Какие двигатели используют на космических кораблях

Двигатель для космолета: на чём люди полетят в дальний космос

Многие специалисты считают именно английский проект самым революционным: если США и СССР развивали традиционные ракетные технологии, заложенные еще Вернером фон Брауном, то Великобритания решила создать принципиально новый воздушно-космический самолет. Самим аппаратом занималась British Aerospace, а уникальный воздушно-реактивный двигатель должна была разработать компания Rolls-Royce. Планировалось, что HOTOL будет взлетать с разгонной аэродромной тележки, двигатель начнет работать в воздушно-реактивном режиме (до высоты около 28 км), используя в качестве окислителя забортный воздух, после чего перейдет в режим классического ракетного жидкостного двигателя. Создание такого двигателя и сейчас задача почти фантастическая, что же говорить о восьмидесятых годах. Довольно скоро Rolls-Royce столкнулась с рядом трудностей, повлекших незапланированный рост затрат на исследовательские работы. В итоге British Aerospace решила отказаться от революционного двигателя и вступить в кооперацию с СССР, переименовав проект в Interim HOTOL. Аппарат планировали оснастить советскими ЖРД и запускать с модифицированного самолета Ан-225. Сотрудничество началось в 1991-м, однако в этом же году Советский Союз закончил свое существование, похоронив под своими обломками и совместный проект.

HOTOL Беспилотный аппарат был предназначен для доставки полезной нагрузки массой около 7−8 т на низкую орбиту высотой 300 км. Он должен был взлетать с взлетно-посадочной полосы, размещаясь на фюзеляже большого самолета-носителя с ракетными ускорителями, которые должны были помочь разогнать аппарат до скоростей, оптимальных для работы его двигателей. Двигатели должны были переключаться с воздушно-реактивного на ракетный режим работы при достижении аппаратом скорости в 5−7 М.

Три в одном

Не все были согласны с таким положением дел. После сворачивания работ над RB545 в 1989 году ведущий конструктор двигателя Алан Бонд забрал с собой двух инженеров Rolls-Royce и основал собственную компанию — Reaction Engines. Она сосредоточилась на создании гибридного двигателя SABRE (Synergistic Air-Breathing Rocket Engine) и разработке других технологий для воплощения проекта космоплана Skylon. Многие эксперты считают, что проект SABRE способен перевернуть современную космонавтику и сделать возможным создание одноступенчатого космического аппарата. Он может работать на первом этапе полета как турбореактивный двигатель, в качестве окислителя забирая забортный воздух. На втором этапе — как прямоточный двигатель, а на третьем — как обычный ракетный двигатель, используя внутренний бортовой окислитель.

Идея одноступенчатого многоразового воздушно-космического аппарата (SSTO, Single Stage to Orbit) далеко не нова, но на пути ее воплощения стоит ряд препятствий — низкий уровень весовой отдачи конструкции и недостаточный удельный импульс существующих ракетных двигателей. Это взаимосвязанные параметры: повысив удельный импульс (который показывает, сколько секунд данный двигатель сможет создавать тягу в 1 Н, истратив при этом 1 кг топлива), вы можете получить ту же тягу с меньшим расходом топлива и окислителя, что позволяет сделать конструкцию большей массы. Однако существующие жидкостные ракетные двигатели имеют удельный импульс в вакууме порядка 400 с (рекорд для кислород-водородных КВД1 и RL-10 составляет 462 с, двигатели на экзотических компонентах — например, использующие водород-литий-фтор — позволяют получить на сотню больше, однако с ними столько проблем, что игра не стоит свеч).

Сравнительные размеры многоразовых кораблей Проекты кораблей с двигателями SABRE на фоне существующих челноков смотрятся как звездолеты из «Звездных войн». Это действительно принципиально другие космические аппараты.

