Электроракетный двигатель принцип работы

Тяга

Понятием тяга обозначается «сила» ракетного двигателя. Тяга измеряется в «фунтах тяги» (США, 4,45 ньютона = 1 фунт тяги) и в ньютонах в метрической схеме. Фунт тяги – это количество тяги, которое требуется для удержания одного фунтового объекта (0,454 кг) неподвижным относительно силы тяжести планеты Земля. Ускорение земной гравитации – 9,8 метров в секунд.

Одна из проблем ракет заключается в том, что топливный вес, обычно, в 36 раз больше полезной нагрузки. Потому что, кроме того, что двигателю необходимо поднимать вес, этот же вес и способствует собственному подъему. Получается, чтобы вывести в космос крошечного человека, потребуется ракета огромных размеров и много-много топлива.

Скорость химических ракет – от 8 до 16 тыс. километров в час. Топливо горит около 2 минут и вырабатывает на старте около 3,3 млн фунтов тяги. Три главных двигателя космического шатлла, к примеру, сжигают топливо на протяжении 8 мин и вырабатывают приблизительно 375 фунтов тяжи каждый во время горения.

Дальше мы поговорим о топливных смесях для твердотопливных ракет.

Двигатели ракеты на твердом топливе – это самые первые модификации, созданные человеком. Впервые они были изобретены в Китае сотни лет назад и их успешно применяют по сегодняшний день. О красных бликах ракет поется даже в национальном гимне, который был написан в начале 1800-х годов). Речь идет о небольших боевых ракетах, работающих на твердом топливе. Они применяются для доставки зажигательных устройств или бомб. Как видите, эти ракеты существуют уже довольно давно.

Идея ракеты на твердом топливе достаточно простая. Вам необходимо создать нечто, чтобы могло быстро гореть, но в то же время не взрываться. В таком случае, порох не подходит (он состоит на 75% из нитрата, 10% серы и 15% угля). В двигателе ракеты взрывы не нужны – необходимо, чтобы горело топливо. Можно изменить смесь до 24% угля, 72% нитрата и 4% серы. Вместо пороха у вас получится ракетное топливо. Такая смесь будет быстро гореть, но она не взрывоопасна, если, конечно, ее правильно загрузить. Приведем классическую схему:

Слева – ракета до зажигания. Твердое топливо показано зеленым цветом. Оно выполнено в виде цилиндра с трубой, которая просверлена по центру. При зажигании горюче начинает сгорать вдоль стенки трубы. Постепенно, по мере сгорания, оно выгорает к корпуса, пока полностью не сгорит. В крошечной ракете или в небольшом ракетном двигателе процесс горения может продолжаться около секунды или даже меньше. В большой ракете топливо будет гореть не меньше двух минут.

Как работает жидкостный ракетный двигатель

Чтобы получить полезное действие, достаточное для прорыва в космос, нужно получить большое количество энергии − эффективно сжечь большое количество топлива. Как известно, любой процесс горения представляет собой химическую реакцию окисления. И если на Земле для других видов тепловых двигателей в качестве окислителя можно использовать атмосферный кислород, то для ракетного двигателя, и тем более в космосе, окислитель и горючее надо иметь непосредственно на ракете, и лучше всего в максимально плотном и удобном для подачи жидком виде. В РД-107/108 в качестве окислителя используется жидкий кислород, а в качестве горючего – керосин.

Фото: Объединенная двигателестроительная корпорация

В камере сгорания подаваемые специальными насосами в нужном количестве и с необходимым давлением окислитель и горючее смешиваются и сгорают. Горячие (с температурой в несколько тысяч градусов) продукты сгорания в конструкции особого профиля – сверхзвуковом сопле Лаваля – разгоняются до многократно сверхзвуковых скоростей и уходят в пространство. Если умножить сумму секундных расходов масс горючего и окислителя на скорость выхода продуктов сгорания из сопла, можно в первом приближении получить силу тяги двигателя. Так, в общих чертах, можно описать схему работы жидкостного ракетного двигателя. 

