Химия в бою

ГОРЮЧЕЕ ДЛЯ ВОЙСК: ПРОБЛЕМЫ И ПОИСКИ

Скорости двадцатого века… За какие-нибудь полстолетия человечество прошло путь от первых автомобилей, с трудом одолевавших за час десяток километров, до сверхзвуковых самолетов и космических кораблей. В этом стремительном покорении пространства и времени, ставшем олицетворением технического прогресса наших дней, химии принадлежит ведущая роль. Она дала главное — энергию топлива. С той поры вместе с развитием конструкций двигателей внутреннего сгорания непрерывно совершенствуются возможности топлива, появляются новые виды горюче-смазочных материалов.

Чем это вызвано? Какие проблемы стоят здесь перед специалистами?

Основным фактором, определяющим ценность горючего, считается количество теплоты, выделяемое при сгорании единицы массы или объема топлива, то есть его теплотворная способность. Из всех широко распространенных видов ископаемого топлива наибольшей теплотворной способностью обладает нефть, точнее, продукты ее переработки: бензин, керосин, дизельное топливо, мазут и другие. Это оказалось решающим в установлении гегемонии нефти среди остальных видов топлива, которую пока не удалось поколебать другим, в том числе и нехимическим источникам энергии.

Может, однако, возникнуть впечатление, что продукты переработки нефти представляют собой чуть ли не идеальное горючее. Нет, это далеко не так. Углеводородное топливо имеет гораздо больше недостатков, чем хотелось бы конструкторам двигателей современных машин. Назовем некоторые, наиболее характерные из них.

Даже при самой тщательной очистке в топливе остаются посторонние примеси. Наибольшую опасность из них представляет влага. Кроме того, неполное сгорание топлива, наличие в его составе негорючих веществ, так называемой золы, приводят к появлению нагара, загрязнению рабочих частей двигателя.

Пытаясь устранить эти недостатки, специалисты-химики предложили добавлять в топливо небольшие количества особых химических соединений, получивших название присадок. Так, к бензину стали добавлять антинагарные, моющие присадки для предотвращения загрязнения карбюратора углеродистыми отложениями. Появились многофункциональные присадки, улучшающие одновременно несколько эксплуатационных свойств топлива. К ним относится, например, изодецилортофосфат никеля, снижающий износ и ржавление деталей автомобильных двигателей, способствующий лучшему сгоранию бензина и устраняющий обледенение карбюратора. В качестве антиобледенительной присадки к реактивным топливам за рубежом используют монометиловый эфир этиленгликоля с добавкой небольшого количества глицерина. Эта присадка одновременно препятствует росту микроорганизмов в топливных системах самолетов — приходится считаться и с таким явлением.

Но особенно сложным дёлом оказалось устранить органически присущую топливу опасность пожара. Экипаж любой машины в этом смысле «сидит на бочке с порохом». Повреждение топливных баков или магистралей, будь то в бою или при аварии, чревато опасностью воспламенения паров топлива и взрыва. Возникает задача уменьшить летучесть топлива. Как сообщается в печати, зарубежные специалисты разрабатывают для этого способы загущения топлива, превращения его в студенистую эмульсию.

С помощью особых веществ — эмульгаторов рассчитывают уменьшить распыление горючего при ударе, снизить его способность интенсивно растекаться в случае повреждения баков. В журнале «Интеравиа эйр леттр» указывалось, например, что один из видов эмульгированного горючего для реактивных самолетов при температуре плюс 25 градусов не загорается во время контакта с огнем в течение часа, тогда как обычное топливо воспламеняется практически мгновенно. Однако достигается все это довольно дорогой ценой. У вязкого топлива ухудшается эффективность сгорания, его труднее перекачивать по обычным топливным системам.

Многим, вероятно, известно, что вещества, плохо проводящие электрический ток (диэлектрики), обладают свойством накапливать заряды статического электричества. Если учесть, что углеводородные топлива — типичные диэлектрики, то становится понятным, как опасно соседство горючих паров топлива с искрой от разряда накопленного статического электричества. Даже очень тщательное заземление резервуаров, цистерн, трубопроводов и заправочного оборудования полностью не устраняет накопления зарядов. Специалистам пришлось и здесь обратиться к так называемым антистатическим присадкам. Благодаря их применению удалось значительно уменьшить пожарную опасность топлива.