Не ракета, не самолет

В то же время двигатели современных авиалайнеров имеют удельный импульс на порядок выше, приближаясь к цифре 6000 с, и даже «прожорливый» двигатель сверхзвукового Concorde имел удельный импульс всего в два раза ниже — 3000 с (почти в десять раз экономичней космической ракеты). Такая радикальная разница из-за иного принципа работы: воздушно-реактивный двигатель на каждую часть топлива использует 14 частей воздуха (если топливо — водород, то 30), а ракетному приходится черпать из баков все, что потом улетит в сопло.

Читайте также:  Карбюратор газ 3110 402 двигатель схема подключения

Можно, конечно, использовать воздушно-реактивный двигатель на части траектории выведения, которая проходит сквозь плотные слои атмосферы, с его экономичностью и отсутствием необходимости в окислителе. Но не все так просто. Космическая ракета стремится пройти плотные слои атмосферы быстро, проткнув их на вертикальном участке траектории, а уже потом заваливая траекторию горизонтально. Аппарат с ВРД не может позволить себе такой роскоши — он должен максимально использовать бесплатный окислитель за бортом, потому его траектория пологая и долгое время проходит в плотных слоях атмосферы, с большой скоростью полета на этом участке. Все это время аппарат находится под воздействием скоростного напора набегающего потока, что требует упрочнения конструкции и повышения эффективности теплозащиты — и то и другое тянет за собой увеличение веса. Есть еще одна хитрость — возможность использовать подъемную силу крыла: если ракета с вертикальным стартом висит на тяге двигателей и при наборе высоты тяга должна быть больше ее веса, то крылатый аппарат с аэродинамическим качеством 5 для набора высоты должен иметь тягу всего лишь больше 1/5 веса. Однако крылья — это тоже дополнительный рост веса конструкции. Все это затягивается в тугой клубок противоречий, решить которые на современном технологическом уровне, получив преимущества над многоступенчатой системой, достаточно сложно.

Самый мощный холодильник в мире

Алан Бонд со своей командой столкнулся с теми же проблемами, что и его предшественники: среди всего множества существующих типов воздушно-реактивных двигателей нет универсала, каждый из них отличается разной эффективностью, каждый хорош в своем диапазоне скоростей, обладает своего рода узкой специализацией. Турбореактивный двигатель отлично работает в диапазоне от 0 до 3 М, но разгон с его помощью до больших скоростей затруднителен: воздух при торможении в воздухозаборнике нагревается так сильно, что дальнейшее сжатие его компрессором приводит к росту температуры до величин, выходящих за пределы термостойкости материалов камеры сгорания и турбины. Прямоточный воздушно-реактивный двигатель и гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель (последний отличается сверхзвуковым течением в камере сгорания) отлично работают на больших скоростях (Х-43А достиг 10 М), однако не работают на малых. Турборакетные двигатели обладают низким удельным импульсом и тяговооруженностью (они тяжелы для той тяги, что создают). В свое время большие надежды возлагали на двигатель со сжижением кислорода (LACE, Liquid Air Cycle Engine), в котором криогенное топливо идет через теплообменник, забирая тепло у набегающего потока до температуры сжижения воздуха, далее через сепаратор, где кислород отделяется от азота и подается в камеру сгорания. Однако такой двигатель тяжел, конструктивно сложен (прощай, надежность) и имеет повышенный расход топлива (водорода на охлаждение тратится больше, чем можно сжечь в камере сгорания с полученным жидким кислородом, а это потери удельного импульса). Впрочем, от LACE Алан Бонд решил позаимствовать идею охлаждать воздушный поток в теплообменнике.

Одна из самых сложных и важных деталей SABRE — криогенный теплообменник. Он должен практически мгновенно охлаждать входящий воздух, который нагревается при сжатии до 1000 ˚C, до температуры порядка -140 ˚C. До сих пор это никому не удавалось.

