Топливо для ракеты

Содержание

Понятие

Ракетное топливо — компонент веществ питания ракетного двигателя для создания им тяги и движения ракеты в заданном направлении. С развитием ракетной техники идет развитие новых видов ракетных двигателей, например ядерных ракетных двигателей, или ионных и т. д. Ракетное топливо может быть химическим (жидким и твёрдым), ядерным, термоядерным.

Жидкое ракетное топливо делится на окислитель и горючее. Эти компоненты находятся в ракете в жидком состоянии в разных баках. Смешивание происходит в камере сгорания, обычно с помощью форсунок. Давление создается за счет работы турбонасосной или вытеснительной системы. Также компоненты топлива используются для охлаждения сопла ракетного двигателя.

Также применяются так называемые ракетные монотоплива, в которых и окислителем и восстановителем является одно и то же вещество. При работе ракетного двигателя на монотопливе происходит химическая реакция самоокисления-самовосстановления, либо двигатель работает только за счёт фазового перехода вещества монотоплива, например из жидкого состояния в газообразное.

Твёрдое ракетное топливо тоже состоит из окислителя и горючего, но они находятся в смеси твёрдых веществ.

Типы

Химические ракетные топлива

  • Твёрдые.
    • Нитроцеллюлоза
    • Нитроглицерин, динитрогликоль и другие труднолетучие растворители
    • Черный порох
    • Карамельное ракетное топливо
    • Смесевое ракетное топливо
    • Металлы как горючее
    • Карбиды, нитриды, азиды и амиды металлов
    • Гидриды металлов
    • Сложные гидриды
    • Перхлораты металлов
  • Жидкие:
    • Нитрометан
    • Изопропилнитрат
    • Керосин
    • Перекись водорода
    • Гидразин
    • Металлоорганические соединения
    • Гидриды азота
    • Органические амины
    • Спирты
    • Нефтепродукты
    • Углеводороды
    • Органические окиси
    • Растворы металлов
    • Бороводороды
    • Водород
    • Несимметричный диметилгидразин (НДМГ, гептил)

Окислители для жидких видов топлива

    • Фтор
    • Кислород
    • Озон
    • Фториды кислорода
    • Неорганические фториды азота
    • Фториды галогенов
    • Перхлорилфторид
    • Оксиды азота
    • Азотнокислотные окислители
    • Перекись водорода
    • Соединения инертных газов
    • Пероксиды, надпероксиды и неорганические озониды
    • Неорганические нитраты
    • Органические нитросоединения и эфиры азотной кислоты (алкилнитраты)
    • Хлорная кислота
    • Перхлораты неметаллов
    • Тетраоксид диазота (АТ, Амил)
  • Гелеобразное.
  • Гибридное.

Свободные радикалы

  • Рабочие тела для электрореактивных двигателей.

Ядерные топлива

  • Радиоизотопы.

Топливо космических ракет и аппаратов

Вывод космических аппаратов за пределы земной атмосферы и разгон до орбитальных скоростей требует огромных энергозатрат. Используемые в настоящее время топлива и конструкционные материалы ракет обеспечивают соотношение масс на старте и на орбите не лучше 30:1. Поэтому масса космической ракеты на старте составляет сотни и даже тысячи тонн. Отрыв такой массы от стартового стола требует превосходящей реактивной тяги двигателей. Поэтому основное требование к топливу первой ступени ракет — возможность создания значительной тяги при приемлемых габаритах двигателя и запасах топлива. Тяга прямо пропорциональна удельному импульсу и массовому расходу топлива, т.е. топлива с высоким удельным импульсом требуется меньше для вывода на орбиту равной нагрузки. Удельный импульс обратно пропорционален молекулярному весу продуктов горения, что означает низкую плотность высокоэффективного топлива и, соответственно, значительный объем и вес конструкции двигателя и топливной системы. Поэтому при выборе топлив ищут компромисс между весом конструкции и весом топлива. На одном конце этого выбора находится топливная пара водород+кислород с наивысшим удельным импульсом и низкой плотностью. На другом конце находится твердое топливо на основе перхлората аммония с низким удельным импульсом, но высокой плотностью.

Помимо тяговых возможностей топлива, учитываются и другие факторы. Неустойчивость горения некоторых топлив зачастую приводила к взрывам двигателей. Высокая температура горения некоторых топлив предъявляла повышенные требования к конструированию, материалам и технологии двигателей. Криогенные топлива утяжеляли ракету теплоизоляцией, затрудняли выбор хладостойких материалов, усложняли проектирование и отработку. Поэтому на заре космической эры получило широкое распространение такое легкое в получении, хранении и использовании топливо как несимметричный диметилгидразин (НДМГ, «гептил»). При этом оно имело вполне приемлемые тяговые характеристики, поэтому довольно широко используется и в наше время.

Помимо технических факторов важны экономические, исторические и социальные. Криогенные топлива требуют дорогой сложной специфической инфраструктуры космодрома для получения и хранения криогенных материалов, таких как жидкие кислород и водород. Высокотоксичные топлива, такие как НДМГ, создают экологические риски для персонала и мест падения ступеней ракет, экономические риски последствий заражения территорий при аварийных ситуациях.

В ракетах для запуска космических аппаратов в настоящее время, в основном, используются четыре вида топлива:

  • Керосин + жидкий кислород. Популярное, дешевое топливо с великолепно развитой и отработанной линейкой двигателей и топливной инфраструктурой. Имеет неплохую экологичность. Лучшие двигатели обеспечивают удельный импульс (УИ) немногим выше 300 секунд при атмосферном давлении.
  • Несимметричный диметилгидразин («гептил») + тетраоксид азота. Чрезвычайно токсичное топливо. Однако высокая устойчивость горения, самовоспламеняемость, относительная простота топливной арматуры, легкость хранения, хорошая плотность топлива, хорошие энергетические характеристики предопределили широкое распространение. Сегодня предпринимаются усилия по отказу от НДМГ. УИ примерно аналогичен кислород-керосиновой паре.
  • Жидкий водород + жидкий кислород. Низкая плотность и чрезвычайно низкие температуры хранения водорода делает очень сложным использование топливной пары в первой ступени ракет-носителей. Однако высокая эффективность приводит к широкому использованию в верхних ступенях ракет-носителей, где приоритет тяги уменьшается, а цена массы растет. Топливо имеет великолепную экологичность. УИ лучших двигателей на уровне моря свыше 350 секунд, в вакууме — 450 секунд.
  • Смесевое твёрдое ракетное топливо на основе перхлората аммония. Дешевое топливо, но требует высокой культуры производства. Широко используется в западном ракетостроении на первой ступени ракет благодаря лёгкости получения значительной тяги. Двигателями на твердом топливе сложно управлять по вектору тяги, поэтому их часто ставят в параллель с небольшими жидкостными двигателями, которые обеспечивают управляемость полета. Имеет низкую экологичность. Типовой УИ — 250 секунд.
  • Создаются перспективные двигатели на топливной паре метан + жидкий кислород (BE-4, Raptor и др.).

