Что такое маршевый двигатель ракеты

Как устроены ракетные двигатели (3 минуты чтения и все понятно)

Двигатели космических ракет тема широко обсуждаемая. Но не все читатели и комментаторы, в общем-то, представляют, как они устроены. Небольшой и короткий ликбез, да еще и с примерами.

Отличие от авиационных, автомобильных и других.

Их много. Но для целей этой статьи важно одно. Ракетным двигателям для работы нужно не только горючее, но и окислитель.

Нам кажется привычным – залил бензин (горючее) в бензобак и поехал. С ракетой так не получится. Автомобильные, авиационные, судовые и другие двигатели работают в условиях плотной кислородсодержащей (окислитель) атмосферы Земли.

Кислород, как известно, необходим для поддержания горения. Ракета плотные слои атмосферы преодолевает в течение короткой стадии полета, сразу же после старта. Поэтому, взять кислород для работы своих двигателей из атмосферы ракета она не может. И поэтому ее заправляют не только горючим , но и окислителем , как правило, кислородом.

Итак, ракетное топливо двухкомпонентное .

Само горючее , как правило это:

Почему «окислитель»? Потому что горение, это и есть химическая реакция окисления, сопровождающаяся высокой скоростью реакций и выделением теплоты и света. (Кстати, образование ржавчины, тление и многие другие процессы также являются окислением, только не столь быстрым)

Есть топливные пары без кислорода. Например, гептил (горючее) – тетраоксид диазота (окислитель). Такая пара используется в двигателях ракет семейства «Протон». Гептил очень токсичен.

Виды движения в атмосфере

Может показаться, что с этого следовало начать статью. Может быть.

Чтобы добраться до космоса, «нужно пролететь атмосферу». Итак, есть несколько видов движения в атмосфере:

Это движение тела в пространстве под действием внешних сил. Снаряды и пушечные ядра, боеголовки баллистических ракет и так далее – все это баллистическое движение. «Вагон-снаряд» отправленный на Луну французским писателем Жюлем Верном в научно-фантастическом романе «Из пушки на Луну», также.

Для создания подъемной силы используется заключенный в оболочке газ (или нагретый воздух) с плотностью меньшей, чем плотность окружающего воздуха.

Воздушные шары, аэростаты, дирижабли — все это летательные аппараты легче воздуха. Американская компания World View собиралась отправлять таким образом туристов в «ближний космос» (какой хороший маркетинговый термин), то есть на высоту 30 километров.

Подъемная сила создается крылом самолета благодаря поступательному движению летательного аппарата, которое сообщает ему силовая установка — авиационный двигатель.

И наконец, Реактивное движение

Ракетные двигатели — это реактивные двигатели.

Под реактивным движением тела понимают такое движение, которое возникает при отделении от тела (ракеты) некоторой его части (горячие газы из сопла двигателя под высоким давлением) с определенной скоростью относительно него.

Таким образом, ракетный двигатель выбрасывает массу (горящее топливо) в одном направлении, а сам движется в противоположном. Процесс горения ускоряет массы топлива так, что они выходят из сопла ракеты на высокой скорости.

Это были принципы, теперь к устройству.

Начнем с простого

В жидкостных ракетных двигателях топливо и окислитель находятся в жидком состоянии в двух раздельных резервуарах. По трубопроводам они попадают в камеру сгорания. Здесь они перемешиваются и сгорают, создавая поток горячих газов с высокой скоростью и давлением. Эти газы проходят через сопло, которое еще больше их ускоряет, а после выходят, образуя реактивную тягу.

Читайте также:  Где находится датчик температуры двигателя мазда премаси

Кажется все просто? На самом деле нет!

Первая инженерная задача

Здесь и далее последовательность задач дана только для упрощения объяснения.

Ввиду высокой температуры горения, и значительного количества выделяемого тепла, даже малой его части достаточно для термического разрушения двигателя. Стенки камеры двигателя и сопло нужно охлаждать.