Основательно поработала химия над совершенствованием нефтяных горюче-смазочных материалов. В гигантских масштабах выросло и продолжает расти потребление нефтепродуктов во всем мире. Для вооруженных сил, подчеркивает зарубежная печать, эта проблема приобретает особую остроту: миллионы тонн разнообразного топлива, необходимого боевым машинам, авиации и кораблям, чрезвычайно усложнили задачу снабжения войск горючим. Подсчеты иностранных специалистов показали, что среднесуточный расход материальных средств пехотной дивизии, например, увеличился по сравнению с периодом второй мировой войны приблизительно в три раза и может составить 1200 тонн, причем около 65 процентов объема тыловых перевозок падает на горюче-смазочные материалы.

В последние годы за рубежом прилагают большие усилия для устранения трудностей в снабжении войск горючим. Этим, в частности, объясняется появление многотопливных двигателей, способных работать с одинаковым успехом на бензине, реактивном и дизельном топливах, с другой стороны, предпринимаются попытки разработать некое универсальное топливо, годное для двигателей разных типов. Однако, даже если удастся создать практически пригодные многотопливные двигатели и многодвигательное топливо, отмечают специалисты, это не снимает главной проблемы — как сократить объем перевозок при снабжении войск горючим.

Прежде всего обратили внимание на громоздкость, неудобство и малую эффективность средств транспортировки и хранения горючего. Ведь основным материалом для изготовления резервуаров, цистерн, бочек и другой тары служит сталь. Замена ее легкими синтетическими материалами из арсеналов достижений современной химии открыла реальные возможности приостановить непрерывное «утяжеление» тыла войск. Наибольшее распространение, указывается в зарубежной печати, синтетические изделия получили в войсковом звене. Это — мягкие резервуары, перекатывающиеся контейнеры, эластичные буксируемые баржи, гибкие трубопроводы.

Мягкие резервуары не только снизили вес тары, но и упростили процесс транспортировки и хранения горюче-смазочных материалов. С их помощью, по существу, любой транспорт: железнодорожные вагоны и платформы, грузовые автомобили и бронетранспортеры, сухогрузные суда и баржи, самолеты и вертолеты — все может быть использовано для доставки топлива. Мягкие резервуары удобны при организации подвижных складов горючего, позволяют хранить топливо под водой. При этом хранилища большой емкости сооружаются легко и быстро, что особенно важно в боевых условиях.

Вот, например, как выглядит мягкий резервуар емкостью 1600 кубометров, изготовленный из нейлоновой ткани с покрытием из синтетической резины. Длина его — 49,4 метра, ширина—14,9 метра, вес оболочки — 1043 килограмма. В скатанном виде это — рулон шириной 4 метра и диаметром 0,9 метра. В рабочем положении резервуар устанавливается в яме глубиной 3,7 метра, которая подготавливается обычными землеройными машинами. Его установка, пишет журнал «Арми информейшн дайджест», требует 200 человеко-часов рабочего времени. Для сравнения можно указать, что сборно-разборный стальной резервуар такой же емкости весит около 38 тонн, в 37 раз больше, и для его установки необходимо в 10 раз больше времени (рис. 15).

Во многих странах для доставки топлива по воде применяют мягкие буксируемые баржи. Их емкость достигает 10 000 кубометров. В отличие от танкеров они обладают очень малой осадкой и поэтому по воде могут быть отбуксированы к необорудованному побережью. В порожнем состоянии они свертываются и доступны для перевозки любым видом транспорта. Существуют буксируемые и по суше резервуары — перекатывающиеся контейнеры. Некоторые зарубежные специалисты указывают, что в ряде случаев для их буксировки можно использовать и боевые машины. Например, танк будет в состоянии сам перевозить дополнительную заправку горючего.

Внедрение синтетики, как видно, в состоянии существенно уменьшить объем перевозок горючего в войсках. Но это, подчеркивают специалисты, тоже не радикальное средство. Вот почему в различных странах все настойчивее ищут способы обеспечить боевые машины более эффективным топливом, занимающим меньший объем и вес, чем существующее, или таким, которое можно получать из дешевого местного сырья.

Одним из направлений этого поиска следует считать попытки использовать в качестве топлива простейшие углеводороды, содержащиеся в нефтяных или природных газах, такие, как метан и пропан. Американские специалисты, например, исследуют возможности применения жидкого метана в качестве топлива для сверхзвуковых самолетов. Главное преимущество жидкого метана по сравнению с обычным реактивным топливом — в его более высокой теплоте сгорания и теплоемкости. Только за счет этого, как полагают, полезная нагрузка транспортного сверхзвукового самолета может быть увеличена почти вдвое. Правда, при этом отмечается, что сжиженный метан значительно дороже керосина, возрастает вес топливной системы самолета, усложняется заправка.

