Ocena użytkowników: 0 / 5

Gwiazdka nieaktywnaGwiazdka nieaktywnaGwiazdka nieaktywnaGwiazdka nieaktywnaGwiazdka nieaktywna
 

W tym wstępnym artykule przedstawię podział i charakterystykę paliw rakietowych. Propergole to bardziej wyszukana nazwa materiałów pędnych rakiet, potocznie zwanych paliwami rakietowymi. Określenie paliwo rakietowe może się odnosić do środka napędowego jako całości albo tylko do reduktora. Aby uniknąć niejednoznaczności, określenia tego będę używał tylko dla materiałów pędnych stałych i reduktorów ciekłych.

Pierwsze rakiety, podobnie jak większość współczesnych amatorskich zabawek pirotechnicznych, napędzane były prochem czarnym i pochodziły z Chin. Kiedy proch czarny i broń palna na dobre zadomowiły się w europejskiej kulturze wojennej, na arenę wyszło dwóch sławnych Polaków. Pierwszym z nich był Michał Sędziwój- alchemik, który prawdopodobnie był pierwszym odkrywcą tlenu. Gaz ten uzyskał z saletry, poprzez jej prażenie. Istnieją przesłanki, że mógł on spotkać się z materiałami wybuchowymi, takimi jak złoto czy srebro piorunujące. Niemalże współczesnym mu i nawet sławniejszym polakiem był Kazimierz Siemienowicz. Inżynier ten tuż przed śmiercią w 1651 roku wydał książkę Artis Magnae Artilleriae Pars Prima, uznawaną w swoich czasach (przez kilkadziesiąt lat!) za najlepszy podręcznik artylerii na świecie. W tej to książce, opisał on między innymi stabilizatory rakiet oraz rakiety wielostopniowe.

 

Strony z 3. części dzieła Siemionowicza

 

Przez ponad 150 lat niewiele się działo w technice rakietowej ponieważ rewolucja przemysłowa miała nastąpić dopiero około 1800 roku, a pierwszy silnik parowy powstał około 50 lat po śmierci Siemionowicza. Wraz z rozwojem nauki i techniki, ze szczególnym uwzględnieniem odkryć w chemii rozpoczęła się nowoczesna historia rakiet. Do skonstruowania rakiety potrzebne jest odpowiednie paliwo, odpowiednie materiały konstrukcyjne i umiejętność wytwarzania części mechanicznych odpowiedniej jakości. Ze względu na te czynniki, pierwsze użyteczne rakiety były napędzane paliwem stałym. Pierwsze działające rakiety na propergole konstruował Robert Goddard w latach 1920, a rakiety hybrydowe powstały jeszcze później, bo w latach 1930.

 

Goddard (źródło- NASA CC)

 

Rakiety nierozerwalnie kojarzą się z pirotechniką ze względu na zasadę działania napędu chemicznego. Pierwszy materiał wybuchowy kruszący, kwas pikrynowy, został otrzymany z indyga w XVIII wieku przez Petera Woulfa. Również pod koniec XVIII wieku Claude Louis Berthollet otrzymał chloran potasu. Ten użyteczny utleniacz był pierwszą solą nowo odkrytego kwasu chlorowego, a nie solą kwasu azotowego, tak jak saletry. W XIX wieku chemią o zastosowaniu wojskowym zajmowało się wielu znanych chemików, chociażby znany wszystkim Alfred Nobel czy mniej znany, ale równie ważny Ascanio Sobrero. Podczas tego stuletniego skoku cywilizacyjnego odkryto azotany organiczne, takie jak nitroceluloza czy nitrogliceryna, nitrozwiązki aromatyczne, takie jak trotyl czy nitroaminy, takie jak heksogen. Ponadto odkryto szereg związków nieorganicznych istotnych w pirotechnice, między innymi azydki oraz nadchlorany.