Преимущества реактивного двигателя

Перед остальными видами такие:

• Простота конструкции. Для создания простейшего реактивного двигателя достаточно камеры сгорания и сопла. В камере сгорания образуется рабочее тело с высокой тепловой энергией, которое проходя через сопло передает аппарату реактивную тягу.
• Малое количество подвижных деталей. Для повышения эффективности работы воздушно-реактивного двигателя, созданы дополнительные механизмы. Они обеспечивают принудительное нагнетание воздуха в камеру сгорания. Их конструкция проста. Обычно это воздухозаборник с крутящимся винтом и лопастями. У ракетного таковые отсутствуют вообще.
• Высокие удельный импульс и мощность. Удельный импульс характеризует насколько большое ускорение передается самолёту или ракете рабочим телом, что позволяет развить хорошую скорость полета. Сравнение мощностей различных типов двигателей наглядно демонстрирует преимущества реактивного: карбюраторный ДВС – 200 кВт; дизельный ДВС – 2200 кВТ.; атомный – 55 000 кВт; турбинный паровой — 300 000 кВт; реактивный – 30 000 000 кВт.
• КПД достигает 47-60%. Этот показатель гораздо выше, чем у двигателей внутреннего сгорания (25-35%) или турбинного (27-30%). Это значит, что реактивный совершает больше полезной работы.
• Управляемость с помощью тяги во время космических полетов. Меняя расход топлива, можно уменьшать или увеличивать скорость полета, делать манёвры и вовсе отключать двигатель, а затем снова его запускать. При этом ему не требуется взаимодействовать с другими телами.
• Работает при низком давлении воздуха или вовсе без него в условиях безвоздушного пространства. Пока ещё не создан механизм, который зарекомендовал себя лучше в условиях космоса.

Жидкотопливные ракеты

Роберт Годдард в 1925 году испытал первый двигатель, работающий на жидком топливе. Его двигатель использовал для работы жидкий кислород и бензин. Также он стремился решить многие фундаментальные проблемы в конструкции двигателя ракеты, включая стратегии охлаждения, механизмы накачки и рулевые механизмы. Такие проблемы делают ракеты с жидким топливом столь сложными. Все это ему успешно удалось.

Главная идея максимально проста. В большинстве жидкотопливных ракетных двигателях окислитель и топливо (к примеру, жидкий кислород и бензин закачиваются в камеру сгорания). Там они сгорают, создавая поток горячих газов с высоким давлением и скоростью. Эти газы проходят через специальное сопло, которое делают их скорость еще большей (от 8 тыс. до 16 тыс. километров в час), а затем выходят. Ниже приведена простая схема, демонстрирующая этот процесс наглядно.

На схеме видно сложности обычного ракетного двигателя. Например, нормальное топливо – это холодный жидкий газ по типу жидкого кислорода или жидкого водорода. Но одной из серьезных проблем подобного двигателя является охлаждение сопла и камеры сгорания, поэтому сначала холодная жидкость циркулирует вокруг перегретых частей, дабы их охладить. Насосы должны генерировать высокое давление, чтобы преодолеть давление в камере сгорания, сжигаемой топливом. Это охлаждение и подкачка делает ракетный двигатель схожим на неудачную попытку сантехнической самореализации. Теперь рассмотрим все варианты комбинации топлива, которые применяется в жидкотопливных двигателях ракет:

• жидкий кислород и жидкий водород (главные двигатели космических шаттлов);
• жидкий кислород и бензин (первые ракеты Годдарда);
• жидкий кислород и керосин (применялись в программе «Аполлон» в 1 ступени «Сатурна-5»);
• жидкий кислород и спирт (применялись ракетах V2 немецкого производства);
• четырехокись азота/монометилгидразин (применялись в двигателях «Кассини»).

Ядерные ракетные двигатели (ЯРД)

Этот тип РД в отличие от химических вырабатывает энергию не при сгорании топлива, а в результате нагревания рабочего тела энергией ядерных реакций. ЯРД бывают изотопными, термоядерными и ядерными.

История создания

Конструкция и принцип работы ЯРД были разработаны еще в 50-хх годах. Уже в 70-хх годах в СССР и США были готовы экспериментальные образцы, которые успешно проходили испытания. Твердофазный советский двигатель РД-0410 с тягой в 3,6 тонны испытывался на стендовой базе, а американский реактор «NERVA» должен был устанавливаться на ракету «Сатурн V» до того, как спонсирование лунной программы было остановлено. Параллельно велись работы и над созданием газофазных ЯРД. Сейчас действуют научные программы по разработке ядерных РД, проводятся эксперименты на космических станциях.