> Литература

Процесс сгорания топлива

Введение

Для обеспечения сгорания в двигателе внутреннего сгорания небольшое количество топлива смешивается с поступающим воздухом. К сожалению, двигатель внутреннего сгорания не может сжигать без остатка все топливо, которое он использует. Вследствие этого двигатель выпускает побочные продукты сгорания в виде отработавших газов. Некоторые из этих побочных продуктов вредны и загрязняют воздух. Борясь с этой проблемой, изготовители автомобилей разработали так называемые устройства понижения токсичности выхлопа, которые ограничивают выброс этих вредных веществ или полностью устраняют его.
Сгорание
В процессе сгорания происходят несколько химических реакций. Одни соединения разрушаются, а новые соединения образуются. Управление процессом сгорания — это ключ к управлению всей работой и токсичностью выхлопа двигателя внутреннего сгорания.
Для процесса сгорания требуются три элемента:
1. Воздух
2. Топливо
3. Искра зажигания
Эти три элемента иногда упоминаются как «триада сгорания». Если один элемент триады отсутствует, сгорание невозможно. Двигатель внутреннего сгорания рассчитывается на объединение этих трех элементов, поддерживая полный контроль над процессом.
Воздух
Воздух состоит из атомов азота (N), кислорода (О ) и других газов. Большую часть воздуха составляет азот, являющийся инертным, негорючим газом. Воздух не горит, но в нем содержится достаточное количество кислорода, что позволяет поддерживать сгорание.
Топливо
Бензин состоит из углеводородов, которые образуются в результате переработки сырой нефти. Углеводороды состоят из атомов водорода (Н) и углерода (С). В бензин добавляются различные химикаты, типа ингибиторов коррозии, красителей и очищающих средств. Эти химикаты называются присадками.
Тепло и давление, присутствующие в двигателе внутреннего сгорания, могут заставить бензин, находящийся в камере сгорания, воспламениться раньше, чем генерируется искра зажигания. Это называется преждевременным воспламенением и более подробно описывается дальше. Октановое число бензина указывает на то, насколько хорошо он противостоит преждевременному воспламенению. Дополнительная очистка может способствовать увеличению октанового числа.
В настоящее время в регионах с чрезвычайно высоким уровнем загрязнения воздуха используется тип топлива, называемый улучшенным бензином (подвергнутым реформингу) (RFG). Такой бензин имеет специальные присадки, называемые окислителями, которые улучшают сгорание, увеличивают октановое число и уменьшают токсичность выхлопа.
Искра зажигания
В двигателе внутреннего сгорания воздух и топливо поступают в камеру сгорания, и затем генерируется искра зажигания, вызывающая сгорание. Перед зажиганием воздушно-топливной смеси двигатель нагревается и сжимает смесь. Нагревание помогает процессу смесеобразования, а сжатие увеличивает энергию, генерируемую при сгорании.
Процесс сгорания
В двигателе внутреннего сгорания сгорание происходит в течение доли секунды (приблизительно в течение 2 миллисекунд). В этот момент разрушаются связи между атомами водорода и углерода. Разрушение связей приводит к высвобождению энергии в камере сгорания, толканию поршня вниз и инициированию вращения коленчатого вала.
После разделения атомов водорода и углерода они соединяются с атомами кислорода, содержащимися в воздухе. Атомы водорода объединяются с кислородом, образуя воду. Атомы углерода объединяются с кислородом, образуя двуокись углерода (углекислый газ).
Говоря языком химии, полное сгорание в двигателе внутреннего сгорания выражается формулой:
НС + О2 = Н2 О + СО2
Другими словами:
топливо + кислород = вода и двуокись углерода
Абсолютно эффективный двигатель внутреннего сгорания на выпуске имел бы только воду (Н О) и двуокись углерода (СО ), что соответствует Данной выше химической формуле. Это означало бы, что все углеводороды в процессе сгорания разложились. К сожалению, дело обстоит не так.
Неэффективное сгорание -это главная причина наличия вредных веществ в выхлопе автомобиля. Эффективное сгорание ведет к наименьшей токсичности выхлопа. Эффективность сгорания увеличивается посредством корректировки соотношения «воздух/топливо».
Соотношение «воздух/топливо»
Инженеры-автомобилестроители определили, что токсичность выхлопа автомобиля можно уменьшить, если бензиновый двигатель работает с соотношением «воздух/топливо», равным 14.7:1. Технический термин известен как «стехиометрическое соотношение». Стехиометрическое соотношение означает химически правильную воздушно-топливную смесь, которая производит желаемую химическую реакцию, входе которой происходит полное сгорание топлива с желаемой токсичностью выхлопа.
Соотношение «воздух/топливо» 14.7:1 обеспечивает наилучшее управление всеми тремя компонентами (углеводороды, одноокись углерода и оксиды азота) при выпуске почти во всех условиях. Соотношение «воздух/топливо» также увеличивает эффективность каталитического нейтрализатора, который является частью системы выпуска автомобиля.
Бедная воздушно-топливная смесь
Обеднение воздушно-топливной смеси обычно вызывается неисправностью в двигателе. Обеднение — это состояние, когда двигатель получает слишком много воздуха или кислорода. Причиной слишком высокого уровня кислорода могут стать утечки вакуума или неисправная система подачи топлива.
Богатая воздушно-топливная смесь
Богатая воздушно-топливная смесь — это также указание на неисправность двигателя. Обогащение — это состояние, когда двигатель не может сжечь все топливо, которое вошло в камеры сгорания. Состояние обогащения может возникать в результате высокого давления топлива, проблем с опережением зажигания или низкой компрессии.
Аномальное сгорание
Имеются два типа аномального сгорания, которое может происходить в двигателе: детонация и преждевременное воспламенение.
Детонация — это неустойчивый процесс горения, который может вызывать неисправность прокладки головки цилиндров, а также и другие повреждения двигателя. Детонация возникает, когда в камере сгорания наблюдается перегрев и повышенное давление. Когда это происходит, создается взрывная сила, которая инициирует резкий рост давления в цилиндрах, сопровождаемый сильным металлическим стуком. Ударные волны, похожие на удары молотка, генерируемые при детонации, подвергают прокладку головки цилиндров, поршень, кольца, свечу зажигания и подшипники шатуна серьезным перегрузкам.
Преждевременное воспламенение — это другое аномальное состояние горения, которое иногда путают с детонацией. Преждевременное воспламенение имеет место, когда какая-либо точка в камере сгорания становится настолько горячей, что становится источником зажигания и заставляет топливо воспламеняться до генерирования искры зажигания. Оно может сделать свой вклад в детонацию или даже стать ее причиной.
Вместо воспламенения топлива в правильный момент времени, чтобы дать коленчатому валу плавный толчок в требуемом направлении, топливо загорается преждевременно. Это вызывает мгновенный обратный удар в тот момент, когда поршень пытается повернуть коленчатый вал в неправильном направлении. Этот удар вследствие напряжений, которые он создает, может быть очень разрушительным. Кроме того, преждевременное воспламенение может локализовать тепло до такой степени, что оно может частично проплавить или прожечь отверстие в головке поршня.
Токсичность выхлопа
Стехиометрическая воздушно-топливная смесь обеспечивает наилучший компромисс между динамическими характеристиками, экономичностью и токсичностью выхлопа.
При богатой воздушно-топливной смеси все топливо не сгорает. Поэтому увеличивается уровень выделений углеводородов и одноокиси углерода. Бедная воздушно-топливная смесь может при сгорании генерировать повышенное количество тепла. Поэтому увеличивается содержание оксидов азота. Чрезмерно обедненная воздушно-топливная смесь в результате приводит к пропускам воспламенения. Это увеличивает выделения углеводородов.
Каталитические нейтрализаторы, которые химически нейтрализуют токсичные отработавшие газы, наиболее эффективны в очень узком диапазоне, близком к стехиометрическому соотношению.
Побочные продукты сгорания
Поскольку двигатель внутреннего сгорания не имеет абсолютной эффективности, в процессе сгорания генерируются три нежелательных побочных продукта:
1. Углеводороды (НС)
2. Одноокись углерода (СО)
3. Оксиды азота (N0 X )
Неполное сгорание вызывает выделение углеводорода и одноокиси углерода. Выделения углеводорода — это углеводороды, которые не разрушились в процессе сгорания. Одноокись углерода образуется, потому что не имеется достаточного количества атомов кислорода, чтобы связать углерод.
В идеальном случае азот должен проходить камеру сгорания неизменным. Но когда температура в камере сгорания достигает приблизительно 1 371 °С (2 500 °F), атомы азота и кислорода связываются, образуя (N0 X )
Химическая формула процесса сгорания, при котором образуются оксиды азота выглядит следующим образом:
НС + О2 + N2 = Н2 О + СО + N0x
Формула «NO » используется для оксидов азота, потому что OHci отражает комбинацию атома азота и любого количества атомов кислорода. Например, оксид азота (N0) состоит из одного атома азота и одного атома кислорода, в то время как двуокись азота (N0 ) состоит из одного атома азота и двух атомов кислорода.

