Le carburant de fusée contient du carburant et du comburant et, contrairement au carburéacteur, n'a pas besoin d'un composant externe: de l'air ou de l'eau. Les combustibles de fusée, selon leur état d'agrégation, sont divisés en liquide, solide et hybride. Les combustibles liquides sont divisés en cryogéniques (avec le point d'ébullition des composants inférieur à zéro degré Celsius) et à haut point d'ébullition (le reste). Les combustibles solides sont constitués d'un composé chimique, d'une solution solide ou d'un mélange plastifié de composants. Les carburants hybrides sont constitués de composants dans différents états agrégés et sont actuellement au stade de la recherche.
Historiquement, le premier carburant de fusée était de la poudre noire, un mélange de salpêtre (oxydant), de charbon de bois (carburant) et de soufre (liant), qui a été utilisé pour la première fois dans les fusées chinoises au IIe siècle après JC. Les munitions à moteur-fusée à propergol solide (moteur-fusée à propergol solide) étaient utilisées dans les affaires militaires comme moyen incendiaire et de signalisation.
Après l'invention de la poudre sans fumée à la fin du 19ème siècle, un carburant balistite monocomposant a été développé sur sa base, consistant en une solution solide de nitrocellulose (carburant) dans de la nitroglycérine (un agent oxydant). Le carburant de balistite a une énergie multiple plus élevée que la poudre noire, a une résistance mécanique élevée, est bien formé, conserve une stabilité chimique pendant une longue période de stockage et a un faible prix de revient. Ces qualités ont prédéterminé l'utilisation généralisée du carburant balistique dans les munitions les plus massives équipées de propergols solides - les roquettes et les grenades.
Le développement dans la première moitié du XXe siècle de disciplines scientifiques telles que la dynamique des gaz, la physique de la combustion et la chimie des composés à haute énergie a permis d'élargir la composition des carburants de fusée grâce à l'utilisation de composants liquides. Le premier missile de combat avec un moteur-fusée à propergol liquide (LPRE) "V-2" utilisait un oxydant cryogénique - de l'oxygène liquide et un carburant à haut point d'ébullition - de l'alcool éthylique.
Après la Seconde Guerre mondiale, les roquettes ont reçu une priorité de développement par rapport aux autres types d'armes en raison de leur capacité à envoyer des charges nucléaires à une cible à n'importe quelle distance - de plusieurs kilomètres (systèmes de roquettes) à une portée intercontinentale (missiles balistiques). En outre, les armes de roquette ont considérablement supplanté les armes d'artillerie dans l'aviation, la défense aérienne, les forces terrestres et la marine en raison du manque de force de recul lors du lancement de munitions avec des moteurs de fusée.
Simultanément au carburant balistique et liquide pour fusée, les propergols solides mixtes multicomposants se sont développés comme les plus adaptés à un usage militaire en raison de leur large plage de température de fonctionnement, de l'élimination du risque de déversement de composants, du coût inférieur des moteurs de fusée à propergol solide en raison de l'absence de canalisations, vannes et pompes avec une poussée plus élevée par unité de poids.
Les principales caractéristiques des carburants pour fusées
En plus de l'état d'agrégation de ses composants, les carburants pour fusées se caractérisent par les indicateurs suivants:
- impulsion de poussée spécifique;
- stabilité thermique;
- stabilité chimique;
- toxicité biologique;
- densité;
- la fumée.
L'impulsion de poussée spécifique des carburants de fusée dépend de la pression et de la température dans la chambre de combustion du moteur, ainsi que de la composition moléculaire des produits de combustion. De plus, l'impulsion spécifique dépend du taux de dilatation de la tuyère du moteur, mais cela est davantage lié à l'environnement externe de la technologie des fusées (atmosphère atmosphérique ou espace extra-atmosphérique).
L'augmentation de la pression est assurée par l'utilisation de matériaux de structure à haute résistance (alliages d'acier pour les moteurs de fusée et organoplastiques pour les propergols solides). Dans cet aspect, les moteurs-fusées à propergol liquide sont en avance sur les propergols solides en raison de la compacité de leur unité de propulsion par rapport au corps d'un moteur à combustible solide, qui est une grande chambre de combustion.
