Ракетне паливо: різновиди та склад

Ракетне паливо є хімічною сумішшю, яка спалюється для отримання тяги в ракетах, і складається з пального і окислювача. Пальне – це речовина, яка згорає в поєднанні з киснем і виділяє газ для приведення літального апарату в рух. Окислювач – це реагент, який дозволяє кисню вступати в реакцію з паливом. Ракетне паливо класифікуються відповідно до його агрегатного стану – рідкого, твердого або гібридного.

Рідке ракетне паливо

У ракетних двигунах на основі рідкого палива пальне і окислювач зберігаються в окремих резервуарах. Вони подаються через систему труб, клапанів і турбонасосів в камеру згоряння, де з ‘єднуються і згорають для отримання тяги. Рідинні ракетні двигуни є більш складними, ніж їх аналоги на твердих типах палива. Однак вони мають кілька переваг. За допомогою регулювання потоків реагентів в камеру згоряння двигун може бути дросельований, зупинений або перезапущений.

Рідке паливо, що використовується в ракетній промисловості, можна розділити на три типи: вуглеводневе (на основі нафтопродуктів), кріогенне і самозаймисте.

Паливо на основі нафтопродуктів являє собою очищену нафту і складається з суміші складних вуглеводнів. Прикладом такого ракетного палива є один з видів гасу високого ступеня очищення. Він, як правило, використовується в поєднанні з рідким киснем в якості окислювача. Кріогенне ракетне паливо в більшості випадків являє собою рідкий водень, змішаний з рідким киснем. Через низькі температури таке пальне важко зберігати протягом тривалого часу. Незважаючи на цей недолік, рідке ракетне паливо володіє перевагою: при згорянні виділяється величезна кількість енергії. Самозаймисте ракетне паливо являє собою двокомпонентну суміш, яка займається при контакті з повітрям. Швидкий запуск двигунів, побудованих на такому типі палива, робить його ідеальним вибором для систем маневрування космічних кораблів. Однак таке пальне дуже легко займається, тому при роботі з ним необхідні особливі заходи безпеки.

Тверде ракетне паливо

Конструкція двигунів на твердому ракетному паливі є досить простою. Вона складається зі сталевого корпусу, заповненого сумішшю з твердих сполук (палива і окислювача). Ці компоненти горять з великою швидкістю, виходячи з сопла і створюючи тягу. Займання твердого ракетного палива відбувається в центрі резервуара, а потім процес переходить до бокових сторін корпусу. Форма центрального каналу визначає швидкість і характер горіння, забезпечуючи тим самим спосіб управління тягою. На відміну від рідинних реактивних двигунів, твердотільний двигун не може бути зупинений після запуску. Після початку процесу компоненти горітимуть, поки не скінчиться паливо. Є два види твердого палива: однорідне і композитне. Обидва типи дуже стабільні при звичайних температурах, а також легко зберігаються. Різниця між однорідним і композитним паливом полягає в тому, що перший тип являє собою речовину одного типу – часто це нітроцелюлоза. Композитні типи палива складаються з гетерогенних порошків на основі мінеральних солей.

Гібридне ракетне паливо

Ракетні двигуни, що працюють на такому типі палива, складають проміжну групу між твердотільними і рідинними силовими агрегатами. У такому типі двигуна одна речовина тверда, тоді як інша – в рідкому стані. Окислювач, як правило, це рідина. Основною перевагою таких двигунів є те, що вони мають високий коефіцієнт корисної дії. При цьому згоряння палива можна зупинити або навіть перезапустити двигун повторно.

“Україні потрібні свої ракети”. Як київський хімік обладнав конструкторське бюро у квартирі та навчає ракетобудуванню

У лютому 2023 року в Україні запустили гвинтовий дрон-камікадзе з нерухомої колісної платформи за допомогою стартового ракетного прискорювача. В такий самий спосіб, у який росіяни відправляють “Шахеди” в українське небо.

“Прискорювач дозволяє запускати апарат прямо з місця, без катапульти. Наприклад, з кузова вантажівки чи пікапа”, – каже старший науковий співробітник КНУ імені Тараса Шевченка Сергій Піпко, який впроваджує подібні розробки.

Про свою діяльність, яка стосується оборонної сфери, та її масштаби вчений говорить зовсім небагато: “Давайте краще я вам розкажу про те, як можна вирощувати інженерів”.

