Не топливо будущего

Топливо и окислитель — это ключевые элементы ракеты и одна из главных проблем. Именно эти два компонента занимают большую часть объёма ракеты и именно от их характеристик в значительной степени зависит все остальное. Сегодня “идеальные” пары окислителя и топлива давно найдены, но на этом пути были отброшены сотни, если не тысячи возможных комбинаций, часть из которых считались топливом будущего, лучшим, нежели привычная сегодня пара кислород + керосин или гидразин и его производные. Поэтому сейчас у нас будет история из США о попытках создания топлива мечты.

В чем вообще проблема подбора топлива для ракеты? Внезапно в том, что от него требуется целый набор подчас несовместимых характеристик:

1. Иметь высокую скорость реакции (сгорания), чтобы обеспечить нужную скорость истечения газов из сопла.
2. Давать как можно большую удельную тягу (отношение тяги к массе сгоревшего топлива для её получения). Если тяга будет слишком маленькой, то ракета просто не взлетит. Этот показатель зависит от конструкции двигателя и топливной пары, применяемой в нем.
3. Горение должно быть равномерно и предсказуемо. Неравномерное горение может вызвать флуктуации тяги двигателя и потерю управления ракетой.
4. Топливо должно сгорать без остатка, не образовывать объемных остатков, оседающих на поверхности и изменяющих геометрию сопла, так как это тоже может привести к потере управления ракетой.
5. Как можно легче воспламеняться, желательно вообще самовоспламеняться при соединении топлива и окислителя, чтобы упростить конструкцию двигателя.
6. Быть удобным в получении и эксплуатации.

Задачка поиска идеальной топливной пары и так была сложной из-за первых пяти пунктов, но шестой превращал её в увлекательный забег по минному полю. Все дело в том, что основным заказчиком ракет были военные, а их интересовало в первую очередь то, чтобы ракеты были как можно проще, дешевле и неприхотливее в обслуживании.

Пара керосин + кислород, сегодня едва ли не основа всей космической ракетной техники, военным прям очень не нравилась. Да, она давала высокую тягу, но кислород требовалось сжижать и заливать в бак при -180°С, что ставило жирный крест на удобстве эксплуатации и длительном дежурстве. Шутка ли, заправка баллистической ракеты могла занимать больше 10 часов, а жидкий кислород был очень требователен к условиям хранения, испаряясь даже через кажущиеся непроницаемыми уплотнения.

Поэтому военные хотели чего-то поудобнее, чтобы в ракету можно было залить топливо при температурах от -50 до +50 прямо из цистерны и она бы могла быть боеготовой длительное время. И тут начинался цирк с конями. Все хорошие окислители должны иметь высокую активность, что в большинстве случаев означает не только высокую коррозионную активность, но и ядовитость. Первое требовало изощряться с материалами для двигателя, баков и насосов, а второе, не смотря на довольно наплевательское отношение военных во всех странах к жизни отдельных солдат, при правильном применении средств защиты все же было не столь критическим. Поэтому альтернативой кислороду (точнее это кислород был их альтернативой, которую военные использовали только если совсем не было выбора) стали соединения азота: азотная кислота и четырехокись азота (КДАК).

А вот с топливом все было сложнее. У военных по обе стороны океана была идея-фикс, что вся техника должна летать и ездить на одном виде топлива - бензине. Вот только бензин именно как ракетное топливо был плох. Когда с внедрением в авиацию реактивных двигателей она стала переходить на керосин, дававший лучшие характеристики, военные решили, что им нужны керосиновые ракеты. Но с азотными окислителями он давал результат не радикально лучший бензина. В теории были виды топлива, которые значительно превосходили керосин, правда за их характеристики всегда приходилось чем-то платить.

Например, гидразин и его производные. Люто ядовитый, канцерогенный, но вместе с четырехокисью азота он давал результат эквивалентный или лучший связке кислород + керосин. А его киллер-фичей была возможность длительного хранения. Поэтому американские военные в 50-е двумя руками и ногами уцепились за эту топливную пару. Тем более, что сам является неплохим окислителем для других видов топлива, т.е. выгода от его применения двойная.

Потенциальной альтернативой гидразину могли стать меркаптаны — соединения серы и углерода, содержащиеся в нефти. В теории они могли дать хорошую удельную тягу и были совершенно не коррозионными. Но они воняли. Точнее ВОНЯЛИ! Уж насколько были ракетчики привычны в ту эпоху экспериментов к разному дурно пахнущему, но эти соединения так люто благоухали, что всю программу их изучения в США прикрыли в середине 50х.