История

NYMEX цены на нефть West Texas Intermediate

Во время Второй мировой войны Германия в значительной степени, до 50 % в отдельные годы, удовлетворяла свои нужды в топливе за счет создания производственных мощностей для переработки угля в жидкое топливо. Как считал «личный архитектор Гитлера» Альберт Шпеер, в техническом отношении Германия потерпела поражение 12 мая 1944 года, когда вследствие массированных бомбардировок союзников было уничтожено 90 % заводов, производящих синтетическое горючее.
Аналогично этому, Южная Африка с теми же целями создала предприятие Sasol Limited, которое во времена Апартеида помогало экономике этого государства успешно функционировать, несмотря на международные санкции.

В США компании-производители такого топлива часто получают государственные субсидии и производят «синтетическое топливо» из смеси угля с биологическими отходами. Такие методы получения государственных субсидий подвергаются критике со стороны «зелёных», как пример злоупотребления особенностями налоговой системы корпорациями. Синтетическое дизельное топливо, получаемое в Катаре из натурального газа, отличается низким содержанием серы, поэтому его добавляют к обычному дизельному топливу для снижения уровня серы, что необходимо для маркетирования дизтоплива в тех штатах США, где существуют особенно высокие требования к его качеству (например, в Калифорнии).

Синтетическое жидкое топливо и газ из твердых горючих ископаемых производят сейчас в ограниченном масштабе. Дальнейшее расширение производства синтетического топлива сдерживается его высокой стоимостью, значительно превышающей стоимость топлива на основе нефти. Поэтому сейчас интенсивно ведется поиск новых экономичных технических решений в области синтетического топлива. Поиск направлен на упрощение известных процессов, в частности, на снижение давления при ожижении угля с 300—700 атмосфер до 100 атмосфер и ниже, увеличение производительности газогенераторов для переработки угля и горючих сланцев и также разработку новых катализаторов синтеза метанола и бензина на его основе.

Сейчас использование технологии Фишера – Тропша возможно лишь при устойчивых нефтяных ценах выше 50-55 долл. за баррель.

Нетрадиционная нефть

См. также: Сланцевое масло

Природные битумы — это составная часть горючих ископаемых. Битумы содержат значительно больше водорода, чем уголь, поэтому производство жидкого топлива из битума может быть гораздо проще и может стоить существенно меньше, чем производство жидкого топлива методом Фишера — Тропша. Горючий сланец — это полезное ископаемое из группы твёрдых каустобиолитов, дающее при сухой перегонке значительное количество смолы (близкой по составу к нефти). Битуминозные пески Ориноко (нефтеносные пески Ориноко) являются депозитами нетрадиционной нефти в виде горючих сланцев в районе реки Ориноко в Венесуэле, которая течет от венесуэльско-бразильской границы и впадает в Атлантический океан. Битуминозные пески Ориноко считаются одним из двух крупнейших месторождений нетрадиционной нефти (второе, Битуминозные пески Атабаски, расположено в Канаде).

«По разным оценкам, в мировых запасах сланца содержится от 550 до 630 миллиардов тонн сланцевой смолы (искусственной нефти), то есть в 4 раза больше, чем все разведанные запасы натуральной нефти»

Э. П. Волков, академик РАН.

Спирты

В последнее время растет роль спиртов как топлива (метанол — в топливных элементах, этанол и смеси с ним — в двигателях внутреннего сгорания).

Топливо Плотность
энергии
смесь воздуха
с топливом
Удельная
энергия
смеси воздуха

с топливом

Удельная теплота
испарения
Октановое число (RON) Октановое число (MON)
Бензин 32 МДж/л 14.6 2.9 МДж/кг воздух 0.36 МДж/кг 91-99 81-89
Бутанол-1 29.2 МДж/л 11.1 3.2 МДж/кг воздух 0.43 МДж/кг 96 78
Этанол 19.6 МДж/л 9.0 3.0 МДж/кг воздух 0.92 МДж/кг 107 89
Метанол 16 МДж/л 6.4 3.1 МДж/кг воздух 1.2 МДж/кг 106 92

Этанол

Этанол может использоваться как топливо, в т. ч. для ракетных двигателей, двигателей внутреннего сгорания в чистом виде. Ограниченно в силу своей гигроскопичности (отслаивается) используется в смеси с классическими нефтяными жидкими топливами. Применяется для выработки высококачественного топлива и компонента бензинов — Этил-трет-бутилового эфира, более независимого от ископаемой органики, чем МТБЭ.

Лидером в использовании биотоплива является Бразилия, обеспечивающая 40 % своих потребностей в топливе за счёт спирта, благодаря высоким урожаям сахарного тростника и низкой стоимости рабочей силы. Биотопливо формально не приводит к выбросам парникового газа: в атмосферу возвращаются лишь углекислый газ (СО2), изъятый из неё в ходе фотосинтеза, и вода.

Однако резкий рост производства биотоплива требует больших территорий для посева растений. Эти территории или расчищаются путём сжигания лесов (что приводит к огромным выбросам углекислого газа в атмосферу), или отнимаются от фуражных и пищевых культур (что приводит к росту цен на продовольствие).

