| |||
|
Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. | |||
|
Hypergolická paliva
Vilém Boušek
Ať již jde o paliva tuhá, kapalná nebo hybridní, ve spojení s okysličovadlem tyto pohonné směsi tvoří většinu hmotnosti každé rakety. O Konstantinovi Eduardoviči Ciolkovském, autorovi Ciolkovského rovnice popisující pohyb objektu s proměnnou hmotností, která je alfou i omegou snah dostat družici na oběžnou dráhu nebo změnit rychlost sondy raketovými motory, jsme se již zmiňovali v bulletinu 3/2020. V dnešním bulletinu se zaměříme na vývoj paliva UDMH.
Ciolkovskij ve své laboratoři v ruské Kaluze. Zdroj: Sovfoto, Getty Images.
|
Hypergolická reakce – extrémně rychlá chemická reakce, při níž se uvolní takové množství tepla, že k zažehnutí chemického hoření dojde už při prvním kontaktu obou složek. Obvykle jde o palivo a okysličovadlo. Reakce se využívá například v raketových motorech. UDMH – zkratka pro Unsymmetrical DiMethylHydrazine, česky asymetrický dimetylhydrazin H2NN(CH3)2. Jde o palivo využívané v kombinaci s vhodným okysličovadlem v některých raketových motorech. Tato bezbarvá kapalina páchne po rybách a je štiplavá jako čpavek. MMH – zkratka pro MonoMethylHydrazin, zkráceně metylhydrazin. Chemicky jde o sloučeninu CH3(NH)NH2 využívanou jako raketové palivo. Tato chemikálie je silně toxická a karcinogenní. Při skladování nepotřebuje chladit, teplota varu je za normálního tlaku 87 °C. RFNA – Red Fuming Nitric Acid, červená dýmavá kyselina dusičná, chemicky HNO3 + NO2. Používá se jako oxidační činidlo pro raketová paliva. Němci využívali RFNA pro raketové pohony za druhé světové války. |
Slovo úvodem
Raný vývoj raket probíhal nezávisle na sobě v různých zemích (Spojené státy americké, Německá říše, Svaz sovětských socialistických republik, Italské království a mnohé další) a ve dvacátých letech minulého století se začalo s testováním prvních experimentálních raket na kapalné palivo.
Profesor fyziky na Clarkově univerzitě, Robert Hutchings Goddard, byl prvním člověkem na světě, který úspěšně vypustil raketu na kapalné palivo. Stalo se tak 16. března 1926. Tato raketa používala ke svému pohonu směs benzínu a tekutého kyslíku, samotný let trval 2,5 sekundy a raketa při něm vystoupala do výšky 12 metrů a následně dopadla přibližně 60 metrů od místa startu. Takové byly první krůčky, které o 43 let a 126 dní později umožnily Neilu Armstrongovi a Edwinu „Buzz“ Aldrinovi vstoupit na měsíční povrch.
Profesor Robert Goddard se svou raketou 16. března 1926. Zdroj: NASA/JPL.
Raketové vědě se s v průběhu dvacátých let věnovalo stále větší množství lidí, což vyústilo v zakládání organizací, jako byly Verein für Raumschiffart (Společnost pro meziplanetární lety, 1927), American Rocket Society (Americká raketová společnost, 1930), British Interplanetary Society (Britská meziplanetární společnost, 1933) nebo sovětská ?????? ???????? ??????????? ???????? (Skupina pro studium reaktivního pohonu, 1931). Nejvýznamnější prací na poli raketové vědy v tomto období byla kniha L'Astronautique, kterou v roce 1930 publikoval francouzský vědec Robert Esnault-Pelterie. Zabýval se v ní pohybem rakety v atmosféře a ve vakuu a také raketovými palivy. Se zhoršující se mezinárodní situací si výhody raket jako bojových prostředků začali uvědomovat i představitelé ozbrojených sil různých států. Vyústilo to v rozsáhlý výzkum a vývoj jak v Evropě, tak ve Spojených státech.