Таким образом, действующие модели ядерных ракетных двигателей уже есть, но пока ни один из них так и не был задействован вне лабораторий или научных баз. Потенциал таких двигателей довольно высокий, но и риск, связанный с их использованием, тоже немалый, так что пока они существуют только в проектах.

Устройство и принцип действия

Ядерные ракетные двигатели бывают газо-, жидко- и твердофазными в зависимости от агрегатного состояния ядерного топлива. Топливо в твердофазных ЯРД – это ТВЭЛы, такие же, как в ядерных реакторах. Они находятся в корпусе двигателя и в процессе распада делящегося вещества выделяют тепловую энергию. Рабочее тело – газообразный водород или аммиак – контактируя с ТВЭЛом, поглощает энергию и нагревается, увеличиваясь в объеме и сжимаясь, после чего выходит через сопло под высоким давлением.

Принцип работы жидкофазного ЯРД и его устройство аналогично твердофазным, только топливо находится в жидком состоянии, что позволяет увеличить температуру, а значит и тягу.

Газофазные ЯРД работают на топливе в газообразном состоянии. Обычно в них используется уран. Газообразное топливо может удерживаться в корпусе электрическим полем или же находится в герметичной прозрачной колбе – ядерной лампе. В первом случае возникает контакт рабочего тела с топливом, а также частичная утечка последнего, поэтому кроме основной массы топлива в двигателе должен быть предусмотрен его запас для периодического пополнения. В случае с ядерной лампой утечки не происходит, а топливо полностью изолировано от потока рабочего тела.

Преимущества и недостатки ЯРД

Ядерные ракетные двигатели имеют огромное преимущество в сравнении с химическими – это высокий показатель удельного импульса. Для твердофазных моделей его величина составляет 8000-9000 м/с, для жидкофазных – 14000 м/с, для газофазных – 30000 м/с. Вместе с тем, их использование влечет за собой заражение атмосферы радиоактивными выбросами. Сейчас ведутся работы по созданию безопасного, экологичного и эффективного ядерного двигателя, и главным «претендентом» на эту роль является газофазный ЯРД с ядерной лампой, где радиоактивное вещество находится в герметичной колбе и не выходит наружу с реактивным пламенем.

Электроника

В качестве бортового компьютера я использую собственную схему, в основе которой находится Arduino Nano.

Схема полётного компьютера

Компоненты:

• Барометр BMP180

• Гироскоп-акселерометр MPU6050

• Пищалка

• microSD модуль

• Реле\MOSFET для активации запала мортирки

• 2 шт. 18650 аккумуляторов

• LM7805 для понижения напряжения для контроллера

• Мини-тумблер для включения компьютера

• Разъем JST-2P для соединения с запалом мортирки

При запуске компьютера инициализируются все датчики и модули, записывается текущая высота, подаётся звуковой сигнал перехода в режим ожидания старта. Моментом старта считается случай изменения высоты на пороговое значение (например 5 метров).

В момент старта фиксируется (записывается время), далее на карту начинают записываться данные с датчиков. В процессе полёта отслеживается апогей — записывается текущая высота, если она меньше предыдущей. Если текущая высота падает на пороговое значение, то зажигаем вышибной заряд.

Момент приземления не вычисляется, просто считаем, что через две минуты ракета должна сесть на землю. Через две минуты останавливается запись на карту и начинается подача звуковых сигналов для облегчения поиска ракеты.

Полный скетч можно найти тут.

Окислители.

Кислород.

На фото: створки защитных устройств заправочного автостыка керосина (ЗУ-2), за 2 минуты до окончания циклограммы при выполнении операции ЗАКРЫТЬ ЗУ из-за обледенения не полностью закрылись. Одновременно из-за обледенения не прошел сигнал о съезде ТУА с пусковой установки. Пуск проведен на следующий день.

Агрегат-заправщик РБ жидким кислородом снят с колес и установлен на фундаменте.

