Kryogent drivmiddel - lavtkogende [komm. 1] flydende raketbrændstof , hvoraf mindst en af komponenterne ( oxidationsmiddel , brændstof ) er kryogen , det vil sige at den har en temperatur under 120 K (−153,15 °C ) [2] . Kryogene brændstofkomponenter omfatter flydende gasser: oxygen , brint , fluor og andre. Det modsatte af kryogene er højtkogende komponenter, det vil sige dem, der kan bruges ved temperaturer over 298 K (24,85 °C) [1] .
Komponenterne i kryogenisk brændsel er flydende gasser med et kogepunkt under 120 K. Den mest almindelige kryogene komponent er flydende oxygen, der bruges som oxidationsmiddel i rumraketter [3] . Parret med ilt kan forskellige typer brændstof bruges. På moderne raketter er disse forskellige varianter af petroleum såvel som kryogene brændstoffer, primært brint [4] . Der udvikles og testes motorer , der bruger flydende metan [5] [6] og naturgas (LNG) [7] som brændstof . Flydende fluor og ozon blev også betragtet som kryogene oxidanter , men på trods af den høje forventede effektivitet fandt de ikke praktisk anvendelse på grund af vanskelighederne ved håndtering, høj eksplosivitet, ekstrem kemisk aggressivitet og toksicitet [8] .
Flydende brint som brændstof og flydende oxygen som oxidationsmiddel gør det muligt at opnå den maksimale effektivitet blandt tilgængelige brændstoffer [9] , denne kombination, som giver den højeste gasudstrømningshastighed under forbrænding, blev foreslået af K. E. Tsiolkovsky som et "referencebrændstof". par”, som han sammenlignede andre mulige raketbrændstofmuligheder med. Efterfølgende, også i betragtning af bekvemmeligheden ved at drive forskellige brændstoffer, foreslog Tsiolkovsky at erstatte brint med kulbrinter med det højest mulige indhold af brint i molekylet [10] . Flydende brint har en lav densitet, hvilket kræver oprettelse af store brændstoftanke, komplicerer og vejer rakettens design og reducerer dens masse-perfektion [komm. 2] [12] . For at øge brændstoftætheden og reducere fordampningstab i moderne raketteknologi anvendes slaggebrint afkølet til en temperatur på 14 K, dvs. det er i en tilstand, hvor både flydende og faste faser er til stede i form af en grov suspension [ 13] .
Gasvæskeprocesser er blevet forbedret i løbet af de seneste årtier med fremkomsten af bedre udstyr og kontrol af varmetab i systemet. Typiske metoder udnytter gassens temperatur, som afkøles hurtigt, når det kontrollerede gastryk slippes. Tilstrækkelig tryksætning og efterfølgende trykaflastning kan gøre de fleste gasser flydende, som illustreret ved Joule-Thomson-effekten [14] .
Selvom det er ret omkostningseffektivt at gøre naturgas til flydende opbevaring, transport og brug, forbruges cirka 10 til 15 procent af gassen under denne proces [15] . Den optimale proces omfatter fire propanafkølingstrin og to ethylenafkølingstrin. Et ekstra kølemiddeltrin kan tilføjes , men de ekstra omkostninger til relateret udstyr er ikke berettiget ud fra et økonomisk synspunkt [16] .
Kryogene komponenter gør det muligt at opnå de højeste værdier af den specifikke impuls blandt de tilgængelige kemiske drivmidler, hvorfor de er meget brugt i løftefartøjer til rumfart [3] . Samtidig er de anvendte kryogene komponenter (ilt, brint, metan) ugiftige og forårsager i tilfælde af spild væsentlig mindre skade på miljøet end højtkogende oxidationsmidler baseret på salpetersyre og dinitrogentetroxid og varianter af raketbrændstof baseret på hydrazinderivater [17] .
