Какие двигатели летают в космосе

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:  Термостат для 405 двигателя с температурой

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:  Что залить в двигатель чтобы не текло масло

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

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

Adblock
detector
1903