Пофантазируйте: вместо Н2О представьте ЖК (LOX).ОзонДавно инженеры мучились с ним, пытаясь использовать в качестве высокоэнергетического и вместе с тем экологически чистого окислителя в ракетной технике.
Общая химическая энергия, освобождающаяся при реакции сгорания с участием озона, больше, чем для простого кислорода, примерно на одну четверть (719 ккал/кг). Больше будет, соответственно, и Iуд. У жидкого озона большая плотность, чем у жидкого кислорода (1,35 против 1,14 г/см³ соответственно), а его Ткипения выше (−112 °C и −183 °C соответственно).
Пока непреодолимым препятствием является химическая неустойчивость и взрывоопасность жидкого озона с разложением его на O и O2, при котором возникает движущаяся со скоростью около 2 км/с детонационная волна и развивается разрушающее детонационное давление более 3·107 дин/см2 (3 МПа), что делает применение жидкого озона невозможным при нынешнем уровне техники, за исключением использования устойчивых кислород-озоновых смесей (до 24 % озона). Преимуществом подобной смеси также является больший удельный импульс для водородных двигателей, по сравнению с озон-водородными. На сегодняшний день такие высокоэффективные двигатели, как РД-170, РД-180, РД-191, а также разгонные вакуумные двигатели вышли по Iуд на близкие к предельным значениям параметры и для повышения УИ осталось лишь одна возможность, связанная с переходом на новые виды топлива.Азотная кислотаHNO3 имеет высокую плотность, невысокую стоимость, производится в больших количествах, достаточно стабильна, в том числе при высоких температурах, пожаро- и взрывобезопасная. Главное ее преимущество перед жидким кислородом в высокой температуре кипения, а следовательно в возможности неограниченно долго храниться без всякой теплоизоляции. Молекула азотной кислоты HNO3 – почти идеальный окислитель. Она содержит в качестве “балласта” атом азота и “половинку” молекулы воды, а два с половиной атома кислорода можно использовать для окисления топлива. Но не тут-то было! Азотная кислота настолько агрессивное вещество, что непрерывно реагирует само с собой–атомы водорода отщепляются от одной молекулы кислоты и присоединяются к соседним, образуя непрочные, но чрезвычайно химически активные агрегаты. Даже самые стойкие сорта нержавеющей стали медленно разрушаются концентрированной азотной кислотой (в результате на дне бака образовывался густой зеленоватый «кисель», смесь солей металлов). Для уменьшения коррозионной активности в азотную кислоту стали добавлять различные вещества, всего 0,5% плавиковой (фтористоводородной) кислоты уменьшают скорость коррозии нержавеющей стали в десять раз.
Интересный факт: Советские рубли были почти на 95 % сделаны из этого сплава. Азотный тетраоксидФтор «флюор»F2-Be (бериллий)-порядка 6000 м/с! Супер? Облом, а не «супер»…Стартовая позиция после запуска такого «энергичного движка»? Фтороводородный ЖРД тягой 25 т для оснащения обеих ступеней ракетного ускорителя АКС «Спираль» предполагалось разработать в ОКБ-456 В.П.Глушко на базе отработанного ЖРД тягой 10 т на фтороаммиачном (F2+NH3) топливе.Перекись водорода

Walter HWK 109-507: преимущества в простоте конструкции ЖРД. Яркий пример такого топлива-перекись водорода.

Перекись водорода для роскошных волос и еще 14 секретов применения.О4

Примечание: если хотите перевести один вариант удельного импульса в другой, то можно пользоваться простой формулой: 1 м/с = 9,81 с.

«завались»

Классификация, типы и виды электрических ракетных двигателей

По принципу действия:

– электротермические (электронагревные) ракетные двигатели,

– электростатические ракетные двигатели,

– электромагнитные ракетные двигатели.

Для каждого типа и вида двигателя используется определенное рабочее тело: газ, жидкость или твердое вещество.

По режиму работы различают стационарные и импульсные электромагнитные ракетные двигатели.

Стационарные электромагнитные ракетные двигатели работают непрерывно. Их разновидностями являются холловские двигатели (двигатели на основе эффекта Холла) и МГД-двигатели.

Импульсные электромагнитные ракетные двигатели работают в режиме кратковременных импульсов длительностью от нескольких микросекунд до нескольких миллисекунд. Варьируя частоту включений двигателя и длительность импульсов, можно получать любые необходимые значения суммарного импульса тяги.