Hypergolická paliva a cesta k UDMH
Při spojení slov vojenské využití a rakety se každému zajisté vybaví balistické rakety A4/V2 z rodiny raket Aggregate, které projektoval Wernher von Braun a byly nasazeny během závěrečných fází druhé světové války. Pro vojenské využití byly ale zapotřebí i rakety jiného typu. U samotných raket A4/V2 se k pohonu používala směs etanolu a vody (74 procent etanolu, 26 procent vody) jako palivo a tekutý kyslík jako okysličovadlo. Katalytická reakce osmdesátiprocentního peroxidu vodíku s roztokem manganistanu vápenatého způsobila rozklad peroxidu na kyslík a přehřátou páru, která poháněla paroplynovou turbínu a následně turbočerpadla zásobující spalovací komoru palivem a okysličovadlem. Tyto rakety byly ve své době zázrakem techniky. Jejich hlavním problémem byla zdlouhavá předstartovní příprava, během níž mohlo dojít k útokům spojeneckých letadel.
Představitelé armády potřebovali raketu, která odstartuje přesně ve chvíli, kdy to po ní budou chtít (protiletadlové rakety či pomocné rakety pro starty těžkých vojenských letadel), a museli proto zvolit jiný přístup. Během čtyřicátých a počátkem padesátých let se jako ideální řešení jevila skupina kapalných paliv a okysličovadel s hypergolickými vlastnostmiHypergolická reakce – extrémně rychlá chemická reakce, při níž se uvolní takové množství tepla, že k zažehnutí chemického hoření dojde už při prvním kontaktu obou složek. Obvykle jde o palivo a okysličovadlo. Reakce se využívá například v raketových motorech.. Tuhé pohonné látky v té době byly také používané, ale trpěly nízkou rychlostí výtokových plynů. Tento problém byl vyřešen až roku 1954. Hypergolické látky se vyznačují samovolným vzplanutím paliva s okysličovadlem, čímž odpadá potřeba zapalovače ve spalovací komoře. Pro motory využívající tekutý kyslík se dnes jako zapalovač využívá trietylhliník, který vzplane po kontaktu s tekutým kyslíkem. Ve 40. a 50. letech se vyžívaly pyrotechnické či elektrické zapalovače, jejichž spolehlivost byla diskutabilní.
Vývoj na poli hypergolických pohonných látek probíhal od počátku 40. let, často metodou pokusů a omylů, a čelil celé řadě problémů, které nebyly jen technického rázu. Ve Spojených státech byla například nedůvěra příslušných vojenských činitelů ve schopnosti raketové techniky tak veliká, že muselo být pro vývoj raket urychlujících letadla při startu používáno označení JATO (Jet Assisted Take-Off, trysková asistence vzletu). Jedině tak mohla získat výzkumná skupina vedená Frankem Malinou a Jackem Parsonem potřebné finance. Ve Spojených státech se první úspěšný start letadla s pomocí rakety využívají kapalné palivo udál roku 1942. Tato raketa byla poháněná motorem 25AL-1000 spalujícím směs anilinu a RFNA (Red Fuming Nitric Acid, neboli červená dýmavá kyselina dusičná).
S vývojem hypergolických paliv nezaháleli během války ani ve „Třetí říši“. Díky financím putujícím do vývoje „zázračných zbraní“ byl vyvinut Messerschmitt ME 163 Komet, jediné operačně nasazené letadlo využívající ke svému pohonu raketový motor. Letadlo Komet ke svému pohonu používalo raketový motor HWK 109-509 spalující směs C-Stoff (metanol, monohydrát hydrazinu a vodu) a T-Stoff (osmdesátiprocentní peroxid vodíku s kyselinou fosforečnou jako stabilizátorem). Tato paliva byla vyvinutá profesorem Helmuthem Walterem. Vývojem hypergolických paliv se zabývaly i další vědecké skupiny, avšak narážely na stejné problémy: nízkou tepelnou stabilitu, extrémní toxicitu a velkou citlivost na správný poměr paliva a okysličovadla ve spalovací komoře.