Другой путь поисков — производство углеводородов из заменителей нефтяного сырья: угля, горючих сланцев, битуминозных или нефтяных песков, или синтезом на базе окиси углерода и водорода. Производство такого искусственного жидкого топлива имеет довольно большую историю. Известно, что в фашистской Германии из-за недостатка нефти было освоено промышленное производство бензина методами гидрогенизации угля, а также синтеза на базе окиси углерода и водорода. В Японии времен второй мировой войны получали авиационный бензин из корней сосны. Как говорили в то время японцы, «корней 200 сосновых деревьев достаточно, чтобы самолет мог продержаться в воздухе в течение часа». В июне 1945 года путем переработки корней сосны вырабатывалось около девяти тысяч тонн бензина.

Однако искусственное жидкое топливо из ненефтяного сырья обходилось значительно дороже нефтяного. Поэтому в послевоенные годы в капиталистических странах его производство было сведено до минимума, хотя исследования в этой области не прекращались. В настоящее время, указывает печать, положение изменилось. Достижения химии создали возможность снизить стоимость искусственных жидких углеводородных топлив. Теперь они в состоянии конкурировать по стоимости с нефтяными топливами. Предполагают, что к 1980 году потребление искусственных жидких топлив, получаемых на базе угля, сланцев и битуминозных песков, только в США и Канаде может составить миллионы тонн в год.

Особые надежды возлагают зарубежные специалисты на поиск неуглеводородных видов топлива. Оказалось, что некоторые вещества, например аммиак, обеспечивают при сгорании более полное использование воздуха. Благодаря этому мощность, скажем, танкового дизельного двигателя на аммиаке возрастает на треть. Кроме того, подчеркивается в печати, аммиак можно получать из воздуха и воды непосредственно в районе военных действий.

Однако прежде чем аммиак удастся сделать моторным топливом, предстоит преодолеть немало трудностей. Дело в том, что аммиак — летучее и ядовитое вещество. Чтобы сохранить его в жидком виде при нормальной температуре, необходимо в резервуарах поддерживать давление 14 атмосфер. Большая летучесть аммиака требует специальных дозирующих и впрыскивающих устройств, иначе горючее начнет интенсивно испаряться в системе питания. В довершение ко всему аммиак несовместим со сплавами меди и цинка, многими другими металлами.

Таковы некоторые направления, по которым химия «наступает» на гегемонию нефти среди источников энергии для боевых машин. Как видно, «черному золоту» пока не угрожает серьезная конкуренция, однако бурный прогресс науки и техники наших дней уже не раз вносил существенные поправки в самые, казалось бы, незыблемые представления и Оценки. Не составляют исключения и вопросы обеспечения войск горючим.

Наш рассказ о топливе для войск был бы, однако, неполным, если бы мы ничего не сказали о ракетном топливе. Вести же о нем разговор заставляет то обстоятельство, что топливо это особое. Посмотрим прежде всего, чем оно отличается от привычных для нас видов горючего?

Мы обычно не задумываемся над тем, что для сгорания килограмма горючего в двигателе автомобиля, танка или самолета необходимо почти три килограмма окислителя — кислорода. Силовые установки машин черпают его из окружающей атмосферы. Строго говоря, бензин, керосин, дрова, уголь — это горючие материалы, а не топливо. Топливом они становятся лишь в смеси с кислородом. Вот почему говорят об их зависимости от окружающей среды. Но ведь ракета должна летать и в безвоздушном пространстве, лишенном кислорода. Значит, ей необходимо «возить» с собой и горючее и окислитель. Только вместе они могут служить источником энергии для движения ракеты — стать ракетным топливом. И тогда оно не будет зависеть от окружающей среды, получит способность «гореть» в любых условиях— в атмосфере, в космосе, под водой. Такова первая обязанность ракетного топлива.

С другой стороны, обратим внимание на то, что реактивные самолеты, ракеты не имеют движителя такого, скажем, как колеса у автомобиля, гусеницы у танка или воздушный винт у самолетов и вертолетов. Роль движителя у ракет выполняет реактивная струя выбрасываемых из двигателя газов — продуктов сгорания или разложения топлива. Создание в реактивном или ракетном двигателе струи газов, с большой скоростью вытекающих наружу и образующих необходимую силу тяги, — вторая особенность ракетного топлива.