Другим перспективным направлением стало топливо на соединениях бора — боранах. Все эти соединения противные — очень ядовитые, коррозионные, способные самовоспламеняться на воздухе и очень плохо гасимые. Хотя… последнее для ракет не то чтобы минус. Теоретически бораны могли давать очень высокую тягу, больше 300 секунд (с), что выше чем у пары кислород + керосин или КДАК + гидразин. Но первые попытки прожига ракетного двигателя на смеси боранов с разными окислителями дали неутешительный результат — при сгорании топлива образовывалось большое количество твёрдых стеклообразных отложений, которые серьезно меняли геометрию камеры сгорания и сопла. Было очевидно, что идея не очень удачная, а стоили бораны тогда очень дорого — их промышленного синтеза не существовало.

И тут на удачу химиков боранами удалось заинтересовать американские ВВС, которые готовились бомбить СССР, и им нужно было топливо, позволяющее бомберам с реактивным (не ракетным!) двигателем лететь дальше и быстрее. И ВВС готовы были потратить кучу денег на исследования, даже если они дадут минимальный выхлоп. А бораны по теоретическим выкладкам могли дать значительный прирост эффективности.

Частный бизнес, почуяв дурной запах (а бораны пахли неприятно) контрактов на миллионы тонн нового топлива в год вступили в гонку за то, кто первый создаст искомое топливо. Основными участниками гонки стали две фирмы: Olin Mathieson Chemical Corp и Callery Chemical Co. Обе активно рекламировали в журналах свою работу, декларируя о ни много ни мало создании топлива будущего. Параллельно с поиском наиболее удачного соединения обе фирмы начали строительство своих заводов, для чего активно привлекали частные инвестиции, обещая золотые горы. Производство топлива (HEF у Olin Mathieson и HiCal у Callery) оба предприятия начали ещё до окончания полного цикла испытаний.

И внезапно выяснилось, что полностью победить основную проблему боранов так и не удалось: при сгорании в реактивном двигателе они образовывали вязкую смолообразную субстанцию. Налипая на лопатки двигателя смола могла приводить к его “катастрофическому саморазбору”, что очень не понравилось военным. Быстро исправить проблему оказалось невозможно, а ВВС в конце 50-х охладели к боранам и программу пришлось срочно свернуть.

На этом проекте Mathieson и Callery потеряли миллионы долларов, получив по неработающему заводу, который производит ненужное никому вещество, так ещё его и невозможно переделать под другое производство. А ещё остались тысячи литров никому ненужного топлива, которое, как выяснилось, ещё и сложно утилизировать. Бинго!

Так как и ВВС, и фирмы-производители были рады побыстрее избавиться от ненужного теперь вещества — отдавали его за бесценок, а учёные и рады — теперь у них было много материалов для синтеза новых боранов. Это придало импульс возрождению исследований возможности применения боранов как ракетного топлива. Ракетчикам не давала покоя цифра теоретической удельной тяги в 300 с, которую давали расчёты. Наиболее ходовая в то время пара КДАК + гидразин давала около 280 с, так что игра стоила свеч, и НАСА в начале 60-х дала добро на обширную программу исследований.

На этот раз основным кандидатом в топливо будущего от боранов стал пентаборан, который в паре с гидразином, выступавшим тут окислителем, по расчётам давал потрясающую удельную тягу в 326 с. Вот только химические процессы в реальности не всегда протекают как на бумаге: в ходе экспериментов выяснилось, что реакция идёт не всегда чисто и в качестве побочного продукта активно вырабатывался аммиак, снижавший эффективность горения.

Не меньше проблем доставляла и необходимость создания специфичной камеры сгорания для правильного смешивания гидразина и пентаборана, чтобы он нормально горел и образующиеся при этом твёрдые фракции уносились из двигателя потоками газа. Для решения этой проблемы пришлось создать форсунку, через которую пентаборан поступал в камеру сгорания, через 6000 (!) просверленных вручную отверстий. Это решение серьёзно удорожало конструкцию двигателя.

Наконец ещё одной проблемой пентаборана была его дикая ядовитость, даже большая чем у гидразина. Руководство по безопасной работе с пентабораном было толщиной с телефонный справочник крупного города, но даже следование всем этим правилам не исключало случаев гибели людей.

В конце 1963 года на тестовом двигателе удалось достичь магических 300 с удельной тяги. Вот только… к тому моменту удалось подтвердить, что пентафторид хлора с гидразином дают большую удельную тягу.

Бораны ещё некоторое время будут пытаться пропихнуть как топливо для двигателей спутников или космических станций, но все проекты будут завернуты ещё на стадии предложений. Но у пентафторида хлора миг славы тоже не наступил — его до 80-х будут пытаться пристроить в военные или космические ракеты, но его ядовитость и химическая активность будут отталкивать потенциальных эксплуатантов. Поэтому ракеты продолжили летать на топливных парах, появившихся ещё в далёкие 50-е и считавшихся тогда неидеальными. Потому что иногда “идеал” это не лучший из всех по одной характеристике, а добротный середнячок.