Навигация:
Немецкое ракетное общество
Доктор Ойген Зенгер и его лист возможных горючих
Деятельность группы Фрэнка Малины
Вернер Фон Браун
Открытие самовоспламенения фон Збровски и Мюллером
Взвесь измельченного металла в жидком топливе
Разработка стартового ракетного ускорителя для американских бомбардировщиков: переход от бензина к анилину
Комбинация анилин-КДАК обладала единственным, но при этом значительным преимуществом - она работала
Работа над монотопливами во время Второй Мировой войны
Результаты немецких исследований и собственных изысканий американцев
Испытания топливной пары гидразин и БДАК
Зловонный бутилмеркаптан в качестве ракетного топлива
Гидразин
Гептил (несимметричный диметилгидразин, НДМГ)
Укрощение красной дымящейся азотной кислоты (КДАК)
Поиск ингибитора для азотной кислоты
Перекись водорода
Трифторид хлора
Уход от пиротехнического старта двигателя
Водородные атомные двигатели
Исследование жидких ракетных топлив в СССР
Экзотическое топливо
Низкоэнергетическое монотопливо - пероксид водорода
Жидкий порох
Монотопливо Изольда
Исследовательские программы для монотоплив
Топливо в форме тиксотропного геля
Металлизированные гели как решение пробемы перемещения топлива в космических носителях
... в 1931 году, Клаус Ридель из VfR разработал двигатель для новой комбинации топлива и окислителя и запустил его в начале 1932 года. Двигатель потреблял, как обычно, жидкий кислород, но горючее, придуманное Риделем и Вилли, состояло из 60% этилового спирта и 40% воды. Эффективность смеси была слегка меньше, чем у бензина, но зато температура горения была значительно ниже, охлаждение проще, и вся конструкция работала дольше. В этом состоял наибольший и последний вклад VfR в технологию ракетного топлива, напрямую приведший к А-4, или У-2. Вернер фон Браун начал работать над своей докторской диссертацией, посвященной исследованию реактивного горения, в Куммерсдорф- Весте в ноябре 1932 года при поддержке Сухопутных Войск. В это же самое время гестапо арестовало оставшихся членов VfR, и сообщество прекратило свое существование к концу 1933 года.
Доктор Ойген Зенгер, работавший в Венском Университете, провел продолжительную серию огневых испытаний в течение 1931 и 1932 годах. Использованное им топливо было вполне традиционным - жидкий (и иногда газообразный) кислород и легкие фракции мазута - но он предложил замечательный химический способ запуска двигателя. Часть топливной магистрали, примыкавшая к двигателю, была заполнена диэтилом цинка, в современных терминах служивший «самовоспламеняющимся стартовым горючим». Будучи впрыснутым в двигатель и соприкоснувшись с кислородом, он самостоятельно вспыхивал и обеспечивал плавное горение поступившего топливного мазута. Кроме того, Зенгер первым из многих составил длинный лист возможных горючих, расставленных в порядке от водорода до чистого углерода,
К сожалению, в своих вычислениях Зенгер достаточно наивно предполагал 100% тепловой КПД, что было бы возможно при а) бесконечном давлении в камере сгорания или б) нулевом давлении выхлопа в идеальном вакууме, и в любом случае требовало бы бесконечно длинное сопло, что могло бы привести к неким сложностям при изготовлении (тепловой КПД у ракет колеблется в районе 5060%). Также было высказано предположение, что озон мог бы использоваться как окислитель, и, вслед за Цандером, алюминиевый порошок мог бы быть добавлен в горючее.
Последней чисто предвоенной работой, стоящей упоминания, была деятельность группы Фрэнка Малины в GALCIT (это аббревиатура для авиационной лаборатории Гугенгейма Калифорнийского Технологического Института). В феврале 1936 года он запланировал проект для своей докторской диссертации, состоявший в разработке жидкотопливной геофизической ракеты. Группа для выполнения этого задания собиралась постепенно и окончательно сформировалась в лету 1937 года: шесть человек, включая самого Малину, Джона Парсонса, бывшего химиком группы, Уилда Арнольда, предоставившего небольшое финансирование и Цянь Сюэсэня, прославившегося тридцать лет спустя в качестве создателя ракетной программы Коммунистического Китая. За всеми ними милостиво присматривал Теодор фон Карман.
Сначала нужно было научиться запускать ракетный двигатель на жидком топливе, и экспериментальные прожиги, выполнявшиеся с этой целью, начались в октябре 1936 года с метанолом и газообразным кислородом в качестве горючего и окислителя. Но и другие топлива были изучены, и к июню 1937 года Парсонс составил список из дюжины топливных комбинаций с вычисленными значениями производительности (предполагая, подобно Зандеру, 100-процентную эффективность). В дополнение к веществам из списка Зандера были перечислены как различные спирты, так и насыщенные и ненасыщенные углеводороды, и даже такая экзотика, как метаоксид лития, декаборан, гидрид лития и триметилалюминий. В качестве окислителей были приведены кислород, красная дымящаяся азотная кислота и тетраоксид азота. Следующей топливной парой, опробованной это группой, были тетраоксид азота и метанол.
Тесты были начаты в августе 1937 года, но вместо того, чтобы работать вне помещения, как это бы сделал любой здравомыслящий человек, Малина, будучи неправильно информированным, провел свои испытания в инженерномеханическом корпусе, заполненном, в итоге, парами метанола и N2O4. Последний, прореагировав с кислородом и парами воздуха, попросту превратился с азотную кислоту, оказавшую коррозийное воздействие на всё дорогостоящее оборудование в здании. Популярность Малины среди руководства снизилась головокружительным образом, сам он с аппаратурой и сообщниками был в итоге вышвырнут из здания и впоследствии известен как глава «отряда самоубийц».
Как видим, первооткрыватели редко пользуются признанием. Но группа продолжила работу до первого июля 1939 года, когда по представлению генерала Хэпа Арнольда воздушный корпус Армии США финансировал проект по разработке JATO - ракетного ускорителя, помогавшего тяжело нагруженному самолету взлетать с коротких полос. С этого момента ракетные разработки стали финансироваться военными и были засекречены. GALCIT потеряла невинность при первом взрыве Малины, сейчас же она утратила и свой любительский статус.
Фон Браун начал работать над своей докторской диссертацией, посвященной процессам сгорания в ракете, в ноябре 1932 года. Вся его экспериментальная работа была проведена на Куммерсдорфском полигоне для артиллерийских испытаний недалеко от Берлина, причем рейхсвер оплатил перевозки и сформировал личный состав для обслуживания ракеты. После получения учёной степени в 1937 году фон Браун был назначен на должность технического директора организации, вскоре перемещенной в Пенемюнде. Здесь и была разработана и сконструирована A-4, более известная под пропагандистским название «V-2».
Лишь незначительные усилия были приложены к разработке топлива для A-4. С самого начала жидкий кислород был выбран как окислитель, и 70-30 водоспиртовая смесь (уже использованная VfR) задействована в качестве горючего; кроме того, 80-процентная перекись водорода Гельмуда Вальтера предназначалась для привода топливной турбины. Пероксид поступал в камеру разложения, где смешивался с небольшим количеством водного раствора перманганата кальция, что вызывало каталитическое разложение на кислород и перегретый пар, приводивших в движение турбины, закачивавшие кислород и спирт в главную камеру сгорания.
Ракета A-4 была стратегическим оружием дальнего радиуса действия, не предназначенным для мгновенного запуска, и с практической точки зрения было идеально установить ракету и заправить её спиртом и кислородом непосредственно перед стартом. Но рейхсверу были необходимы зенитные ракеты, постоянно готовые к действию, ведь если вы получили сигнал от наблюдателей о приближающихся бомбардировщиках, у вас не будет времени для заправки ракеты жидким кислородом. Что в этом случае необходимо, так это долгохранимое топливо, которое можно заправить в баки заранее и хранить вплоть до нажатия кнопки запуска ракеты. Это невозможно сделать с кислородом, остающимся жидким только при температуре ниже -119°C, что является критической температурой при любом приложенном давлении. Рейхсвер довольно долго вырабатывал требования к зенитным ракетам - возможно, они верили Герману Герингу, когда тот кичился, что «если Британия когда-либо проведет бомбардировку Берлина, можете назвать меня Майером» - но когда это всё-таки произошло, было обнаружено, что работы ещё непочатый край.
Первоначально она была сконцентрирована на Witte Werke Гельмуда Вальтера в Киле. Как уже было отмечено, высококонцентрированная (80-83 процента) перекись водорода стала доступна около 1934 года, Вальтер испытывал её в качестве монотоплива, и Люфтваффе, подобно генералу Арнольду в США, чрезвычайно этим заинтересовалось, приняв во внимание тот факт, что стартовый ракетный ускоритель может позволить бомбардировщику взлететь с большей нагрузкой. К февралю 1937 года ракетный ускоритель Вальтера на перекиси водорода помог самолёту Хайнкеля Кадет оторваться от земли. Позже в этом же году полетел самолет, снабженный ракетным двигателем, снова использовавшим пероксид водорода.
Наконец, перехватчик Мессершмидт Me-163 приводился в движение тем же топливом. Но перекись не только монотопливо, но также и довольно эффективный окислитель. И Вальтер разработал горючее для него, названное «C-Stoff» (перекись при этом именовалась «T-Stoff»). Гидрат гидразина N2H4H2O самовоспламенялся при контакте с перекисью и, возможно, Вальтер был первым разработчиком топлив, открывшим это явление. В результате, C-Stoff состоял из 30 процентов гидрата гидразина, 57 процентов метанола и 13 процентов воды плюс 30 миллиграмм на литр меди в составе тетрацианокупрата калия, действовавшего как катализатор зажигания и горения. Метанол и вода были выбраны в силу того, что гидрат гидразина был сложен в получении - настолько сложен, что в действительности его процентная доля в C-Stoff была снижена до значения 15. Перехватчик Мессершмидт 163-B использовал C-Stoff и T-Stoff.
Следующей организацией, занявшейся ракетными разработками, был Aeronautical Research Institute в Брауншвайге, где в 1937-1938 годах доктор Отто Лютц и доктор Вольфганг С. Ногератт начали работу над комбинацией C-Stoff-T-Stoff.
Далее, БМВ (Баварские Моторные Заводы - да-да, это те же люди, что делали мотоциклы) было приглашено Люфтваффе принять участие в разработке. Гельмуд Филипп фон Збровски, племянник гонщика, прославившегося перед Первой Мировой Войной, был назначен ответственным за проект, и Хайц Мюллер стал его заместителем.
Летом 1939 года БМВ получило контракт на разработку стартового ракетного ускорителя, использовавшего комбинацию C-T-Stoff, и работало над ним в течение нескольких месяцев. Но фон Збровски был убежден, что 98-процентная азотная кислота была лучшим окислителем и, к тому же, гораздо более доступным (I.G. Fargen гарантировало неограниченные поставки) и смог убедить начальство в своей точке зрения. С начала 1940 года он и Мюллер работали над комбинацией азотной кислоты и метанола и в 1941 году замечательно доказали свою правоту при отличном 30-секундном запуске с тягой на уровне полутора тонн. Фон Збровски даже доказал это Ойгену Зенгеру, до этого бывшего уверенным в том, что только кислород может рассматриваться в качестве окислителя.
... в начале 1940 года фон Збровски и Мюллер сделали необычайно важное открытие, состоявшее в том, что некоторые горючие (первоначально это было обнаружено для анилина и скипидара) самовоспламеняются при контакте с азотной кислотой. Нёгерат выяснил это и присоединился к группе БМВ для дальнейшего поиска горючих с данным интересным свойством. Его условное название для азотной кислоты было «Игнол», горючее было названо «Эргол», и будучи быстроумным парнем с греческими корнями, им было придумано название «Гипергол» для самовоспламеняющихся веществ. «Гипергол» и его производные в качестве прилагательного «гиперголический» стали неотъемлемой частью не только немецкого языка, но также английского, и даже, несмотря на все усилия Шарля де Голля в его стремлении к «чистоте» языка, французского.
Открытие самовоспламенения имело важное значение. Обеспечение работы ракетного двигателя сравнительно простая задача, его выключение без выжигания чего-нибудь более сложно, но вот безопасный запуск является настоящей проблемой. Иногда используются электрические инициаторы, иногда пиротехнические устройства, но ни тому, ни другому нельзя совершенно довериться, и оба метода добавляют трудностей и особенностей поведения к устройству, которое и так сложнее, чем вам хотелось бы. Очевидно, что если комбинация горючего и окислителя является самовоспламеняющейся, то можно выкинуть все инициирующие схемы и устройства, позволить химии совершить всю работу самостоятельно и в целом сделать всё гораздо более простым и надежным. Но как обычно, на этом пути имеются ловушки.
