Kryogenní hnací plyn - nízkovroucí [comm. 1] kapalné raketové palivo , jehož alespoň jedna ze složek ( okysličovadlo , palivo ) je kryogenní , to znamená, že má teplotu nižší než 120 K (−153,15 °C ) [2] . Mezi komponenty kryogenních paliv patří zkapalněné plyny: kyslík , vodík , fluor a další. Opakem kryogenních jsou vysokovroucí komponenty, tedy takové, které lze použít při teplotách nad 298 K (24,85 °C) [1] .
Složkami kryogenního paliva jsou zkapalněné plyny s bodem varu pod 120 K. Nejběžnější kryogenní složkou je kapalný kyslík používaný jako okysličovadlo u vesmírných raket [3] . Ve spojení s kyslíkem lze použít různé druhy paliva. Na moderních raketách jsou to různé druhy petroleje , stejně jako kryogenní paliva, především vodík [4] . Vyvíjejí se a testují motory , které jako palivo využívají zkapalněný metan [5] [6] a zemní plyn (LNG) [7] . Zkapalněný fluor a ozon byly rovněž považovány za kryogenní oxidanty , ale přes vysokou očekávanou účinnost nenašly praktické uplatnění kvůli obtížnosti manipulace, vysoké výbušnosti, extrémní chemické agresivitě a toxicitě [8] .
Kapalný vodík jako palivo a kapalný kyslík jako oxidační činidlo umožňují dosáhnout maximální účinnosti mezi dostupnými palivy [9] , tuto kombinaci, protože poskytuje nejvyšší průtok plynu při spalování, navrhl K. E. Ciolkovsky jako „referenční palivo pár“, se kterým porovnal další možné varianty raketového paliva. Následně, také s ohledem na pohodlí provozu různých paliv, Ciolkovskij navrhl nahradit vodík uhlovodíky s co nejvyšším obsahem vodíku v molekule [10] . Kapalný vodík má nízkou hustotu, což vyžaduje vytvoření velkých palivových nádrží, komplikuje a váží konstrukci rakety a snižuje její hmotnostní dokonalost [comm. 2] [12] . Pro zvýšení hustoty paliva a snížení ztrát odpařováním v moderní raketové technice se používá struskový vodík ochlazený na teplotu 14 K, to znamená, že je ve stavu, kdy je přítomna kapalná i pevná fáze ve formě hrubé suspenze [ 13] .
Procesy zkapalňování plynu se v posledních desetiletích zlepšily s příchodem lepších zařízení a kontroly tepelných ztrát v systému. Typické metody využívají teplotu plynu, který se rychle ochladí, když se uvolní řízený tlak plynu. Dostatečné natlakování a následné odtlakování může zkapalnit většinu plynů, jak ukazuje Joule-Thomsonův jev [14] .
Ačkoli je zkapalňování zemního plynu pro skladování, přepravu a použití poměrně nákladově efektivní, během tohoto procesu se spotřebuje přibližně 10 až 15 procent plynu [15] . Optimální proces zahrnuje čtyři stupně chlazení propanu a dva stupně chlazení etylenu. Lze přidat další chladicí stupeň , ale dodatečné náklady na související zařízení nejsou z ekonomického hlediska oprávněné [16] .
Kryogenní komponenty umožňují získat nejvyšší hodnoty specifického impulsu mezi dostupnými chemickými pohonnými hmotami, a proto jsou široce používány v kosmických nosných raketách [3] . Použité kryogenní složky (kyslík, vodík, metan) jsou zároveň netoxické a v případě rozlití způsobují podstatně menší škody na životním prostředí než vysokovroucí oxidační činidla na bázi kyseliny dusičné a oxidu dusného a různé druhy raketové palivo na bázi derivátů hydrazinu [17] .
