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.

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 .

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

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