Если горючее и окислитель подаются в камеру сгорания и сразу же загораются, всё идет хорошо. Но если они втекают, собираются в лужицу и только тогда воспламеняются, происходит взрыв, который обычно уничтожает двигатель и всё, что его непосредственно окружает. Общепринятым иносказанием для указанной цепочки событий стал термин «жёсткий запуск». Таким образом, самовоспламеняющееся горение должно быть очень быстрым, иначе же оно даже хуже, чем просто бесполезный эффект. Немцы установили верхний предел в 50 миллисекунд для задержки зажигания, с которой они могли иметь дело.
Между прочим, во избежание возможной путаницы свои топлива Збровски именовал названиями растений. Азотная кислота была обозвана как «Salbei» в честь шалфея, и горючее как «Тонка» вслед за бобами, из которых был получен кумарин, пахнущий ванилью. Принимая во внимание запах веществ, с которыми ему пришлось работать, мне едва ли можно представить более неподходящие названия.
Первый тест на задержку зажигания был, если выразиться помягче, слегка примитивным. После длинной ночи, посвященной поиску в старинных текстах по химии веществ, активно реагирующих с азотной кислотой, Збровски и Мюллер намачивали ветошь подходящим кандидатом, разбрызгивали на нее азотную кислоту и наблюдали за тем, насколько быстро (если это вообще происходило) вспыхивало пламя. И они столкнулись с необычайным феноменом, состоявшем в том, что старая использованная ветошь из мастерской иногда реагировала гораздо быстрее, чем новая и пропитанная, тем же самым горючим. Химическая лаборатория снабдила их ответом, состоявшем в том, что следовые количества железа и меди из мастерской в форме металла или соли катализировали реакцию горения. Поэтому они модифицировали свою 98-процентную азотную кислоту «Salbei», добавив 6 процентов гидрата хлористого железа, и назвали новый окислитель «Salbeik». Указанная ветошная техника была быстро заменена неким более хитроумным устройством, в котором можно было капнуть испытуемое горючее в небольшое количество азотной кислоты и определить его свойства самовоспламеняемости с меньшим риском возгорания во всей лаборатории. Это позволило в течение следующих четырех лет БМВ с одной стороны и Нёгерату с другой проверить на самовоспламеняемость всё, что могло оказаться в их руках.
В БМВ, где разработка топлива возглавлялась Германом Хемесадом, было опробовано более 2000 возможных горючих, а вскоре и подразделение I.G. Farben в Людвигштайне начало заниматься тем же самым. С достойным сожаления недостатком воображения эта компания с самого начала тщательно избегала использования кодовых названий и именовала свои смеси кодовыми номерами типа T93/4411. Разработанные тремя данными организациями топлива были сколь многочисленны, столь и разнообразны, но в тоже время имели много общего в силу ограниченности количества соединений, самовоспламеняющихся с азотной кислотой и доступных в любых количествах. Третичные амины навроде триэтиламина были самовоспламеняющимися, ароматические амины, такие как анилин, толуидин, ксилидин и N-метиланилин, обладали этим свойством даже в большей степени.
Большинство из опробованных смесей (тогда ещё не слышали об очищенных горючих, состоявших только из одного вещества) базировались на семействе анилинов, часто с добавлением триэтиламина и, время от времени, чего-нибудь вроде ксилола, лёгкого и обычного бензина, тетрогидрофурана, пирокатехина и, изредка, другого алифатического амина. Изготовленное БМВ Тонка 250 состояло из 57 процентов чистого ксилидина и 43 процентов триэтиламина и использовалось в ракете «Тайфун», Тонка 500 содержало толуидин, триэтиламин, анилин, бензин и чистый ксилидин.
Нёгерат добавил фуриловый спирт к Тонка 250 для получения «Эргол-60», который он посчитал «лучшим» самовоспламеняющимся горючим и слегка мечтательно доложил, что фуриловый спирт широко доступен в Соединенных Штатах в отличие от Германии. Как только ещё один исследователь открыл смесь, так понравившуюся Нёгерату, то тот сразу же подал патентную заявку (которая, возможно, даже и не была бы принята при гораздо более строгих патентных законах в США). Неудивительно, что после этого все вокруг, включая, в частности, и Нёмесата с Нёгератом, стали обвинять друг друга в нарушении собственного патента.
Многие немецкие ракеты были первоначально разработаны для перекиси водорода, но по мере развития боевых действий подводные лодки Вальтер Тип IV грозились использовать всё доступное количество. При том работы с азотной кислотой были настолько успешны, что переход на этот окислитель для ракет стал неизбежен. В течение этого периода времени были рассмотрены многие другие комбинации помимо уже используемых и получено теоретическое значение эффективности. Данные вычисления уже не были ранними наивными оценками Зангера и др. и принимали во внимание давление в камере сгорания, давление истечения, термическую эффективность, температуру горения, диссоциацию - всё, что было необходимо. Вычисления такого рода чрезвычайно утомительны, даже одно, выполненное с настольным калькулятором, может легко занять целый день.
Ещё одна идея, так ни к чему и не приведшая, состояла в гетерогенном горючем - суспензии, или взвеси, измельченного металла типа алюминия в жидком топливе (например, в бензине). Этот подход был предложен несколькими авторами, включая Цандера в СССР, Зангера в Австрии, и Хайнц Мюллер из БМВ опробовал идею, используя измельченный алюминий или магний в дизельном топливе. Эффективность смеси была очень плохой, давление в камере составляло от 3,4 до 6,8 атмосфер вместо традиционных 20 ввиду неполного сгорания металла. Но остальные результаты были впечатляющими.
Двигатель был запущен в горизонтальном положении напротив наклонной стены, отражавшей выхлоп вверх. Но несгоревшие частицы оседали вниз и создали замечательное, сияющее, серебристое покрытие для всех елей в округе, отлично подходящее для Рождества. Идея взвеси возникла снова двадцать лет спустя, сведя с ума ещё одно поколение экспериментаторов.
С 1936 по 1939 годы, Роберт С. Труа, бывший тогда курсантом в академии ВМФ США, в личное время экспериментировал с жидкотопливными ракетами, сделанными из подручных материалов. Закончив учебу, отслужив положенные два года на морской службе и получив в 1941 году звание капитана-лейтенанта, он был откомандирован в распоряжение Аннаполисской Экспериментальной Станции с приказом о разработке стартового ракетного ускорителя. Для ВМФ стояла проблема взлета с поверхности обладавших недостаточной мощностью и перегруженных бомбардировщиков РВМ и РВУ Роберт также столкнулся с сложностями в процессе зажигания и горения, но член его небольшой команды Энсин Стиф в процессе работы на газовыми генераторами (небольшими устройствами, вырабатывающими при горении раскалённый газ под давлением) обнаружил, что анилин и КДАК автоматически воспламеняются при контакте. Нужно сказать, что такие открытия обычно являются неожиданными, если не сказать приводящими в замешательство, и кто-то вопрошал, удалось ли Энсину Стифу сохранить свои брови в нетронутом виде.
Как бы то ни было, Фрэнк Малина посетил Аннаполисскую Экспериментальную Станцию в феврале 1942 года, узнал об этом открытии и тут же позвонил в ЛРД в Пасадене, и сразу же после этого ЛРД переключилась с бензина на анилин. И все сложности волшебным образом улетучились, самовоспламенение стало мгновенным, а горение гладким. Двигатель с тягой в 450 килограмм испытали первого апреля (тогдашние люди были профессионалами в своем деле), и уже пятнадцатого средний бомбардировщик А-20 был запущен в воздух - что было первыми полетом стартового ракетного ускорителя в Соединенных Штатах. Труа, конечно же, применил эту топливную комбинацию и в начале 1943 года подвесил на PBY два ускорителя тягой по 680 килограмм, которые помогли оторвать значительно перегруженный Дамбо от воды.
Компания Reaction Motors, Inc., обычно называемая RMI, была основана в 1941 году горсткой ветеранов Американского Ракетного Общества, включавшей Джейса Вилда, Ловелла Лоуренса и Джона Шеста, и обязалась построить ракетный ускоритель. Сначала они использовали жидкий кислород (так как вся работа AРО выполнялась с этим окислителем) и бензином. Но было обнаружено, что данная топливная пара дает слишком высокую температуру горения и вызывает прогар двигателей. Поэтому при поступлении бензина в камеру сгорания, он смешивался с водой через дозирующий клапан. Сгорание стало более гладким, и двигатель оставался невредимым. Это было слегка менее элегантное решение проблемы температуры горения, чем использованное VfR (и Пенемюнде), состоявшее в смешивании воды со спиртовым горючим. Устройство RMI было успешно испытано с PBM в 1943 году.
Во время испытаний, проходивших на реке Северн, реактивный выхлоп поджег хвост гидроплана, но лётчик-испытатель нашел (или утопил) возможность посадить самолет хвостом на воду на манер комедийных актёров с горящими фалдами, в старых фильмах быстро садившихся в корыто, заполненное водой, с соответствующим шипящим звуком и тучей пара. Комбинация анилин-КДАК обладала единственным, но при этом значительным преимуществом - она работала. Во всех же остальных отношениях это была редкостная гадость.
Во-первых, анилин было гораздо сложнее заполучить, чем бензин, особенно в середине войны форменных рубашек, когда все вокруг хотели его использовать для изготовления взрывчатки и проч.
Во-вторых, анилин чрезвычайно токсичен и быстро проникает через кожные покровы.
И, в-третьих, он замерзает при -6,2°C, и, таким образом, является горючим, подходящим только для теплой погоды.
И армия, и флот, представляя в этом случае редкий пример единодушия, даже и думать не хотели об его эксплуатации. Но у них не было выбора. Две тесно переплетающиеся линии исследований служили в качестве отличительного признака последнего периода войны. Одна состояла в снижении точки замерзания анилина, вторая была посвящена поиску метода самовоспламенения бензина с азотной кислотой.
Три организации работали над монотопливами во время войны, хотя и с ограниченными усилиями, и всё сконцентрировались на нитрометане. ЛРД начала работу первой в 1944 году или ранее и обнаружила, что горение может быть улучшено путем добавления небольшого количества триоксида хрома (позднее ацетилацетоната хрома) к горючему. Компания Аэроджет также работала с этим веществом и установила, что было необходимо уменьшить чувствительность путем добавления 8 процентов бутилового спирта. Затем Боб Труа из Аннаполисской Экспериментальной Станции попробовал поработать своими собственными руками и был близок к гибели, когда кто-то присоединил неправильную трубку к правильному клапану, что привело к взрыву бака. И, в конце концов, Дейв Алтман из ЛРД опробовал смесь бензина и тетранитрометана, которая, что было вполне естественно, сдетонировала. И тут война закончилась, немецкая работа была выставлена на белый свет, и всё начало становиться на самом деле запутанным.
По мере продвижения американских следователей по территории Германии сразу вслед за армией (а иногда и впереди её) было обнаружено, что немецкие ракетчики более чем готовы к сдаче в плен (и устройству на новую работу) и горят желанием рассказать всё, что им было известно. Американцы не только заполучили ведущих учёных, но и захватили всё, что не было приколочено к полу, включая полный архив Пенемюнде (который команда фон Брауна благоразумно разместила в заброшенном руднике), а также все ракеты A-4 как полностью, так и частично собранные. Энергичные американцы, будучи грабителями по духу, забрали каждый миллиграмм гидрата гидразина и высококонцентрированной перекиси водорода, что можно было найти в Германии. Ну и само собой, были построены специальные алюминиевые автоцистерны для перевозки последнего. В итоге всё это было соответствующим образом доставлено в Соединенные Штаты. Эти шаги были очевидны, проблема состояла в том, что делать дальше.
Комбинация спирта и кислорода казалась вполне подходящей для ракет дальнего действия, но Соединенные Штаты не имели конкретных планов по постройке такого рода изделий. Тонки и Визолы не имели преимуществ перед моноэтиланилином или смесью анилина и фурилового спирта, разработанных в США, как и не было ничего нового в отношении азотной кислоты, также американцы полагали, подобно немцам до этого, что им известно всё об этом веществе. Как известно, необоснованная эйфория и преждевременная уверенность являются международным феноменом. Они не сомневались, что как управляемые, так и баллистические ракеты были артиллерией будущего. Единственный (или один из многих) вопрос состоял в нахождении оптимальной топливной пары для данной или проектируемой ракеты. Так что даже люди, имевшее отдаленное отношение к указанной теме, производили собственное изучение всех возможных горючих и окислителей и пытались решить, что же должно быть выбрано.
