Научные эксперименты. За ответами в космос - Александр Яровитчук

Тогда началась разработка высококипящих компонентов топлива, итогом стало появление гидразина и похожего, но более эффективного гептила (несимметричный диметилгидразин). В качестве окислителя для гептила используется тетраксид азота. Компоненты долго хранятся, высокоэффективны, да еще и не надо ничего поджигать – реакция возникает непосредственно при контакте. Но есть огромный минус – вещество крайне токсично, и повсеместно его использовать нельзя, тем более в быту. Однако в фантастическом романе «Марсианин» (и его экранизации) был показан способ использования гептила. По сюжету произведения (внимание, спойлеры до следующего абзаца) американский астронавт по случайности остался в одиночестве на Марсе, где должен был выживать два года до прилета спасателей. Чтобы получить источник пропитания, он решил выращивать картофель, а проблему с поливом решил, зная, что при горении гептила выделяются азот, углекислый газ и вода.

Ракета-носитель, чтобы вернуться на Землю, использовала именно гептил, так как он должен был храниться два года (столько требовалось для полета на Марс и обратно). На самом деле, хотя из гептила действительно можно получить воду, нигде, кроме ракетной техники, гидразин и гептил не применяют.

Неожиданный поворот в истории ракетного топлива случился, когда возникла потребность в утилизации ядовитого вещества. Просто вылить его нельзя, будет экологическая катастрофа. Хранить в боевых ракетах просрочку тоже нельзя. В СССР был объявлен конкурс, и химики начали активно разрабатывать способы переработки гептила. Основные надежды возлагались на создание из ракетного топлива азотных удобрений, ведь их формулы действительно схожи. Так синтезировали некоторые виды полезных для растений веществ, но процесс оказался довольно дорогим, а эффективность незначительно превышала уже существующие образцы. Другое дело – медицинские препараты. Оказалось, что из гептила достаточно просто можно создать лекарственное средство для повышения тонуса и снижения утомляемости. Этот препарат получил известность под названием мельдоний. Его использовали не только как лекарство, но и как стимулятор для спортсменов, однако после многочисленных побед, в том числе на Олимпийских играх, было принято решение включить мельдоний в перечень препаратов, являющихся допингом. Посчитали, что лыжники и легкоатлеты так быстро бегают благодаря ракетному топливу.

Кроме этого, был разработан стимулятор репродуктивной функции птиц, основанный на триметилгидразиния пропионате. Его испытали на курах, и результаты показали увеличение яйценоскости на 8 %.

Также для гептила нашлось применение в создании ингибиторов коррозии и чистящих средств и в технологическом процессе создания полиуретанов.

Но для всех этих производств требуется не так много топлива. Поэтому основную проблему утилизации пришлось решать другим путем – нейтрализацией токсичных компонентов.

В СССР разрабатывались и другие виды топлива, например с использованием фтора и его соединений. Предложенные химические соединения оказались еще эффективнее, но и токсичнее. Был даже создан и испытан двигатель РД‐301 на жидком фторе и аммиаке, но из-за высокой токсичности инженеры были вынуждены от него отказаться. Сейчас набирают популярность метан и метановые ракеты. Куда приведут исследования в этих направлениях, мы увидим в ближайшем будущем.

Но вернемся к зарождению космонавтики. Первые космические инженеры крайне удивились тому факту, что за тысячелетия использования человечеством огня так и не родилась теория горения. Конечно, некоторые моменты были понятны, например, как поддерживать огонь, какие материалы горят. Сейчас кажется невероятным, что до XVIII века не было известно, что для реакции горения нужен кислород. Тем не менее на интуитивном уровне все работало, и даже достаточно сложные и опасные пороховые пушки заряжались «на глаз» и прекрасно стреляли.

Но с ракетными двигателями на интуицию рассчитывать было нельзя. Тем более подобные попытки имели место, но все они заканчивались взрывами и разрушениями. В СССР с появлением ГДЛ и ГИРДа ученые начали исследования процессов теплопереноса, распространения огня, детонации, концентрации газообразных смесей и распространения ударных волн. Дело в том, что для создания мощных ракетных двигателей на жидком топливе нужно было в первую очередь понять, как распределение компонентов и уровень смешивания влияет на выход энергии. Например, если поджечь горелку или масляную лампу, горение будет равномерным, так как кислород подходит постепенно. Но в случае утечки и насыщения горючего материала воздухом происходит взрыв. С твердым топливом все еще сложнее, так как сначала было совершенно непонятно, как контролировать горение. Многое зависит от формы заряда, плотности и даже рельефа. Любая трещинка может привести к неожиданным результатам.

В 1930‐х годах в СССР развитие получили все направления – горение и твердых материалов, и жидких, и газовых смесей. Правда, получив результаты по критериям и ограничениям пороховых зарядов, ученые натолкнулись на предел своих технологических возможностей и резко потеряли интерес к дальнейшим разработкам. В США продолжили исследования советских ученых, правда, для прорыва потребовалось 30 лет. Решение оказалось простым, но не очевидным – в заряде проделывалось сквозное отверстие в виде звездочки. Химическая реакция шла только внутри него. Размер подбирался такой, чтобы площадь поверхности отверстия не менялась со временем и горело всегда одинаковое количество взрывчатки. Форма звездочки позволяла стабилизировать скорость химической реакции даже при больших объемах заряда.

В СССР все силы были сконцентрированы на изучении процессов горения в жидких и газовых смесях. Особенно много открытий ученые сделали в области распространения звуковых волн, колебаний и их влияния на горение и детонацию. Звуковая волна – это колебания воздуха, при распространении звуковой волны в одном месте атомы расположены более плотно, в другом – менее, соответственно, в одной области горит сильнее, чем в другой. При этом само горение вызывает разлет газов, а отражение их от стенок корпуса двигателя – сжатие. Двигатели буквально создают звук, музыку колебания. Недаром в знаменитой песне есть слова «и снится нам не рокот космодрома».

Создание стройной теории далось нелегко. Горение в турбулентных потоках до сих пор остается нерешенной проблемой, и многие новые знания приходят из опытов на орбите в невесомости, о чем будет рассказано ниже.

Естественно, информация о пламени очень важна не только для ракет. 90 % энергии в мире добывается при сжигании ископаемого топлива. Однако такие эффекты наблюдаются лишь при очень активном горении, в повседневной практике люди с ними не сталкиваются. Тем не менее в мощных двигателях или печах их нужно учитывать. Помимо ракетных двигателей, специальные расчеты необходимы для турбореактивных авиационных двигателей. Были даже разработки особых детонационных двигателей. Для экономии и повышения безопасности тепловых электростанций начали использовать теорию горения во время проектировки оборудования. Кроме того, новые знания о горении открыли дополнительные возможности металлургии. Благодаря ударным волнам – области повышенного давления и температуры – стало возможно расплавлять самые тугоплавкие металлы. В последнее время к теории горения обращаются инженеры двигателей внутреннего сгорания, используя ее для повышения эффективности. Например, пламегасители и