В. Жуков - Химия в бою
Внедрение синтетики, как видно, в состоянии существенно уменьшить объем перевозок горючего в войсках. Но это, подчеркивают специалисты, тоже не радикальное средство. Вот почему в различных странах все настойчивее ищут способы обеспечить боевые машины более эффективным топливом, занимающим меньший объем и вес, чем существующее, или таким, которое можно получать из дешевого местного сырья.
Одним из направлений этого поиска следует считать попытки использовать в качестве топлива простейшие углеводороды, содержащиеся в нефтяных или природных газах, такие, как метан и пропан. Американские специалисты, например, исследуют возможности применения жидкого метана в качестве топлива для сверхзвуковых самолетов. Главное преимущество жидкого метана по сравнению с обычным реактивным топливом — в его более высокой теплоте сгорания и теплоемкости. Только за счет этого, как полагают, полезная нагрузка транспортного сверхзвукового самолета может быть увеличена почти вдвое. Правда, при этом отмечается, что сжиженный метан значительно дороже керосина, возрастает вес топливной системы самолета, усложняется заправка.
Другой путь поисков — производство углеводородов из заменителей нефтяного сырья: угля, горючих сланцев, битуминозных или нефтяных песков, или синтезом на базе окиси углерода и водорода. Производство такого искусственного жидкого топлива имеет довольно большую историю. Известно, что в фашистской Германии из-за недостатка нефти было освоено промышленное производство бензина методами гидрогенизации угля, а также синтеза на базе окиси углерода и водорода. В Японии времен второй мировой войны получали авиационный бензин из корней сосны. Как говорили в то время японцы, «корней 200 сосновых деревьев достаточно, чтобы самолет мог продержаться в воздухе в течение часа». В июне 1945 года путем переработки корней сосны вырабатывалось около девяти тысяч тонн бензина.
Однако искусственное жидкое топливо из ненефтяного сырья обходилось значительно дороже нефтяного. Поэтому в послевоенные годы в капиталистических странах его производство было сведено до минимума, хотя исследования в этой области не прекращались. В настоящее время, указывает печать, положение изменилось. Достижения химии создали возможность снизить стоимость искусственных жидких углеводородных топлив. Теперь они в состоянии конкурировать по стоимости с нефтяными топливами. Предполагают, что к 1980 году потребление искусственных жидких топлив, получаемых на базе угля, сланцев и битуминозных песков, только в США и Канаде может составить миллионы тонн в год.
Особые надежды возлагают зарубежные специалисты на поиск неуглеводородных видов топлива. Оказалось, что некоторые вещества, например аммиак, обеспечивают при сгорании более полное использование воздуха. Благодаря этому мощность, скажем, танкового дизельного двигателя на аммиаке возрастает на треть. Кроме того, подчеркивается в печати, аммиак можно получать из воздуха и воды непосредственно в районе военных действий.
Однако прежде чем аммиак удастся сделать моторным топливом, предстоит преодолеть немало трудностей. Дело в том, что аммиак — летучее и ядовитое вещество. Чтобы сохранить его в жидком виде при нормальной температуре, необходимо в резервуарах поддерживать давление 14 атмосфер. Большая летучесть аммиака требует специальных дозирующих и впрыскивающих устройств, иначе горючее начнет интенсивно испаряться в системе питания. В довершение ко всему аммиак несовместим со сплавами меди и цинка, многими другими металлами.
Таковы некоторые направления, по которым химия «наступает» на гегемонию нефти среди источников энергии для боевых машин. Как видно, «черному золоту» пока не угрожает серьезная конкуренция, однако бурный прогресс науки и техники наших дней уже не раз вносил существенные поправки в самые, казалось бы, незыблемые представления и Оценки. Не составляют исключения и вопросы обеспечения войск горючим.
Наш рассказ о топливе для войск был бы, однако, неполным, если бы мы ничего не сказали о ракетном топливе. Вести же о нем разговор заставляет то обстоятельство, что топливо это особое. Посмотрим прежде всего, чем оно отличается от привычных для нас видов горючего?