В итоге инженеры пришли к необходимости комбинированной силовой установки из разных двигателей, в которой каждый работает на своем участке (например, для старта используется турбореактивный, для высокоскоростного разгона — прямоточный, для внеатмосферного полета — ракетный). Ракетный двигатель — необходимый компонент коктейля, остальные по вкусу, в разных комбинациях. Однако это порождает определенные проблемы: на всех режимах полета нужно везти мертвый груз в виде двигателя для другого участка траектории, растет аэродинамическое сопротивление из-за сопел неработающих двигателей. Альтернатива — гибридная силовая установка, которая сочетает в себе качества (и агрегаты) всех типов двигателя. Сопло ведь нужно всем? Так зачем тащить несколько, используем одно для всех. Воздухозаборник нужен всем, кроме ракетного? Используем один, а потом закроем заподлицо, чтобы сопротивления не создавал. В этом направлении и двигалась мировая конструкторская мысль (даже силовая установка самолета SR-71 Blackbird — гибрид турбореактивного и прямоточного двигателей, некоторые зенитные ракеты используют ракетно-прямоточный).

Читайте также:  Как проверить мощность двигателя в базе рса

Очень быстрый гибрид

Двигатель компании Reaction Engines — SABRE — вполне подходит на роль ключевой технологии, с помощью которой можно разрубить гордиев узел противоречий и реализовать одноступенчатый воздушно-космический аппарат. Этот гибрид сочетает в себе качества турбореактивного (хотя турбину компрессора крутят не выхлопные газы, а горячий гелий в замкнутом цикле), прямоточного и ракетного двигателей и работает с достаточной эффективностью на всех участках траектории, от взлетной полосы до орбиты. Расчеты Reaction Engines показывают, что в случае применения ЖРД общий вес корабля и полезной нагрузки должен составлять 13% от стартового веса для вывода полезной нагрузки 15 т на низкую опорную орбиту. Двигатель SABRE позволяет при тех же условиях довести вес корабля с полезной нагрузкой до 22% — цифра вполне достижимая при современном уровне технологий.

Революционный двигатель SABRE разрабатывается Reaction Engines при поддержке BAE Systems. Ожидается, что он сможет поднять самолет в воздух и разогнать его до 5 М, после чего перейдет в реактивный режим работы — для скоростей до 25 М.

SABRE, как и его предшественник RB545, — гибридный воздушно-реактивный двигатель с предохлаждением потока. Здесь, как и в LACE, за воздухозаборником стоит криогенный теплообменник, однако входящий поток не сжижается, всего лишь охлаждаясь до низких температур. Далее воздух с температурой порядка -140 °С (до этого он нагрелся при торможении свыше 1000 °С) поступает в простой турбокомпрессор из легких сплавов (низкая температура воздушного потока позволила облегчить его на три четверти по сравнению с компрессором турбореактивного двигателя), сжимающий газы до давления камеры сгорания, в которой газообразный воздух смешивается с жидким водородом. При выходе из плотных слоев атмосферы воздухозаборник запирается створками, а камера сгорания питается жидким кислородом из внутренних баков. Поскольку расход водорода на охлаждение больше, чем окислителя в полученном воздухе, избыток (2/3 потока, прошедшего теплообменник) дожигается во втором контуре, смешиваясь с той частью воздуха, которая не поступила в теплообменник.

Однако принципиальная схема по сравнению с RB545 несколько изменилась: добавилась промежуточная петля с жидким гелием — теперь водород охлаждает гелий, а гелий уже отбирает тепло у воздуха и, нагревшись, крутит турбину компрессора и насосов, после чего поступает на повторное охлаждение. Это позволило избежать проблем водородной хрупкости в температурно-напряженном теплообменнике воздухозаборника. Компоновка космического аппарата тоже изменилась: тонкое веретено корпуса оснащено треугольным крылом со слегка искривленными мотогондолами на его концах.

SABRE: история и предыстория

Первый полет самолета братьев Райт, оснащенного двигателем

Появление одного из самых массовых транспортных самолетов в истории, Douglas DC-3

Начало коммерческой эксплуатации реактивного пассажирского авиалайнера de Havilland Comet

Запуск первого в мире коммерческого спутника Telstar 1

Турбореактивные двухконтурные двигатели делают Boeing 747 первым дальнемагистральным широкофюзеляжным пассажирским самолетом

Начало полетов кораблей Space Shuttle

Начало разработки SABRE

Успешное решение проблемы обледенения воздухозаборника

Источник

Типы космических двигателей: как работают ракеты и что ждёт их в будущем?