Леммон из ЛРД представил ВМФ результаты всестороннего обзора весной 1945 года, и еще полдюжины отчетов из North American Aviation, Reaction Motors, Rand Corporation, M.W. Kellog Co. и прочих появились в течение нескольких последующих лет. Каждый отчет перечислял свойства всех существующих или планируемых горючих, которые только могло придти в голову составителя, и содержал результаты дюжины утомительных вычислений значений эффективности. К удивлению людей, не бывших подкованных в области химии, все пришли к практически одинаковым выводам. Данные выводы можно собрать в две группы.
Первая относится к ракетам дальнего действия или же к ракетам, предназначенным для запуска спутника (уже в 1946 году как ВВС, так и ВМФ проводили серьезные изучения задачи отправки на орбиту искусственного спутника Земли). Для приложений такого рода криогеника (вещества, которые не сжижаются никаким образом, кроме как путём охлаждения до очень низкой температуры) может быть использована, и все согласились, что: Оптимальным окислителем является кислород («Фтор может быть подходящим, но его плотность слишком низка и с ним чертовски сложно иметь дело.») С точки зрения эффективности жидкий водород наилучшее горючее, но с ним чрезвычайно трудно обращаться, и по ходу дела его плотность настолько низка, что необходимый размер баков будет огромным. Всё, что находится ниже водорода относительно первого из указанных параметров, не имеет особых отличий. Спирт, бензин, керосин - все они работают довольно хорошо и с ними можно иметь дело. («Но может быть, кто-то смог бы опробовать штуки типа диборана или пентаборана?» Значение эффективности, будучи вычисленным, выглядит чрезвычайно привлекательно. «Конечно, эти вещества редки, дороги и в придачу ядовиты, но ...?»)
Вторая группа выводов (или их отсутствия) касалась вещей вроде ракетных стартовых ускорителей и тактических ракет ближнего радиуса действия, которые должны были использовать долгохранимые компоненты.
Итоговые выводы были гораздо менее ясны при рассмотрении долгохранимого горючего. За несколькими исключениями, никто из кандидатов не имел значительного преимущества в плане эффективности. Поэтому окончательные решения должны были быть приняты базируясь на вторичных свойствах: доступность, самовоспламеняемость, гладкость горения, токсичность и т.п. Но было одно важное исключение в виде гидразина (не гидрата гидразина, использовавшийся немцами, а безводного ^Н4). Дейв Хорвитц из ЯМ1 прожег гидрат с кислородом в 1950 году, но я не уверен в проведение каких-либо ещё экспериментов по крайней мере в нашей стране с использованием этого соединения. Почти весь гидрат гидразина, заполученный у немцев, был преобразован в безводное основание перед тем, как был разослан для тестирования.
Одним из методов конверсии был пропуск гидрата через оксид бария и затем дистилляция безводного гидразина при пониженном давлении. Гидразин самовоспламенялся с планируемыми окислителями, имел высокую (1,004) плотность как горючее, и его эффективность была определенно выше, чем у других рассматриваемых горючих. Но температура замерзания данного соединения составляла 1,5°С и была выше, чем у воды! И стоил гидразин почти сорок пять долларов за килограмм. Так что очевидным образом нужно было сделать две вещи - уменьшить цену гидразина и каким-то образом снизить его температуру замерзания (и при этом опять возникала призрачная мысль о пентаборане).
Было одно обстоятельство, с которым все были согласны. Никто не собирался иметь дело с парой анилин-КДАК не единой лишней секунды более, чем это было совершенно необходимо. Кислота была настолько коррозийной по отношению ко всем материалам, подходящим для изготовления баков, что должна была заливаться в ракету прямо перед стартом, действие, означавшее обращение с ней при непосредственной эксплуатации. И в процессе заправки при испарении возникало плотное облако чрезвычайно токсичного К02, а жидкость сама по себе вызывала опасные и чрезвычайно болезненные ожоги при соприкосновении с человеческой кожей. И... но азотная кислота и борьба за её укрощение заслуживает и получит свою отдельную главу в этой книге.
Анилин почти так же ужасен, но при этом слегка более изыскан. Если человек попадает в зону его действия и не будет немедленно эвакуирован, то обычно он становится пурпурным, затем синим и с высокой вероятностью умирает от цианоза в течение нескольких минут. Так что данная топливная пара по вполне понятной причине была непопулярна, и был сделан запрос для чего-нибудь нового, что по крайней мере не было бы настолько ядовитым и неудобным в обращении.
Каплан и Борден из ЛРД сделали новое предложение в начале 1946 года в виде БДАК и чистого фурилового спирта. Фуриловый спирт был примерно в той же степени безопасен как и, вероятно, остальные горючие, и БДАК, будучи столь же коррозийной и опасной для человека, как и КДАК, по крайней мере не выбрасывала облака К02.
... исследования больше тестов проваливается, чем успешно заканчивается, и больше топливных комбинаций воспламеняются медленно, чем мгновенно вспыхивают. И когда результатом задержки зажигания становится разрушенный двигатель, исследовательская программа слегка затягивается и отнюдь не слегка дорожает. Так что первоначальная оценка переместилась из тестового стенда в лабораторию, кроме того, различные агентства построили для себя того или иного рода аппаратуру для измерения задержки зажигания. Большинство этих устройств были созданы с таким прицелом, что не только фиксировался факт самовоспламенения, но также и измерялась задержка зажигания в том случае, если она имела место. С точки зрения конкретной конструкции все они значительно отличались, будучи на практике ограничены только лишь фантазией исследователя.
Простейшее устройство для проверки содержала пипетку, маленькую мензурку и отлично откалиброванное глазное яблоко, в самом продвинутом случае это был практически небольшой ракетный двигатель в сборе, ну и, конечно же, имело место всё что угодно между этими двумя вариантами. Один из самых замечательных примеров оборудования был задуман моим непосредственным руководителем Полем Терлиззи в NARTS. Он хотел снять по Шлирен-методу (с затемнением) высокоскоростные кадры процесса инициирования зажигания (мне было неизвестно и тогда, и в настоящее время, какую информацию они задумали получить).
Имелась небольшая камера сгорания с высокоскоростными клапанами и форсунками для исследуемого горючего. Приемники изображения, высокоскоростная камера Fastex и порядка двадцати килограмм линз, призм и много чего ещё, в большинстве своем извлеченных из захваченных немецких перископов для подводных лодок, были окончательно собраны, и доктор Милтон Шеер (Дядя Милти) потратил недели труда, регулируя и фокусируя оптику. И вот настал день первого испытания, топливом служили гидразин и БДАК.
Мы все собрались вместе для того, чтобы наблюдать запуск воздушного шара, когда Дядя Милти взволновался - «Погодите, клапан кислоты протекает!» «Поехали - запускай в любом случае» - приказал Пол. Я огляделся, дал знак своей банде, и мы начали аккуратно отходить подобно тому как это делают многие коты с мокрыми лапами. Говард Стрейм собрался было уже открыть рот и запротестовать, но как он позже рассказывал - «Я увидел ухмылку Дока, похожую на собачью во время еды, и решил попридержать рот», после чего кто-то нажал кнопку.
Последовали небольшой выброс желтого пламени, а затем сверкающая ярко-белая вспышка и оглушительный треск. Крышка камеры сгорания вылетела через потолок (мы нашли её на чердаке пару недель спустя), приёмники изображения просто исчезли, и не успел я моргнуть и глазом, как почти двадцать килограммов высококачественного оптического стекла превратились в мелкий порошок. Зажав рот обеими руками и выскочив из лаборатории, я свалился на газон в приступе хохота, Пол появился следом в гневе.
Пино сделал в 1949 году открытие, которое вполне может быть описано как революционное, и обнаружил, что бутилмеркаптан очень быстро воспламенялся с азотной кислотой. Это естественным образом воодушевило Standard of California, чья сырая нефть содержала большие количества меркаптана и серы, которые должны были удалятся для того, чтобы их бензин годился для широкого использования. Так что у них было большое количество ёмкостей со смешанным бутиловый меркаптаном и никакой возможности его использовать. И если бы только было возможно продать его для ракетного топлива, то жизнь в самом деле заиграла бы всеми цветами радуги.
Итак, данное соединение обладало двумя достоинствами - или даже может быть тремя. Оно самовоспламенялось со смешанной кислотой и имело довольно высокую для топлива плотность, а также не было коррозийным. Но его эффективность была ниже чем у обычных углеводородов - и его запах!!! Ну, честно говоря, запах достоин особого упоминания. Сильный, распространяющийся и проникающий во все щели, он, напоминая вонь рассерженного скунса, значительно превосходил лучшие усилия наиболее энергичных представителей вида Mephitis mephitis. Этот запах также пропитывал одежду и кожу, но ракетчики были сделаны из твёрдого теста, и данное соединение было надлежащим и удачным образом испытано, хотя и ходили слухи, что некоторым ракетным механикам было воспрещено совместно пользоваться машинами, и им приходилось бежать позади их.
Десять лет спустя эта субстанция была прожжена на Ракетной Тестовой Станции Авиации Флота (Naval Air Rocket Test Station — NARTS), и вонь все ещё чувствовалась в районе испытаний. (И я, руководствуясь более усердием, чем рассудком, действительно проводил в NARTS анализ полученных результатов) У California Research была замечательнейшая лаборатория в Ричмонде в районе залива Сан-Франциско, и именно там Пино начал свои исследования. Но когда им была инициирована работа с меркаптанами, он и его соучастники были выпровожены в деревянную хибару в захолустье на расстоянии как минимум в две сотни метров от основного здания. Не будучи напуганным и упорствуя, он продолжал свои зловонные дела, но стоит особого замечания тот факт, что их акценты внимания сместились.
Следующими кандидатами были не сопутствующие нефтяные продукты и не коммерчески доступные химикаты, а специально синтезированные этой командой горючие. С этого момента в самом начале 50-ых химики начали брать начало над инженерами, синтезируя под заказ новые топлива (которые часто были совершенно новыми веществами) вместо того, чтобы иметь дело с готовыми субстанциями.
... большим кушем был гидразин. Это было горючее, которое все хотели использовать, оно обладало высокой эффективностью, хорошей плотностью, самовоспламеняемостью с долгохранимыми окислителями, короче говоря, имело все необходимые качества. Почти. Это соединение являлось дорогим, но сама природа химической индустрии была и остается таковой, что можно быть уверенным в снижении стоимости до разумных пределов при условии, что все нуждаются в нём, причём в большом количестве.
Гидразин был отчасти чувствителен в каталитическому разложению, но если вы использовали подходящие материалы для изготовления хранилищ и были разумно осторожны в отношении загрязнений, это не представляет собой серьёзной проблемы. Но вот точка замерзания -1,5°C была слишком высока для всего, что предполагалось использовать в тактической ракете. Эксплуатанты были в особенности неприступны в отношении установки подходящих им предельных лимитов на температуры замерзания, и имелось ощущение, что вначале они требуют невозможное, а потом соглашаются с тем, что могут получить - но в конце концов было решено что температура -65°F, или -54°C, будет приемлемой для большинства применений (хотя ВМФ в течение одного из особенно капризных периодов времени запрашивали точку замерзания не выше чем -100°F, или -73°C.
То, как они собирались воевать при такой температуре, не было описано, и бытовало мнение, что флот попросту был заворожен магической красотой числа). Так что все пробовали снизить точку замерзания гидразина до -54°C без ухудшения других (и хороших) свойств, что оказалось невозможным. Это могло бы быть предсказано, но в тот момент времени мы все надеялись на чудо.
НДМГ был испытан в WADC примерно в это же самое время, ММГ чуть позже и эвтектическая смесь НДМГ-ММГ тем же самым агентством в течение 1955 года - и все с красной дымящей азотной кислотой. И НДМГ в JP-4 работал настолько хорошо в отношении смягчения горения, что топливо, выбранное для ракеты Найк-Аякс, представляло собой 17 процентов НДМГ в JP-4. Программа замещения гидразина была завершена с оглушительным успехом и разом сделала остальные долгохранимые топлива совершенно устаревшими. Окончательное решение сконцентрироваться на НДМГ было принято из экономических соображений. Двумя соперниками за первый контракт для промышленного производства замещённых гидразинов были Metallectro и подразделение Westvaco Chlor-Alkali фирмы Food Machinery and Chemical Co. (FMC).