La température élevée des produits de combustion est obtenue en ajoutant de l'aluminium métallique ou un composé chimique - l'hydrure d'aluminium au combustible solide. Les carburants liquides ne peuvent utiliser de tels additifs que s'ils sont épaissis avec des additifs spéciaux. La protection thermique des moteurs-fusées à propergol liquide est assurée par le refroidissement avec du carburant, la protection thermique des propergols solides - en fixant fermement le bloc de carburant aux parois du moteur et l'utilisation d'inserts de combustion en composite carbone-carbone dans la section critique de la buse.
La composition moléculaire des produits de combustion/décomposition du carburant affecte le débit et leur état d'agrégation en sortie de tuyère. Plus le poids des molécules est faible, plus le débit est élevé: les produits de combustion les plus préférés sont les molécules d'eau, suivies de l'azote, du dioxyde de carbone, des oxydes de chlore et d'autres halogènes; la moins préférée est l'alumine, qui se condense en un solide dans la tuyère du moteur, réduisant ainsi le volume des gaz en expansion. De plus, la fraction d'oxyde d'aluminium oblige à utiliser des buses coniques en raison de l'usure abrasive des buses paraboliques Laval les plus performantes.
Pour les carburants pour fusées militaires, leur stabilité thermique est particulièrement importante en raison de la large plage de températures de fonctionnement de la technologie des fusées. Ainsi, les combustibles liquides cryogéniques (oxygène + kérosène et oxygène + hydrogène) n'ont été utilisés qu'au stade initial du développement des missiles balistiques intercontinentaux (R-7 et Titan), ainsi que pour les lanceurs de véhicules spatiaux réutilisables (navette spatiale et Energia) destiné au lancement de satellites et d'armes spatiales en orbite terrestre basse.
Actuellement, l'armée utilise exclusivement du carburant liquide à haut point d'ébullition à base de tétroxyde d'azote (AT, comburant) et de diméthylhydrazine asymétrique (UDMH, carburant). La stabilité thermique de ce couple de combustibles est déterminée par le point d'ébullition de AT (+ 21°C), qui limite l'utilisation de ce combustible par les missiles en conditions thermostatées dans les silos à missiles ICBM et SLBM. En raison de l'agressivité des composants, la technologie de leur production et de l'exploitation des chars de missiles n'était / n'appartient qu'à un seul pays au monde - l'URSS / RF (ICBM "Voevoda" et "Sarmat", SLBM "Sineva" et " Doublure"). À titre d'exception, AT + NDMG est utilisé comme carburant pour les missiles de croisière de l'avion Kh-22 Tempest, mais en raison de problèmes d'exploitation au sol, le Kh-22 et leur prochaine génération Kh-32 devraient être remplacés par des avions à réaction. Missiles de croisière en zircon utilisant du kérosène comme carburant.
La stabilité thermique des combustibles solides est principalement déterminée par les propriétés correspondantes du solvant et du liant polymère. Dans la composition des carburants de balistite, le solvant est la nitroglycérine qui, dans une solution solide avec de la nitrocellulose, a une plage de température de fonctionnement de moins à plus 50 ° C. Dans les carburants mixtes, divers caoutchoucs synthétiques avec la même plage de température de fonctionnement sont utilisés comme liant polymère. Cependant, la stabilité thermique des principaux composants des combustibles solides (dinitramide d'ammonium + 97°C, hydrure d'aluminium + 105°C, nitrocellulose + 160°C, perchlorate d'ammonium et HMX + 200°C) dépasse largement la propriété similaire des liants connus, et il est donc pertinent de rechercher leurs nouvelles compositions.
La paire de carburants la plus stable chimiquement est AT + UDMG, car une technologie domestique unique de stockage amplifié dans des réservoirs en aluminium sous une légère surpression d'azote pendant une durée presque illimitée a été développée pour elle. Tous les combustibles solides se dégradent chimiquement au fil du temps en raison de la décomposition spontanée des polymères et de leurs solvants technologiques, après quoi les oligomères entrent en réaction chimique avec d'autres composants du combustible plus stables. Par conséquent, les contrôleurs à propergol solide doivent être remplacés régulièrement.
Le composant biologiquement toxique des carburants pour fusées est l'UDMH, qui affecte le système nerveux central, les muqueuses des yeux et le tube digestif humain, et provoque le cancer. A ce titre, un travail avec l'UDMH est réalisé en combinaisons isolantes de protection chimique avec utilisation d'appareils respiratoires autonomes.
