Двигателем, который действительно как бы взял человека за руку и вывел в космос, стал жидкостнореактивный двигатель. Он же надежное «сердце» многих типов боевых ракет. В этих двигателях и окислителем и горючим служат специальные жидкие вещества. По данным иностранной печати, в качестве окислителя могут применяться, например, жидкий кислород, азотная кислота, а в качестве горючего — керосин, спирт, анилин и т. п.
Каждый, кому хотя бы в общих чертах известна работа самолетного турбореактивного двигателя, знает, что в нем есть специальные камеры сгорания, куда поступают воздух из атмосферы и керосин из баков и где происходит сгорание топлива. В жидкостном двигателе и окислитель и горючее подаются из специальных баков с помощью насосов или под действием давления. В камере двигателя они смешиваются и сгорают. Образующиеся при этом газы имеют температуру около 3000°, они расширяются в реактивном сопле и истекают, создавая силу тяги.
Сила тяги жидкостного двигателя получается весьма высокой при его относительно небольшом весе. Но при этом расходуется очень много топлива. Зарубежные специалисты подсчитали, что в двигателе с тягой 100 т ежесекундно (!) в камеру подается почти полтонны топлива. Понятно, что запас топлива на борту ракеты не может быть бесконечным, поэтому обычно ЖРД рассчитываются на сравнительно кратковременную работу. Но и за короткое время они дают ракете такой импульс энергии, что она оказывается в силах преодолевать континентальные и даже межконтинентальные расстояния.
У жидкостных двигателей все новые эксперименты и исследования позволяют увеличивать их удельную тягу, то есть ту тягу, которую дает топливо, сгорающее в одну секунду. Для этого применяют наиболее эффективные сорта топлива.
В качестве окислителя может использоваться жидкий кислород или такие соединения, как азотная кислота, четырехокись азота и другие. Окислители делят обычно на высококипящие и низкокипящие. К первым относится азотная кислота (кипит при температуре + 86 °C), ко вторым — жидкий кислород (кипит при температуре -183 °C).
Каковы свойства окислителей и что следует учитывать, когда приходится иметь с ними дело? Азотная кислота неустойчива и при комнатной температуре разлагается. Оттого что в кислоте постоянно содержатся окислы азота, она приобретает красно-бурый оттенок.
Для ракетных двигателей наиболее подходит азотная кислота, в которой содержание воды не превышает 2–4 процентов. Превышение этого количества воды отрицательно влияет на получение тяги.
Примечательны три момента, связанные с использованием азотной кислоты в качестве окислителя. Первый: эта кислота содержит 76 процентов кислорода, что характеризует ее как мощный окислитель. Второй: у нее наибольший удельный вес из всех окислителей, а значит, топлива на ее основе получаются с высокой теплотворностью. Третий момент: азотная кислота может в ряде случаев сверх роли окислителя «действовать» еще и в качестве охлаждающего компонента.
Но есть у азотной кислоты и свойства, которые усложняют обращение с ней. Пары ее ядовиты, а сама она, попадая на кожу, вызывает ожоги. Даже металлы не могут перед ней устоять.
Например, в металлических емкостях, в которых перевозится азотная кислота, образуется студенистый осадок. Приходится заботиться о том, чтобы он не попал в двигатель и не помешал его работе. Ученые нашли вещества, добавление которых снижает агрессивность азотной кислоты по отношению к металлам. Среди этих веществ можно указать серную кислоту. Смеси ее с азотной называют меланжами. Снижение агрессивности азотной кислоты достигается и смешиванием ее с четырехокисью азота. При этом возрастает удельный вес, понижается температура замерзания, повышается выделение кислорода для окисления горючего.
Вторым основным окислителем в ракетных топливах считают жидкий кислород. Это более сильный окислитель, чем азотная кислота. При сжижении объем газообразного кислорода падает почти в 800 раз. Поскольку кипит жидкий кислород при глубоком холоде, он в обычных условиях сильно испаряется. Так, прежде чем вступить в контакт с горючим в двигателе, он улетучивается ровно наполовину. По той же причине жидкий кислород не может применяться для охлаждения камер сгорания. При использовании этого окислителя приходится учитывать также и то, что стоит примешать к нему примеси, как он становится взрывоопасным. Вот почему перед «упаковкой» в специальные емкости жидкий кислород непременно очищают и обезжиривают.