Ракетами та хімією Сергій Піпко захворів ще в дитинстві. На початку 2000-х зібрав невелику групу ракетолюбителів у Києві, був одним із організаторів профільного інтернет-форуму.

Шість років тому взявся за розвиток шкільних та студентських ракетних програм у Києві. Не знайшовши реальної підтримки, на власні кошти організував ракетобудівну майстерню в квартирі.

“Я обожнюю ракети і готовий займатися ними у будь-якій формі, – каже вчений. – На весь Київ аж один ракетомодельний гурток. Можу допомогти всім, хто хоче організувати, вести подібний гурток, матеріалами, екземплярами, всім необхідним”.

Чому в США таке потужне ракетобудування? Чого бракує Україні, щоб відродити ракетну галузь? Як любителі використовують у ракетах салямі та що таке карамельне паливо? В інтерв’ю УП розповів Сергій Піпко.

Далі – пряма мова.

Рекорди та розчарування

Шість років тому я вирішив спробувати в Києві зробити, як у Штатах та Європі, де майже в кожному університеті є ракетна програма. Почав агітувати різних людей.

Коли 2018-го Ілон Маск запустив свій червоний Roadster у космос, у барах столиці замість футболу дивилися той запуск. Був такий ажіотаж! І я подумав: “Ну, напевно, зараз вийде”. Вийшло в НАУ, бо на той час головою ради молодих вчених була Ксенія Семенова, яка допомогла організувати студентів.

Ми називали це “студентським конструкторським бюро експериментального ракетобудування” (проєкт NAURocket – УП). Нас у НАУ любили, ректор казав: “Молодці! Працюйте”. Але нам нічого не давали: ані грошей, ані приміщення, ані обладнання. Тому я зробив майстерню у власній квартирі.

Поки не розпочалася “бацила” (COVID-19 – УП), ми були зі своїми ракетами на п’яти – шести виставках на рік: Innovation Market, IT-Forum та інших. Нас скрізь кликали, а ми стояли з плакатами “НАУ будує ракети. Приходьте до НАУ”. Але потім в університеті змінився ректор, і нас звідти вигнали. Я так і не зрозумів чому.

Після цього я пішов до КПІ, там є цілий факультет – Інститут аерокосмічних технологій! (посміхається) Директору все сподобалося, нам щось пообіцяли. Але вже три роки нічого особливого там не відбувається, і ми продовжували працювати у мене в квартирі.

В кутку антена, яка дозволяє відстежувати траєкторію та місце приземлення ракети. По центру – ракета та комбінований двигун. Все спроєктовано та зроблено студентами

Найбільше моє розчарування – профільні спеціалісти, викладачі університетів не хочуть брати участь у студентських ракетних програмах. Що в НАУ, що в КПІ – абсолютний нуль. Кажуть: “Круто, самі займайтеся, тільки нас не чіпайте”.

Декілька місяців тому в НАУ відбулася чергова реорганізація, до керівництва прийшли молоді. Можливо, їм вдасться відродити ракетний напрямок.

На Заході студенти масово займаються ракетобудуванням, багато хто з них стає справжніми інженерами. Світовий рекорд польоту студентської ракети, зафіксований у США – 100 кілометрів у висоту. У ній 170 кілограмів палива.

Студентам не дали якийсь списаний військовий двигун: “Беріть, користуйтесь”. Ні, вони самі замішували паливо, проєктували, конструювали, і з’явився результат. Зрозуміло, що не одразу. Програма тривала 10 років, але все зробили на рівні космосу. На висоті ста кілометрів якраз і починається космос. Студенти зробили суборбітальну ракету.

Дві команди в Європі планують повторити це. Поки що європейський студентський рекорд – запуск на 40 кілометрів.

Все це дуже серйозні ракети, порівняно з якими у нас зовсім початковий рівень. Ми запускали на висоту до кілометра ракету діаметром 16 сантиметрів та завдовжки 3 метри. Потім готувались до п’яти кілометрів, але втрутилися COVID і війна.

В Україні, в Дніпрі, є, на щастя, ще одна студентська ракетна група. Їхнє досягнення – приблизно 6 кілометрів.

Щось нереальне

Навіщо я займаюся ракетами? А навіщо люди дивляться футбол? Чи з вудкою сидять там, де немає риби? (посміхається) Я не люблю футбол, не люблю риболовлю. Я люблю ракети, тому не можу цим не займатися.

