Летенето в космоса без съмнение е едно от най-удивителните постижения на нашата цивилизация. Известният Гагарин "тръгвай!" и първата стъпка на Армстронг по лунната повърхност - исторически етапи по пътя към далечни планети и други звездни системи. Нищо нямаше да се случи без ракетни двигатели, което ни позволи да преодолеем гравитационната сила на планетата и да дадем възможност да отидем в орбита на Земята.
Устройството на ракетния двигател, от една страна, е толкова просто, че можете да го построите у дома, като харчите буквално три копейки върху него. Но, от друга страна, проектирането на космически и военни ракети е толкова сложно, че само няколко държави в света имат своята производствена технология.
Ракетният двигател (RD) е вид реактивен двигател, чието работно тяло и източник на енергия са директно на борда на самолета. Това е основната му разлика от реактивните двигатели. По този начин пътеката за рулиране не зависи от кислорода в атмосферата и следователно може да се използва за полети в космическо (безвъздушно) пространство.
Русия е един от световните лидери в областта на ракетните двигатели. Наследството, наследено от Съветския съюз, е впечатляващо. Вътрешната промишленост е в състояние да произвежда най-добрите ракетни двигатели с различно предназначение. Доказателство за това е ракетният двигател RD-180, който се използва в американския атлас. Доставките за САЩ започнаха през 2000 г. и продължават и до днес. Има и други интересни събития и ние говорим не само за мощни двигатели за космически или балистични ракети, но и за пътеки за рулиране за различни оръжейни системи.
В момента най-често срещаните т. Нар. Химични ракетни двигатели, при които се формира специфичният импулс поради изгарянето на горивото. Освен тях има и ядрени и електрически двигатели. В тази статия ще говорим за това как работи ракетният двигател, разкажете за неговите предимства и недостатъци, както и за настоящата класификация на пътеките за рулиране.
Някои физика или как работи
Различните видове ракетни двигатели имат значителни различия в дизайна, но работата на всеки от тях се основава на известния трети закон на Нютон, който гласи, че "всяко действие има еднаква съпротива". RD излъчва струя работен флуид в една посока и сама, в съответствие с нютоновия постулат, се движи в обратна посока. Продуктите на изгаряне на гориво преминават през накрайника, образувайки глад - това са основите на теорията на ракетните двигатели.
Ако стоите в лодката, хвърляте камък от кърмата, тогава вашият кораб ще отплава малко напред. Това е визуалният модел на функционирането на всички ракетни двигатели. Друг пример е работата на пожарен маркуч, от който водата се изхвърля под високо налягане. За да го задържите, трябва да направите малко усилия. Ако поставите пожарникар на скейтборд и му дадете маркуч, той ще се движи с доста висока скорост.
Основната характеристика, която определя ефективността на такива системи, е тягата (сила на натиск). Тя се формира в резултат на превръщането на началната енергия в кинетичната струя на работния флуид. В метричната система тягата на ракетните двигатели се измерва в нютони, докато американците го преброяват в килограми.
Друг важен параметър на ракетните двигатели е специфичният импулс. Това е съотношението на силата на натиск (или количеството на движение) към разхода на гориво за единица време. Този параметър се счита за степента на съвършенство на дадена писта за движение и е мярка за нейната ефективност.
Химическите двигатели работят поради екзотермичната реакция на изгаряне на гориво и окислител. Този тип RD има два компонента:
- Дюза, в която топлинната енергия се преобразува в кинетична;
- Горивната камера, в която протича процесът на изгаряне, т.е. превръщането на химическата енергия на горивото в топлина.
От историята на този брой
Ракетният двигател е един от най-старите типове двигатели, известни на човечеството. Не можем да отговорим точно на въпроса кога точно е направена първата ракета. Има предположение, че това е направено от древните гърци (дървеният гълъб на архитекта на Тарент), но повечето историци смятат, че Китай е родното място на това изобретение. Това се случи около 3-ти век след Христа, малко след откриването на барут. Първоначално ракетите бяха използвани за фойерверки и други развлечения. Ракетният двигател на прах беше доста ефективен и лесен за производство.
Смята се, че тези технологии дойдоха в Европа някъде през XIII век, те изучавали английския натуралист Роджър Бейкън.
Първата бойна ракета е разработена през 1556 г. от Конрад Хаас, който е изобретил различни видове оръжия за император Фердинанд I. Този изобретател може да бъде наречен първият създател на теорията на ракетните двигатели, той е автор на идеята за многостепенна ракета - механизъм на работа на самолет, състоящ се от от две ракети. Проучването е продължено от поляк Казимир Семенович, който е живял в средата на 17 век. Всички тези проекти обаче останаха на хартия.