Как азотная кислота и жидкий кислород стали традиционными окислителями, так керосин и спирты стали традиционными горючими для ЖРД.
Керосин применяют не только в чистом виде, но и в смеси с бензином. Иногда это горючее именуют углеводородным, или нефтяным. Температура кипения керосина, применяемого в ЖРД, составляет от 150 до 280 °C. При сгорании 1 кг выделяется 10 250 больших калорий тепла. Удельный вес керосина невелик (0,8 г/см3) — это, конечно, его недостаток. Но он компенсируется такими положительными чертами, как возможность производства в широких масштабах, низкая стоимость, нетоксичность и неагрессивность по отношению к металлам. Следует отметить, что керосин не образует с окислителями самовоспламеняющейся смеси. Эту смесь надо, что называется, «поджигать».
Спирты менее эффективны, чем керосин. Но у них есть и заманчивые качества. Они улучшают условия охлаждения камер сгорания, требуют меньше окислителя. Лучшие результаты дает этиловый спирт в смеси с жидким кислородом, худшие — метиловый.
Удельный вес спиртов лишь немного меньше удельного веса керосина. А вот температура кипения в 2–3 раза ниже. При сгорании 1 кг этилового спирта выделяется 7180 килокалорий, а метилового — 5330. Спирты также сравнительно дешевы и неопасны в обращении.
Те, кто знакомится с современной ракетной техникой, могут встретиться в литературе с такими названиями горючих, как гидразин и димазин. Гидразин весьма эффективен. Получается он из аммиака. С ним обращаться нужно осторожно: он ядовит. И еще есть у него недостаток: он замерзает при температуре -2 °C. Гораздо ниже температура замерзания у производного от гидразина продукта — димазина (-58 °C), также весьма распространенного ракетного горючего.
Имеются также горючие, которые при соприкосновении с окислителями воспламеняются. Такие самовоспламеняющиеся горючие обычно применяются в качестве пусковых. Среди них: тонка-250, гидразин-гидрат и другие.
Итак, представим себе, что топливо выбрано. Какую схему двигателя надо применить, чтобы преобразовать энергию сгорания этого горючего в тягу? Нам потребуются прежде всего баки, системы подачи компонентов в камеру сгорания и, естественно, сама камера сгорания и сопло, откуда истекают газы. Горючее и окислитель подаются через форсунки. Перед тем как попасть в камеру сгорания, горючее может поступать к соплу, проходить межрубашечное пространство камеры и охлаждать наружную и внутреннюю оболочки камеры.
Несколько слов о системах, с помощью которых горючее и окислитель подаются непрерывно из баков в камеру сгорания. По своему устройству такие системы бывают насосными и вытеснительными. В первой из них для подачи топлива используются специальные насосы. Для этой системы характерно сравнительно небольшое давление в баках, что не вызывает необходимости специально заботиться об их прочности, а это всегда связано, как известно, с увеличением веса. Для приведения в действие насоса используется турбина. Турбина и насос образуют единый турбонасосный агрегат. Турбина приводится в движение обычно парогазом, получаемым путем разложения перекиси водорода.
В вытеснительной системе горючее и окислитель подаются из баков в камеру сгорания давлением сжатого газа. Простейший пример — баллонная система. Шаровой резервуар сжатого газа через редуктор соединен с баками, где и поддерживается постоянное давление. Необходимость толстостенного баллона утяжеляет систему. Чтобы избежать этого, для вытеснения горючего и окислителя используют иногда горячие газы, получаемые при горении порохового заряда или работе дополнительного маломощного ЖРД.
Подводя итог, можно сказать, что вытеснительная система подачи топлива оправдывает себя лишь на малых и средних ракетах. Для более крупных ракет считается предпочтительней применять насосную систему, хотя она и получается технически сложнее.
Существенно для работы ЖРД и обеспечить надежное зажигание. Можно, например, воспламенять с помощью электричества пороховой заряд, а тот в свою очередь будет зажигать основное топливо. Надежные результаты дает и использование самовоспламеняющегося топлива.
Чтобы не подвергать двигатель опасности разрушения, его запускают ступеньками. Для этого сначала в камеру сгорания подают небольшие порции топлива. Постепенно подача доводится до величины полного расхода. Отсечка двигателя или его остановка достигаются подачей в течение нескольких секунд одного компонента вместо двух.