Человек — самый распространённый вид на Земле помимо микробов. Дело не в количестве, а в том, что мы повсюду. Мы покорили сушу, океаны и теперь рвёмся в космос. Всего 70 лет ракетостроения привели нас к полётам на Луну и Марс, а впереди ещё много всего интересного! Но на чём же нам лететь в космос?

Можно выделить несколько типов двигателей, которые используются или будут использоваться в космосе.

Топливный

Является одной из первых концепций, устанавливаемых на космические корабли. Для своей работы ему необходимо большое количество сжатого газа, что несомненно тратит множество ресурсов. А потому его использование является самым затратным.

Все работает просто: топливная установка постоянно выбрасывает большое количество сжатого воздуха либо газа в специальное сопло. При этом выделяется тепловая энергия, которая переходит в кинетическую. После отрыва от земли и набора необходимой высоты отработанный блок просто отбрасывается от системы, и корабль летит дальше. Этот процесс подчиняется закону физики о сохранении импульса и является следствием из него. К сожалению, устройство является невыгодным с экономической точки зрения. Но на данный момент это всё, что у нас есть.

Далее пойдут типы двигателей, лишь проходящие тестирование. Возможно, скоро мы увидим их в работе.

Ядерный

Сегодня, существует несколько типов ЯРД. В далеком СССР вопросом разработки устройства были озадачены Курчатов и Келдыш. А благодаря полноценной поддержке к ним на подмогу были подключены десятки исследовательских и конструкторских бюро, со всей страны.

Принцип действия устройства необычайно прост: рабочее тело (водород) попадает в рабочую зону реактора, где и происходит деление атомов радиоактивного элемента, к примеру, урана. Этот процесс сопровождается выделением тепловой энергии, которая благодаря специальной системе передается водороду. Рабочее тело быстро набирает требуемую температу и направляется в специальное сопло. Данный процесс создаёт реактивную тягу, позволяя кораблю лететь в космическом пространстве.

Ионный

Такой двигатель пользуется спросом среди исследователей всего мира. При разогреве плазмы либо ионизированного газа выделяется большое количество энергии, которое после направления в специальное сопло способно поднять космический корабль в космос.

LISA Pathfinder (ЕКА) начала применять подобные установки в качестве вспомогательных устройств на своих кораблях. Ионный двигатель помогает наилучшим образом регулировать положение корабля в пространстве. Так, Меркурианская миссия стала настоящим испытанием сразу для 4х двигателей, установленных на искусственном спутнике.

Солнечный парус

Такое устройство разрабатывалась еще в СССР и было установлено на «Прогресс М15». Проект носил название «Знамя-2». Принцип действия паруса прост: он способен использовать солнечную энергию в собственных целях, а именно давление солнечного света или лазеров на зеркальную поверхность.

Данный эффект позволяет перемещать космический корабль без двигателя и затрат топлива. В дальнейшем подобная установка поможет сэкономить множество ресурсов, ведь позволяет перемещать корабль в пространстве практически неограниченное количество времени. Единственной проблемой, с которой столкнулись ученые, это слабая тяга, а потому использование опытных образцов ограничивается лабораторными исследованиями. И действительно: чтобы сдвинуть в условиях невесомости корабль весом десятки тонн, потребуется солнечный парус диаметром в пару километров!

Покорение космоса длится не один десяток лет, ведь десятки тысяч ученых работают не покладая рук. Однако большинство разработок так и остаются в лабораториях. Малое финансирование, невозможность перенести полученные результаты в реальные условия или недоработки не дают технологии показать себя. Остаётся лишь ждать и надеяться, что мы всё же сможем вырваться в космос, причём наименее затратным способом.

Понравилась статья? Ставь палец вверх и подписывайся на мой канал — там ещё множество научных тем: космос, химия, физика, медицина, технологии,изобретения и многое другое! Объясняю сложные вещи просто и понятно 🙂

Источник

Adblock
detector
1903