La valeur de la densité du carburant affecte directement la masse des réservoirs de carburant LPRE et du corps de fusée à propergol solide: plus la densité est élevée, moins la masse parasite de la fusée est importante. La densité la plus faible du couple combustible hydrogène + oxygène est de 0,34 g/cu. cm, un couple kérosène + oxygène a une densité de 1,09 g/cu. cm, AT + NDMG - 1, 19 g / cu. cm, nitrocellulose + nitroglycérine - 1,62 g / cu. cm, aluminium / hydrure d'aluminium + perchlorate / dinitramide d'ammonium - 1,7 g / cc, HMX + perchlorate d'ammonium - 1,9 g / cc. Dans ce cas, il convient de garder à l'esprit que le moteur-fusée à propergol solide à combustion axiale, la densité de la charge de carburant est environ deux fois inférieure à la densité du carburant en raison de la section en étoile du canal de combustion, utilisé maintenir une pression constante dans la chambre de combustion, quel que soit le degré de combustion du carburant. Il en va de même pour les carburants balistiques, qui sont formés d'un ensemble de ceintures ou de bâtons pour raccourcir le temps de combustion et la distance d'accélération des fusées et des fusées. Contrairement à eux, la densité de la charge de carburant dans les moteurs-fusées à propergol solide à combustion finale à base de HMX coïncide avec la densité maximale indiquée pour celui-ci.
La dernière des principales caractéristiques des carburants pour fusées est la fumée des produits de combustion, démasquant visuellement le vol des fusées et des fusées. Cette caractéristique est inhérente aux combustibles solides contenant de l'aluminium, dont les oxydes sont condensés à l'état solide lors de la détente dans la tuyère du moteur-fusée. Par conséquent, ces carburants sont utilisés dans les propergols solides de missiles balistiques, dont la partie active de la trajectoire est en dehors de la ligne de mire de l'ennemi. Les missiles d'avion sont alimentés en carburant HMX et perchlorate d'ammonium, des roquettes, des grenades et des missiles antichars - avec du carburant balistique.
Énergie des carburants de fusée
Pour comparer les capacités énergétiques de divers types de carburant de fusée, il est nécessaire de leur définir des conditions de combustion comparables sous la forme de pression dans la chambre de combustion et le taux de dilatation de la tuyère du moteur de fusée - par exemple, 150 atmosphères et 300 fois expansion. Ensuite, pour les couples combustibles/triplets, l'impulsion spécifique sera:
oxygène + hydrogène - 4,4 km / s;
oxygène + kérosène - 3,4 km / s;
AT + NDMG - 3,3 km / s;
dinitramide d'ammonium + hydrure d'hydrogène + HMX - 3,2 km / s;
perchlorate d'ammonium + aluminium + HMX - 3,1 km / s;
perchlorate d'ammonium + HMX - 2,9 km / s;
nitrocellulose + nitroglycérine - 2,5 km / s.
Le combustible solide à base de dinitramide d'ammonium est un développement domestique de la fin des années 1980, il a été utilisé comme combustible pour les deuxième et troisième étages des missiles RT-23 UTTKh et R-39 et n'a pas encore été surpassé en caractéristiques énergétiques par les meilleurs échantillons de carburant étranger à base de perchlorate d'ammonium utilisé dans les missiles Minuteman-3 et Trident-2. Le dinitramide d'ammonium est un explosif qui explose même à partir d'un rayonnement lumineux; par conséquent, sa production est réalisée dans des pièces éclairées par des lampes rouges de faible puissance. Les difficultés technologiques n'ont permis de maîtriser le processus de fabrication du carburant de fusée sur sa base nulle part dans le monde, sauf en URSS. Une autre chose est que la technologie soviétique n'a été mise en œuvre de manière routinière que dans l'usine chimique de Pavlograd, située dans la région de Dniepropetrovsk en RSS d'Ukraine, et a été perdue dans les années 1990 après la conversion de l'usine pour produire des produits chimiques ménagers. Cependant, à en juger par les caractéristiques tactiques et techniques des armes prometteuses du type RS-26 "Rubezh", la technologie a été restaurée en Russie dans les années 2010.
Un exemple d'une composition très efficace est la composition de carburant solide pour fusée du brevet russe n° 2241693, propriété de l'usine de Perm de l'entreprise unitaire de l'État fédéral nommée d'après CM. Kirov :
agent oxydant - dinitramide d'ammonium, 58%;
carburant - hydrure d'aluminium, 27%;
plastifiant - nitroisobutyltrinitrateglycérine, 11, 25%;
liant - caoutchouc polybutadiène nitrile, 2, 25%;
durcisseur - soufre, 1,49%;
stabilisateur de combustion - aluminium ultrafin, 0,01%;
additifs - noir de carbone, lécithine, etc.