Кроме того, выращивание сельскохозяйственных культур требует больших затрат энергии. Для многих культур EROEI (отношение полученной к потраченной энергии) лишь немного превышает единицу или даже ниже её. Так, у кукурузы EROEI составляет всего 1,5. Вопреки распространённому мнению, это верно не для всех культур: так, у сахарного тростника коэффициент EROEI составляет 8, у пальмового масла 9.

Ежегодно на нашей планете образуется около 200 млрд т растительной целлюлозосодержащей биомассы. Биосинтез целлюлозы — самый крупномасштабный синтез в прошлом, настоящем и, по крайней мере, в ближайшем будущем. Но в связи с увеличивающимися потребностями человечества в ресурсах нельзя точно утверждать, что синтез целлюлозы будет самым масштабным и в будущем, например, и через 50 лет. Для сравнения: производство стали во всем мире на 2009 год составило 1,3 млрд т, а мировая добыча нефти на 2006 год составляла 3,8 млрд т в год.

По ориентировочным оценкам, мировые разведанные запасы нефти примерно равны запасам древесины на нашей планете, однако ресурсы нефти быстро истощаются, в то время как в результате естественного прироста запасы древесины увеличиваются. Значительным резервом повышения ресурсов древесного сырья является увеличение выхода целевых продуктов из древесины. Переработка биомассы растительного сырья базируется в основном на сочетании химических и биохимических процессов. Гидролиз растительного сырья — наиболее перспективный метод химической переработки древесины, так как в сочетании с биотехнологическими процессами позволяет получать мономеры и синтетические смолы, топливо для двигателей внутреннего сгорания и разнообразные продукты для технических целей.

Общее производство биотоплива (биоэтанола и биодизеля) в 2005 году составило около 40 млрд л.

В марте 2007 года японские учёные предложили производить биотопливо из морских водорослей.

По мнению некоторых учёных, массовое использование двигателей на этаноле (не путать с биодизелем) увеличит концентрацию озона в атмосфере, что может привести к росту числа респираторных заболеваний и астмы.

Метанол

Небольшие добавки метанола можно использовать в топливе существующих транспортных средств, добавляя ингибиторы коррозии. Так называемая европейская директива качества топлива (European Fuel Quality Directive) позволяет использовать до 3 % метанола с равным количеством присадок в бензине, продаваемом в Европе. Сегодня в Китае используется более 1 млрд галлонов метанола в год в качестве транспортного топлива в смесях низкого уровня, используемых в существующих транспортных средствах, а также высокоуровневые смеси в транспортных средствах, предназначенных для использование метанола в качестве топлива. Помимо применения метанола в качестве альтернативы бензину, существует технология применения метанола для создания на его базе угольной суспензии, которая в США имеет коммерческое наименование «метакол» (methacoal). Такое топливо предлагается как альтернатива мазута, широко используемого для отопления зданий (топочный мазут). Такая суспензия, в отличие от водоуглеродного топлива, не требует специальных котлов и имеет более высокую энергоёмкость. С экологической точки зрения такое топливо имеет меньший «углеродный след», чем традиционные варианты синтетического топлива, получаемого из угля с использованием процессов, в которых часть угля сжигается во время производства жидкого топлива.

Бутиловый спирт

Может использоваться в качестве добавки к традиционным видам топлива. Энергия бутанола близка к энергии бензина. Бутанол может использоваться в топливных элементах как сырьё для производства водорода.

В 2007 году в Великобритании начались продажи биобутанола в качестве добавки к бензину.

Твердое и газообразное топливо

В некоторых странах третьего мира дрова и древесный уголь до сих пор являются основным топливом, доступным населению для отопления и приготовления пищи (так живёт около половины мирового населения) . Это во многих случаях приводит к вырубке лесомассивов, что в свою очередь приводит к опустыниванию и эрозии почвы. Одним из способов уменьшения зависимости населения от источников древесины является внедрение технологии брикетирования отходов сельского хозяйства или бытового мусора в топливные брикеты. Такие брикеты получают прессованием кашицы, полученной смешиванием отходов с водой на несложном рычажном прессе с последующей сушкой. Такая технология, однако, очень трудоемка и предполагает наличие источника дешевой рабочей силы. Менее примитивным вариантом получения брикетов является использование для этого гидравлических прессовальных машин.

Некоторые газообразные топлива можно считать вариантами синтетического топлива, хотя такое определение может быть спорным, поскольку двигатели, использующие такое топливо, нуждаются в серьёзной модификации. Одним из широко обсуждаемых вариантов уменьшения вклада автотранспортных средств в накопление углекислоты в атмосфере считается использование водорода в качестве топлива. Водородные двигатели не загрязняют окружающую среду и выделяют только водяной пар. В водородно-кислородных топливных элементах используется водород для непосредственного преобразования энергии химической реакции в электрическую. Поскольку водород получают либо методами, требующими большого расхода электроэнергии, либо окислением углеводородных топлив, экологические и, тем более, экономические преимущества такого топлива весьма спорны.

Полная статья Водородная энергетика.

Диметиловый эфир

Диметиловый эфир получают дегидратацией метанола при 300—400 °C и 2—3 МПа в присутствии гетерогенных катализаторов — алюмосиликатов. Степень превращения метанола в диметиловый эфир — 60 %, в цеолиты — почти 100 %. Диметиловый эфир — экологически чистое топливо без содержания серы, а выброс оксидов азота в выхлопных газах — на 90 % меньше, чем у бензина. Цетановое число диметилового дизеля более 55, при том что у классического нефтяного — от 38 до 53. Применение диметилового эфира не требует специальных фильтров, но необходима переделка систем питания (установка газобаллонного оборудования, корректировка смесеобразования) и зажигания двигателя. Без переделки возможно применение на автомобилях с LPG-двигателями при 30 % содержании метанола в топливе.

Теплота сгорания ДМЭ около 30 МДж/кг, у классических нефтяных топлив — около 42 МДж/кг. Одна из особенностей применения ДМЭ — его более высокая окисляющая способность (благодаря содержанию кислорода), чем у классического топлива.

В июле 2006 года Национальная Комиссия Развития и Реформ (NDRC) (Китай) приняла стандарт использования диметилового эфира в качестве топлива. Китайское правительство будет поддерживать развитие диметилового эфира, как возможную альтернативу дизельному топливу. В ближайшие 5 лет Китай планирует производить 5-10 млн тонн диметилового эфира в год.

Автомобили с двигателями, работающими на диметиловом эфире, разрабатывают KAMAZ, Volvo, Nissan и китайская компания Shanghai Automotive.