Мы обычно не задумываемся над тем, что для сгорания килограмма горючего в двигателе автомобиля, танка или самолета необходимо почти три килограмма окислителя — кислорода. Силовые установки машин черпают его из окружающей атмосферы. Строго говоря, бензин, керосин, дрова, уголь — это горючие материалы, а не топливо. Топливом они становятся лишь в смеси с кислородом. Вот почему говорят об их зависимости от окружающей среды. Но ведь ракета должна летать и в безвоздушном пространстве, лишенном кислорода. Значит, ей необходимо «возить» с собой и горючее и окислитель. Только вместе они могут служить источником энергии для движения ракеты — стать ракетным топливом. И тогда оно не будет зависеть от окружающей среды, получит способность «гореть» в любых условиях— в атмосфере, в космосе, под водой. Такова первая обязанность ракетного топлива.
С другой стороны, обратим внимание на то, что реактивные самолеты, ракеты не имеют движителя такого, скажем, как колеса у автомобиля, гусеницы у танка или воздушный винт у самолетов и вертолетов. Роль движителя у ракет выполняет реактивная струя выбрасываемых из двигателя газов — продуктов сгорания или разложения топлива. Создание в реактивном или ракетном двигателе струи газов, с большой скоростью вытекающих наружу и образующих необходимую силу тяги, — вторая особенность ракетного топлива.
Таким образом, в отличие от обычных видов горючего ракетное топливо не только источник энергии, но и генератор так называемого рабочего тела, то есть газовой смеси, при помощи которой преобразуется тепловая энергия в механическую. Отсюда и основные требования к ракетному топливу. Оно должно обладать повышенным содержанием энергии, чтобы обеспечивать образование большого количества газов, нагретых до высокой температуры. Чем больше будет выбрасываться газов из сопла ракетного двигателя, чем выше будет их скорость, тем быстрее будет двигаться ракета, тем эффективнее топливо. Существуют ли в природе вещества, отвечающие подобным требованиям?
Вообще говоря, ассортимент материалов для ракетного горючего очень широк. Теоретически применимы почти все элементы периодической системы и их многообразные соединения. Несколько ограниченнее выбор окислителя: кислород, фтор, кислородсодержащие и галоидные соединения, наиболее активные из которых соединения фтора. Одним словом, если число видов ракетного горючего, которые уже испытаны в разных странах, близко к сотне, то число видов окислителя не превышает полутора — двух десятков.
По своему физическому состоянию компоненты ракетных топлив могут быть в нормальных условиях твердыми, жидкими и газообразными. Правда, газообразные компоненты для сокращения занимаемого ими объема сжижаются. Так что их тоже относят к жидким. Твердые окислитель и горючее образуют твердое ракетное топливо, а жидкие — соответственно жидкое. Но существуют и такие варианты, когда окислитель — жидкий, а горючее — твердое, или наоборот. В этом случае ракетное топливо называют гибридным или смешанным. Чем же объяснить такое разнообразие ракетных топлив?
Дело в том, что свойства топлива в конечном счете определяют конструкцию двигателя, основные характеристики ракетной системы. Поэтому выбор наиболее эффективного топлива для ракет того или иного назначения, отмечают зарубежные специалисты, — дело сложное, связанное с проведением больших исследовательских и испытательных работ.
Прежде всего напомним, что об эффективности топлива судят по величине тяги, которую может развивать ракетный двигатель в секунду за счет сгорания в нем килограмма топлива в секунду при определенном давлении в камере сгорания. Эту величину называют удельной тягой или удельным импульсом, который исчисляют в кг сек/кг или просто в секундах. Чем больше скорость истечения, тем больше удельная тяга и, следовательно, тем совершеннее топливо.
В зависимости от сочетания топливных пар — горючего и окислителя — удельная тяга ракетных двигателей колеблется в широких пределах. Так, у современных жидких ракетных топлив удельная тяга может доходить, указывается в зарубежной печати, до 300–450, а с помощью добавки различных легких металлов — 500–600 секунд. У твердых топлив эта цифра значительно меньше— 150–300 секунд. Для сравнения отметим, что теоретически в ядерном ракетном двигателе удельная тяга составляет 2500 секунд, а в фотонном двигателе, создающем тягу в результате направленного истечения из него квантов света — фотонов, она достигает предельного значения — 30 миллионов секунд. Однако более высокая удельная тяга какого-либо вида топлива еще вовсе не означает его превосходства над остальными. Здесь приходится учитывать ряд других, часто весьма противоречивых требований.