Компания Metallectro предложил модификацию классического процесса Рашига для гидразина путем реакции хлорамина с моно- и диметиламином в соответствии с одним из двух затребованных заказчиком гидразинов. И в своей контрактной заявке они предложили аккуратно проработанную шкалу цен, зависевшую от размера заказа. Westvaco принял другой подход и предложил ещё один синтез, в котором азотистая кислота реагировала с диметиламином для формирования нитрозодиметиламина, который с лёгкостью может быть сведен к НДМГ. Данный процесс не может быть использован для ММГ, так что Westvaco игнорировал его и был готов к потерям, вызванными первоначальными заказами (в конце концов, размеры оплаты были ничтожными с точки зрения компании размера FMC), и решительно перебил заявку Metallectro. Они получили заказ, и Metallectro по-хорошему исчезли со сцены.
Первоначальные описания государственного стандарта для НДМГ были опубликованы в сентябре 1955 был испытан в WADC примерно в это же самое время, ММГ чуть позже и эвтектическая смесь НДМГ-ММГ тем же самым агентством в течение 1955 года - и все с красной дымящей азотной кислотой. И НДМГ в JP-4 работал настолько хорошо в отношении смягчения горения, что топливо, выбранное для ракеты Найк-Аякс, представляло собой 17 процентов НДМГ в JP-4. Программа замещения гидразина была завершена с оглушительным успехом и разом сделала остальные долгохранимые топлива совершенно устаревшими. Окончательное решение сконцентрироваться на НДМГ было принято из экономических соображений.
Двумя соперниками за первый контракт для промышленного производства замещённых гидразинов были Metallectro и подразделение Westvaco Chlor-Alkali фирмы Food Machinery and Chemical Co. (FMC). Компания Metallectro предложил модификацию классического процесса Рашига для гидразина путем реакции хлорамина с моно- и диметиламином в соответствии с одним из двух затребованных заказчиком гидразинов. И в своей контрактной заявке они предложили аккуратно проработанную шкалу цен, зависевшую от размера заказа. Westvaco принял другой подход и предложил ещё один синтез, в котором азотистая кислота реагировала с диметиламином для формирования нитрозодиме- тиламина, который с лёгкостью может быть сведен к НДМГ. Данный процесс не может быть использован для ММГ, так что Westvaco игнорировал его и был готов к потерям, вызванными первоначальными заказами (в конце концов, размеры оплаты были ничтожными с точки зрения компании размера FMC), и решительно перебил заявку Metallectro. Они получили заказ, и Metallectro по-хорошему исчезли со сцены. Первоначальные описания государственного стандарта для НДМГ были опубликованы в сентябре 1955
КДАК была укрощена. Два события привели к данному результату: серия детальных исследований в Ohio State University и ЛРД, решивших задачу разложения и увеличения давления, а также совершенно неожиданный прорыв в NARTS, снизивший степень коррозии до пренебрежимого значения. С указанными решенными проблемами кислота могла быть «упакована» или залита в ракету на заводе, так что обслуживающему персоналу не пришлось бы иметь с ней дело. И это привело к исчезновению сложностей со всеми её токсичными парами и опасностью получения ожогов. К началу 1951 года структура и поведение азотной кислоты стали ясными. В действительности это была чертовски сложная система - едва ли можно было бы её назвать субстанцией - но некоторые выводы могли быть сделаны.
... с 10 по 12 октября в Пентагоне проходила конференция, посвященная проблемам азотной кислоты и принявшая около 150 представителей промышленности, правительства и обслуживающих подразделений, занимавшихся топливными вопросами. Я туда прибыл, как и доктор Милтон Шир («Дядя Милти») из нашей группы, сделавший доклад об открытии Эрика в середине дня 11-го числа. Это событие стало замечательным (для нас) по причине того факта, что в тоже самое утро в ходе обсуждения другой работы РУ Гринвуд из Bell Aircraft отметил, что он опробовал бифторид аммония в качестве добавки для снижения температуры замерзания БДАК, а затем, спустя три доклада, ТЛ. Томпсон из North American Aviation рассказал об использования как безводной плавиковой кислоты, так и водного раствора HF в качестве средства снижения точки замерзания КДАК. И они оба совершенно пропустили эффект ингибирования коррозии!
И затем все начали действовать - North American, ЛРД, да и практически все остальные (мы уже входили в это число). Как выяснилось, HF была даже более эффективна для подавления коррозии алюминия, чем для снижения таковой у SS-347: ингибирование было одинаково сильно как для КДАК, так и БДАК и было эффективно не только в жидкой, но и газообразной фазе, где металл встречался с парами кислоты над уровнем жидкости. Но хотя HF и была хорошим ингибидором для алюминия и нержавеющей стали 18-8, эта кислота не была одинаково эффективной. Она не оказывала особого эффекта на коррозию никеля или хрома, в то же самое время увеличивая скорость коррозии для тантала в 2000 раз и для титана в 8000 раз.
В то время существовала большая заинтересованность в титане, и поскольку многие инженеры-ракетчики хотели его использовать, нельзя было пренебречь вопросом его устойчивости к КДАК. Но данные исследования коррозии были прерваны совершенно неожиданным инцидентом.
29 декабря 1953 года техник военно-воздушной базы Эдвардс исследовал набор образцов титана, погруженных в КДАК, когда, совершенно без всякого предупреждения, один из них или сразу несколько сдетонировали, с силой отбросив парня и обрызгав его кислотой и разлетающимся стеклом, и заполнив комнату NO2. Техник, возможно, к счастью для него, умер от асфиксии, не приходя в сознание. Как и следовало ожидать, имела место ужасная шумиха, и ЛРД предприняла усилия для того, чтобы разобраться в причинах происшествия.
Д.Б. Риттенхаус и его сотрудники отследили цепочку фактов, и к 1956 году им всё стало весьма ясным. Первоначальная межзерновая коррозия производит мелкий черный порошок металлического (в основном) титана. И он, будучи смоченным азотной кислотой, был чувствителен как нитроглицерин или гремучая ртуть (управляющей реакцией, конечно же, было образование TiO2).
... несмотря на происшествие с титаном, ракетная индустрия теперь имела пригодную для использования азотную кислоту и переписывание военных спецификаций для БДАК и КДАК выглядело разумным. Затем в течение 1954 года группа представителей обслуживающих подразделений и промышленности собрались вместе при финансировании, предоставленном ВВС, для того, чтобы заняться такими спецификациями, и я там присутствовал в качестве одного из людей со стороны ВМФ. Некоторые пользователи все ещё продолжали аргументировать за сравнительно удачную 14 и 22 процентную КДАК, и некоторым по прежнему нравилась БДАК. Химическая индустрия была согласна работать с любой кислотой - «Чёрт возьми, это так просто произвести как один сорт кислоты, так и другой - просто скажите нам, что вам нужно». Так что мы решили написать одну спецификацию, осчастливившую всех сразу.
Термины БДАК и КДАК были официально отброшены и не менее четырёх типов азотной кислоты было описано, которые мы совершенно тривиально обозвали «Азотная кислота, тип I, II, III и IV». Эти кислоты в порядке именования содержали 0, 7, 14 и 21 процент N2O4. Если вам нужно было ингибировать кислоту HF, вы запрашивали I-A или III-A или всё что угодно ещё, и ваша кислота содержала бы 0,6 процента HF.
Я был против описания типа ингибитора в открыто опубликованных спецификациях в силу того, что он являлся настолько невероятным (хотя и простым) трюком, что мог бы храниться в секрете некоторое время. У меня были друзья в сообществе разведки, и я просил их осторожно узнать, известно ли об данной уловке по другую сторону железного занавеса. Ответ был получен с замечательной быстротой и был отрицательным, и в действительности советское производство HF было проблемным, а начальник этого направления проводил отпуск в Сибири. Так что я громко и продолжительно протестовал, но ВВС правило балом и сделало, что хотело, и когда спецификации были опубликованы, секрет был удачно выболтан.
Представим, что у вас есть бак с пероксидом без эффективного способа отвода тепла, и ваша перекись начинает разлагаться по той или иной причине. При этом выделяется теплота, нагревающая остальной пероксид, который затем, естественно, начинается разлагаться быстрее - производя ещё больше тепла. И так всё идет быстрее и быстрее до тех пор, пока не получится значительный вжик или бум в зависимости от обстоятельств, распыляющий перегретый пар и горячий кислород по всей округе.
Единственным способом было хранение пероксида в баке, изготовленном из чего-либо, что не катализировало разложение (наилучшим выбором являлся чистый алюминий) и содержание бака в чистоте. Требуемая чистота должна была быть не просто стерильной, как в операционной, а практически трансцендентной. Всего лишь приготовление алюминиевого бака для хранения перекиси вырастала в целую историю и увлекательное времяпрепровождение, занимающее несколько дней.
Очистка, промывание алканом, промывка кислотой, осушка, пассивирование разбавленной перекисью - всё это продолжалась и продолжалось. И даже при удачном завершении, пероксид всё еще медленно разлагался - не слишком быстро для начала неконтролируемой цепной реакции, но достаточно активно для увеличения давления кислорода в запечатанном баке и невозможности его хранения. И в качестве душераздирающего опыта можно было приложить ухо к баку с окислителем и выслушать звук «глуб» снова и снова после длинной паузы. После такого опыта многие люди, включая, в частности, и меня самого, склонялись к скептической точке зрения на пероксид и обходили его стороной.
Итак, в начале 1945 года мы наложили лапу на большое количество немецкой перекиси с концентрацией в 80-85 процентов, и часть её была отправлена в Англию. Британцы были очень заинтересованы в ней и немецком производственном процессе. В том же году они прожгли двигатель, используя перманганат кальция для разложения пероксида и фурфурол в качестве горючего, и в течение нескольких лет работали с перекисью и различными (в основном, углеводородными) горючими. Оставшиеся запасы перекиси прибыли в Соединённые Штаты. Однако этот пероксид содержал значительное количество оловяннокислого натрия (в качестве стабилизатора) и не слишком подходил для экспериментальной работы. Так что ВМФ заключило сделку с Buffalo Electrochemical Co., которое только что развернуло промышленное производство высококонцентрированной перекиси. Флот отдал большинство немецкого пероксида этой компании, которая развела его до 2 или 4-процентного ополоскивателя для рта или отбеливателя волос (где стабилизатор играл положительную роль), а взамен передала ВМФ эквивалентное количество нового 90-процентного состава без какого-либо стабилизатора.
Большинство работ с пероксидом, выполненных для ВМФ, были напрямую связаны не с ракетами, а с тем, что называлось «суперускорением» для реактивных самолётов - дополнительным ракетным ускорителем, который мог вступить в игру для выработки тяги с целью достижения очень высокой скорости - так что когда пилот обнаруживал шестерку Мигов, дышавших ему в затылок, он мог нажать аварийную кнопку и выполнить маневр, известный под название «убраться к чёрту отсюда».
Причина использования реактивного топлива была вполне очевидна - лётчик уже имел его на борту, так что только лишь бак с окислителем должен был быть добавлен к самолёту. Но была обнаружена сложность неожиданного рода. Предполагалось, что пероксид будет храниться на борту в алюминиевом баке. И затем оказалось, что следовые количества хлоридов в перекиси делают последнюю особенно коррозийной для алюминия. Как образом можно избежать попадания следовых количеств хлорида во всё что угодно, когда вы находитесь посреди океана солёной воды, было проблемой, чьё решение не было совершенно ясным.
И всегда стоял вопрос предотвращения серьёзного загрязнения. Скажем, кто-то уронил (случайно или как-нибудь ещё) замасленный гаечный ключ в примерно 38.000 литров 90-процентной перекиси в хранилище на борту корабля. Что в этом случае произойдет - и выживет ли корабль?
Адмиралы авианосцев, по понятной причине, до смерти боялись огня. Это было одной из причин их отказа от кислоты и самовоспламеняющегося горючего. Аварийная ракета на палубе - или любого вида инцидент на корабле с участием горючего и топлива, неизбежно приводили к началу пожара. С другой стороны, разумно полагали, что реактивное горючее даже не смешается с пероксидом, просто плавая по его поверхности и не делая ничего особенного. И если, каким-либо образом, появится огонь, его можно будет потушить (возможно, при помощи пены) без особых затруднений. Так что мы в NARTS решили провести испытание.
Несколько ёмкостей с перекисью (примерно в 200 литров каждая) были вылиты в большой лоток, содержимое одной или двух ёмкостей с JP-4 плавало по поверхности, и вся система оставалась спокойной. Результат не производил впечатления, JP-4 горел спокойно со случайными вспышками и шипением огня. И начальник пожарной команды приступил к тушению пеной со своими людьми, и всё было погашено без какой- либо суеты. Конец тренировки.
