Говоря о ракетных двигателях чаще всего подразумевают два их основных вида: жидкостный ракетный двигатель(ЖРД), чаще всего работающий на жидком кислороде и керосине(РД-180, Merlin), либо твердотопливный ракетный двигатель(ТТРД), использующий чаще всего в качестве топлива смесь окислителя – перхлората аммония, а качестве топлива – мелкий порошок алюминия(Боковые ускорители Space Shuttle). Но порой в поисках лучших топлив инженеры предлагают нестандартные решения.
Одно из таких – ALICE – совместный проект Управления научных исследований ВВС США, NASA, Университета Пердью и Государственного университета Пенсильвании. ALICE складывается из слов AL(алюминий) и ICE(лëд). Как и в других ТТРД здесь в качестве горючего используется алюминий, но в качестве окислителя – вода, а точнее лёд, при температуре – 30°C. Но вода не будет вступать в реакцию с алюминием, потому что, как известно, алюминий мгновенно покрывается оксидной пленкой, для преодоления которой требуется значительное количество тепла. Чтобы алюминий вступил в реакцию нужно свести к минимуму влияние оксидного слоя. Решение нашлось в использовании частиц алюминия размером до 80 нанометров, что в 500 раз меньше ширины человеческого волоса.
Оксидный слой в порошке наноалюминия тоньше и его легче преодолеть, чем в более крупных частицах. Это облегчает воспламенение и поддержание горения алюминия с водяным льдом.
«Наноразмерный алюминий действительно является ключом к работе системы», – сказал Тимоти Поурпойнт, профессор школы аэронавтики и космонавтики в Пердью. «Использование только алюминиевого порошка микронного размера и водяного льда не сработало бы».
Производство нанопорошка алюминия дело не дешëвое, поэтому исследовательская группа ищет комбинации из частиц воды и алюминия различной величины для более дешевой версии топлива.
Компоненты топлива тщательно смешиваются на специальной машине в состояние пасты, которая после уже загруженная в корпус двигателя, остается твердой при температуре – 30°C, что предотвращает случайное воспламенение от искры.
Хотя вода это уже продукт сгорания водорода, алюминий в данном случае выступает восстановителем, в т. н. алюмино-термической реакции.
Основная реакция горения:
2Al + 3H2O → Al2O3 + 3H2
В течение рекции горения выделяется много тепла, а также водорода, нагревание и раширение которого эффективно преобразуется в тягу двигателя.
Ракета из композитного материала, длиной 2.7 м, взлетела на 396м, развив тягу в 295 кг.
“Мы находимся на уровне или чуть ниже обычных твердотопливных двигателей с точки зрения общей производительности», – отметил Стивен Ф. Сон, один из разработчиков нового двигателя.
В чем же преимущества и недостатки такого двигателя? В преимуществам можно отнести доступность компонентов топлива и окислителя. Предполагается что подобные двигатели могли бы использоваться для полетов на Луну и Марс, включая добычу воды и алюминия и создания топлива прямо на месте. Только каким образом это будет происходить пока неизвестно.
Преимуществом является также экологичность и безопасность топлива. Горение ТТРД на перхлорате аммония выбрасывает в атмосферу десятки тонн соляной кислоты. Продукты же сгорания ALICE – оксид алюминия и водород – безопасны.
Также, в отличие от обычных ЖРД нет необходимости в криогенных температурах. При достаточно удобной температуре в -30°C, сохраняется высокая плотность энергии топлива.
Таким образом, ALICE вполне может стать альтернативой нынешним ТТРД.
Но есть и недостатки. Производство нанопорошка, как упоминалось выше – дело не дешевое. В отличие от этого производство компонентов обычного ТТРД – дело отработанное и налаженное.
Производительность. Чтобы составить серьезную конкуренцию производительность ALICE нужно быть выше чтобы оправдать свое применение.
Самая свежая информация о проекте какую я нашел за 2010 год. С тех пор новостей нет. Будем надеяться что проект возродится и будет использоваться как экологичная замена традиционному топливу ТТРД.
P.S. это моя первая статья. Буду рад замечаниям и исправлениям.
Ссылки:
https://www.popsci.com/military-aviation-amp-space/article/2009-08/fly-me-moon-water-ice/
https://www.space.com/amp/7429-rocket-fuel-mixes-ice-metal.html
https://web.archive.org/web/20090827151154/http://www.wpafb.af.mil/news/story.asp?id=123164277