Samtidig er kryogene komponenter vanskelige at betjene; på grund af høje fordampningstab kan de ikke transporteres og opbevares uden at tage særlige forholdsregler og uden for specialdesignede og komplekse beholdere og lagerfaciliteter [18] [19] . Missiler, der anvender kryogene drivgaskomponenter, kan ikke tankes op i lang tid og kræver i tilfælde af en opsendelsesforsinkelse kontinuerlig genopfyldning af tanke eller annullering af opsendelsen med brændstoftømning [20] . På rumfartøjer, hvor det er umuligt at organisere den nødvendige grad af termisk isolering på grund af massebegrænsninger, er brugen af kryogene komponenter også begrænset. Derudover kræver de lave temperaturer, som kryogene komponenter skal opbevares ved, et særligt materialevalg og design af brændstoftanke og motorer [3] .
Eksperimentelle raketter med flydende brændstof skabt i 1920'erne - 1930'erne af R. Goddard i USA , Interplanetary Communications Society(VfR) i Tyskland brugte Jet Propulsion Study Group i USSR flydende oxygen som et oxidationsmiddel i kombination med lette kulbrinter og andre typer brændstof. Samtidig eksperimenterede grupperne af L. Crocco i Italien og V. P. Glushko i Leningrad Gas Dynamics Laboratory med højtkogende brændstoffer ved at bruge nitrogentetroxid og salpetersyre som oxidationsmiddel [21] .
På verdens første langtrækkende ballistiske missil " A-4 " ("V-2"), udviklet af Wernher von Braun og adopteret i Tyskland i slutningen af Anden Verdenskrig , var oxidationsmidlet flydende oxygen, og brændstoffet var 75 % ethylalkohol, som tillod, med et lille fald i effektivitet i forhold til kulbrintebrændstoffer, at reducere temperaturen i forbrændingskammeret, forenkle motorens design og øge dens driftstid [21] . Brændstofparret "flydende oxygen - ethylalkohol" blev også brugt på efterkrigsraketter skabt i USSR og USA, såsom " R-1 ", " R-2 ", " R-5 " [22] , " Viking ", " Redstone ", raketfly " X-1 " og andre [4] . De første sovjetiske og amerikanske interkontinentale missiler (" R-7 ", " R-9 ", " Atlas ", " Titan-1 ") og amerikanske mellemdistancemissiler (" Tor ", " Jupiter ") brugte også flydende ilt som et oxidationsmiddel parret med petroleum som brændstof, men kompleksiteten ved håndtering af kryogene komponenter og den lange forberedelsestid før lancering førte til, at højtkogende og senere fast brændsel begyndte at blive brugt på kampmissiler [22] [23 ] .
På grund af deres høje effektivitet anvendes kryogene brændstoffer i vid udstrækning i rumraketter, hvilket gør det muligt at øge nyttelastens masse eller reducere bærerens masse og dimensioner [3] . Den første sovjetiske interkontinentale raket R-7, der brugte flydende ilt som oxidationsmiddel, blev taget ud af drift i slutningen af 1960'erne, men rumkomplekser baseret på den opererer stadig i det 21. århundrede [24] . De næste generationer af Atlas-raketter , der allerede er specielt designet som rumfartøjer, bruger også flydende ilt, som N-1 , Saturn , Zenit , Falcon , Angara og andre. Flydende oxygen bruges også i de øvre stadier af " DM "-familien, hvilket gør det muligt at reducere antallet af indeslutninger og opnå høj nøjagtighed ved opsendelse af rumfartøjer [25] .
Brugen af brændstofparret "flydende oxygen-flydende brint" giver på trods af mange tekniske vanskeligheder store fordele, når det bruges på raketter af tung klasse . Dette par blev brugt på de øverste stadier af Saturn-familiens raketter, Space Shuttle -systemet, bruges på Ariane-5 , Delta-4 , H-IIA- fartøjerne , -scenenCentaurfamiliens raketterChangzheng Den eneste sovjetiske ilt-brint raket, der fløj, var den supertunge Energia [26 ] . Udviklingen af en oxygen-brint øvre trin KVTK til Angara-fartøjet blev annonceret [27] .