Průlom nastal v roce 1951, kdy americké námořnictvo zadalo firmám Aerojet a Metallectro kontrakt na syntetizaci derivátů hydrazinu a následné studium jejich použitelnosti jakožto pohonných látek pro rakety. Těmito deriváty byly monometyl hydrazin (dále již jen MMHMMH – zkratka pro MonoMethylHydrazin, zkráceně metylhydrazin. Chemicky jde o sloučeninu CH3(NH)NH2 využívanou jako raketové palivo. Tato chemikálie je silně toxická a karcinogenní. Při skladování nepotřebuje chladit, teplota varu je za normálního tlaku 87 °C.), symetrický dimetyl hydrazin a asymetrický dimetyl hydrazin (dále UDMHUDMH – zkratka pro Unsymmetrical DiMethylHydrazine, česky asymetrický dimetylhydrazin H2NN(CH3)2. Jde o palivo využívané v kombinaci s vhodným okysličovadlem v některých raketových motorech. Tato bezbarvá kapalina páchne po rybách a je štiplavá jako čpavek.). Rozhodujícím kritériem byl bod tuhnutí. Symetrický dimetyl hydrazin tuhl již při –8,9 stupních Celsia, ale MMH tuhl při –52,4 a UDMH při –57,2 stupních Celsia. MMH i UDMH měly své přednosti, MMH byl o něco hustší a rychlost výtokových plynů byla vyšší než u UDMH, jehož přednostmi byla zase vyšší tepelná stabilita, díky které bylo možné použít regenerativní chlazení raketových motorů. Nakonec se rozhodujícím kritériem stala cena, ve které UDMH porazilo MMH, a tak se UDMH stal hlavním hypergolickým palivem pro raketové nosiče až do dnešních dnů.
Pokud bylo UDMH přidáno jako aditivum do pohonné směsi JP-4, tak tato kombinace snižovala nestabilitu ve spalovací komoře. MMH se dalo využít ke stejnému účelu, ale UDMH dosahovalo lepších výsledků. Účinnost UDMH jako aditiva pro pohonnou směs JP-4 byla taková, že první americký operačně nasazený protivzdušný komplet MIM-3 Nike Ajax využíval jako pohonnou směs JP-4 se 17 procenty UDMHUDMH – zkratka pro Unsymmetrical DiMethylHydrazine, česky asymetrický dimetylhydrazin H2NN(CH3)2. Jde o palivo využívané v kombinaci s vhodným okysličovadlem v některých raketových motorech. Tato bezbarvá kapalina páchne po rybách a je štiplavá jako čpavek. a RFNARFNA – Red Fuming Nitric Acid, červená dýmavá kyselina dusičná, chemicky HNO3 + NO2. Používá se jako oxidační činidlo pro raketová paliva. Němci využívali RFNA pro raketové pohony za druhé světové války..
Protiletadlový komplet MIN-3 Nike Ajax. Zdroj: U. S. Army.
Pro pohon mezikontinentálních balistických raket Titan II byla vyvinuta směs UDMH a MMH v poměru 1:1, toto palivo nese pojmenování Aerozine 50. Pojmenování je odvozeno od společnosti Aerojet, která s touto kombinací přišla jako první. V Sovětském svazu byla dlouho výzkumu a vývoji hypergolických paliv věnována minimální pozornost. Zlomem se stal rok 1955, kdy byly zveřejněny informace o americkém úspěchu s UDMHUDMH – zkratka pro Unsymmetrical DiMethylHydrazine, česky asymetrický dimetylhydrazin H2NN(CH3)2. Jde o palivo využívané v kombinaci s vhodným okysličovadlem v některých raketových motorech. Tato bezbarvá kapalina páchne po rybách a je štiplavá jako čpavek.. RoskosmosRoskosmos – ruská kosmická agentura, dříve Ruská letecká a vesmírná agentura je vládní agentura zodpovědná za ruský vesmírný program a letecký výzkum. Ruská kosmická agentura byla založena v Sovětském svazu v druhé polovině padesátých let. Vyvinula první balistickou raketu, umělou družici Země, vyslala prvního kosmonauta na oběžnou dráhu, provedla první průzkum Měsíce, Venuše a Marsu. používá rakety Proton-M ze stejnojmenné rodiny raket, které jako pohonnou směs využívají UDMH a oxid dusičitý, až do současnosti. Ačkoliv jsou tato paliva jako pohonné látky samotných raket již na ústupu, stále jsou hojně využívána pro pohon vesmírných lodí, sond a satelitů, včetně cest k tělesům naší Sluneční soustavy.
Odkazy
- John D. Clark: Ignition! An Informal History of Liquid Rocket Propellants; Rutgers University Press, 2018
- B. Nufer: A Summary of NASA and USAF Hypergolic Propellant Related Spills and Fires; American Institute of Aeronautics and Astronautics, 2010
- Luigi T. DeLuca: GALCIT Projects: The Birth of US Rocketry; Conference NTREM-20, New Trends in Research of Energetic Materials, Pardubice, Czech Republic, pp. 82–99, 2017
- Frederick I. Ordway, Mitchell R. Sharpe: The Rocket Team; Collector's Guide Publishing, 2003
