Kryogent drivmedel - lågkokande [komm. 1] flytande raketbränsle , vars minst en av komponenterna ( oxidationsmedel , bränsle ) är kryogen , det vill säga den har en temperatur under 120 K (−153,15 °C ) [2] . Kryogena bränslekomponenter inkluderar flytande gaser: syre , väte , fluor och andra. Motsatsen till kryogena är högkokande komponenter, det vill säga de som kan användas vid temperaturer över 298 K (24,85 °C) [1] .
Komponenterna i kryogent bränsle är flytande gaser med en kokpunkt under 120 K. Den vanligaste kryogena komponenten är flytande syre som används som oxidationsmedel i rymdraketer [3] . Parat med syre kan olika typer av bränsle användas. På moderna raketer är dessa olika varianter av fotogen , såväl som kryogena bränslen, främst väte [4] . Motorer utvecklas och testas som använder flytande metan [5] [6] och naturgas (LNG) [7] som bränsle . Flytande fluor och ozon betraktades också som kryogena oxidanter , men trots den höga förväntade effektiviteten hittade de ingen praktisk tillämpning på grund av svårigheten att hantera, hög explosivitet, extrem kemisk aggressivitet och toxicitet [8] .
Flytande väte som bränsle och flytande syre som oxidationsmedel gör det möjligt att erhålla maximal effektivitet bland tillgängliga bränslen [9] , denna kombination, som ger den högsta gasutflödeshastigheten under förbränning, föreslogs av K. E. Tsiolkovsky som ett "referensbränsle par”, som han jämförde andra möjliga raketbränslealternativ med. Därefter, även med tanke på bekvämligheten med att driva olika bränslen, föreslog Tsiolkovsky att ersätta väte med kolväten med högsta möjliga innehåll av väte i molekylen [10] . Flytande väte har en låg densitet, vilket kräver skapandet av stora bränsletankar, komplicerar och väger raketens design och minskar dess massa perfektion [komm. 2] [12] . För att öka bränsletätheten och minska avdunstningsförlusterna i modern raketteknik används slaggväte kylt till en temperatur av 14 K, det vill säga det är i ett tillstånd där både flytande och fasta faser är närvarande i form av en grov suspension [ 13] .
Gasvätskeprocesser har förbättrats under de senaste decennierna med tillkomsten av bättre utrustning och kontroll av värmeförlusten i systemet. Typiska metoder drar fördel av gasens temperatur, som svalnar snabbt när det kontrollerade gastrycket släpps. Tillräcklig trycksättning och efterföljande trycksänkning kan göra de flesta gaser flytande, vilket illustreras av Joule-Thomson-effekten [14] .
Även om flytande naturgas för lagring, transport och användning är ganska kostnadseffektivt, förbrukas cirka 10 till 15 procent av gasen under denna process [15] . Den optimala processen inkluderar fyra propankylningssteg och två etenkylningssteg. Ett ytterligare köldmediesteg kan läggas till , men merkostnaden för relaterad utrustning är inte motiverad ur ekonomisk synvinkel [16] .
Kryogena komponenter gör det möjligt att erhålla de högsta värdena av den specifika impulsen bland de tillgängliga kemiska drivmedlen, varför de används i stor utsträckning i rymdfarkoster [3] . Samtidigt är de kryogena komponenterna som används (syre, väte, metan) giftfria och orsakar vid utsläpp avsevärt mindre skador på miljön än högkokande oxidationsmedel baserade på salpetersyra och dikvävetetroxid och varianter av raketbränsle baserat på hydrazinderivat [17] .
Samtidigt är kryogena komponenter svåra att använda, på grund av höga avdunstningsförluster kan de inte transporteras och lagras utan att särskilda åtgärder vidtas och utanför specialdesignade och komplexa behållare och lagringsanläggningar [18] [19] . Missiler som använder kryogena drivmedelskomponenter kan inte tankas under lång tid och kräver, i händelse av uppskjutningsfördröjning, kontinuerlig påfyllning av tankarna eller avbryter uppskjutningen med bränsletömning [20] . På rymdfordon, där det är omöjligt att organisera den erforderliga graden av värmeisolering på grund av massbegränsningar, är användningen av kryogena komponenter också begränsad. Dessutom kräver de låga temperaturer vid vilka kryogena komponenter måste förvaras ett speciellt val av material och design av bränsletankar och motorer [3] .
Experimentella raketer med flytande bränsle skapade på 1920-1930-talet av R. Goddard i USA , Interplanetary Communications Society(VfR) i Tyskland använde Jet Propulsion Study Group i USSR flytande syre som ett oxidationsmedel i kombination med lätta kolväten och andra typer av bränsle. Samtidigt experimenterade grupperna L. Crocco i Italien och V. P. Glushko i Leningrad Gas Dynamics Laboratory med högkokande bränslen med användning av kvävetetroxid och salpetersyra som oxidationsmedel [21] .
På världens första långväga ballistiska missil " A-4 " ("V-2"), utvecklad av Wernher von Braun och adopterad i Tyskland i slutet av andra världskriget , var oxidationsmedlet flytande syre, och bränslet var 75 % etylalkohol som gjorde det möjligt att, med en liten minskning av verkningsgraden i förhållande till kolvätebränslen, sänka temperaturen i förbränningskammaren, förenkla motorns design och öka dess drifttid [21] . Bränsleparet "flytande syre - etylalkohol" användes också på efterkrigsraketer skapade i Sovjetunionen och USA, såsom " R-1 ", " R-2 ", " R-5 " [22] , " Viking ", " Redstone ", raketplan " X-1 " och andra [4] . De första sovjetiska och amerikanska interkontinentala missilerna (" R-7 ", " R-9 ", " Atlas ", " Titan-1 ") och amerikanska medeldistansmissiler (" Tor ", " Jupiter ") använde också flytande syre som ett oxidationsmedel parat med fotogen som bränsle, men komplexiteten i att hantera kryogena komponenter och den långa förberedelsetiden före lansering ledde till att högkokande och senare fasta bränslen började användas på stridsmissiler [22] [23 ] .
På grund av sin höga effektivitet används kryogena bränslen i stor utsträckning i rymdraketer, vilket gör det möjligt att öka nyttolastens massa eller minska bärarens massa och dimensioner [3] . Den första sovjetiska interkontinentala raketen R-7, som använde flytande syre som oxidationsmedel, avvecklades i slutet av 1960-talet, men rymdkomplex baserade på den fungerar fortfarande under 2000-talet [24] . Nästa generationer av Atlas-raketer , redan specialdesignade som rymdbärare, använder också flytande syre, som N-1 , Saturnus , Zenit , Falcon , Angara och andra. Flytande syre används också i de övre stadierna av " DM "-familjen, vilket gör det möjligt att minska antalet inneslutningar och erhålla hög noggrannhet vid uppskjutning av rymdfarkoster [25] .
Användningen av bränsleparet "flytande syre-flytande väte", trots många tekniska svårigheter, ger stora fördelar när det används på raketer av tung klass . Detta par användes på de övre stadierna av Saturnusfamiljens raketer, rymdfärjesystemet , används på Ariane-5 , Delta-4 , H-IIA , scenenCentaurraketerChangzhengfamiljens Den enda sovjetiska syre-väte-raketen som flög var den supertunga Energia [26 ] . Utvecklingen av en syre-väte övre KVTK för Angara-bäraren tillkännagavs [27] .