Хімію та ракети я полюбив з дитинства. Закінчив хімфак університету Шевченка, працював в Інституті органічної хімії. Захистив дисертацію, потім перейшов назад, на свій рідний факультет – там працюю старшим науковим співробітником, проводжу дослідження.

Мій тато – військовий, інженер з авіаційного обладнання. Наприкінці 70-х ми жили в Німеччині, в колишній НДР. На Новий рік там продавали піротехніку – звичайне тепер для України явище. Але для радянської людини, особливо для мене, тодішнього хлопця, який мріяв про ракети, купити таке просто в магазині було чимось неймовірним.

Береш штуку на паличці, підпалюєш, вона летить, і щось бабахає – просто фантастика! Я діставав двигуни (частина піротехніки із зарядом – УП) і з ними робив ракети з парашутами.

В домашній майстерні Сергія Піпка. Картина, яку намалювали його учні

Щось серйозніше почалося наприкінці 90-х. 1998 року в мене з’явився інтернет, і я пішов насамперед шукати потрібну інформацію. Я побачив, що у світі відбувається щось нереальне: люди запускають ракети на десятки кілометрів. Такі, як я, любителі, тільки набагато більш розвинені.

Стало зрозуміло: те, що я робив раніше – дитячий белькіт. Коли я вивчив американські форуми, нарешті навчився проєктувати двигуни. До того робив усе методом тику, хоч і перечитав усі радянські підручники. Я зовсім не дурна людина, в мене завжди були “п’ятірки” та червоний диплом, але нічого корисного в цих підручниках я для себе не знайшов.

Не знаю, можливо, в СРСР, де було потужне ракетобудування, існувала якась суперсекретна література, але щодо загальнодоступної… Коли я вступив до університету, насамперед пішов до бібліотеки. Там була полиця метри три завдовжки з книгами про ракетне паливо, двигуни. Все це я перечитав раніше за хімію. Але загалом це нічим мені не допомогло.

Коли з’явився доступ до сайтів американських любителів, все стало на свої місця. Я спроєктував свій перший двигун, зробив стенд для виміру тяги. То був двигун на карамельному паливі.

Увесь контент Української правди – безоплатний і завжди таким буде. Наша журналістська команда працює для того, щоб ви знали – “Яка вона, справжня Україна?”. Щоб знайти правду, треба вміти чути не лише себе, а й інших. Нам важливо спілкуватись з вами у Клубі УП – а ваша підтримка вільних медіа у важкі часи важлива, як ніколи.

Карамель

Перша моя ракета, що реально полетіла, була у школі – піднялася на висоту приблизно дев’ятиповерхового будинку (до 30 метрів – УП). Але двигун був не мій. Власний я змайстрував вже студентом на димному пороху, напресованому в мисливську гільзу – все як належить (усміхається).

Димний порох – небезпечний та не дуже зручний. Десь наприкінці 1940-х у Штатах ракетолюбителі почали робити суміш із порошкового цукру, цукрової пудри та селітри, подрібненого нітрату калію. Усе це перемішували і пресували в картонні трубки – виходили двигуни.

Але все, що пресується – незручно. Завжди виходить різна якість палива, і великий двигун пресуванням не зробиш. Для цього потрібні вже далеко не аматорські преси.

Потім американець Білл Колберн додумався покласти цю суміш на сковорідку й залити її у форму – вийшла монолітна паливна шашка. Таке паливо назвали “карамельним”. Воно стало одним із найпопулярніших серед любителів.

Пізніше замість цукру стали брати, наприклад, глюкозу, фруктозу чи сорбіт – дешеву речовину, замінник цукру для діабетиків. Зараз переважно використовують сорбіт, який вільно продається в аптеках. Ми зі студентами його теж використовували.

Карамельне паливо, напевно, найдоступніше та найбезпечніше у виготовленні та використанні. Воно не спалахне від простої іскри, як, скажімо, димний порох.

У промисловому паливі для ракет є інший окислювач. У карамельному – нітрат калію. При розпаді він дає кисень, у якому горить пальне – цукор, наприклад. На промисловому окислювач – перхлорат амонію. І найчастіше для підвищення температури горіння додають алюміній.