Таким образом, в отличие от обычных видов горючего ракетное топливо не только источник энергии, но и генератор так называемого рабочего тела, то есть газовой смеси, при помощи которой преобразуется тепловая энергия в механическую. Отсюда и основные требования к ракетному топливу. Оно должно обладать повышенным содержанием энергии, чтобы обеспечивать образование большого количества газов, нагретых до высокой температуры. Чем больше будет выбрасываться газов из сопла ракетного двигателя, чем выше будет их скорость, тем быстрее будет двигаться ракета, тем эффективнее топливо. Существуют ли в природе вещества, отвечающие подобным требованиям?

Вообще говоря, ассортимент материалов для ракетного горючего очень широк. Теоретически применимы почти все элементы периодической системы и их многообразные соединения. Несколько ограниченнее выбор окислителя: кислород, фтор, кислородсодержащие и галоидные соединения, наиболее активные из которых соединения фтора. Одним словом, если число видов ракетного горючего, которые уже испытаны в разных странах, близко к сотне, то число видов окислителя не превышает полутора — двух десятков.

По своему физическому состоянию компоненты ракетных топлив могут быть в нормальных условиях твердыми, жидкими и газообразными. Правда, газообразные компоненты для сокращения занимаемого ими объема сжижаются. Так что их тоже относят к жидким. Твердые окислитель и горючее образуют твердое ракетное топливо, а жидкие — соответственно жидкое. Но существуют и такие варианты, когда окислитель — жидкий, а горючее — твердое, или наоборот. В этом случае ракетное топливо называют гибридным или смешанным. Чем же объяснить такое разнообразие ракетных топлив?

Дело в том, что свойства топлива в конечном счете определяют конструкцию двигателя, основные характеристики ракетной системы. Поэтому выбор наиболее эффективного топлива для ракет того или иного назначения, отмечают зарубежные специалисты, — дело сложное, связанное с проведением больших исследовательских и испытательных работ.

Прежде всего напомним, что об эффективности топлива судят по величине тяги, которую может развивать ракетный двигатель в секунду за счет сгорания в нем килограмма топлива в секунду при определенном давлении в камере сгорания. Эту величину называют удельной тягой или удельным импульсом, который исчисляют в кг сек/кг или просто в секундах. Чем больше скорость истечения, тем больше удельная тяга и, следовательно, тем совершеннее топливо.

В зависимости от сочетания топливных пар — горючего и окислителя — удельная тяга ракетных двигателей колеблется в широких пределах. Так, у современных жидких ракетных топлив удельная тяга может доходить, указывается в зарубежной печати, до 300–450, а с помощью добавки различных легких металлов — 500–600 секунд. У твердых топлив эта цифра значительно меньше— 150–300 секунд. Для сравнения отметим, что теоретически в ядерном ракетном двигателе удельная тяга составляет 2500 секунд, а в фотонном двигателе, создающем тягу в результате направленного истечения из него квантов света — фотонов, она достигает предельного значения — 30 миллионов секунд. Однако более высокая удельная тяга какого-либо вида топлива еще вовсе не означает его превосходства над остальными. Здесь приходится учитывать ряд других, часто весьма противоречивых требований.

Возьмем, например, твердое топливо. Оно удобно в обращении, но не обладает достаточным энергосодержанием и не «транспортабельно» в ракете: его нельзя перекачивать, перемещать из баков в камеру сгорания двигателя. Приходится топливо размещать непосредственно в камере сгорания. Это, безусловно, упрощает конструкцию и эксплуатацию ракеты, но ограничивает возможности увеличения запаса топлива. Ведь увеличение емкости камеры сгорания, работающей под давлением до 100 атмосфер и при температуре 2000–3000 градусов, связано с непомерным возрастанием ее веса. Кроме того, трудно обеспечить длительное и равномерное горение подобного топлива. Так, полная продолжительность работы — ресурс твердотопливного двигателя всего несколько десятков, иногда сотен секунд. В то же время ракетный двигатель на жидком топливе способен работать от нескольких минут до нескольких часов.