В тот день Господь простёр свою длань над нашими головами - над пожарной командой, парой дюжин наблюдателей и над моей собственной персоной. Но когда мы (и другие люди) попробовали провести испытание снова (к счастью, в меньшем масштабе), результаты были другими. Вначале реактивное горючее горело спокойно, затем со всё увеличивающейся частотой начали показываться вспышки языков пламени (это был момент времени, когда стоило начать убегать). Затем, слой JP стал тоньше, пероксид под ним нагрелся и начал кипеть и разлагаться, а вышележащее горючее стало пропитываться кислородом и парами перекиси. И затем всё это сдетонировало абсолютно ужасающим образом. И когда военное начальство увидело одну или две демонстрации, реакцией стало «Не на моём авианосце», и с этим ничего нельзя было поделать.
Трифторид хлора может храниться в некоторых металлах с обычной структурой - стали, меди, алюминии и т.д. - по причине формирования тонкой пленки нерастворимого фторида металла, защищающего основную часть материала точно таким же образом, как невидимый слой оксида алюминия предотвращает его сгорание в атмосфере. Однако если этот слой расплавлен или поцарапан и не имеет шанса к восстановлению, испытатель сталкивается с разрешением проблемы металфторового огня. Для того, чтобы иметь дело с подобного рода ситуацией, я всегда рекомендовал хорошую пару беговой обуви. И если даже у вас не произошло возгорание при утечке трифторида хлора, результаты могут быть достаточно разрушительными, как это выяснила компания General Chemical Co., пролив это соединение.
Берт Абрамсон из Bell Aircraft прожег его весной 1948 года, используя гидразин в качестве горючего, NACA и North American продолжили процесс на следующий год, и в 1951 году NARTS провела испытания с аммиаком и гидразином. Результаты были превосходными, но сложности доводили до белого каления. Зажигание оказалось замечательным и настолько гладким, что выглядело оно подобно включению подачи воды из шланга. Эффективность была высокой - очень близкой к теоретической - и реакция проходила настолько быстро, что вы могли сжигать это соединение в удивительно маленькой камере. Но...
Если ваше оборудование было грязным, и имелись пятна масла или смазки где-нибудь внутри топливной магистрали, указанная магистраль воспламенялась и полностью сгорала, оставляя только пепел. Прокладки и О-кольца в основном должны были быть из металла; не допускалось контакта с органическими материалами в ходе зажигания. Тефлон мог продержаться при статических условиях, но если CTF с любой скоростью протекал через него, то тефлон растворялся подобно сахару в горячей воде даже если и не происходило воспламенения. Так что соединительные элементы должны были быть приварены во всех возможных случаях, и сварка должна была быть качественной. Попадание окалины в сварной шов могло вызвать реакцию и далее передать эстафету даже без предварительных попыток. Так что швы должны были быть сварены, проверены, гладко отполированы и перепроверены, и затем все магистрали очищены и пассивированы перед тем, как вам хватило смелости залить CTF в систему.
Вначале проводилась промывка водой и линии осушались азотом. Затем наступал черёд трихлорида этилена для удаления всех следов масла или смазки, после чего следовала еще одна продувка азотом. Потом газообразный CTF добавлялся в систему и оставлялся там на несколько часов для захвата всего, что могло быть не удалено промывкой, и только затем жидкий трифторид хлора мог попасть в топливные магистрали. При поступлении этого окислителя в двигатель начинались настоящие проблемы, для трифторида хлора рабочие температуры близки к 4000 K, при которых форсунки и критические сечения сопла имеют печальную тенденцию к разрушению, и если только материалы для изготовления не были выбраны со значительной ловкостью, а устройство двигателя очень удачно, то он не прослужит на самом деле долго.
Человеку, занимающемуся вопросами топлива, CTF нравится по причине его эффективности, и инженер ненавидит эту зверюгу ввиду агрессивности к двигателю и сложностях в обращении.
Начиная с A-4 и вплоть до Тора и Юпитера пиротехнический старт являлся обычным делом, но это было значительным усложнением с низкой надежностью. Зангер использовал инициатор из диэтилового цинка, и Bell Aerosystems превзошла его путем применения триэтилового алюминия для запуска двигателей на кисло- роде-RP-L
Запечатанная ампула, содержавшая смесь 15 процентов триэтилалюминия и 85 процентов триэтила бора, раздавливалась давлением топлива в магистрали при запуске, реагировала с самовоспламенением с жидким кислородом, и вы получали результаты работы. Все это было просто и очень надежно.
Вершиной развития водородных двигателей является атомная ракета. Как мы уже видели (в главе, посвященной эффективности), для получения действительно высокого удельного импульса нужно нагреть водород до 2000К или что-то в районе данной температуры и затем расширить его в сопле. И это можно сделать только в двигателе атомной ракеты. Реактор с обогащенным ураном и графитовым замедлителем становится источником энергии, а водород рабочей жидкостью (в процессе разработки возникла одна специфическая сложность. Водород при 2000К или около того растворяет графит - он превращается в метан - подобно тому, как горячая вода воздействует на кусок сахара. Решением стало покрытие водородных трактов карбидом ниобия).
Двигатели Phoebus-1, испытанные в 1966 году на Равнинах Болванов (оцените название!) в Неваде с реактором мощностью в 1100 мегаватт (тепловых), нормально работали на уровне тяги в 25 тонн с удельным импульсом 750 секунд (значения удельного импульса выше 860 ожидаются в скором времени). Мощность (величина механической энергии, в которую переходит тепловая) была, таким образом, равна примерно 912 мегаватт, что подразумевает работу реактора на уровне немного выше номинального. Температура в камере равнялась примерно 2300К.
Ожидается, что серия ядерных двигателей Phoebus-2, находящихся в стадии разработки, будет работать на уровне тяги около 115 тонн, что выше значения тяги J-2, и мощность реактора (тепловая) будет выше 5000 мегаватт. Это в два раза больше значения мощности, создаваемой дамбой Гувера - и генерирующий ее реактор размером с письменный стол.
Когда советские люди пришли в Германию, они собрали химиков на фабрике Luena компании I.G. Farben для проведения топливных исследований. В действительности, это не были специалисты в данной области, но, скорее всего, для советского человека химик оставался химиком и всё тут. Агентство ARPA делала что-то похожее в США через приличное количество лет спустя! Вначале немцы не открыли слишком многого за исключением определения свойств уже известных ракетных топлив, но когда их послали в Россию в октябре 1946 года (некоторых в Государственный Институт Прикладной Химии в Ленинграде, остальных в Научно-исследовательский Физико-химический Институт им. Л.Я. Карпова в Москве), то они принялись за работу по синтезу новых соединений, одних, предназначенных для самостоятельного применения, и других в качестве добавок к бензину или керосину. Советские учёные, подобно немецким до них, начали погоню за самовоспламеняемыми соединениями и такого же рода добавками для бензина при реакции с азотной кислотой. И в силу самой природы химиков и химии как науки, выбранные ими пути были теми же самыми, что и наши.
Были исследованы все амины, что имелись в наличие или синтезированы, и опробованы такого рода смешанные соединения, как винилоксиэтиламин. И все, что было получено, смешивалось с бензином - обычно пиролитического или высокоароматического типа, в надежде на хорошую самовоспламеняемость. Была даже опробована обыкновенная сера в некоторых смесях.
Но на протяжении длительного времени наиболее подходящим топливом для их тактических ракет оставалась разработанная немцами Тонка-250, смешанный ксилидин и триэтиламин. Вторая ступень ракеты SA-2 Guideline (обозначение в США, нам неизвестно оригинальное название) типа поверхность-воздух, использовавшаяся Северным Вьетнамом, работала на данном топливе вместе с КДАК.
Самостоятельно произведенный гидрат гидразина (в отличие от захваченного в Германии) стал доступен в Советском Союзе к 1948 году, но, видимо, не проявлялось большого интереса к гидразину и его производным до примерно 1955 или 1956 года, когда советские химики (все немцы были отправлены домой в 1950 году) узнали о нашем успехе с НДМГ. Данный недостаток интереса мог быть вызван несовместимостью меди и гидразина, и советским инженерам нравилось изготавливать свои двигатели с применением меди по причине её прекрасных свойств теплопроводности. И, конечно же, русский климат в определенной степени приводил к разочарованию в использовании гидразина, НДМГ же теперь является одним из их стандартных горючих.
Некоторая работа была проведена с высококонцентрированным пероксидом, первоначально с захваченным немецкий материалом и после 1959 года уже с советским продуктом, но большого интереса в развитии данного направления не было, и в конце концов ВМФ перехватило все работы, связанные с пероксидом (он очень полезен в торпедах). Азотными кислотами, использовавшимися конце 40-ых и начале 50-ых, были 98-процентная БДАК, БДАК, содержащая 4 процента хлорида железа в качестве катализатора зажигания, и смешанная кислота с 10 процентами серной кислоты, при этом имели место все те же проблемы, что и нас.
... несмотря на проблемы с азотной кислотой, один из немцев обдумал снова уравнение Нёгерата со стороны диапазона плотности топлива, и решил высказать пару мыслей своим начальникам. Он решил, что V-2, заправленная азотной кислотой и очень плотным горючим, должна иметь такую дальность, что сделает его по крайней мере Героем Советского Союза, и решил изготовить на самом деле плотное топливо. Так что он смешал 10 процентов толуола, 50 процентов диэтиланилина и 40 процентов дибромоэтана.
Он действительно получил высокую плотность - что-то около 1,4 - но то, что данные бромины сделали с удельным импульсом, можно было назвать словом «преступление». Его советские начальники, которые не были дураками, бросили один испуганный взгляд на то, чем он занимался, и немедленно отобрали все его химикаты. И четыре недели спустя он предстал перед народным судом, обвиненный, осужденный и оштрафованный на 4000 рублей за, по словам суда, «Введение в заблуждение Советской Науки». И ему ещё повезло, если бы я был членом этого суда, он бы отправился в Сибирь лет на девяносто, и обвинением была бы Исключительная Тупость. Так что русские были счастливы, когда он вернулся домой, ибо кому нужны враги с такими союзниками?
Их первая баллистическая ракета SS-1A (обозначение НАТО) была точной копией A-4 и сжигала 70-процентный спирт с жидким кислородом, данный окислитель был широко доступен ввиду использования в СССР чрезвычайно эффективной и очень быстрой сжижающей воздух установки, разработанной Петром Капицей. Увеличенная ракета SS-2 «Sibling», созданная в 1954 году, и SS-3 «Shyster», разработанная в 1956 году, использовали такую же топливную пару за исключением более высокой концентрации спирта, повышенной с 70 до 92,5 процентов.
Но как вы можете помнить, спецификации США для азотной кислоты, включая ингибитор HF, были опубликованы в 1954 году. Так что следующими советскими баллистическими ракетами стали перепроектированные SS-1A, SS-1B «Скад», работавшие на керосине и ИКДАК. Вероятно, что ими применяется химическое зажигание - возможно, что при помощи триэтиламина - и используемый керосин является высоконафтеновым и очень близким к RP-1. Они предпочитают его другим типам по причине того, что он гораздо менее склонен к коксованию, чем, скажем, высокоолефиновые смеси, при регенеративном охлаждении, и подходящие источники нефти в избытке присутствуют в Советской Союзе.
Имеют место два «ракетных» типа ИКДАК, широко используемой в СССР - AK-20 c 20 процентами N2O4 и AK-27, содержащая 27 процентов. С пришествием «Скада» стало очевидным наличие в Советской Союзе двух конструкторских бюро, и советское высшее командование предположительно сохраняет мир в семье путем распределения разрабатываемых проектов между ними. Данный подход не является совершенно неизвестным в нашей стране, где контракт, выданный Локхид может предшествовать заказу для Дженерал Дайнемикс. Одна группа остается привержена жидкому кислороду и разработала SS-6, SS- 8 и SS-10.
Монструозное 20-сопловое чудище SS-6, что запустило Юрия Гагарина и Восток 1 на орбиту, сжигало кислород и эквивалент RP-1. SS-8 «Sasin» и SS-10 работали на кислороде и, вероятно, смеси гидразин-НДМГ, эквивалентной нашему Аэрозину 50-50. Другая группа оставалась привержена долгохранимым окислителям в виде ИКДАК или N2O4, используя последний для больших стратегических ракет, находящихся в подогреваемых паром пусковых шахтах, в то время как первая обычно применялась в тактических ракетах ближнего радиуса действия, что должны были иметь дело с русской зимой.
