Какие двигатели используются на космических кораблях

Космические двигатели будущего

Современные космические аппараты выводятся на орбиту или отправляются к другим планетам с помощью химических двигателей, технология которых со времён первой немецкой ракеты «Фау-2» 40-х годов ничем не изменилась. Конечно, с такой технологией осваивать Солнечную систему, а в будущем дальний Космос просто бессмысленно. Какие перспективные двигатели заменят хоть и надёжную, но уже устаревшую технологию?

1. Коротко о химических двигателях

Другое название, жидкостные ракетные двигатели (ЖРД). Они работают по принципу отдачи или закона сохранения импульса. Смесь горючего с окислителем, чаще всего связка керосин-кислород, нагревается до высоких температур. Мощное пламя вырывается из сопла ракеты, придавая импульс ракете, направленный в противоположную сторону.

То есть создаётся тяга с постепенным увеличением скорости и быстрым расходом массы самой ракеты. Только чтобы вывести космический аппарат хотя бы на низкую околоземную орбиту, доставляется 4% всей ракеты, остальные 96% (топливо) сгорают. Очень низкий КПД.

2. Детонационные двигатели

Их ещё называют импульсными двигателями. Здесь уже более современный тип, модификация обычного химического двигателя. Топливо используется такое же, но вместо плавного горения происходят взрывные процессы паров керосина. Ударные волны вылетают из сопла ракеты со скоростью 2,5 км/сек, создавая тягу.

Эффективность импульсных двигателей по сравнению с химическими на 25% выше. В августе 2016 года российская НПО «Энергомаш» впервые успешно испытала импульсный двигатель на стенде. Но у таких двигателей присутствует значительный недостаток: если обычный химический двигатель спокойно отрывает с поверхности Земли ракету массой 200 тонн, то импульсный сможет максимум 4 тонны .

Импульсные двигатели полезны будут на самих космических аппаратах для коррекции направления к небесным объектам. Для освоения Космоса понадобится другой тип двигателя.

3. Ионные двигатели

В настоящее время, уже используются ионные двигатели на космических аппаратах: Артемис, Дон . Первый ионный двигатель запущен ещё в 1964 году на космическом советском аппарате «Зонд-2» .

Принцип работы в следующем, вместо горючего используется инертный газ ксенон или аргон. В спецкамере газ ионизируется под воздействием электрического заряда солнечных батарей. Инертный газ вылетает через отверстия наружу с громадной скоростью 200 км/сек .

Минус по сравнению с химическими двигателями: создаваемая тяга в 100 тысяч раз ниже. Плюс: газ может расходоваться не 3 минуты, а 10 лет. Космический аппарат может годами ускоряться, достигая астероидов, планет и спутников.

Ионные двигатели полезны при смене траектории движения аппарата, при работе в межпланетном режиме. Только чем дальше от Солнца, тем солнечные батареи получают меньше энергии. Соответственно, путь к дальнему Космосу не представляется возможным.

4. Двигатели на ядерной энергодвигательной установке (ЯЭДУ)

Прорывная технология, в конструкции которой будут использоваться ядерный реактор, для преобразования тепловой энергии в электрическую, и ионные двигатели. Газ (ксенон) будет ионизироваться под воздействием образовавшейся электрической энергии от ядерного реактора.

В связи с этим отпадает потребность в солнечных батареях. Установка работает в автономном режиме

10 лет . Чтобы добраться до Марса, достаточно 45 дней вместо 8-месячного полёта на обычном химическом двигателе. Теоретически корабль сможет разогнаться до 25%-й световой скорости, что доставит корабль до ближайшей звезды Альфа Центавра за 13 лет.

Запуск первого корабля состоится в ближайшие 10 лет.

5. Двигатели на антиматерии

Самые передовая технология. В 21 веке вряд ли появится. Смысл в следующем, в природе помимо частиц существуют античастицы. Например, для электрона позитрон, которые похожи, но отличаются зарядами. Если их соединить, то они аннигилируются (уничтожаются полностью), при этом выделяется максимально возможная энергия.

Соответственно, КПД на таких двигателях будет 100%. У двигателей такого типа 2 недостатка:

  • самый дорогой материал: 1 грамм антиводорода стоит 62,5 триллиона долларов ;
  • энергия при вылете из сопла ракеты будет настолько высокой, что любая конструкция разлетится вдребезги.