Но чем? Нужно максимально простое решение, чтобы не усложнять двигатель и не увеличивать его вес.

Самое распространенное: охлаждать одним из компонентов топлива, как правило, это горючее. В стенке камеры сгорания и верхней, наиболее нагреваемой части сопла создаются полости («рубашка охлаждения»), через которые перед поступлением в форсуночную головку камеры сгорания проходит горючее. Таким образом, холодная жидкость сначала циркулирует вокруг перегретых частей двигателя, чтобы охладить их, а затем попадает в камеру сгорания.

Компоненты топлива во многих случаях охлаждаются до более низких температур. Это позволяет повысить их плотность и поместить большее количество топлива в топливные баки. Даже керосин. Например, в Falcon 9 керосин охлаждается с 21 °C до −7 °C. Пр этом его плотность увеличивается на 2,5 %.

Вторая инженерная задача

Компоненты топлива сами в камеру сгорания не будут поступать. Нужны насосы. Они будут создавать высокое давление, чтобы преодолеть давление, которое создает в камере сгорания сжигаемое топливо.

Но нам снова, нужно чтобы двигатель и ракета были максимально простыми и легкими (насколько это можно). Решение нашлось. Часть топлива используется для работы насосов. Оно подается в небольшую камеру «предварительного» сгорания – газогенератор. Горячий газ из нее приводит в действие турбину, она – приводит в действие топливные насосы. Турбина одна. Насосов два – на одном валу.

Что дальше?

Что делать с топливом, которое прошло через газогенератор. Его после раскручивания турбины можно сбрасывать наружу. Именно так устроен двигатель Merlin (кислородно-керосиновый), используемый SpaceX на ракетах Falcon 9. Это, так называемая открытая схема.

Схема проста, но недостаточно эффективна. В создании тяги ракетного двигателя топливо, прошедшее через газогенератор, напрямую не участвует, а место в ракете занимает.

Можно его дожигать в камере сгорания. Как, например, в РД-180 (кислородно-керосиновый), который покупают у нас американцы для установки на первую ступень ракет семейства «Атлас» начиная с Atlas III.

Двигатель РД-180 это практически все самые известные космические миссии, которыми так гордится NASA: миссия к Плутону «Новые горизонты», миссия к Луне LRO и Марсу MRO, миссия к Юпитеру «Юнона», «Обсерватория солнечной динамики», «Марсианская научная лаборатория» (Curiosity), марсианский геолог и InSight, полет за грунтом астероида Бенну (OSIRIS-REx) аппарат для исследования атмосферы Марса MAVEN и многое другое.

Это схема называется закрытой. Горячий газ вначале вращает турбину турбонасосного агрегата, а затем подается в камеру сгорания, эффективно участвуя в создании тяги ракетного двигателя. Топливо не пропадает и полностью участвует в создании тяги. Такой двигатель гораздо сложнее. В двигателе закрытой схемы можно пропустить больше газа через турбонасосный агрегат, а значит, больше поднять давление в камере сгорания. Чем больше давление в камере сгорания, тем больше тяга. Высокое давление – большая эффективность двигателя.

Однако у него есть недостатки — высокая нагрузка на турбину двигателя, относительно высокие сложность и стоимость.

Зато двигатели Merlin имеющие низкое давление в камере сгорания достаточно просты в производстве и дешевы. Именно на них Илон Маск потеснил «Роскосмос» на рынке космических запусков и запустил в космос родстер Tesla .

Читайте также:  Драйвер для шагового двигателя uln2003 схема

Усложняем дальше

А еще можно все топливо пропускать через газогенератор . Такая схема называется полнопоточная закрытая. Мы делали такой двигатель в 60-х (РД-270), но в таких двигателях нужно два газогенератора и два турбонасосных агрегата, которые ведут в одну камеру сгорания и работают параллельно.