Пятьдесят на пятьдесят гораздо дешевле, даёт точно такую же или чуть лучшую эффективность, и в случае стратегической ракеты у вас не повода беспокоится о температуре замерзания топлива. Меньшего размера SS-11 работала на таких же топливных компонентах, и тактическая ракета SS-12, более или менее эквивалентная американскому «Лэнсу», сжигала ИКДАК и реактивное горючее. Для полноты картины на текущий момент отметим, что SS-13 является трёхступенчатым твёрдотопливным эквивалентом «Минитмена», и SS-14, в сущности, двумя верхними ступенями РТ-2. Советские морские ракеты, сравнимые с «Поларисом», используют ИКДАК или N2O4 с НДМГ или 50-50, или являются твёрдотопливными.
Что касается более продвинутых, или «экзотических», топливных компонент, то советский подход выглядит по всей видимости более консервативным по сравнению с Соединенными Штатами. В СССР проводились некоторые работы с боранами в 1949-1950 годах, но участники оказались достаточно благоразумными и окончили их до того момента, как было потрачено много времени и денег. Имели место несколько испытаний с 10 процентами озона в кислороде, проведенные в Восточной Германии в 1952 году, но нет никаких указаний на продолжение данной деятельности, так же, как и нет признаков интенсивной работы с галогеновыми окислителями.
В недавней большой обзорной статье, посвященной перхлорилфториду, опубликованной в советском химической журнале, все ссылки вели на западные источники. Имели место некоторые замечания относительно ОР2 и предположительных преимуществ суспензий металлов, но ничто не указывает на то, что за данными словами что-то стоит. Так же, как и нет указаний на что-то существенное, сделанное в отношении жидкого фтора или водорода, хотя было бы удивительно, мягко выражаясь, если бы не рассматривалось использование последнего в их собственных космических программах.
Коротко говоря, советская подход имеет тенденцию к ограничению выбора топливных компонент. Кислород, ^04, ИКДАК, реактивное горючее, НДМГ и их смеси - вот практически и всё. Когда им нужно больше тяги, они не ищут причудливое топливо с более высоким удельным импульсом, а просто строят большего размера ракету. Возможно, так и нужно делать.
Пятнадцать лет назад люди обычно спрашивали меня - «В конце концов, что же это такое - экзотическое топливо?» - и получали ответ - «Это дорогое топливо, оно содержит бор и, возможно, что не работает». Я собирался первоначально назвать данную главу «Ляп с бором на миллиард баксов», но отказался от этой мысли по двум причинам.
Ранние прожиги боранов не получились, в целом, слишком успешными, но энтузиазм, надежды и ожидания были чрезвычайно высоки, и две конференции, посвященные борановому топливу и возможным горючим, прошли в одном только лишь 1951 году. Некоторая ужасно сомнительная химия была показана на данных встречах - большой прорыв в химии боранов ещё не произошел - но все хорошо провели время и поехали домой, вдохновлённые на новые подвиги. И очень скоро они заполучили деньги на их претворение.
Проект «Zip» был начат в 1952 году Бюро Аэронавтики ВМФ, разработанный таким образом, чтобы продолжить с того места, где завершился проект Гермес, и создать высокоэнергетическое топливо на базе бора для реактивных двигателей. Это происходило до создания МБР, бомбардировщики дальнего действия, являвшиеся носителями ядерных бомб, были выбраны в качестве оружия запугивания в холодной войне, и всё, что могло увеличить радиус их действия или скорость, являлось чрезвычайно желанным. Основными исполнителями многомиллионных контрактов были Olin Mathieson Chemical Corporation и Сallery Chemical Co., но к конце десятилетия многие другие организации - занимавшиеся реактивным движением, химией или академические, называйте их как угодно - привлекались или в качестве небольших главных исполнителей, или как субподрядчики для основных компаний.
К 1956 году программа стала настолько громоздкой, что она должна была быть поделена между ВВС, отслеживавшей работу Olin Mathieson в рамках программы «HEF» и Бюро Аэронавтики ВМФ, что наблюдала за проектом «Zip» у Сallery. Профессиональные журналы поддерживали интерес к проекту Zip и «супер-топливам» (опуская, естественно, засекреченные детали в области химии - которые, в случае публикации, могли дать некоторым людям передышку), и легионы доверчивых и алчных душ вышли на сцену и купили акции бора. И, в итоге, потеряли последнюю рубаху. Быстро стало ясно, что для получения желаемых физических свойств (похожих на таковые у реактивного горючего) данные топлива должны быть алкиловыми производными боранов.
Химия борогидридов была исследована как ничто до этого, детали производства отработаны на уровне экспериментального завода, две полномасштабные промышленные установки, одна у Callery и другая у Mathieson, были построены и запущены в поточное производство, руководства по эксплуатации и безопасности были написаны и опубликованы - и все это было осуществлено на хрупкой основе.
Никогда ещё один единственный бедный элемент не привлекал такое концентрированное внимание множества химиков и химических инженеров. И затем вся программа с грохотом остановилась, на что было две причины, одна стратегическая и другая техническая. Первой стали выход на сцену МБР и уменьшающаяся роль бомбардировщиков дальнего действия. Вторая основывалась на том факте, что продуктом сгорания бора является триоксид бора B2O3, причем при температуре ниже примерно 1800° это или твердая субстанция, или очень вязкая стеклообразная жидкость. И если у вас есть турбина, вращающаяся со скоростью 4000 оборотов в минуту, и зазор между лопатками равен нескольким тысячным долям сантиметра, а эта липкая, вязкая жидкость выпадает на лопатки, то двигатель, вероятно, придет к тому, что британцы, причем совершенно точно, называют «катастрофической саморазборкой».
Были предприняты всевозможные усилия для снижения вязкости оксида, ни к чему не приведшие, и HEF и HiCal попросту не могли быть использованы в реактивном двигателе. Заводы были остановлены и, в конце концов, проданы на слом. Программа Zip была мертва, но осталась память. Это, несомненно, было полнейшее фиаско. Малая доля общих расходов, что была потрачена на исследование, добавила за десять лет больше в копилку знаний о химии бора, чем было изучено за 50 лет до этого.
Самая последняя экскурсия в царство экзотики была предпринята Ф.С. Гандерлойем из Рокетдайн. Он обнаружил, что некоторые линейные полимеры гидрида бериллия и диметилбериллия с цепочками, обрывающимися на группах ВН3 (так как данное исследование было засекречено, я не могу описать больше деталей), были вязкими жидкостями, и работал с ними в течение четырех или пяти лет. Вовлеченная химия интересна сама по себе, но не похоже, что это приводит к реально используемому топливу. Данные жидкости являются чрезвычайно ядовитыми, и оксид бериллия, входящий в состав продуктов истечения в случае использования одного из вышеуказанных горючих, также токсичен, что исключает его использование в тактических ракетах; для космического же применения имеются лучшие топлива.
Даже не принимая во внимание проблему работы с высоковязкими компонентами, бериллий является сравнительно редким и довольно дорогим материалом, и для него имеются лучшие применения. Разработка таких соединений было бы достойным уважения академическим упражнением, вполне стоящим нескольких кандидатских диссертаций в области неорганической химии, в качестве же программы по разработке топлива она может быть классифицирована только как неудачная трата денег налогоплательщиков.
Итак, какие перспективы видны для «экзотики»? Насколько мне представляется, имеются только два варианта. Возможно, дибораны будут полезны для работы в дальнем космосе. Система пентаборан/гидразин, BN должна быть очень хороша для прямоточных ракет и подобного рода устройств. И те люди, что потеряли свои последние рубахи на акциях бора, должны будут найти лучший метод извлечения богатства из работы других, моё сердце не обливается кровью по их поводу.
... пероксид водорода, использованный фон Брауном для привода турбин на A-4. Он применял раствор перманганата кальция для каталитического разложения, но позднее работники Buffalo Electrochemical Co. (BECCO) нашли серебряный экран, покрытый оксидом самария, более удобным для этой цели (я не уверен, был ли самарий выбран как результат систематического исследования всех редкоземельных металлов или по причине того, что исследователь имел нитрат самария на своем складе). Лидерами данного направления были ребята из RMI, исследовавшие пероксид в то же самое время в качестве окислителя для «сверхэффективного» двигателя на борту истребителя.
У них имелось одно интересное монотопливное применение для H2O2, в основном сидевшее в их головах. Это была концепция ROR, или «Rocket on Rotor» (реактивный привод лопастей), при которой очень маленькие - возможно, тягой 22 килограмма - пероксидные двигатели были смонтированы на законцовке каждой лопасти вертолёта. Топливный бак располагался во втулке ротора, и центробежная сила должна была обеспечить давление в топливных магистралях. Идеей было улучшение эффективности вертушки, особенно при необходимости в срочном старте (это имеет значение, когда кто-то вас обстреливает).
Работа в данной направлении шла с 1952 по 1957 годы, и имел место впечатляющий успех. Я видел вертолёт, оборудованный такой системой, и когда пилот запустил свои ракеты, это зверюга выстрелила в небо подобно шлепнутому по заднице архангелу. По неким причинам данный проект был заброшен, что выглядит безобразно, так как вертушка с системой ROR была бы чертовски полезна во Вьетнаме, где кто-то обычно обстреливает вас.
В любом случае, пероксид всё ещё используется как низкоэнергетическое монотопливо, и будет, возможно, продолжать применяться в там, где его высокая точка замерзания не является недостатком. Одним из таких применением является топливо для торпед (в конце концов, океан - это довольно хороший термостат!). В данном случае перекись разлагается на кислород и перегретый пар, горячие газы крутят турбину, приводящую в действие винты, и торпеда ложится на курс. Но имеется маленькая сложность с данным подходом. Если вы нацелились на корабль, кислород из выхлопа турбины будет выделятся в виде пузырьков на поверхности воды, оставляя прекрасно заметный попутный след, что не только даёт потенциальной жертве шанс на уклонение, но также и указывает ей ваше местонахождение.
BECCO придумало замечательное решение в 1954 году, добавив достаточно тетрагидрофурана или диэтиленгликола (другие горючие также могут быть использованы) в пероксид для утилизации кислорода, позволяя реакции идти стехиометрически до воды и углекислого газа. Вода (пар) естественным образом не является проблемой, и CO2, как известно каждому, кто открывал банку пива, будет растворяться в воде при помощи небольшого давления. Это решило проблему кильватерного следа, но сделало нашу штуку ужасно взрывоопасной и подняло температуру горения до уровня, при котором лопатки турбины будут разрушаться. Так что BECCO добавило достаточно воды в смесь для понижения температуры в камере сгорания примерно до 1000°С, когда лопатки могут работать, и разведение водой снизило опасность взрыва до приемлемого уровня.
Даже низкоэнергетическое монотопливо обладает большим запасом энергии в расчете на грамм массы, чем бездымный круглый порох, и имеет ещё больше энергетики в расчёте на кубический сантиметр (жидкость гораздо плотнее по сравнению с кучей маленьких зерен). Так что если жидкое топливо было использовано или как часть заряда, или закачано отдельно в камеру пушки перед снарядом, оно должно было бы придать гораздо более высокую скорость на срезе ствола без увеличения массы. Смеси гидразин-нитрат гидразина-вода являлись стандартными топливами в программах по разработке жидкого пороха, хотя и н-пропилнитрат, иногда смешанный с этилнитратом, использовался время от времени.
Данные программы проходили, начинаясь и приостанавливаясь, примерно с 1950 года, но так и не были доведены до завершения. Военные запрашивали оружие, программы начинались и выполнялись на протяжении нескольких лет, затем деньги или интерес заканчивались, и всё завершалось только лишь для того, чтобы возобновиться снова по прошествии пяти или шести лет.
Я наблюдал три цикла с тех пор, как занялся ракетными делами, и были вовлечены ЛРД, OlinMathieson, Detroit Controls наряду с различными военными базами Сухопутных Войск и ВВС. Основные проблемы тут лежат скорее в инженерной области, чем в химии.
Так или иначе, мы нашли, что разные штуки более или менее равны, смеси вторичных аминов были устойчивее смесей первичных аминов, и для третичных аминов стабильность была наиболее низкой. И для топлив, что выдержали остальные наши проверки, то, что было изготовлено из диизопропиламина, имело наилучшую устойчивость к нагреву. И это была Изольда (нашим обычаем в то время было называть монотоплива женскими именами - подобно ураганам. Иногда название слегка напоминало вовлечённый амин - подобно, например, Бьюле для бутиламина - и иногда не имелось никакой связи с именами. Роджер Макинист был тем, кто изготовил нитрат диизопропиламина, а поэтому имел неоспоримое право дать ему имя, и так вышло, что накануне он был в опере). Мы были согласны с этим.