Все це “склеюється”, скажімо, поліуретаном. Тобто якимось полімером. Потім замішується, виходить таке собі “тісто”, з якого роблять шашку.

Наша “Вільха” чи ракети від HIMARS, Patriot працюють саме на такому паливі. А в кожному з бічних прискорювачів космічного шатлу його по 500 тонн.

Салямі та твердопаливний двигун

Шість років тому київські школярі самі спроєктували двигун, на якому ракета піднялася десь на 200 метрів. Вони знайшли мій сайт, почитали та зробили. Розрахували, замовили роботу в токаря. Самостійно мішали карамельне паливо. Я їм потім лише трохи допоміг скоригувати деякі речі.

Сама ракета зроблена з пластикової труби. У носовій частині висотомір, який подає сигнал викиду парашута.

Для мене це досягнення, напевно, важливіше, ніж якісь інші серйозні речі. Тому що це справжня робота школярів, навіть не студентів.

Пізніше в студентському конструкторському бюро ми зробили вже значно масштабнішу копію того двигуна. Теж твердопаливного. Випробували його двічі, працював чудово, але ракету не встигли зробити.

Потім був так званий гібридний двигун, а також його збільшений варіант із баком на два з половиною літри.

Комбінований двигун, спроєктований і виготовлений студентом Олександром Гуриновичем

Специфіка гібридного двигуна така: один компонент у ньому рідкий, а інший твердий. Найчастіше рідкий – це окислювач. Наприклад, рідкий кисень, азотна кислота, перекис водню.

А твердий – якесь пальне. Зазвичай гума, пластик. Хоча може бути все, що горить: шматок дерева, вугілля. Для приколу любителі салямі вставляли (сміється). Вона жирна, там є чому горіти. Зрозуміло, що ефективність салямі як елемента палива невисока.

У нашій майстерні студенти зробили і складний, рідинний двигун.

З цікавих екземплярів ми також маємо ракету, яку готували для польоту на п’ять кілометрів, з твердопаливним двигуном. Його ми зробили окремо від студентів, а хлопці займалися складною електронікою. Там є акселерометри, гіроскопи, висотоміри, магнітометри, визначення моменту викиду одного і другого парашута. Плюс GPS-маяк, який протягом усього польоту раз на секунду передає координати.

“Хтось має і гайки крутити”

Із запуском аматорських ракет в Україні було все непросто і до 24 лютого (до початку повномасштабного вторгнення у 2022 році – УП). У нас немає правил та механізмів.

Як це відбувається в США? У кожному Штаті є клуби, в яких тисячі людей. На рік там запускають десятки тисяч любительских ракет.

У Штатах у магазинах для ракетників вільно продається перхлорат амонію, правильний алюміній і поліуретан, на якому працюють двигуни військових ракет. Є курси, де можна всьому навчитися. А ще – спеціальні полігони. Ти знаєш, куди дзвонити: “Алло, наш клуб через тиждень запустить ракету на 10 або 20 кілометрів”. І на тому кінці вам скажуть: “Добре, ми закриємо небо в такий проміжок часу”.

Декілька років тому ми знайшли досить велике поле далеко за містом, де нікого і нічого немає. Запускали ракети з таким розрахунком: навіть якщо полетить не вгору, а убік на свою теоретично максимальну дальність, то не вийде за межі цього поля.

Нам завжди доводилося обмежувати висоту польоту максимум кілометром. Ми дотримувалися всіх розумних правил, тому ніколи інцидентів не було.

Чому в Україні така ситуація з ракетобудуванням загалом? Не було державної політики та зацікавленості. Може, зараз вона є, не знаю…

Усі попередні роки роззброювалися, грабували державні підприємства, просто пилили бабки. Приватні фірми не могли народитися, бо держава нічого не просила. Куди було подіти продукцію? Ніхто нічого не замовляє. Нікому нічого не треба.

Сергій Піпко: Думаєте, я як технар більш стійкий до ракет (що прилітають по Києву – УП)? Я, мабуть, трохи більше розуміюсь на них, ніж ви. Але це мені не дає жодних переваг (під час обстрілів – УП). Нам треба для захисту виробляти щось своє

У Штатах є державні замовлення, які виконують багато приватних компаній. Вони мають робочі місця з відмінними зарплатами. Школярі, студенти, які йдуть спочатку в аматорське ракетобудування, знають, що вони знайдуть потім роботу, якщо докладуть зусиль і покажуть себе.