Kryogenní komponenty jsou zároveň náročné na provoz, kvůli vysokým ztrátám odpařováním je nelze přepravovat a skladovat bez zvláštních opatření a mimo speciálně navržené a složité kontejnery a skladovací zařízení [18] [19] . Střely využívající komponenty kryogenní pohonné hmoty nelze dlouhodobě doplňovat a v případě zpoždění startu vyžadují průběžné doplňování nádrží nebo zrušení startu s vypuštěním paliva [20] . U kosmických dopravních prostředků, kde není možné zajistit požadovaný stupeň tepelné izolace z důvodu omezení hmotnosti, je také omezeno použití kryogenních komponent. Navíc nízké teploty, při kterých musí být kryogenní komponenty udržovány, vyžadují speciální výběr materiálů a konstrukci palivových nádrží a motorů [3] .
Experimentální rakety na kapalné palivo vytvořené ve 20. - 30. letech 20. století R. Goddardem v USA , Interplanetary Communications Society(VfR) v Německu , Jet Propulsion Study Group v SSSR používal kapalný kyslík jako oxidační činidlo v kombinaci s lehkými uhlovodíky a jinými druhy paliva. Ve stejné době skupiny L. Crocco v Itálii a V. P. Glushko v Leningrad Gas Dynamics Laboratory experimentovaly s vysokovroucími palivy využívajícími jako oxidační činidlo oxid dusnatý a kyselinu dusičnou [21] .
U první balistické střely dlouhého doletu na světě " A-4 " ("V-2"), vyvinuté Wernherem von Braunem a přijaté v Německu na konci druhé světové války , byl okysličovadlem kapalný kyslík a palivo bylo 75 % etylalkoholu , což umožnilo s mírným poklesem účinnosti oproti uhlovodíkovým palivům snížit teplotu ve spalovacím prostoru, zjednodušit konstrukci motoru a prodloužit jeho provozní dobu [21] . Palivová dvojice "kapalný kyslík - etylalkohol" byla také použita na poválečných raketách vytvořených v SSSR a USA, jako " R-1 ", " R-2 ", " R-5 " [22] , " Viking “, „ Redstone “, raketové letadlo „ X-1 “ a další [4] . První sovětské a americké mezikontinentální rakety (" R-7 ", " R-9 ", " Atlas ", " Titan-1 ") a americké střely středního doletu (" Tor ", " Jupiter ") také využívaly kapalný kyslík jako okysličovadlo spárované s petrolejem jako palivem, nicméně složitost manipulace s kryogenními součástmi a dlouhá předstartovní příprava vedly k tomu, že se na bojové střely začala používat vysokovroucí a později tuhá paliva [22] [23 ] .
Kryogenní paliva jsou díky své vysoké účinnosti široce používána v kosmických raketách, což umožňuje zvýšit hmotnost užitečného zatížení nebo snížit hmotnost a rozměry nosiče [3] . První sovětská mezikontinentální raketa R-7, která jako okysličovadlo používala kapalný kyslík, byla vyřazena z provozu na konci 60. let, ale vesmírné komplexy na ní založené fungují i v 21. století [24] . Další generace raket Atlas , již speciálně navržené jako vesmírné nosiče, využívají také kapalný kyslík, jako N-1 , Saturn , Zenit , Falcon , Angara a další. Kapalný kyslík se také používá ve vyšších stupních rodiny " DM ", což umožňuje snížit počet inkluzí a získat vysokou přesnost při vypouštění kosmických lodí [25] .
Použití palivové dvojice "kapalný kyslík - kapalný vodík" poskytuje navzdory mnoha technickým potížím velké výhody při použití na raketách těžké třídy . Tento pár byl použit na horních stupních raket rodiny Saturn, systému Space Shuttle , používá se na nosičích Ariane-5 , Delta-4 , H-IIA , CentaurstupniChangzhengraketách rodiny Jediná sovětská kyslíko-vodíková raketa, která létala, byla supertěžká Energija [26 ] . Byl oznámen vývoj kyslíkovo-vodíkového horního stupně KVTK pro nosič Angara [27] .