Примечания

  1. Peter W. Becker. The Role of Synthetic Fuel In World War II Germany, implications for today? (англ.). Air University Review, July-August 1981. — «Still, between 1938 and 1943, synthetic fuel output underwent a respectable growth from 10 million barrels to 36 million. The percentage of synthetic fuels compared to the yield from all sources grew from 22 percent to more than 50 percent by 1943. … At the peak of their synthetic fuel production in 1943, when half of their economy and their armed forces ran on synthetic fuel, the Germans produced 36,212,400 barrels of fuel a year». Дата обращения 24 мая 2015.
  2. Ф. В. фон Меллентин. Бронированный кулак вермахта. Смоленск: «Русич», 1999. 528 с. («Мир в войнах») ISBN 5-8138-0088-3
  3. Как из-за нехватки нефти нацистская Германия проиграла Вторую мировую войну // ИноСМИ.ру, июль 2018
  4. Важной проблемой при производстве синтетического топлива является и высокое потребление воды, уровень которого составляет от 5 до 7 галлонов на каждый галлон полученного топлива.
  5. ТОРЖЕСТВЕННОЕ ВРУЧЕНИЕ ПРЕЗИДЕНТОМ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ДМИТРИЕМ МЕДВЕДЕВЫМ ПРЕМИЙ «ГЛОБАЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ». Э. П. Волков., 2008, стр 10
  6. Internal Combustion Engines, Edward F. Obert, 1973
  7. Коммерческая биотехнология | Спирт вместо бензина: бразильский эксперимент
  8. От биотоплива пока больше вреда, чем пользы // Алексей Гиляров
  9. http://www.worldwatch.org/system/files/EBF008_1.pdf
  10. Морские водоросли в качестве биологического топлива. 22 марта группа японских ученых опубликовала детали плана по массовому производству этанола из культивируемых морских водорослей
  11. Авто@Mail.Ru
  12. Energy Citations Database (ECD) — — Document #6329346
  13. YouTube — Fuel Briquettes

Сага о ракетных топливах

Тема флэймоопастна, тем более:»… и нет ничего нового под солнцем» (Экклизиаст 1:9).
Однако попробую.
Классификация химических топлив для ракетных двигателей (общепринятая):

Часть №1- топлива для ЖРД или жидкие ракетные топлива.
ХРТ-химическое ракетное топливо.
ЖРТ-жидкие ракетные топлива.
ТНА-турбонасосный агрегат.
КС- камера сгорания.
.
.
КМ-конструкционные материалы.
О-окислитель.
Г-горючее.
Ракетное топливо (ТК, что бы не путать с РТ, см.ниже)-вещество, подвергающееся химическим, ядерным или термоэлектрическим реакциям в ракетном двигателе, для создания его тяги.
Рабочее тело (РТ)-вещество, с которым происходят различные физико-химические преобразования внутри РД, составляющие его рабочий процесс.
Стехиометрическое соотношение компонентов топлива (Km0)()-отношение массы окислителя к массе горючего при стехиометрических реакциях.
Состав топлива-горючая и негорючая части (в общем случае).
(в общем случае).

Начну вещать с Km0. Это соотношение очень важно для РД: топливо может гореть по-разному в РД (это не обычное горение дров в камине, где в качестве окислителя выступает кислород воздуха). Горение топлива в камере ракетного двигателя – это, в первую очередь, химическая реакция окисления с выделением тепла. А протекание химических реакций существенно зависит от того, сколько веществ (их соотношение) вступает в реакцию.

Значение Km0 зависит от валентности, которую могут проявлять химические элементы в теоретической форме уравнения химической реакции. .

Важный параметр-коэффициент избытка окислителя (обозн. греческой “α” с индексом «ок.») и массовое соотношение компонентов Kм.
Kм=(dmок./dt)/(dmг../dt), т.е. отношение массового расхода окислителя к массовому расходу горючего. Он специфичен для каждого топлива. В идеальном случае представляет собой стехиометрическое соотношение окислителя и горючего, т.е. показывает сколько кг окислителя нужно для окисления 1 кг горючего. Однако реальные значения отличаются от идеальных. Соотношение реального Kм к идеальному и есть коэффициент избытка окислителя.
Как правило αок.
Требования к ЖРТ:
1. Требования с точки зрения термогазодинамики.
2. Конструкторские.
3. Эксплуатационные.
Эти требования классический пример , которые тянут в разные стороны:

*С точки зрения термогазодинамики ЖРД, для получения макс. Iуд необходимо, что бы: молекулярная масса продуктов сгорания была минимальной, максимальным было удельное теплосодержание.

*С точки зрения конструктора топливо должно:
иметь максимальную плотность, особенно на первых ступенях. Это требование очевидно не согласуется со стремлением к минимальной молекулярной массе.

*С точки зрения эксплуатации:
— топливо должно быть химически стабильным;
— желательно, что бы хранение и заправка топлива не вызывали особых проблем;

— минимальная взрывоопасность топлива;

— минимальная токсичность как самого топлива, так и продуктов сгорания;
— минимальная стоимость и освоенная технология производства.

Ещё влезают сюда дополнительные требования, из-за которых следует искать КОНСЕНСУСЫ и КОМПРОМИСЫ:
— хотя бы один компонент должен иметь хорошие свойства как охладителя. Это необходимо из-за того, что надо же чем то охлаждать КС.

— желательно, что бы один из компонентов топлива был хорошим рабочим телом для турбины ТНА;

— большое значение имеет давление насыщенных паров (это грубо говоря давление при котором жидкость начинает кипеть при данной температуре). Этот параметр сильно влияет на разработку насосов и вес баков.

— минимальная агрессивность к КМ ЖРД. В противном случае приходится принимать специальные меры для защиты конструкции от топлива.

— компонентов иногда нужна, иногда вредна. Бывает ещё, что и взрываются.

*
С точки зрения эксплуатации:
— топливо должно быть химически стабильным;
— желательно, что бы хранение и заправка топлива не вызывали особых проблем;

— минимальная взрывоопасность топлива;
— минимальная токсичность как самого топлива, так и продуктов сгорания;

— минимальная стоимость и освоенная технология производства.

Как видно требований много и зачастую они противоречив.
Очень большое значение для ЖРД РН имеет плотность топлива. Если объяснять на пальцах, то для первых ступеней выгоднее использовать топливо пусть и с меньшим Iуд, но с большей плотностью. Это объясняется тем фактом, что расход ЖРД первой ступени выше, чем последующих (массу надо поднимать большую).

Поэтому приоритетной становится задача снижения объемов, а значит и массы баков 1-й ступени. Поэтому на 1-х ступенях практически всегда используют керосин (Saturn V, РН «Энергия»), который хоть и уступает тому же водороду по удельному импульсу, но значительно превосходит его по плотности. На более высоких ступенях на первое место выходит Iуд.

Классификация ЖРТ-чаще всего по давлению насыщенных паров или , а проще говоря температуре кипения при нормальном давлении.