Якщо людина розуміє, що не може отримувати хороші гроші, працюючи інженером, конструктором, навіщо вона цього навчатиметься? Куди йти такій людині в Україні? У КБ “Південне” на державну зарплату ніхто не хоче, я так гадаю. А більше нікуди. Хіба що за кордон.

Якщо говорити про ракетобудування, то я поки не бачу перспектив в Україні для молодих. І як це виправити, не знаю. Я – не державний діяч.

Адекватний школяр, студент хоче вчити те, на чому можна заробити. Тому всі пішли в програмісти, а не в конструктори. Але хтось мусить і гайки крутити, розумієте?

Одними програмістами країна не проживе. Україні потрібні свої ракети та ракетники.

Євген Руденко – УП

Пентагон хоче розробити ракетне стелс-паливо. Чи може це спровокувати ядерну війну?

“Виявлення запуску ракети й перегорання ракетного прискорювача – важливі пункти ідентифікації загроз. Оскільки дистанційне ІЧ спостереження часто використовується для виявлення та відстеження запусків ракет, можливість уникнути виявлення за рахунок зменшення ІЧ сигнатури буде корисне для мобільних оборонних платформ, а також для розгорнутих наступальних засобів передового базування”.

Пентагон хоче розробити паливо для ракет, яке допоможе їм залишитися невиявленими

Той факт, що американська організація з протиракетної оборони хоче ракетне паливо з низьким ІЧ-випромінюванням, не обов’язково є чимось поганим. Хоча протиракетні лазери вже на підході, на цей момент протиракетна оборона США покладається тільки на ракети для збивання інших ракет.

Однак в ракетних перехоплювачах використовуються прискорювачі, які виділяють багато тепла і світла. Логічно припустити, що противники можуть використати ІЧ спалах перехоплювача, щоб визначити розташування і знищити пускові установки й кораблі ПРО США. Крім того, ІЧ слід від ракети-перехоплювача може бути виявлений посеред польоту, що дає наступальній ракеті противника можливість розгорнути помилкові цілі або здійснити маневр ухилення.

На цей момент ПРО США складається з наземних перехоплювачів і ракети Patriot на суші, а також ракет Aegis SM-3 і SM-6 на морі

Але стелс-ракети можуть створити більш катастрофічний ризик. Ядерне стримування засноване на впевненості в тому, що обидві сторони можуть вчасно виявити перший удар, щоб завдати відповідний удар. Ось чому Америка і Росія – а тепер і Китай – мають на орбіті супутники, призначені для виявлення ІЧ сигнатури запуску міжконтинентальних балістичних ракет (МБР).

Але ракетне паливо, яке виробляє мінімальний ІЧ спалах, підвищує ймовірність того, що країна може завдати раптового ядерного удару. З огляду на те, що МБР потрібно від 15 до 30 хвилин, щоб досягти своєї мети, навіть кілька хвилин можуть мати значення для перехоплення ракети або завдання удару у відповідь.

З боєголовкою, що спускається через атмосферу зі швидкістю 23 Маха, у країни, яку атакували, буде дуже мало часу до того, як їх власні МБР будуть знищені

Те, що американські військові вказують, що “стелсове” ракетне паливо буде використовуватися на “розгорнутих наступальних засобах передового базування”, передбачає, що Пентагон хоче мати наступальні ракети, які не може бути виявлені противником.

“Насправді США більше за інших покладається на виявлення ІЧ сигнатур для стратегічного попередження про ядерні атаки і тактичного попередження про ракетні атаки на ТВД”, – сказав журналісту Forbes Брайан Віден (Brian Weeden), колишній офіцер ПС США і експерт з космічної війни.

Критики побоюються, що розробка стелс-палива може мати непередбачені наслідки

“Якби ця технологія була розроблена, я думаю, вона могла б більше зашкодити національній безпеці США, ніж допомогти їй. Та історія показує, що технології мають властивість поширюватися, особливо якщо вони мають велике військове значення”.

Джеймс Ектон (James Acton), фізик і со-директор програми ядерної політики Фонду Карнегі за міжнародний мир, скептично ставиться до можливості використання ракетного палива, яке може мінімізувати ІЧ випромінювання, зберігаючи ефективність.

Він також стурбований тим, що скритне ракетне паливо може спровокувати Росію і Китай.