Практическото използване на ракети започна само през XIX век. През 1805 г. британският офицер Уилям Конгрев показа прахови ракети, които по онова време имаха безпрецедентна мощност. Презентацията беше впечатлена и ракетите на Congreve бяха приети от британската армия. Основното им предимство, в сравнение с цевта, е високата мобилност и сравнително ниската цена, а основният недостатък е точността на огъня, което оставя много да се желае. Към края на 19-ти век нарезните пушки бяха широко разпространени, стреляха много точно, така че ракетите бяха свалени от експлоатация.
В Русия този въпрос беше разгледан от генерал Засядко. Той не само подобри ракетите Congrive, но и първи предложи да ги използва за полет в космоса. През 1881 г. руският изобретател Кибалчич създава своя собствена теория за ракетните двигатели.
Друг наш сънародник, Константин Циолковски, направи огромен принос за развитието на тази технология. Сред неговите идеи е течен ракетен двигател (LRE), работещ върху смес от кислород и водород.
В началото на миналия век ентусиастите в много страни по света са били ангажирани със създаването на течен РД, първият, който успява да успее, е американският изобретател Робърт Годард. Неговата ракета, работеща върху смес от бензин и течен кислород, успешно стартира през 1926 година.
Втората световна война е период на връщане на ракетни оръжия. През 1941 г. инсталацията на залповия огън БМ-13, известната Катюша, е приета от Червената армия, а през 1943 г. германците започват да използват балистичния В-2 с ракетни двигатели с течно гориво. Той е разработен под ръководството на Вернер фон Браун, който по-късно оглавява американската космическа програма. Германия също усвои производството на KR V-1 с реактивен реактивен двигател.
След края на войната между СССР и САЩ започна истинска ракетна надпревара. Съветската програма бе ръководена от Сергей Королев, изтъкнат дизайнер на ракетни двигатели, под негово ръководство беше създаден вътрешният МБР R-7, а по-късно и първият изкуствен спътник.
През годините са правени опити за създаване на ракетни двигатели, работещи за сметка на енергията на ядрения разпад (синтез), но никога не е стигало до практическо използване на такива електроцентрали. През 70-те години в СССР и САЩ започва използването на електрически ракетни двигатели. Днес те се използват за коригиране на орбитите и хода на космическите кораби. През 70-те и 80-те години има експерименти с плазмени рентгенови дихателни пътища, за които се смята, че имат добър потенциал. Високи надежди се дължат на йонни ракетни двигатели, чието използване теоретично би могло значително да ускори космическия кораб.
Въпреки това, досега почти всички тези технологии са в зародиш, а основното средство на космическите изследователи остава добрата стара химическа ракета. В момента американският F-1, който участва в лунния проект, и съветския RD-170/171, който беше използван в програмата "Energy-Buran", се състезават за титлата "най-мощният ракетен двигател в света".
Какви са те?
Класификацията на ракетните двигатели се основава на метода за получаване на енергия за отхвърляне на работния флуид. Въз основа на този параметър пътеките за рулиране са:
- химически;
- ядрена (термоядрена);
- електрически (електрически ракети);
- газ.
Всеки от горните типове може да бъде разделен на по-малки категории. Химическите двигатели (HDR), например в зависимост от агрегираното състояние на горивото, са твърдо гориво и течно гориво. Има и хибриден хибриден ракетен двигател (GRD). HDR включва също клинов въздушен ракетен двигател, който има различна форма и дизайн на дюзата. Има газова фаза и твърдофазна ядрена РД. Има няколко вида електроцентрали.
Химически RD: предимства и недостатъци
Този тип ракетни двигатели е най-често срещаният и добре усвоен. Можем да кажем, че това е HRD, което дава пространство на човечеството. Той работи поради екзотермична химическа реакция, като и горивото, и окислителят са на борда на самолета и заедно образуват горивото. Той също така служи като източник на енергия и основа за работния флуид.
Твърдите дискове имат относително малък специфичен импулс (в сравнение с електрически), но им позволяват да развият по-голяма тяга. Това е особено важно за изстрелване на ракетни двигатели и при премахване на полезни товари в орбита.
В течните двигатели окислителят и горивото са в течна фаза. С помощта на горивната система те се подават в камерата, където се изгарят и преминават през дюзата.
В твърдо гориво RD, смес от гориво и окислител се поставя директно в горивната камера. Като правило, горивото има формата на пръчка с централен канал. Процесът на изгаряне преминава от центъра към периферията, газовете, излизащи през дюзата, образуват тяга. Тези двигатели имат няколко предимства: те са относително прости, евтини, екологични и надеждни.
Недостатъците на химическия двигател с твърдо гориво включват ограничената продължителност на експлоатацията му, малък индикатор за специфичния импулс (в сравнение с течните XRD) и невъзможността за рестартиране - след стартирането вече не може да бъде спрян. Горепосочените характеристики определят обхвата на използване на твърди ракетни пътеки - това са балистични и метеорологични ракети, ракети, ракети, ракети, ракетни снаряди за волейболни системи. Твърди горива се използват и при стартиране на ракетни двигатели.