— высококипящие компоненты ЖРТ. Это вещества, у которых при максимальной эксплуатационной температуре в баках давление насыщенных паров значительно ниже допустимого уровня давления в баках по прочности. Например керосин, НДМГ, азотная кислота. Их можно хранить не прибегая к особым ухищрениям по охлаждению баков. Это долгохранимые ТК.
— низкокипящие компоненты ЖРТ. У них давление насыщенных паров близко к максимально допустимому в баках по условиям прочности. Хранить их в герметичных баках без принятия специальных мер по охлаждению и возврату конденсата нельзя. Примеры таких компонентов — аммиак, пропан, тетраоксид азота.
— криогенные компоненты ЖРТ. У них температура критической точки значительно ниже эксплутационной. Т.е. температура кипения весьма и весьма низкая. Хранить их в герметичных баках нельзя. Как правило это жидкие газы-кислород и особенно водород. При заправке необходимо принимать специальные меры по предварительному захолаживание топливных магистралей. Часто для уменьшения потерь приходится покрывать магистрали теплоизоляцией.
Например РД-0120 (водород-кислород):

Видно, что ЖРД снаружи (арматура) полностью залит теплоизоляционным материалом.

По взаимодействию компонентов при контакте различают самовоспламеняющиеся(СТК), ограниченно-самовоспламеняющиеся (ОСТК) и несамовоспламеняющиеся ТК (НТК).

СТК: если при контакте окислителя и топлива в жидком состоянии они воспламеняются (во всем диапазоне эксплуатационных давлений и температур).
Это свойство хорошо с точки зрения упрощения системы поджига, но очень плохо когда компоненты могут подтечь где-нибудь в другом месте, а не в форсуночной головке.
пример: АТ+НДМГ.
ОСТК: для самовоспламенния которых нужно принимать специальные меры.
Несамовоспламеняющиеся топлива требуют поджига-«классические» пары керосин+кислород и водород+кислород.
НТК: всё ясно без слов.Требуется либо катализатор, либо постоянный поджиг (или температура и/или давление и т.д.), либо третий компонент. Идеальны для «протечек» и транспортировки.

По количеству компонентов ЖРТ разделяют на 1 компонентные топлива и 2-х компонентные (иногда бывает еще и 3-й вспомогательный компонент). Трёх компонентные ХРТ в разработке. Как правило такие ЖРД наз многотопливными, но пока их не так уж и много.

В качестве однокомпонентных топлив используют вещества, которые разлагаются в КС или газогенераторе, в большинстве случаев каталитически. Они обладают умеренным Iуд. и больше всего используются либо в ЖРД малой тяги (ДУ ориентации и т.д.) либо для привода ТНА.

Walter HWK 109-507: преимущества в простоте конструкции ЖРД. Яркий пример такого топлива-перекись водорода.

Двухкомпонентные топлива состоят из окислителя и горючего.

ЖРД Bristol Siddeley BSSt.1 Stentor: двухкомпонентный ЖРД (H2O2+керосин).

Окислители.

Кислород.

Химическая формула — О2 (американское обозначение LOX).
Молекулярный вес — 32.
Плотность — 1140 кг/м^3
Температура кипения — 90,16 К

Самый простой и давно используемый окислитель. Имеет приемлемую плотность. Используется практически со всеми горючим, при этом удельный импульс удовлетворяет большинство потребителей:

LOX-керосин: 2930 м/с
LOX-НДМГ: 3040 м/с
LOX-H2: 3840 м/с

Очень низкая коррозионная активность. Производство давно освоено, стоимость небольшая — менее $0,1 (по моему дешевле литра молока в разы).
Недостатки:
Криогенный-необходимо захолаживание и постоянная дозаправка для компенсации потерь перед стартом.

На фото: створки защитных устройств заправочного автостыка керосина (ЗУ-2), за 2 минуты до окончания циклограммы при выполнении операции ЗАКРЫТЬ ЗУ из-за обледенения не полностью закрылись. Одновременно из-за обледенения не прошел сигнал о съезде ТУА с пусковой установки. Пуск проведен на следующий день.

Трудно использовать в качестве охладителя.

Агрегат-заправщик РБ жидким кислородом снят с колес и установлен на фундаменте.

В перспективе рассматривается использования переохлажденного кислорода либо кислорода в шугообразной форме, т.е. взвеси твердого кислорода в жидком. Это необходимо для увеличения плотности.

Пример Р-9А: в качестве окислителя в ракете впервые было решено использовать переохлажденный жидкий кислород, что позволило уменьшить общее время подготовки ракеты к пуску и повысить степень ее боеготовности.

Озон-O3

Молекулярный вес — 48.
Плотность — 1700 кг/м^3
Температура кипения — 161,66 К

Одно время фигурировал как перспективный. Имеет более высокую плотность, температуру кипения и удельный импульс, чем O2. Но нестоек-может взорваться, более химически активен, т.е. агрессивен, токсичен.

Азотные окислители
Азотная кислота

HNO3
Молекулярный вес — 63,016
Плотность — 1510 кг/м^3
Температура кипения — 359 К

Относится к долгохранимым компонентам. Довольно распространена на военных ЖРД. Исторически тоже начала использоваться как один из первых окислителей.
Освоена в производстве и дешева.
Удельные импульсы:

HNO3-НДМГ: 2795 м/с
HNO3-керосин: 2310 м/с

Недостатки: терпимая «гадость». Коррозионною активна. Удельный импульс недостаточно высок. В настоящее время в чистом виде почти не используется.

Азотный тетраоксид

N2O4
Молекулярный вес — 92,016
Плотность — 1450 кг/м^3
Температура кипения — 294,36 К

Пришел на смену азотной кислоте в военных двигателях. Обладает саомовоспламеняемостью с гидразином, НДМГ. Низкокипящий компонент, но может долго хранится при принятии особых мер.
Удельные импульсы:

N2O4-НДМГ: 2800 м/с
N2O4-керосин: 2710 м/с
N2O4-гидразин: 2860 м/с

Недостатки: такая же гадость, как и HNO3, но со своими причудами. Может разлагаться на окись азота. Токсичен. Низкий удельный импульс. Часто использовали и используют окислитель АК-NN. Это смесь азотной кислоты и азотного тетраоксида (Ее еще иногда наз. «красной дымящейся азотной кислотой»). Цифры обозначают процентное кол-во N2O4.
В целом можно сказать, что в основном эти окислители используются в ЖРД военного назначения и ЖРД КА в силу своей долгохранимости (это весьма важный фактор в этом случае) и самовоспламеняемости. Характерные горючие-НДМГ и гидразин.

Фтор-F2

Молекулярный вес — 38
Плотность — 1510 кг/м^3
Температура кипения — 85,16 К

Это прекрасный окислитель с точки зрения химии. Его можно даже использовать
для окисления кислорода или воды. Расчеты показывают, что максимальный теоретический Iуд можно получить на паре F2-Be (бериллий)-порядка 6000 м/с!
Но…
Чрезвычайно коррозионною активен, токсичен, склонен к взрывам при контакте с окисляющимися материалами. Криогенен. Любой продукт сгорания также имеет почти те же «грехи»: жутко коррозионны и токсичны.
Для пары F2-H2 Iуд=4020 м/с!
Но представьте себе что останется от стартовой после запуска? Лужа?
Н2+F=H2F2-фтороводород.
Смешивается с водой в любом отношении с образованием фтороводородной (плавиковой) кислоты. А использованию его в ЖРД КА невозможно из-за сложностей хранения. Одно время к фтору относились как к перспективному веществу, но и в ХХI веке нет ни одного известного серийного фторного ЖРД. Уж больно неприятный он в обращении.