 

Trotyl (źródło:Forum)

 

Rakiety napędzane paliwem stałym mają kilka podstawowych wad, które wywodzą się z jednej: raz zapalone paliwo nie może zostać zgaszone. Ta „drobna” niedogodność poza brakiem kontroli nad lotem rakiety, niesie również niebezpieczeństwo. W przypadku zbyt dużego ciśnienia w komorze mogło dojść do wybuchu lub rozerwania silnika, prowadząc do pożaru. Do połowy XX wieku wytwarzanie rakiet było bardziej sztuką niż inżynierią i niosło za sobą poważne koszty i ryzyko.

Niedogodności stałych paliw rakietowych nie posiadają rakiety napędzanie propergolami. W każdej chwili można zmienić ilość dozowanych materiałów a nawet zgasić silnik. Wadą jest natomiast skomplikowanie układu ze względu na konieczność dozowania składników w odpowiednich proporcjach.

Ostatnim usprawnieniem dotyczącym chemicznego napędu rakietowego jest napęd hybrydowy, gdzie jeden ze składników jest ciałem stałym i znajduje się w komorze spalania, a drugi jest dostarczany do komory w pożądanej ilości.

 

 

podział propergoli

 

Przykładami niejednorodnych paliw stałych są proch czarny oraz „karmelka” i Galcit, które to składają się z ziaren utleniaczy i reduktorów oraz lepiszcza i innych dodatków. Jednorodne paliwa stałe to głównie prochy nitrocelulozowe, na przykład balistyt.

Propergole ciekłe mogą być indywidualnymi substancjami, ale częściej mieszaninami. W układach dwupłynowych dwie ciecze są osobno wtryskiwane do komory silnika gdzie ulegają wymieszaniu i reakcji. Zwykle jedna z nich jest utleniaczem indywidualnym lub mieszaniną utleniaczy, a druga jest paliwem, zwykle mieszaniną reduktorów. Przykładami są układy tlen/nafta i tlen/wodór.

Podgrupą propergoli dwupłynowych są hipergole. Klasyczne paliwo wymieszane z utleniaczem wymaga impulsu cieplnego do zapłonu. Składniki hipergoli są względem siebie tak reaktywne, że ulegają zapłonowi podczas kontaktu, dzięki czemu nie jest wymagany układ zapłonowy. Szeroko stosowane były mieszaniny hydrazyna + dimetylohydrazyna/kwas azotowy.

Ekstremalnym przypadkiem hipergoli są paliwa piroforyczne- samozapłonowe. Ulegają one zapłonowi już w kontakcie z dość inertnymi utleniaczami, takimi jak powietrze. Takie paliwo jest stosowane na przykład w rakietach Falcon do odpalania silników. Umożliwia to wielokrotne uruchomienie silnika podczas jednego lotu. Substancjami piroforycznymi są na przykład trimetyloboran (trimetylobor) oraz trietyloglin.

W układach jednopłynowych stosuje się jedną ciecz, która ulega przemianie chemicznej w komorze silnika. Są to tak zwane monoergole. Mogą to być indywidualne substancje chemiczne jak też mieszaniny trwałych utleniaczy i reduktorów ulegających reakcji w komorze spalania. Reakcje utleniania mogą zachodzić pomiędzy składnikami albo wewnątrzcząsteczkowo jak w przypadku nitrometanu i azotanu metylu.

Podgrupą monoergoli są katergole, które ulegają egzotermicznej reakcji rozkładu pod wpływem katalizatora. Najbardziej klasyczne i najszerzej stosowane katergole to nadtlenek wodoru (katalizator srebro) oraz hydrazyna (katalizator platyna).

Napędy hybrydowe mogą, podobnie jak dwupłynowe, być klasyczne i hipergoliczne. Paliwo może być w postaci stałej lub ciekłej. Ze względu jednak na trudności w uzyskaniu stałego utleniacza o odpowiednio dużej zawartości tlenu i spełniającego wzajemnie wykluczające się wymagania, wszystkie obecne układy hybrydowe działają na ciekłym utleniaczu i stałym paliwie. Przykładem testowanym między innymi w Polsce jest układ parafina/podtlenek azotu.

Dokładniejsze omówienie właściwości propergoli znajdzie się w kolejnych artykułach z cyklu, w których przedstawiona będzie również historia rozwoju tych paliw. Zapraszam oczywiście do obejrzenia filmu: