Kryogeeninen ponneaine - matalalla kiehuva [comm. 1] nestemäinen rakettipolttoaine , jonka vähintään yksi komponenteista ( hapetin , polttoaine ) on kryogeeninen , eli sen lämpötila on alle 120 K (−153,15 °C ) [2] . Kryogeenisiin polttoaineisiin kuuluvat nesteytetyt kaasut: happi , vety , fluori ja muut. Kryogeenisten vastakohta ovat korkealla kiehuvat komponentit, eli ne, joita voidaan käyttää yli 298 K (24,85 °C) lämpötiloissa [1] .
Kryogeenisen polttoaineen komponentit ovat nesteytettyjä kaasuja, joiden kiehumispiste on alle 120 K. Yleisin kryogeeninen komponentti on nestemäinen happi, jota käytetään hapettimena avaruusraketeissa [3] . Yhdessä hapen kanssa voidaan käyttää erilaisia polttoaineita. Nykyaikaisissa raketteissa nämä ovat erilaisia kerosiinilajikkeita sekä kryogeenisiä polttoaineita, pääasiassa vetyä [4] . Kehitetään ja testataan moottoreita , jotka käyttävät polttoaineena nesteytettyä metaania [5] [6] ja maakaasua (LNG) [7] . Nestemäistä fluoria ja otsonia pidettiin myös kryogeenisinä hapettimina , mutta korkeasta odotetusta tehokkuudesta huolimatta niille ei löytynyt käytännöllistä käyttöä käsittelyvaikeuden, korkean räjähtävyyden, äärimmäisen kemiallisen aggressiivisuuden ja myrkyllisyyden vuoksi [8] .
Nestemäinen vety polttoaineena ja nestemäinen happi hapettavana aineena mahdollistavat maksimaalisen tehokkuuden saavuttamisen käytettävissä olevista polttoaineista [9] , K. E. Tsiolkovsky ehdotti tätä yhdistelmää, joka antaa suurimman kaasun ulosvirtausnopeuden palamisen aikana, "vertailupolttoaineeksi" pari”, johon hän vertasi muita mahdollisia rakettipolttoainevaihtoehtoja. Myöhemmin Tsiolkovsky ehdotti myös eri polttoaineiden käytön mukavuuden huomioon ottaen vedyn korvaamista hiilivedyillä , joiden molekyylissä on mahdollisimman paljon vetyä [10] . Nestemäisellä vedyllä on alhainen tiheys, mikä vaatii suurten polttoainesäiliöiden luomista, monimutkaistaa ja painaa raketin suunnittelua ja vähentää sen massan täydellisyyttä [comm. 2] [12] . Polttoaineen tiheyden lisäämiseksi ja haihtumishäviöiden vähentämiseksi nykyaikaisessa rakettitekniikassa käytetään kuonavetyä jäähdytettynä 14 K:n lämpötilaan, eli se on tilassa, jossa on sekä nestemäistä että kiinteää faasia karkean suspension muodossa [ 13] .
Kaasun nesteytysprosessit ovat parantuneet viime vuosikymmeninä paremman laitteiston ja järjestelmän lämpöhäviön hallinnan myötä. Tyypilliset menetelmät hyödyntävät kaasun lämpötilaa, joka jäähtyy nopeasti, kun säädelty kaasunpaine vapautetaan. Riittävä paineistus ja sitä seuraava paineenalennus voivat nesteyttää useimmat kaasut, kuten Joule-Thomson-ilmiö osoittaa [14] .
Vaikka maakaasun nesteyttäminen varastointia, kuljetusta ja käyttöä varten on varsin kustannustehokasta, noin 10-15 prosenttia kaasusta kuluu tämän prosessin aikana [15] . Optimaalinen prosessi sisältää neljä propaanijäähdytysvaihetta ja kaksi eteenijäähdytysvaihetta. Ylimääräinen kylmäainevaihe voidaan lisätä , mutta siihen liittyvien laitteiden lisäkustannukset eivät ole taloudellisesti perusteltuja [16] .
Kryogeenisten komponenttien avulla on mahdollista saada korkeimmat ominaisimpulssin arvot käytettävissä olevista kemiallisista ponneaineista, minkä vuoksi niitä käytetään laajalti avaruuskantoraketeissa [3] . Samanaikaisesti käytetyt kryogeeniset komponentit (happi, vety, metaani) ovat myrkyttömiä ja aiheuttavat roiskeiden sattuessa huomattavasti vähemmän ympäristöhaittoja kuin korkeassa kiehuvat typpihappo- ja dityppitetroksidipohjaiset hapettimet sekä erityyppiset hapettimet . hydratsiinijohdannaisiin perustuva rakettipolttoaine [17] .
Samanaikaisesti kryogeenisiä komponentteja on vaikea käyttää, koska suurien haihtumishäviöiden vuoksi niitä ei voida kuljettaa ja varastoida ilman erityistoimenpiteitä ja erityisesti suunniteltujen ja monimutkaisten säiliöiden ja varastotilojen ulkopuolella [18] [19] . Kryogeenisiä ponneainekomponentteja käyttäviä ohjuksia ei voida tankata pitkään, ja laukaisun viivästyessä ne edellyttävät säiliöiden jatkuvaa täydentämistä tai laukaisun peruuttamista polttoaineen tyhjennyksellä [20] . Avaruusajoneuvoissa, joissa vaaditun lämmöneristysasteen järjestäminen massarajoitusten vuoksi on mahdotonta, myös kryogeenisten komponenttien käyttöä rajoitetaan. Lisäksi alhaiset lämpötilat, joissa kryogeenisiä komponentteja on säilytettävä, edellyttävät erityistä materiaalivalintaa ja polttoainesäiliöiden ja moottoreiden suunnittelua [3] .
R. Goddardin 1920 - 1930 - luvuilla luomia kokeellisia nestemäisiä polttoaineita käyttäviä raketteja Yhdysvalloissa , Interplanetary Communications Society(VfR) Saksassa , Neuvostoliiton Jet Propulsion Study Group käytti nestemäistä happea hapettimena yhdessä kevyiden hiilivetyjen ja muun tyyppisten polttoaineiden kanssa. Samaan aikaan L. Croccon ryhmät Italiassa ja V. P. Glushkon ryhmät Leningradin kaasudynamiikkalaboratoriossa kokeilivat korkealla kiehuvia polttoaineita käyttäen typpitetroksidia ja typpihappoa hapettimena [21] .
Maailman ensimmäisessä pitkän kantaman ballistisessa ohjuksessa " A-4 " ("V-2"), jonka Wernher von Braun kehitti ja joka otettiin käyttöön Saksassa toisen maailmansodan lopussa , hapetin oli nestemäinen happi ja polttoaine oli 75 % etyylialkoholia , mikä mahdollisti palotilan lämpötilan alenemisen hiilivetypolttoaineisiin verrattuna, mikä yksinkertaisti moottorin suunnittelua ja pidensi sen toiminta-aikaa [21] . Polttoaineparia "nestemäinen happi - etyylialkoholi" käytettiin myös sodanjälkeisissä Neuvostoliitossa ja USA:ssa luoduissa raketteissa, kuten " R-1 ", " R-2 ", " R-5 " [22] , " Viking ", " Redstone ", rakettikone " X-1 " ja muut [4] . Ensimmäiset Neuvostoliiton ja Amerikan mannertenväliset ohjukset (" R-7 ", " R-9 ", " Atlas ", " Titan-1 ") ja amerikkalaiset keskipitkän kantaman ohjukset (" Tor ", " Jupiter ") käyttivät myös nestemäistä happea. hapetin yhdistettynä kerosiiniin polttoaineena, mutta kryogeenisten komponenttien käsittelyn monimutkaisuus ja pitkä laukaisua edeltävä valmisteluaika johtivat siihen, että korkealla kiehuvia ja myöhemmin kiinteitä polttoaineita alettiin käyttää taisteluohjuksissa [22] [23 ] ] .
Korkean hyötysuhteensa ansiosta kryogeenisiä polttoaineita käytetään laajalti avaruusraketeissa, mikä mahdollistaa hyötykuorman massan lisäämisen tai kantoaineen massan ja mittojen pienentämisen [3] . Ensimmäinen Neuvostoliiton mannertenvälinen raketti R-7, joka käytti nestemäistä happea hapettimena, poistettiin käytöstä 1960-luvun lopulla, mutta siihen perustuvat avaruuskompleksit toimivat edelleen 2000-luvulla [24] . Myös seuraavat Atlas-rakettien sukupolvet , jotka on suunniteltu erityisesti avaruusaluksiksi, käyttävät myös nestemäistä happea, kuten N-1 , Saturn , Zenit , Falcon , Angara ja muut. Nestemäistä happea käytetään myös " DM "-perheen ylemmissä vaiheissa , mikä mahdollistaa sulkeumien määrän vähentämisen ja suuren tarkkuuden saavuttamisen avaruusalusten laukaisussa [25] .
"Nestemäinen happi - nestemäinen vety" -polttoaineparin käyttö tarjoaa monista teknisistä vaikeuksista huolimatta suuria etuja, kun sitä käytetään raskaan luokan raketteissa . Tätä paria käytettiin Saturn-perheen raketteissa, Space Shuttle -järjestelmässä, käytetään Ariane-5- , Delta-4- , H- IIA-, lavallaCentaurperheen raketteissaChangzheng Ainoa Neuvostoliiton happi-vetyraketti, joka lensi, oli superraskas Energia [26 ] . Happi-vety-ylemmän vaiheen KVTK :n kehittäminen Angara-kantoalustaan ilmoitettiin [27] .