ALICE — ракетный двигатель, работающий на воде⁠⁠

ALICE — ракетный двигатель, работающий на воде

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.

Изображение с сайта: https://www.researchgate.net/figure/Images-from-the-ALICE-fl...

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.

Готовая топливная шашка из льда и алюминия. Изображение с сайта: https://gajitz.com/go-ask-alice-rocket-fuel-made-of-aluminum...

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.

Видео о создании и испытании ALICE

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/2...

https://www.space.com/amp/7429-rocket-fuel-mixes-ice-metal.h...

https://web.archive.org/web/20090827151154/http://www.wpafb....