Течните пътеки за рулиране имат по-висок специфичен импулс, могат да бъдат спрени и рестартирани отново, а тягата - да регулират. В допълнение, в сравнение с твърдото гориво, те са по-леки и по-компактни. Но има и муха в мехлем: течните двигатели имат сложна структура и висока цена, така че основната област на тяхното използване е астронавтиката.
Като компоненти на горивото за течна XRD се използват различни комбинации. Например, кислород + водород или азотен тетраоксид + асиметричен диметил хидразин. През последните години ракетите с кислород и керосин станаха много популярни. Горивото може да се състои от пет или повече части. Метеновите ракетни двигатели се считат за много обещаващи, днес се занимават със създаването им в няколко страни по света. Сред другите интересни разработки в тази област, можем да споменем така нареченият детонационен ракетен двигател, чието гориво не гори, а експлодира.
Работата по подобряване на HDR не спира, но е вероятно нейните граници вече да са достигнати - дизайнерите са „изстискали“ всичко, което могат, от химическото гориво. Сериозен проблем на HDR е огромната маса гориво, което въздухоплавателното средство трябва да вдигне. И това е диво неефективно. Схемата с подвижни стъпки донякъде подобри ситуацията, но очевидно не се превърна в панацея.
Трябва да се отбележи, че химическите ракетни двигатели се използват не само за изследване на космоса. Намериха използването им на Земята, обаче, основно само във военните дела. Всички бойни ракети, започвайки с малки самолети или противотанкови и завършващи с огромни МБР, са оборудвани с HRA. Преобладаващо, те имат по-прости и по-надеждни двигатели на твърдо гориво. Пример за мирно използване на РЧР са геофизични и метеорологични ракети.
На атомния кораб до звездите!
Течен ракетен двигател даде на човека пространство и помогна да стигнем до най-близките планети. Скоростта на изхвърлените струи от течно гориво не надвишава 4,5-5 m / s, което я прави неподходяща за отдалечени мисии - това изисква десетки метра в секунда. Космическите апарати с човешки права на човека все още могат да доставят човек до най-близките планети - като Марс или Венера - но за да пътуват до отдалечени обекти на Слънчевата система ще трябва да измислим нещо ново. Един от начините за излизане от тази безизходица изглежда е използването на енергия, скрита в атомното ядро.
Ядреният ракетен двигател (ЯРД) е вид електроцентрала, в която работният флуид се нагрява от делене на ядрена енергия или енергия от синтез. В зависимост от състоянието на горивото, тя може да бъде твърда, течна или газова фаза. Като работна среда обикновено се използва водород или амоняк. Тракционният ЯРД е напълно сравним с химическите двигатели, докато те имат висок специфичен импулс. Но има един проблем - замърсяването на атмосферата от радиоактивни изгорели газове.
Историята на ядрените двигатели започна в средата на 50-те години, две държави в света - Съединените щати и Съветския съюз - бяха ангажирани с тяхното практическо създаване. Още през 1958 г. американците поставиха задачата да създадат ДВС за полети до Луната и Марс (програмата NERVA). По същото време съветските дизайнери също се занимават с подобни проблеми. До края на 70-те години е създаден ядрен ракетен двигател RD-0410, но той не е преминал пълни тестове.
В момента най-обещаващите са газофазните ядрени двигатели, в които горивото е в газообразно състояние в специална запечатана колба. Това елиминира контакта с работния флуид и значително намалява вероятността от радиоактивно замърсяване. Въпреки че основните технически проблеми при създаването на НРЕ отдавна са решени, досега никой от тях не е намерил своето приложение на практика. Въпреки, че този конкретен YARD изглежда най-обещаващ от гледна точка на реалното използване.
Електрически ракетни двигатели, техните характеристики, предимства и недостатъци
Друг възможен конкурент, който има шанс да замени HRD, е електрически ракетен двигател (ERE), който използва електрическа енергия за разпръскване на работния флуид.
Идеята за създаването на такава електроцентрала е родена в началото на 20-ти век, а през 30-те години на миналия век съветският учен Глушко го прилага на практика. Активната работа по електрическото задвижване започна в Съединените щати и СССР през 60-те години, а през 70-те години първите ракетни двигатели от този тип вече бяха монтирани на космически кораби.
Съществуват няколко вида ERD:
- електротермични;
- електростатичен;
- електромагнитно;
- плазма.
Електрическите ракетни двигатели имат висока специфична скорост на импулса, което им позволява да консумират икономично работната течност, но също така се нуждаят от много енергия, което е сериозен проблем. Досега единственият реален източник за електрическо задвижване са слънчевите панели. Те имат ниска тяга, която не им позволява да се използват в атмосферата на Земята - ракетният двигател от задвижващия двигател определено няма да работи. В момента те се използват като маневрени - за корекция на орбитите на космически кораби.