Perspectives de développement des carburants pour fusées
Les principales orientations pour le développement des carburants liquides pour fusées sont (dans l'ordre de priorité de mise en œuvre):
- l'utilisation d'oxygène surfondu pour augmenter la densité du comburant;
- passage à un combustible vapeur oxygène + méthane, dont le composant combustible a une énergie 15 % plus élevée et une capacité calorifique 6 fois supérieure à celle du kérosène, compte tenu du fait que les réservoirs en aluminium sont durcis à la température du méthane liquide;
- ajouter de l'ozone à la composition en oxygène à hauteur de 24 % afin d'augmenter le point d'ébullition et l'énergie du comburant (une grande partie de l'ozone est explosive);
- l'utilisation de combustible thixotrope (épaississant) dont les composants contiennent des suspensions de pentaborane, de pentafluorure, de métaux ou de leurs hydrures.
L'oxygène surfondu est déjà utilisé dans le lanceur Falcon 9; des moteurs-fusées alimentés à l'oxygène + méthane sont en cours de développement en Russie et aux États-Unis.
La direction principale dans le développement des carburants solides pour fusées est la transition vers des liants actifs contenant de l'oxygène dans leurs molécules, ce qui améliore le bilan d'oxydation des propergols solides dans leur ensemble. Un échantillon domestique moderne d'un tel liant est la composition polymère "Nika-M", qui comprend des groupes cycliques de dioxyde de dinitrile et de butylènediol polyétheruréthane, développé par l'Institut de recherche d'État "Kristall" (Dzerzhinsk).
Une autre direction prometteuse est l'élargissement de la gamme d'explosifs à la nitramine utilisés, qui ont un bilan d'oxygène plus élevé par rapport au HMX (moins 22%). Il s'agit tout d'abord de l'hexanitrohexaazaisowurtzitane (Cl-20, bilan oxygène moins 10 %) et de l'octanitrocubane (bilan oxygène nul), dont les perspectives dépendent de la réduction du coût de leur production - actuellement le Cl-20 est un ordre de grandeur plus cher que HMX, l'octonitrocubane est un ordre de grandeur plus cher que Cl -vingt.
Outre l'amélioration des types connus de composants, des recherches sont également menées dans le sens de la création de composés polymères dont les molécules sont constituées exclusivement d'atomes d'azote reliés par des liaisons simples. À la suite de la décomposition d'un composé polymère sous l'action du chauffage, l'azote forme des molécules simples de deux atomes reliés par une triple liaison. L'énergie libérée dans ce cas est le double de l'énergie des explosifs à la nitramine. Pour la première fois, des composés azotés à réseau cristallin de type diamant ont été obtenus par des scientifiques russes et allemands en 2009 lors d'expériences sur une usine pilote commune sous l'action d'une pression de 1 million d'atmosphères et d'une température de 1725 °C. Actuellement, des travaux sont en cours pour atteindre l'état métastable des polymères azotés à pression et température ordinaires.
Les oxydes d'azote supérieurs sont des composés chimiques prometteurs contenant de l'oxygène. L'oxyde nitrique V bien connu (dont une molécule plate se compose de deux atomes d'azote et de cinq atomes d'oxygène) n'a aucune valeur pratique en tant que composant de combustible solide en raison de son bas point de fusion (32 ° C). Des investigations dans ce sens sont menées en recherchant une méthode de synthèse du monoxyde d'azote VI (tétra-oxyde d'azote), dont la molécule charpente a la forme d'un tétraèdre, aux sommets duquel se trouvent quatre atomes d'azote liés à six atomes d'oxygène situés sur les bords du tétraèdre. La fermeture complète des liaisons interatomiques dans la molécule d'oxyde nitrique VI permet de lui prédire une stabilité thermique accrue, similaire à celle de l'urotropine. Le bilan en oxygène de l'oxyde nitrique VI (plus 63 %) permet d'augmenter considérablement la densité de composants à haute énergie tels que les métaux, les hydrures métalliques, les nitramines et les polymères d'hydrocarbures dans le carburant solide pour fusée.