Соль Изольда была легка в изготовлении, хорошо кристаллизовалась, и, в целом, работать с ней было одним удовольствием. В тоже самое время я пытался изобрести какой-нибудь способ её воспламенения без взрыва двигателя, что было непросто. Вы не можете просто поджечь топливо с помощью открытого пламени, даже применяя кислородно-пропановую горелку. Обыкновенные пиротехнические запалы, как нам уже было известно, бесполезны в двигателе. Мы попробовали изготовить несколько на самом деле горячих инициаторов путем смешивания алюминиевого или магниевого порошка, нитрата натрия или перхлората и эпоксидного цемента, и позволяя смеси затвердеть в полиэтиленовой трубке, которая после этого обрезалась.
Полученные результаты были впечатляющими. Когда мы подожгли одну из трубок (сделав это с помощью нагретого электричеством прута), то получили яркое белое пламя, облака белого дыма и всевозможные звуки. Мы опробовали их сразу за дверью лаборатории и всегда держали наготове одного из нас готовым встретить любого, отвечавшего за безопасность и прогуливавшегося рядом.
Берт Абрамсон пришёл для проведения показа и, когда один из запалов вышел из-под контроля, попытался потушить его с помощью промывочной бутылки. Сразу после этого инициатор разломился на две части, горящий кусок упал на пол и начал гоняться за Бертом по лаборатории под всеобщее веселье. Но эти инициаторы не работали - поток Изольды тушил пламя. Очевидно, что было попросту непрактично поджигать данную штуку при помощи внешнего источника энергии. Она должна была сама выделять энергию, что означало разработку нами некоторого источника самовоспламеняющегося зажигания.
Мы не хотели создавать сложности с системой трубопроводов, что возникли бы в случае использования нами запала из, например, НДМГ для реагирования с кислотой в топливе; это вело бы к слишком большому усложнению. Что мы хотели, так это некий твёрдый материал, заблаговременно помещённый в камеру и реагировавший, начиная гореть, с топливом при его впрыске.
Были опробованы всевозможные кандидаты - порошок магния, металлический натрий и всё, что только возможно ещё (кандидат помещался в горизонтальную стеклянную трубку диаметром в один-два дюйма (около 25-50 мм), топливо распылялось на одном конце, и полученный результаты записывались с помощью высокоскоростной камеры). Нам не везло с некоторыми вещами, но затем, в конце концов, мы достигли успеха с самой необычной работающей смесью из гидрида лития и резинового клея. Данная невероятно звучащая смесь была приготовлена в виде тонкой пасты, размазана на куске марли и затем обернута вокруг деревянного штифта, конец которого заточили и закрутили в запал с нарезанной трубной резьбой в 1/8 дюйма (3 мм). Этот запал был, в свою очередь, закручен в подходящим образом нарезанное отверстие в центре форсунки, так что при впрыскивании топлива оно бы пришло в контакт и среагировало с инициализирующей смесью. Всё устройство длиной примерно в 6 дюймов (около 150 мм) хранилось в запечатанной для защиты LiH от атмосферной влаги тестовой трубке до того момента, когда оно бы понадобилось. Её работающий конец цветом был как жуткий серый трут, и это оказался самый непристойно выглядящий объект, что я когда-либо видел - и ракетные механики окрестили его соответствующим образом. Но это работало. Мы провели первый удачный запуск в январе 1956 года и к апрелю получили работающую систему с гладким процессом.
Если у вас происходит взрыв монотоплива в двигателе - это один случай, но если данная детонация распространяется обратно (обычно при примерно 7000 метрах в секунду) по топливопроводам, достигает топливного бака, и он взрывается, то вы можете оказаться в действительно серьёзной ситуации. В случае достаточно малого диаметра топливопровода детонация не станет распространяться и остановится - ограничивающий диаметр называется «критическим». Он зависит от природы топлива, материала изготовления линии подачи (сталь, алюминий, стекло и т.д.), температуры и, возможно, ещё нескольких обстоятельств (когда мы обнаружили, что детонация в Изольде хорошо распространяется по трубке шириной как у иглы для подкожного впрыскивания, наши волосы встали дыбом, и мы покрылись липким потом).
... участие и направили запросы на исследовательские программы для монотоплив в одну из трёх служб. RMI, что находилась прямо по соседству с нами, и близко знакомая с нашей работой, сделала это первой в марте 1956 года когда получила контракт ВМФ на разработку «более мощных жидких монотоплив», но и другие не слишком отставали. Компания Wyandotte Chemical подписала контракт с ВМФ к сентябрю, Phillips Petroleum и Stauffer Chemical вышли на сцену в начале 1957 года, и к 1958 году Pennsalt, Midwest Research, Аэроджет и Hughes Tool присоединились к ним. В дополнение к этим компаниям, что все пытались вывести новые виды топлив, несколько организаций, включая GE, проводили тесты горючих, разработанных другими, в двигателях и пытались применить их в тактических системах. Это было загруженное время.
Компания Reaction Motors (вскоре они занимались не только программой монотоплив ВМФ, но также заполучили контракт с Сухопутными Войсками) опробовала два подхода. Один состоял в растворении топлива в окислителе, и другой в создании топлива из одиночного соединения - нитрата или нитрамина энергетического радикала. Пропаргилнитрат, пропаргилнитрамин , глицидилнитрат, 1,4- динитрато-2-бутин и 1,6-динитрато-2,4-гексадиин являются типичными созданными ими чудищами (прочтения имен уже достаточно для появления пота на лбу человека, работающего с топливами!). Мне не верится, что они когда-либо проводили достаточно проверок с карточным прослойками, но результаты некоторых других тестов были весьма тревожны.
Джо Писсани позвонил мне однажды из RMI поздно вечером в 1958 году, спрашивая, смогу ли проверить устойчивость к нагреву у образца нитрата пропаргила. Я ответил, что был бы рад, но он должен будет заменить всё сломанное, так как я не доверяю этой штуке. Так что он прислал нам свой образец объёмом только в 3 куб.см (обычно мы использовали 5 куб.см) но, вероятно, нам с этим повезло.
Джон Сзок нагрел масляную емкость до 160°С (температуры наших обычных тестов), загрузил образец в баллон, поместил последний в ёмкость и убежал обратно в лабораторию, закрыв за собой дверь. (по очевидным причинам, установка проводилась в действие снаружи, а не в самой лаборатории). Он включил самописец и начал наблюдение. Продолжительное время ничего не происходило, давление медленно росло по мере нагрева и затем, казалось, стабилизировалось. И затем произошла оглушительная детонация. Мы увидели через окно из защитного стекла большое красное пламя в тот момент, когда масло вспыхнуло огнём только для того, чтобы немедленно потухнуть при попадании на холодный как лёд бетон. После чего нами было всё отключено, и мы вышли наружу для оценки ущерба.
Баллон был разорван на части; предохранительная мембрана просто не смогла достаточно быстро лопнуть. Измеритель давления был разрушен, также как и устройство для перемешивания. Цилиндрический резервуар из нержавеющей стали, что содержал масло, поменял форму на то, что хорошо смотрелось бы, будучи поставленным под кровать. И масло - а это было старое масло из вакуумного насоса, чёрное и загрязненное - расплескалось на бетонный пол испытательной зоны, стену здания и всё остальное в зоне доступности и самостоятельно превратилось (температура было сильно ниже точки замерзания) в нечто, напоминающее дорожный гудрон.
Я взял в руки телефон. «Джо, ты помнишь ту штуку, что послал мне для проверки устойчивости к нагреву? Ну, во-первых, в этом смысле она никакая. Во-вторых, ты должен мне новый баллон, захват Вианко, смешиватель и, возможно, что-то ещё, что мне придет в голову позже. И, в-третьих, (крещендо и фортиссимо) ты пришлешь пару студентов-двоечников в течение пятнадцати минут для уборки всей этой (биип) разрухи, или же я появлюсь у тебя с ржавым полотном ножовки ...» Я описал анатомические детали, к которым данный инструмент будет применен, и разговор на этом закончился. И это стало концом пропаргилов и их производных.
Вашингтон велел Reaction забыть данную глупость и вместо этого начать работать над N-F соединениями, чья история будет рассказана немного позже. Ещё один подход к разработке монотоплив в RMI был применён Стэном Танненбаумом, опробовавшим смеси инертных (как он надеялся) окислителей и горючих. Это была химия в ванной комнате, включающая немного синтеза или вообще его отсутствие, но требующая железных нервов. Данный подход имел то очевидное преимущество, что стехиометрический состав мог быть скорректирован прямо по ходу дела и не был ограничен, как в случае однокомпонентных монотоплив, устройством молекулы. И данная идея не было совершенно новой, французы в ходе Первой мировой войны применили самолетные бомбы, наполненные смесью N2O4 и легкого бензина (состав был настолько чувствителен, что две жидкости не смешивались вместе до момента сброса бомбы с самолёта). И так случайно произошло, что за несколько лет до того, как я занялся монотопливами, оптимистично настроенный изобретатель пробовал продать мне данную смесь в качестве монотоплива, утверждая, что она была не опаснее материнского молока. Но я её не купил.
Начиная примерно с 1958 года и продолжая вплоть до 1962, большое количество работы по предотвращению и остановке детонации выполнялось Rocketdyne, Wyandotte, JPL, BuMines, GE, Hughes, Reaction Motors и NARTS-LRPL, и отважные попытки - некоторые из них были удачны - были предприняты для нахождения способа остановки детонации при её распространении в силу того, что это иногда может быть сделано путем помещения детонационной ловушки в топливной линии. Разработка такого рода вещей не является строго научной, а представляет собой часть инженерного искусства, и различные конструкции это показывают.
Одна ранняя ловушка состояла просто из петли в линии подачи топлива вроде такой: '—^'. Когда детонация быстро распространяется по этой линии, разрушая трубопроводы по мере прохождения, она должна будет отсечь ту часть, где идет пересечение, не оставляя для детонации места для продолжения. Это не являлось слишком надёжным, энергия, обрезавшая линию подачи, могла начать ещё один совершенно новый процесс детонации.
Боб Алерт проделал очень хорошую работу, помещая секцию Flex-Hose, что представляла собой тефлоновую трубку, усиленную оплеткой из металлической сетки, в свою топливную линию. Детонация должна была попросту оторвать данную ослабленную секцию, отрезав себе дальнейший путь для распространения. И Майк Уолш из нашей группы разработал ловушку, что замечательно работала как с Кавией Б, так и с некоторыми другими монотопливами. Кавиа Б не распространяла детонацию в линии толщиной в четверть дюйма, но делала это в однодюймовом топливопроводе. Так что Майк вставил секцию двухдюймовой трубки длиной примерно в тридцать сантиметров поверх его однодюймовой линии подачи топлива, и заполнил данную секцию цилиндрическим куском пластика, что должен был противостоять топливу достаточно разумное время (полистирин хорошо для этого подходил). И он просверлил шестнадцать четвертьдюймовых отверстий вдоль данной цилиндрической вставки, так что у него была область для потока такого же размера, какую он имел для однодюймовой главной топливной линии. И когда он провел испытание, детонация проникла в ловушку, разрушила примерно одну треть данной конструкции и после этого остановилась.
Но детонационные ловушки не всегда были окончательным ответом, что мы обнаружили летом 1960 года, когда попробовали прожечь двигатель на Кавии Б тягой примерно в 4,5 тонны. В тот момент у нас не было ловушки Майка, так что мы вставили блок из шестнадцати четвертьдюймовых петлевых ловушек в линию подачи топлива. Ну, с такой комбинацией двигатель взорвался при запуске, и мы так и не выяснили, работали ли те ловушки или нет - ибо не могли найти для этого достаточно сохранившихся фрагментов. Части форсунок просто проскочили данные ловушки, впечатались в бак и взорвали в нём около 90 килограмм топлива (каждый килограмм которого содержал больше энергии, чем два килограмма ТНТ).
Мне ещё не приходилось видеть такого разрушения. Стены тестового блока - толщиной примерно в 60 сантиметров - исчезли, и крыша рухнула вниз. Сам по себе двигатель - тяжелая рабочая лошадка из упрочненной меди - улетела на расстояние примерно в 200 метров. И около ста восьмидесяти сантиметров квадратной армированной плиты обрушилось на лес, срезав несколько деревьев под корень, разнеся гранитный валун, подпрыгнув в воздух и отсекая верхушки нескольких деревьев для того, чтобы в конце концов упокоиться примерно на расстоянии в 450 метров от места старта. Лес выглядел так, как будто через него пронеслось панически напуганное стадо диких слонов . Как можно себе представить, данный инцидент содействовал созданию плохой репутации для монотоплив. Если даже вы и могли безопасно их зажечь - и мы только что видели, что пошло не так с процессом зажигания - то как вы будете их использовать при непосредственной эксплуатации?
