов на орбиту. В США при запуске «Аполлона» применяли сочетание керосина с кислородом на первой ступени, а для второй и третьей использовали тандем жидкого водорода и жидкого кислорода. Последний вариант показал отличную эффективность и широко применяется по сей день.
Как развивалась эта отрасль?
Работы по улучшению эффективности керосина велись с 1950-х годов. Их результат – появление синтина, который, однако, тоже имеет определенные проблемы, да и ресурсы для получения керосина не бесконечны. К тому же, топливные баки требуют очень много места и объема, и эта проблема стоит тем острее, чем более длительный полет планируется.
Когда появилась идея применять сжиженный газ вместо керосина, внимание ученых привлек метан. Одно из его достоинств – при сгорании он не образует нагара, что дает возможность создавать многоразовые ракетные двигатели.
Изменился и взгляд на используемые окислители. Получили распространение перекись водорода, азотная и хлорная кислоты и другие окислители, содержащие кислород. Собственно, самым выгодным окислителем является жидкий кислород – в составе кислот и других окислителей его содержится не более ¾, остальное, по сути, является балластом.
Начиная с 70-х годов начали широко применяться катализаторы горения с целью увеличить полноту сгорания топлива, исключить недожоги и поднять КПД двигателя.
Чем заняты химики сегодня?
Попытками получить еще более эффективные и дешевые варианты топлива. Пробовали даже составы на основе чистого фтора, кобальта и бериллия.
На самом деле, сейчас само понятие ракетного топлива становится немного неточным. Речь уже идет не о веществах, которые могут гореть и давать выбросы, а о новых составах, новых источниках энергии, которые выделяют ее без собственно горения.
Так, если взять атомарный (разделенный на атомы) водород в количестве одного килограмма, а потом снова соединить его атомы в молекулы, то можно получить гигантский тепловой выброс, достаточный для кипячения пятисот литров воды. Хорошо звучит? Да, но есть и минусы – крайняя неустойчивость атомарного водорода и сложности с его получением в больших количествах.
А конструкторы продолжают требовать «компактных» решений, которые позволят уменьшить объемы топливных баков ракет.
Чего ждать в ближайшем будущем?
Уже десять лет ведутся разработки и испытания двигателей, которые летают на природном газе. Достоинство этого топлива – в широкой доступности, невысокой цене и практически неисчерпаемых его запасах.
Уже работают ионные и плазменные двигатели и всерьез ведутся разговоры о системах, работающих на атомной энергии.
Судя по всему, грядет эра нового космического топлива – это вопрос буквально одного десятилетия. И, вероятно, эти новые составы станут стартовой площадкой для широкого применения ядерного горючего в качестве ракетного топлива.
