khimie.ru

4 октября 1957 года запуском первого искусственного спутника Земли началась новая космическая эра человечества, а с ней — целый ряд выдающихся достижений человеческого гения в области покорения Вселенной.

Советские ученые первыми в мире начали освоение космоса. С помощью космических кораблей и автоматических станций изучают Луну и планеты солнечной системы. Благодаря искусственным спутникам Земли осуществляется бесперебойная дальновидная радио- и телевизионная связь. На орбитальных станциях изучают земную поверхность и погоду, места залегания полезных ископаемых, течение невесомости на живые организмы и т.д.

На околоземной орбите родилась новая отрасль науки — космическое материаловедение, ведь глубокий космический вакуум, солнечная энергия и невесомость позволяют добывать новые вещества с удивительными свойствами. Это прежде всего чистые и химически однородные сплавы и полупроводники с идеальным кристаллическим строением, великолепными физическими характеристиками. В земных условиях этого сделать не удается.

Космонавтика своими грандиозными успехами во многом обязана химии. Именно химия обеспечивает ракетную технику крепкими и жаростойкими конструкционными материалами — различными сплавами и керамикой, полимерами, источниками тока и, наконец, высокоэффективным ракетным топливом, о котором и пойдет речь далее.

16 сентября 1828 после залпа шести мощных пороховых ракет верные слуги падишаха подняли над неприступной Варной белый флаг. Турецкий гарнизон отчаянно и фанатично обороняла город-крепость. И изобретение генерала А. Д. Засядько помог одержать еще одну блестящую победу над войсками Османской империи.

Ракеты генерала Засядько содержали однокомпонентное топливо — черный порох, горение которого происходит без участия внешнего окислителя — кислорода воздуха. Интересно, что и реактивные снаряды, которыми «угощали» гитлеровцев гвардейские минометы «катюши», приводились в действие благодаря сгоранию бездымного нитроглицериновыми пороха.

В 1881 г. за несколько дней до казни бесстрашный революционер-народник Н. И. Кибальчич в тюремной камере Петропавловской крепости создал первый в мире проект реактивного аппарата, должен был понести человека в космическую даль. Изобретатель подробно описал свой проект, сделал все необходимые чертежи и математические расчеты. Какое же топливо должно оторвать ракету от Земли и вынести ее в межзвездное пространство? Закончив свой проект, Кибальчич написал: «Не только прессованный порох может служить этой цели. Существует много взрывчатых веществ, которые медленно горят. Возможно, какая-либо из этих веществ окажется еще лучше, чем прессованный порох». После казни Кибальчича проект реактивного аппарата оказался в архиве царской охранки и лишь после революции увидел свет.

Наступил день, когда толстые каменные стены бывшей темнице дрогнули. В казематах, где когда изнывали целые поколения революционеров, проводились стендовые испытания первых советских реактивных двигателей. Так полвека начали воплощаться в жизнь гениальные замыслы Н. И. Кибальчича.

Независимо от Кибальчича учитель физики из Калуги К. Э. Циолковский первым в мире разработал схему реактивного жидкостного двигателя, работающего на двухкомпонентном топливе и состоит из восстановителя и окислителя. Как реактивное топливо он, в частности, предложил смесь жидких водорода и кислорода.

Кроме жидкого водорода, в современной ракетной технике используются как восстановители спирт, керосин, гидразин, диметилгидразин, гидриды, анилин, пиридин и т.п., а как окислители — жидкие фтор, кислород, растворы озона в жидком кислороде, сжиженные СlF₃, ОF₂, N₂O₄, тетранитрометан, безводные пероксид водорода, азотную, перхлоратную кислоты.

Ракетное топливо оценивают с помощью так называемого удельного импульса. Под этой величиной понимается такой промежуток времени, в течение которого 1 кг топлива, сгорая, развивать в двигателе постоянную тягу 10 Н. Например, 1 кг водорода, сгорая в смеси с кислородом в течение 391 сек, создает все это время реактивную тягу 10 Н. Следовательно, удельный импульс такого топлива составит 391 сек. Чем выше удельный импульс ракетного топлива, тем оно эффективнее, мощнее.

Применение как окислителя жидкого фтора позволяет достигать в камере сгорания ракетного двигателя очень высоких температур — вплоть до 8000 °С! Такая огненная реактивная струя сияет ярче солнца …

1918 г. один из корифеев астронавтики — советский ученый и изобретатель Ю. В. Кондратюк — тогда еще юный полтавский гимназист, а впоследствии студент Киевского университета, предложил как высокоэффективное топливо для ракет металлы и некоторые их соединения. Позднее он блестяще развил эту идею в своей книге «Завоевание межпланетных пространств», которая увидела мир в 1929 г.

Оказывается, что для изготовления металлического горючего пригодны литий, магний, алюминий, редкоземельные металлы, цирконий, а особенно бериллий. Металлическое топливо на основе бериллия имеет один в самых высоких удельных импульсов, ведь в результате сгорания 1 кг этого легкого металла высвобождается 15900 ккал энергии. Все упомянутые металлы можно сжигать в ракетных двигателях не только в расплавленном или распыленном состоянии, но и в виде суспензий В жидком топливе. Так, коллоидное бериллиевое топливо может с успехом заменить взрывоопасную смесь жидких водорода и озона, которое также изобрел Ю. В. Кондратюк.

Независимо от Ю. В. Кондратюка идею использования металлического горючего выдвинул и другой пионер космонавтики — советский ученый и изобретатель Ф. А. Цандер. Он, в частности, предложил сжигать в полете отработаны металлические ступени космических ракет.

Сейчас проводятся интенсивные поиски принципиально новых видов ракетного топлива. Прежде большой интерес представляют химические соединения, содержащие одновременно активные восстановители и окислители. Уже не за горами то время, когда в авиацию и астронавтике придут ядерные, термоядерные, ионные и другие двигатели.