ВМФ всегда с неохотой устанавливали заполненные жидким топливом ракеты в пусковые установки своих возлюбленных авианосцев, ибо что произойдет, если одна из ракет начнёт протекать и изрыгнет порцию высококоррозийного окислителя или легковоспламеняемого горючего (или даже хуже - оба сразу!) на палубу над установкой? Важным замечанием является, конечно, то, что сложно провести вентиляцию под палубой авианосца, и, более того, на борту корабля нет места для укрытия.
Кто-то - теперь никто уже не помнит, кто это был - выдвинул идею, что если топливо стало бы преобразовано в гель - с консистенцией не слишком твердого желатинового десерта - утечка происходила бы чрезвычайно медленно, и данная ситуация была бы управляемой. Так же как и проблема впрыскивания топлива в форме геля, это может быть решено путём изготовления тиксотропного геля, после чего все, кто был вовлечен, потребовали объяснения данного термина. Тиксотропный гель, или «тиксотроп», является своеобразным чудищем и, будучи предоставленным самому себе, остаётся в форме сравнительно твёрдого желе, и, если его на него аккуратно надавливать, сохраняет сопротивление и течет очень медленно, как будто его вязкость очень высока. Если, однако, к нему приложена большая сила, или если он подвергнется сильной встряске, или его пропустят под большим давлением через форсунку, то сопротивление неожиданно снижается так, словно он решил расслабиться и получить удовольствие, вязкость резко падает, и он течёт подобно цивилизованной жидкости. В этом случае тиксотропное топливо будет снижать опасность утечки, в то же время сохраняя возможность быть впрыснутым.
Оказалось, что не было слишком сложным преобразовать большинство обычных топлив в тиксотропы. Пять процентов очень мелко измельченного кремнезёма проделывали это с азотной кислотой, и гидразины обычно могли быть превращены в гели таким же образом или путем добавления небольшого процента некоторых производных целлюлозы. И результаты этого могли быть прожжены, хотя заблаговременное заполнение бака было разочаровывающей и доводящей до белого каления работой. Эффективность сгорания оставляла желать лучшего, и мертвый вес кремнезёма естественным образом снижал производительность, но данная система могла быть доведена до более или менее рабочего состояния. Настоящая проблема обнаружилась тогда, когда была сделана попытка превратить в гель галогеновые окислители. Кремнезем, конечно, не мог применяться, так же как и агенты по типу углеводной целлюлозы.
Несколько лет спустя создание геля показалось решением ещё одной проблемы - взбалтывания топлива в космических носителях. Если по какой-то причине топливо в частично заполненном баке начнет плескаться туда и обратно, центр тяжести ракеты будет сдвигаться непредсказуемым образом, и контроль по направлению и высоте будет утерян. Гелевое топливо, разумеется, не подвержено этой проблеме, и в 1965 году А.Д. Беарделл из Reaction Motors, тогда исследовавший систему диборан-OFj для работы в глубоком космосе, взглянул на задачу преобразования OF2 в гель. Он нашёл, что ему можно было проделать это с мелко измельчённым LiF, который, конечно же, не будет реагировать с окислителем. Однако, эффективность значительно снижалась, так как для формирования геля были необходимы несколько процентов LiF. Р.Г. Глобус из Аэроджет открыл гораздо более элегантное решение проблемы три года спустя, просто пропустив газообразный ClF3 через жидкий OF2. Трифторид хлора мгновенно замерзал до состояния микроскопических кристаллов, которые действовали в качестве гелевого агента. Пять или 6 процентов данной добавки создавали очень хороший гель, и её влияние на эффективность было микроскопическим. Но по тем или иным причинам, ClF5 не заработал.
Топлива в форме геля возобновили интерес к металлизированным горючим. Многие думали, что путем превращения горючего в гель может стать возможным добавление до 50 или около того процентов алюминия, бора или, возможно, даже бериллия - если только вы когда-либо сможете заполучить в руки достаточно последнего - без отслаивания металла. Вскоре также было открыто, что если ваш металл был достаточно мелко измельчён до размера частиц порядка микрометра, так что ван-дер-ваалсовы силы начинают играть важную роль, то это само по себе будет давать склонность к преобразованию смеси в гель. Поэтому имело место большое увеличение усилий и количества занятых людей по всей стране для начала исследования реологических свойств различных металлических взвесей (при этом единственным агентом для создания геля был металл), гелей и даже эмульсий (которые имеют две жидкие фазы - подобно майонезу - кроме самого металла).
Большинство исследователей использовали вискозиметры Ферранти-Ширли, что могут замерить вязкость таких субстанций как функции от скорости сдвига (я всегда путал это имя с «Феррари», что вполне объяснимо не только по причине названия, но так же и в силу схожих цен). Эти исследователи открыли, что приготовление стабильного геля или взвеси являлось не наукой, а чёрной магией, достигающей надежных результатов только с помощью колдовства, а получение двух партий геля с одинаковой реологией было чудом. Но они упорно продолжали работать, и в начале 60-ых несколько смесей были готовы к огневым испытаниям.
Бор, алюминий и бериллий стали теми металлами, что были исследованы. Компания Reaction Motors придумала взвесь бора в углеводороде, предназначенного для использования в ракете с прямоточным двигателем и трифторидом хлора в качестве окислителя. Идея состояла в максимизации плотности топлива, и так как BF3 является газом, проблемы сгорания не являлись серьёзными. Большая часть работы, однако, напрямую вела к алюминизированным топливам, и Rocketdyne не позднее 1962 года провела испытания смеси алюминий-гидразин с N2O4, содержащей почти 50 процентов алюминия, и назвала её «Alumizine». Данное топливо было разработано для усовершенствованной ракеты Титан II, но, хотя они над этим до сих пор работают, оно так и не стало принятым в непосредственную эксплуатацию.
Reaction Motors прожгли эмульсию алюминизированного гидразина-углеводорода с N2O4 два года спустя, но она тоже не смогла добиться успеха. И хотя Naval Ordnance Test Station несколько раз удачно провели огневые испытания своего «Notsgel» (алюминия в смесях гидразина в форме геля), оно до сих пор не нашло применения. Также имелись другие алюминизированные горючие, но ничто из них не готово для непосредственной эксплуатации. По моему мнению, пройдет много времени до того, как они смогут быть использованы на практике, если это вообще когда-нибудь произойдет, в силу ужасающих проблем. Имеется две их разновидности, возникающие, когда вы пробуете хранить топливо и когда пытаетесь провести его прожиг, и сложно сказать, какая из них упорнее сопротивляется решению.
Для предварительно заполненных ракет указан срок хранения в пять лет, и много чего может случиться с металлизированным гелем за указанный срок, в особенности, если температура хранения значительно меняется на протяжении этого времени (что может происходить при хранение ракеты вне помещения), или если она подвергалась воздействию вибрации, что обязательно имеет место при перемещении из точки А в точку Б. Металл всегда имеет склонность к отслаиванию, и эта особенность усиливается при широких изменениях температуры, что сильно и иногда необратимо меняет реологию геля. И вибрации, конечно, создают тенденцию к уменьшению вязкости, в случае тиксотропного геля, разумеется, временную, но достаточно долгую для появления значительного выпадения осадка. Или может иметь место синерезис - особенный порок, которому подвержены гели. Если это произойдет, гель начинает усыхать и выдавливать жидкость из своей структуры, и концом процесса может стать сравнительно малого объема чрезвычайно плотная и жесткая твердая фаза, окруженная чистой жидкостью. Ничего из этих вещей может и не произойти - но, с другой стороны, они могут и случиться -ив настоящее время наши знания ещё не развились до того уровня, когда можно гарантировать, что металлизированный гель выдержит без изменений пять лет хранения в климате, чьи условия варьируются от таковых для мыса Барроу и до пустыни Мохаве.
Большинство рассмотренных гелей и взвесей основывались на гидразине или его смесях, и данный факт был причиной ещё одной - и очень специфической - проблемы. Баки ракет обычно изготовлены из очень чистого алюминия, но всегда имеются некоторые загрязнения, и часть из них с высокой вероятностью являются переходными металлами вроде железа, катализирующих разложение гидразина. Однако, если концентрация каталитических металлов составляет только несколько частей на миллион, очень небольшое количество воздействующих атомов будут находиться на самой поверхности бака, где они и станут создавать неприятности, в итоге разложение с выходом газа будет пренебрежимо малым. Но если гидразин залит с очень мелко измельченным алюминием, объёмное соотношение поверхности метала увеличится на много порядков так же, как и количество каталитических атомов, входящих в контакт с гидразином. При таких обстоятельствах разложение невероятно ускоряется, и даже если оно недостаточно для серьёзного изменения состава горючего за разумный период времени, сопутствующее выделение газа могут привести к серьёзным и сбивающим с толку результатам. Из-за газа, который не может покинуть гель, последний, вслед за всеми этими событиями, вспучивается в точности как сырное суфле, после чего попробуйте прогнать это через форсунку!
Если всё же предположить, что с проблемами хранения удалось каким-то образом справиться, нам ещё остаются сложности при работе системы, первой из которых является подача топлива из бака. Если металлизированный гель находится под давлением - то есть происходит сильный наддув газа в бак для вытеснения горючего - имеет место некоторого рода туннельный процесс. Данный газ попросту продувает дыру при прохождении через гель к месту выхода и оставляет большую часть горючего нетронутым и спокойно сидящим по стенкам бака вместо вытекания, как это предполагается, через линии подачи компоненты к двигателю. Горючее должно быть полностью ограничено, например, гибкой оболочкой (к которой и применяется выталкивающее давление), или большая часть его попросту не покинет бак.
Как только горючее оказывается вне бака, скорость, с которой оно течет через топливопровод и форсунку в двигателе, сильно зависят от вязкости, и данное свойство металлизированного геля безумно меняется в зависимости от температуры. Так как вязкость окислителя даже и близко так себя не ведёт, результатом становится тот факт, что соотношение в смеси, если вы прожигаете её в двигателе при -40°, будет с высокой вероятностью отличаться от такового в ходе испытания при +25° - и это определенно не будет тем, что вам необходимо. После этого, если ваше горючее попадает в двигатель (я не буду вдаваться в подробности проблемы разработки форсунки, которая станет подходящим образом распылять гель), ещё имеется задача сжигания алюминия. До тех пор, пока температура в камере сгорания не сильно выше точки плавления оксида алюминия (что составляет около 2050°), или не выше гораздо более высокой и предпочтительной температуры, при которой оксид разлагается, частицы алюминия попросту покрываются слоем твердой или жидкой окиси и не сгорают полностью.
При сжигании с N^4 температура в камере лишь слегка выше необходимой для подходящего сгорания алюминизированного геля, и чрезвычайно вероятно, что данный процесс с азотной кислотой будет проходить на грани с температурой в камере сгорания, недостаточной для полного сжигания металла (с галогеновым окислителем вроде СШ3 данная частная проблема не возникает, так как при температурах, о которых мы говорим, АШ3 является газом). И, естественно, плотные облака твёрдого А1203, возникшие в результате сгорания алюминиевого геля, оставляют очень подозрительный след выхлопных газов.
Имеется последняя проблема, стоящая упоминания - последняя в силу того, что когда она возникает, двигатель вырубается. Тепло от горячего двигателя проникает обратно в форсунку, и гель в её отверстии создает нечто, напоминающее железобетон, который должен быть высверлен перед тем, как станет возможным следующий прожиг. Так что перезапуски находятся вне рамок обсуждения. Проблемы с гелями на основе бериллия точно такие же, как и в случае алюминия, если даже не большие, и имеются одна или две дополнительные сложности, специфические для этого случая. Присутствующий в истекающей струе ВеО, конечно же, страшно ядовит, вызывая нечто, напоминающее быстро развивающийся силикоз, но большинство наиболее сложных проблем возникает в процессе сгорания. Оксид бериллия плавится при значительно более высокой температуре, чем оксид алюминия, и не испаряется до тех пор, пока температура не приближается к 4000°, так что сжигание этого металла даже сложнее такового для алюминия. Розенберг из Аэроджет провел прожиг взвеси бериллий-гидразин («Beryllizine») с пероксидом водорода в 1965 году и получил С*-эффективность около 70 процентов, что означало, что бериллий не сгорел, в Рокетдайн получили такой же результат с данной комбинацией.