То же относится и к остальным жидким галогенам, например к хлору.

Фтороводородный ЖРД тягой 25 т для оснащения обеих ступеней ракетного ускорителя АКС «Спираль» предполагалось разработать в ОКБ-456 В.П.Глушко на базе отработанного ЖРД тягой 10 т на фтороаммиачном (F2+NH3) топливе.

Перекись водорода-H2O2.

Молекулярный вес — 34,016
Плотность — 1440 кг/м^3
Температура разложения — 423 К

И его используют (но редко) в качестве окислителя. Причина: на 1 молекулу кислорода образуется две молекулы воды+имеет низкий импульс. Нестоек, склонен к разложению, что при используемой концентрации (95%) приводит фактически к взрыву. Однако благодаря этому свойству активно используется как однокомпонентное топливо на КА (например на ИСЗ AST-1) или в качестве вспомогательного топлива для привода ТНА.

По большому счёту на этом список более-менее реальных окислителей исчерпывается.
Акцентирую внимание на HCl. Хлорная кислота (которая из-за Iуд сама по себе бесперспективна), при этом представляет интерес в качестве добавки к окислителям, гарантирующей надёжность самовоспламенения топлива.
Можно их классифицировать и так:

В отличие от них горючих гораздо больше.

Горючие

В отличие от окислителей их можно разбить на несколько групп.

Углеводородные горючие.
Низкомолекулярные углеводороды.
Водород.
Гидразиновые топлива («вонючки»).

Группа углеводородов.
Керосин

Условная формула C7,2107H13,2936
Молекулярный вес — 100 (усл.)
Плотность — 834,7 кг/м^3
Температура кипения — 423-588 К

Керосин является на самом деле смесью из различных углеводородов, поэтому появляются страшные дроби (в хим формуле) и «размазанная» температура кипения.
Удобное высококипящее горючее. Используется давно и успешно в советских двигателях и в авиации.Именно на нем до сих пор летают «Союзы». Малотоксичен (пить настоятельно не рекомендую), стабилен. И всё же керосин излишне токсичен.
Минздрав против!

Он так же требует осторожности в обращении:
Существенные плюсы: сравнительно недорог, освоен в производстве.

Пара керосин-кислород идеальна для первой ступени.
Ее удельный импульс на земле 3283 м/с, пустотный 3475 м/с.
Недостатки. Относительно малая плотность. Именно с целью повышения плотности были разработаны синтин (СССР) и RJ-5 (США).
Имеет склонность к отложению смолистых осадков в магистралях и тракте охлаждения, что в последнем случае не лучшим образом сказывается на охлаждении. Удельный импульс мог бы быть и повыше. Керосиновые двигатели наиболее освоены в СССР.

Надо отметить, что в последнее время более корректным названием для горючих на основе керосина становится -«углеводородное горючее», т.к. от керосина, который жгли наши бабушки в лампах он ушел весьма
-как пример.

Низкомолекулярные углеводороды
Метан-CH4

Молекулярный вес — 16,043
Плотность — 420 кг/м^3
Температура кипения — 112 К

Рассматривается как перспективное топливо, в особенности в последнее время, как альтернатива керосину и водороду.
Недорог, распространен, устойчив, малотоксичен. По сравнению с водородом имеет более высокую температуру кипения, а удельный импульс в паре с кислородом выше, чем у керосина: ок. 3234 м/с на земле и ок. 3500 м/с в пустоте.
Неплохой охладитель.
Недостатки. Низкая плотность (вдвое ниже чем у керосина). При некоторых режимах горения может разлагаться с выделением углерода в твердой фазе, что может привести к падению импульса из-за двухфазности течения и резкому ухудшению режима охлаждения в камере из-за отложения сажи на стенках КС. Вероятно это наиболее перспективное горючее. В последнее время идут активные НИОКР в области его применения (наряду с пропаном и природным газом) даже в направлении модификации уже сущ. ЖРД (в частности такие работы были проведены над ).
Или-Raptor:

К этой же группе можно отнести пропан и природный газ. Основные их характеристики как горючих близки (за исключением большей плотности и более высокой
температуры кипения), как и проблемы их использования.

Особняком среди горючих стоит —-H2 (LH2-американское обозначение).
Про: углерод, алюминий, берилий, магний, марганец-отдельная тема.

Молекулярный вес — 2,016
Плотность — 71 кг/м^3
Температура кипения — 20,46 К

Использование пары LOX-LH2 предложено еще Циолковским.

С точки зрения термодинамики идеальное рабочее тело как для самого ЖРД, так и для турбины ТНА. Отличный охладитель, при чем как в жидком, так и в газообразном состоянии. Последний факт позволяет не особо бояться кипения водорода в тракте охлаждения и использовать газифицированный таким образом водород для привода турбины.
Такая схема реализована в Aerojet Rocketdyne RL-10-просто шикарный (с инженерной точки зрения) движок:

Наш аналог (даже лучше, т.к. моложе): РД-0146 (Д, ДМ)—безгазогенераторный жидкостный ракетный двигатель, разработанный Конструкторским бюро химавтоматики в Воронеже.

Особенно эффективен с сопловым насадком из материала «Граурис».

Высокий удельный импульс-в паре с кислородом 3840 м/с. (Из реально используемых это самый высокий показатель). Эти факторы обуславливают пристальный интерес к этому горючему. Экологически чист в паре с экологически чистыми окислителями. Распространен, практически неограниченные запасы. Освоен в производстве. Нетоксичен.
Однако есть очень много ложек дегтя в этой бочке мёда.
1. Чрезвычайно низкая плотность. Все видели огромные водородные баки Энергии и Шаттла. Из-за низкой плотности применим на верхних ступенях РН. Кроме того низкая плотность ставит непростую задачу для насосов — как правило насосы водорода многоступенчатые для того что бы обеспечить нужный массовый расход и при этом не кавитировать.

По этой же причине приходится ставить т.н. бустерные насосы сразу за заборным устройством в баках дабы облегчить жизнь основному ТНА. Насосы водорода для оптимальных режимов требуют также очень высокой частоты вращения.

2. Низкая температура. Перед заправкой необходимо проводить многочасовое захолаживание баков и всего тракта. Я, кстати, видел результаты цифрового моделирования подачи водорода в «теплый» бак. Весьма мучительное занятие — он то начинает заполнять, то испаряется и выталкивает все обратно. Также низкая температура кипения затрудняет хранение.
3. Жидкий водород обладает некоторыми свойствами газа-жидкость сжимаема. Это накладывает дополнительные трудности в проектировании магистралей, циклограммы работы, и особенно насосов.
4. Из-за своего малого молекулярного веса очень проницаем. Это означает, что герметизировать полости с водородом довольно трудно. Ну что, скажете вы, неразъемные соединения можно загерметизировать. Но дело даже не в соединениях трубопроводов. Проблема в том, что на ТНА все щели не замажешь герметиком — там применяются неконтактные уплотнения, особенно на высокооборотных ТНА. И тут эта проблема в купе с огнеопасностью смеси с кислородом встает довольно остро.
5. Большинство металлов имеют свойство поглощать водород — т.н. процесс наводораживания. При этом металл охрупчается, т.е. его св-ва как КМ ухудшаются (а тут еще и низкая температура). Поэтому зачастую поверхности, контактирующие с водородом защищают покрытием, как правило серебром. Это естественно не лучшим образом сказывается на технологичности и стоимости двигателя.
6. Пожароопастность и взрывоопасность. No comments.