Заключение

Будущее развития Космоса за ЯЭДУ. В России проект успешно развивается, но это тема отдельной статьи. Илон Маск планирует в 2031 году отправить первых людей на Марс на обычном химическом двигателе с полётом в один конец без возможности возвращения назад. Такая технология непродуктивна.

Понравилась статья, подписывайтесь на канал, ставьте лайк, делитесь информацией в социальных сетях. Дальше будет интереснее!

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.

Читайте также:  Как вынуть медь из двигателя

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

Испытания двигателя будущего завершены. Роскосмос празднует успех

На днях в одной из статей я писал про то, что Роскосмос успешно реализует работы над одним из самых амбициозных космических проектов в истории космонавтики.

Все в этом космическом кораблей революционно. Впервые, в качестве источника энергии для космического аппарата будет использоваться ядерный реактор мегаваттного класса , а в качестве двигательной установки будут использоваться тяжелые электрические ионные двигатели.

В комментариях многие читатели спрашивают, мол как же космический двигатель может работать на электричестве и создавать реактивную тягу в вакууме?

Все просто, никакого нарушения физики или магии.

В качестве рабочего тела выступает газ, обычно это аргон или водород. Под действием электростатического поля, газ ионизируется и благодаря высокому отношению заряда к массе, его ионы разгоняются и создают тягу.

Но раз нам все равно необходимо использовать газ в качестве рабочего тела, то для чего тогда нужны эти сложности?

Секрет заключается в очень большом удельном импульсе. Гипотетически такой двигатель способен разогнать корабль до 210 км/c тогда, как максимальная скорость рабочего тела химических двигателях обычных ракет не превышает 5 км/c ., что означет, что использование таких двигателей дает почти 100 кратное преимущество в скорости.

что использование таких двигателей дает почти 100 кратное преимущество в скорости. ., что значит что использование таких двигателей дает почти 100 кратное преимущество в скорости.

При этом, в отличие от химического двигателя, электрический расходует рабочее тело/топливо крайне экономно. Например, американский DAWN потратил всего 410 кг. аргона, чтобы достичь скорости в

40 000 км/ч . При этом, двигатель дает тягу очень равномерно, разгоняя аппарат на всей траектории полета.

И вот тут кроется самый интересный вопрос, если такие двигатели уже созданы, то в чем же инновации?

Дело в том, что все ранее испытанные и реализованные двигатели использовались на малых аппаратах и имели малый объем. Питались они либо за счет РИТЭГов , либо за счет солнечных панелей, т.е. тех источников питания, которые не могут дать много энергии, а следовательно и размеры таких движков были невелики.

Поскольку Роскосмос сообщает о расчетной массе нового комического корабля в районе 30 тонн, то и двигатели ему требуются тоже очень большие.

С этой целью были разработаны тяжелые ионные двигатели, аналогов, которых ранее не было.

Судите сами, если исследовательский аппарат NASA «DAWN» оснащен двигателями с 19-92 мН тяги, то отечественный ИД-500 имеет тягу 375750 мН, а в перспективной модификации новое поколение двигателя ВЧИД-45 будет развивать тягу в 1,8Н , что позволит успешно реализовывать проекты по колонизации дальнего космоса и Марса. Мощность ядерного реактора позволит установить не менее 30 таких двигателей на одном кораблей.

Создать такой двигатель оказалось не просто. Дело в том, что с масштабированием такого устройства и увеличением тяги, существенно возрастает износ ионной оптики и многократное увеличение расхода рабочего тела. Все эти проблемы и удалось решить нашим ученым.

Читайте также:  Схема гидрокомпенсатора двигатель 406

Как отметил один из читателей, все это больше похоже на строчки из научной фантастике, однако это правда, двигатели существуют, реактор испытан, программа приоритетна и возможно, что в ближайшие 1015 лет, Россия снова проложит дорогу для всего мира к дальнему освоению космоса.

Дорогие друзья, нам очень важна ваша поддержка- подписывайтесь на канал, ставьте палец вверх. Вам не сложно, а нам приятно.

Источник

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.

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.

Читайте также:  Какой есть герметик для двигателя

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).

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

Adblock
detector
1903