Однако в РД-270 наблюдались низкочастотные пульсации в газогенераторе и камере. Возникла проблема в синхронизации совместной работы двух турбонасосных агрегатов. Они пытались пересилить друг друга и стабилизировать их без помощи быстродействующего бортового компьютера не удалось. Но такого в то время еще не было.

В феврале этого года Илон Маск объявил результаты тестирования двигателя Raptor (кислородно-метановый). Его получат ракета Super Heavy и корабль Starship. По заявлениям Маска его характеристики лучше, чем у РД-180. Высокое давление в камере сгорания обеспечено именно полнопроточной закрытой схемой.

Можно ли лучше?

Если проект Маска будет успешен, нам нужно будет делать что-то еще лучшее. Возможно, развивать трехкомпонентные двигатели многократного использования. При запуске такой двигатель работал бы на паре кислород/керосин, а на больших высотах керосин заменялся бы водородом.

Использование в одном двигателе комбинации двух горючих – углеводородного, обладающего высокой плотностью, и водорода, обеспечивающего высокие значения удельного импульса, может расширить возможности ракет-носителей.

Такой подход, позволит создать одноступенчатую возвращаемую ракету-носитель и заметно удешевить космические запуски и в будущем.

Несколько пояснений

Здесь, как видно из примеров, раскрыта самая популярная классическая схема, которая массово используется для выведения в открытый космос космических аппаратов: жидкостный ракетный двигатель. Но это все, что можно рассказать за три минуты.

А в целом ракетные двигатели делятся на:

Химические ракетные двигатели бывают жидкостными и твердотопливными (ускорители космического челнока Space Shuttle, например).

Но есть еще и гибридные двигатели использующий компоненты ракетного топлива в разных агрегатных состояниях — жидком и твердом. Например, двигатель космического челнока SpaceShipOne работающий на полибутадиене (твердый) и закиси азота (жидкость).

Источник

Маршевый ракетный двигатель

Маршевый ракетный двигатель

Маршевый ракетный двигатель – основной двигатель ракеты, который позволяет разогнать ее до необходимой скорости, например до первой космической скорости.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Читать книгу целиком

Похожие главы из других книг:

Бустерный ракетный двигатель

Бустерный ракетный двигатель Бустерный ракетный двигатель относится к классу ракетных двигателей, использующих для подачи топлива механические насосы. В этом типе ракетных двигателей применяются бустерные турбонасосные агрегаты. На сегодняшний день одним из самых

Верньерный ракетный двигатель

Верньерный ракетный двигатель Верньерный ракетный двигатель – ракетный двигатель, который предназначен для обеспечения управления ракетой-носителем на активном участке. Иногда используется название «рулевой ракетный

Воздушно-ракетный двигатель

Воздушно-ракетный двигатель Воздушно-ракетный двигатель представляет собой комбинированный воздушно-реактивный и ракетный двигатель. При создании комбинированного двигателя руководствовались возможностью сочетать характеристики обоих типов прямоточных двигателей

Вспомогательный ракетный двигатель

Вспомогательный ракетный двигатель Вспомогательный ракетный двигатель – разновидность ракетных двигателей, используемых для решения каких-либо конкретных задач. Отличается небольшими размерами и маленьким весом, что позволяет добавить полезного груза на борт и

Высокочастотный ракетный двигатель

Высокочастотный ракетный двигатель Высокочастотный ракетный двигатель – разновидность электротермического ракетного

Газовый ракетный двигатель

Газовый ракетный двигатель Газовый ракетный двигатель – ракетный двигатель, который использует в качестве рабочего тела газ. Газ сохраняют под высоким давлением либо могут получать испарением жидких или твердых веществ. Конструктивно может быть предусмотрена

Гелиотермический ракетный двигатель

Гелиотермический ракетный двигатель Гелиотермический ракетный двигатель – разновидность солнечных ракетных двигателей.Использование энергии солнечных лучей в работе ракетных двигателей существенно повышает экономичность космических полетов. Ф. А. Цандер в своих

Жидкостный ракетный двигатель

Жидкостный ракетный двигатель Жидкостный ракетный двигатель – разновидность химического ракетного двигателя.В жидкостном ракетном двигателе химическая энергия топлива в камере сгорания преобразуется в тепловую, после чего в выходном сопле происходит преобразование

Читайте также:  Неисправность вентилятора двигателя на ситроен с4

Источник

Какие ракетные двигатели будущего для освоения Солнечной системы создаются уже сегодня?