Т.о. водород и привлекателен, и неприятен.
Первый закон диалектики: «Единство и борьба противоположностей» /Georg Wilhelm Friedrich Hegel/
Конструкторам хочется выжать из него все-использовать и как рабочее тело турбины, и как охладитель, поэтому как правило конструкции водородников получаются довольно монстроидальными (позже сравню простоту РД-253 и «сумасшедший дом» в лице SSME). Наиболее освоены водородные двигатели в США.
Мы на 3-4 месте сейчас, после Европы, Японии и Китая.

Гидразиновые топлива («вонючки»)

Гидразин-N2H4

Молекулярный вес — 32,048
Плотность — 1010 кг/м^3
Температура кипения — 386,66 К

Довольно распространенное топливо.
Долгохраним, и в этом его главное достоинство. Широко используется в ДУ КА и МБР, т.е. там, где долгохранимость имеет критическое значение. Имеет неплохой импульс с высококипящими окислителями-с азотным тетраоксидом 2860 м/с. Освоен в производстве.
Недостатки: токсичен. Вонюч. Пары гидразина при адиабатном сжатии взрываются.Склонен к разложению, что однако позволяет его использовать как монотопливо для ЖРДМТ. В силу освоенности производства более распространен в США.

Несимметричный диметилгидразин (НДМГ)-H2N-N(CH3)2

Молекулярный вес — 60,102
Плотность — 785 кг/м^3
Температура кипения — 336 К

Широко используется на военных двигателях в следствие своей долгохранимости. Имеет более высокий импульс по сравнению с гидразином — с N2O4 3115 м/с на земле и 3291 м/с пустотный. Самовоспламенятся с азотными окислителями. Освоен в производстве в СССР.
Любимое топливо Не любимое топливо моего ОЗК.

Могу написать целую статью про его гадкие свойства (на основе эксплуатации ЗРК С-200).
Используется как правило с азотными окислителями в ЖРД МБР и КА.
Недостатки: крайне токсичен.Такая же «вонючка». На порядок дороже керосина.

Гидразин чрезвычайно ядовит

Плотность и удельный импульс с основными окислителями ниже керосина с теми же окислителями.
Для повышения плотности часто используют в смеси с гидразином-т.н. аэрозин-50, где 50-это процентное соотношение НДМГ.В силу освоенности производства более распространен в СССР.

По поводу гидразиновых топлив.
«Забыты» монометилгидразин, метилгидразин и пр. Они не так распространены.
Главное достоинство горючих группы гидразина-долгохранимость при использовании высококипящих окислителей. Работать с ними очень неприятно-токсичны горючие, агрессивные окислители, токсичны продукты сгорания. На профессиональном жаргоне эти топлива называют «вонючими» или «вонючками».
Можно с высокой степенью уверенности сказать, что если на РН стоят «вонючие» двигатели, то «до замужества» она была боевой ракетой (МБР).

В последнее время в связи с переходом военных на использование РДТТ, как более удобных в эксплуатации, значение этих топлив снизилось. Их «экологическая» ниша в космонавтике сужается до использования в ДУ КА, где долгохранимость является одним из важных требований.

Итог: рассмотрены основные используемые топлива.
Наиболее распространенными парами на настоящий момент являются:
1. Керосин (УВГ)-кислород.
2. Водород-кислород.
3. N2O4 — НДМГ (гидразин, аэрозин).
4. Кислород — НДМГ (гидразин, аэрозин).
Каковы перспективы дальнейшего развития в этой области?
Вероятно выгоднее доводить ЖРД на уже освоенных топливах, чем начинать НИОКР в области новых топлив, особенно сильно экзотических, как например фтор или пентаборан (сильно токсичен, самовоспламеняется на воздухе и пр.
Повышением конструктивного совершенства можно пока добиться неплохих, а главное быстрых результатов. Например керосин-кислородные движки:
РД-107 Iуд.з= 2450 м/с, а у РД-170 Iуд.з= 3028 м/с.
Это при одинаковом топливе! Улучшение импульса на 600 м/с добились за счет более совершенной схемы и конструкции. Есть еще резервы у химии!
Использование же многих экзотических топлив сопряжено со многими сложными, а иногда и нерешаемыми проблемами. Например как в 60-х, так и в 80-х, да и сейчас фтор остается в качестве «перспективных» окислителей (так сказать «в вечных женихах»).
Т.е. на протяжении 30 лет к нему не подступится, в первую очередь из-за токсичности продуктов сгорания.
Активно начинают «щупать» прежде всего метан. Ведь особых эксплуатационных трудностей он не вызывает, позволяет неплохо поднять давление в камере (до 30 мПа по нек-м источникам) и получить хорошие характеристики. То же самое можно сказать в отношении пропана и природного газа. Еще одним интересным направлением в сторону усовершенствования топлив является металлизация горючих: в горючее добавляются частицы металла-алюминия, бериллия и т.п. Проблемы в данном случае следующие: подача такого топлива, его распыл и двухфазность течения продуктов сгорания. Дальше теории и возможно экспериментов дело пока похоже не пошло.
Использование эффекта свободных радикалов- хорошая персепектива.
Детонационное горение- возможность для рывка.
Кроме использования новых топлив усовершенствуют уже распространенные в направлении повышения плотности. Для криогенных топлив пробуют использования шуги, т.е. взвеси твердых частиц компонента в жидкой фазе.

Другой метод-переохлаждение криогенных компонентов, использование их при температуре значительно ниже Ткип. Это позволяет повысить их плотность. Я знаю, что с кислородом в СССР это неплохо получается. Керосин тоже активно стараются улучшить в сторону повышения плотности и стабильности-синтин и RJ-5 тому пример.

Послесловие: вообще все ракетные ТК (кроме НТК), а так же попытка изготовить их в домашних условиях- очень опасны. Предлагаю внимательно ознакомиться:

Все домашние (гаражные) манипуляции с такими химическими компонентами чрезвычайно опасны и к местам их разлива без ОЗК и противогаза-ЛУЧШЕ не подходить:

Звонить в МЧС. Всё профессионально подберут.

Источники: Качур П. И., Глушко А. В. «Валентин Глушко. Конструктор ракетных двигателей и космических систем», 2008.
М.С.Шехтер. «Топлива и рабочие тела ракетных двигателей», Машиностроение” 1976
На основе работы Факас С.С.»Основы ЖРД. Раздел-рабочие тела», 2001 (www.members.tripod.com)
«Виды топлива и их характеристика.Топливо горючие вещества, используемые для получения тепла. Состав топлива Горючая часть — углерод С — водород Н — сера.» — презентация Оксана Касеева
Филипп Терехов (www.geektimes.ru)