С другой стороны, ракетный двигатель на твердом топливе значительно проще и дешевле ракетного двигателя на жидком топливе. Анализ американских специалистов показал, что в среднем твердотопливные ракетные двигатели в расчете на килограмм веса обходятся в пять раз дешевле жидкостных, но при этом значительно уступают им в удельной тяге. Максимально достижимая скорость полета ракеты с твердотопливным двигателем равна 28 000 км/час, а с жидкостным — 50 000 км/час. Отсюда — поиск новых «форм» ракетного топлива, более удобных и в то же время более эффективных. В разных странах с каждым годом появляются новые виды гибридных, псевдоожиженных, желеобразных, тиксотропных и других ракетных топлив. Что они собой представляют?

Гибридное ракетное топливо, состоящее из двух компонентов— твердого и жидкого, дает возможность размещать один из них — жидкое горючее или окислитель в топливном баке ракеты, то есть увеличить возимый запас топлива, длительность работы двигателя. Псевдо-ожиженное, что означает почти жидкое, топливо состоит из твердых частичек, находящихся во взвешенном состоянии. В таком виде его можно подавать из бака в камеру сгорания подобно жидкому топливу. Желеобразным, как показывает само название, считают горючее, которое представляет собой студенистую массу, суспензию порошкообразного металла в жидком компоненте, например алюминия в гидразине. Оно обладает повышенным энергосодержанием. Те из топлив, что приобретают текучесть и становятся пригодными для жидкостных ракетных двигателей под действием давления, получили название тиксотропных. Так ищут за рубежом компромисса между достоинствами и недостатками твердых и жидких компонентов ракетных топлив.

Перечень проблем, стоящих перед специалистами в области ракетного топлива, этим, однако, не исчерпывается. Выяснилось, например, что многие вещества, включаемые в состав ракетных топлив, оказывают отравляющее воздействие на человека, главным образом на его дыхательные пути. При этом некоторые из них в десятки раз более токсичны, чем такие отравляющие вещества, как фосген, синильная кислота. Так, предельно допустимая концентрация фосгена равна 0,5 мг/м³, а для смеси некоторых видов окислителя, скажем, фтора и озона — 0,03 мг/м³, окиси фтора и пентаборана — 0,01 мг/м³. Понятно, что токсичность ракетного топлива серьезно осложняет процессы его хранения, заправки и транспортировки.

Чрезвычайно затрудняет, а порой и вовсе исключает применение некоторых веществ в качестве компонентов ракетных топлив их взрывоопасность. Установлено, например, что озон значительно эффективнее кислорода как окислитель — он обеспечивает большую удельную тягу, но из-за сильной взрывоопасности, особенно в газообразном состоянии, использовать его в топливе невозможно. Он находит некоторое применение лишь в виде раствора в жидком кислороде. Взрывоопасен и водород. Смесь водорода с воздухом взрывается от малейшей искры в любой концентрации — от 5 до 95 процентов.

Опасность случайного взрыва проистекает, как известно, от самопроизвольного воспламенения веществ при определенных условиях. Казалось бы, в связи с этим не может идти и речи о создании самовоспламеняющихся ракетных топлив. Однако именно это свойство привлекает внимание специалистов. Ведь оно позволяет осуществить воспламенение топлива в камере сгорания двигателя без использования посторонних электрических, пиротехнических или химических источников зажигания. Тем самым упрощается конструкция жидкостного ракетного двигателя, облегчается запуск, улучшается устойчивость сгорания. Правда, при этом одновременно возрастает взрывоопасность. Самовоспламеняемость компонентов ракетного топлива, указывается в иностранной печати, может быть повышена с помощью различных добавок. В одном из американских журналов сообщалось, что специалисты предлагают использовать добавку фторида озона для придания самовоспламеняемости жидкому кислороду с некоторыми горючими.

Огромна мощность, развиваемая ракетными двигателями. Это достигается тем, что топливо в них сгорает за очень короткое время. Температура в камере сгорания доходит до нескольких тысяч градусов. Поэтому хотя и на короткое время, но ее необходимо охлаждать, устраняя еще большее, уже недопустимое разогревание. Целесообразно для этого привлечь само топливо, решили специалисты. Отсюда возникло очередное требование к ракетному топливу: способность хорошо поглощать тепло и сохранять свои свойства при нагреве до 200–300 градусов.

Таковы лишь некоторые, основные «топливные» проблемы, которые возникают перед специалистами при создании ракетного оружия. В той или иной мере они решены. Однако необычайно бурное развитие науки и техники в наши дни способно во многом изменить существующие ныне возможности решения этих проблем, открыть новые перспективы совершенствования ракетной техники, боевых свойств самого мощного современного оружия.