Наша Солнечная система богата всевозможными ресурсами, способными обеспечить человеческую цивилизацию на десятки тысяч лет, а может быть, и больше. Планы по освоению Солнечной системы серьёзно обсуждаются на самом высоком уровне. Так, президент США Дональд Трамп даже подписал соответствующий указ о начале коммерциализации космического пространства.

Лететь к другим звёздам — это очень заманчиво, но для начала давайте хотя бы отправим человека на Марс, Титан (спутник Сатурна). Давайте доберёмся до пояса Койпера и проверим, существует ли облако Оорта.

Вот на этом мы сегодня и остановимся. Так как ближайшая перспектива – это не полёты к другим звёздам, а освоение Солнечной системы.

На что способны существующие ракетные двигатели? Какое время потребуется на то, чтобы покорить с помощью них Солнечную систему?

Если учитывать опыт путешествий космических зондов, то их скорость совсем невелика по меркам космического пространства, но стоит принимать во внимание их малое энергопотребление, отсутствие систем жизнеобеспечения и т.п., так как они являются беспилотниками.

Но всё равно, учитывая скорость современных космических аппаратов, за 4-5 месяцев можно долететь до Венеры, а за 5-6 — до Меркурия. С Марсом уже сложнее — до него лететь от полугода до 9 месяцев, и это при самом близком орбитальном сближении с Землёй. Если сближение не учитывать, то путешествие может занять до двух лет. До пояса астероидов между Марсом и Юпитером, который является богатым источником ресурсов, лететь придётся около 2-3 лет. До Юпитера лететь почти 5 лет, до Сатурна — почти 7 лет, к Урану — 9 лет, к Нептуну — 11 лет. К Плутону аппарат «Новые горизонты» целенаправленно летел 9,5 лет. Пояс Койпера тот же аппарат достиг спустя 13 лет. Для подтверждения существования облака Оорта придётся проделать путешествие длительностью 3-5 тысяч лет. А чтобы преодолеть сферу Хилла, которая определяет гравитационную границу Солнечной системы, придётся лететь около 10 тысяч лет. Ну и до ближайшей к нам звезды «Проксима Центавра» лететь 20-80 тысяч лет.

Понятное дело, что никакой коммерческой выгоды от освоения Солнечной системы без применения новых технологий перемещения в космосе мы не получим.

На сегодняшний день разрабатывается несколько проектов, направленных на значительное сокращение времени полёта до любого объекта Солнечной системы. И в основе этих проектов лежит реактивная тяга.

В отсутствие точки опоры в космосе, передвижение там представляется проблематичным, так как мы не можем, как на Земле, отталкиваться от суши, воды, или воздуха. Своеобразную точку опоры для движения в космосе нужно создавать принудительно.

Уже сегодня ракетные двигатели работают на максимальном пределе прочности современных материалов, и сколь-нибудь существенно увеличить их эффективность не получится (всё, на что мы можем ещё рассчитывать — это 1-3%). Далее наступает физический предел.

Есть надежны на детонационные каретные двигатели, но там есть свои большие нерешенные проблемы.

Так что удел таких двигателей – это вывод на орбиту полезного груза, полёты до Луны и, может быть, до Марса.

Следующие используемые двигатели в космосе являются тоже реактивными, но реактивная тяга непосредственно создаётся электричеством.

Электрические ракетные двигатели (ЭРД) — это целый класс реактивных двигателей, которые впервые использовали в 1964 году на советском межпланетном космическом аппарате «Зонд-2» в его системе ориентации.

Источник

Adblock
detector