Разновидностями импульсных электромагнитных ракетных двигателей являются пинчевые двигатели, двигатели с бегущей волной, коаксильные и линейные (шинные, рельсовые) двигатели.

На базе указанных основных типов (классов) ЭРД создаются различные промежуточные и комбинированные варианты, в наибольшей степени отвечающих конкретным условиям использования.

Как работает турбореактивный двигатель

Если реактивный двигатель в наше время — дело обычное, то турбореактивный встречается не так часто. Ими оборудуют крупные пассажирские самолёты.

Главное отличие этих двух видов двигателей: для реактивного нужен не только запас горючего, но и окислитель, то есть воздух, который подаётся из топливных баков. Турбореактивный «тащит» на себе и без того нелёгкий груз, поэтому устроен так, что воздух он захватывает с помощью лопастей турбины из атмосферы, поэтому лайнер нужно загрузить только топливом.

Далее принцип работы турбореактивного двигателя ничем не отличается от реактивного.

Реактивное движение в природе

Во время летнего отдыха на юге практически каждый из нас, купаясь в море, встречался с медузами. Но мало кто задумывался о том, что эти животные перемещаются так же, как реактивный двигатель. Принцип работы в природе подобного агрегата можно наблюдать при перемещении некоторых видов морских планктонов и личинок стрекоз. Причем КПД этих беспозвоночных зачастую выше, чем у технических средств.

Кто еще может наглядно продемонстрировать, какой имеет реактивный двигатель принцип работы? Кальмар, осьминог и каракатица. Подобное движение совершают и многие другие морские моллюски. Возьмем, например, каракатицу. Она вбирает воду в свою жаберную полость и энергично выбрасывает ее через воронку, которую направляет назад или вбок. При этом моллюск способен совершать движения в нужную сторону.

«Ни у одной страны нет подобных разработок»

По мнению академика Российской академии космонавтики Александра Железнякова, новый двигатель, как и его предшественник РД-171М, будет успешно конкурировать с зарубежными аналогами.   

По его словам, продвижение этого двигателя на международном рынке связано с вопросами геополитики.

«Кроме Китая, вряд ли кто-то заинтересуется, поскольку это зависит от геополитической обстановки», — пояснил он.

Схожую точку зрения выразил и военный эксперт Михаил Тимошенко. 

«Этот двигатель сможет конкурировать с иностранными разработками. США вряд ли будут заинтересованы в его покупке, потому что у них есть двигатель для тяжёлых ракет. Но интерес могут проявить Евросоюз и Китай, если, конечно, они захотят выводить на орбиту что-то тяжёлое», — сказал он RT.

• Ракета-носитель среднего класса «Союз-5» («Иртыш»)

В свою очередь, Моисеев заявил, что двигатель вряд ли пойдёт на экспорт, поскольку такие аппараты создаются под конкретные ракеты. Пока за рубежом нет ракет, совместимых с РД-171МВ.

«Для его покупки предполагаемый покупатель должен иметь соответствующую ракету. Им заинтересуются тогда, когда кто-то начнёт разрабатывать ракету, под которую он подойдёт, но пока таких ракет не разрабатывают и в планах ни у кого нет», — сказал эксперт. 

Ракетные авиа двигатели

Первые ракетные авиа двигатели появились в начале 40 годов прошлого столетия в Германии, когда немцы всеми усилиями пытались создать быстрый самолёт, который мог бы принести им победу во Второй мировой войне. Тем не менее, стоит отметить, что наука в те годы не позволяла совершить точный расчёт некоторых параметров, поэтому проект так и не был реализован. Впоследствии ракетные авиа двигатели испытывались исключительно с возможностью их применения для разгона самолётов в стратосфере, но применимость их весьма ограничена, и потому на сегодняшний день они практически не используются.

Основным недостатком ракетного авиационного двигателя является практически полное отсутствие управляемости на высоких скоростях.

Двигатель

В отличие от ракетомоделизма, в любительском, «карамельном» ракетостроении используются собственно изготовленные двигатели. Ракетные двигатели — это долгий и обширный разговор, который можно растянуть на не одну статью. Если рассказывать очень кратко, то в любительском ракетостроении в большинстве случаев используются твердотопливные двигатели, которые по конструкции очень схожи с двигателями настоящих твердотопливных ракет.

Отличие состоит в материалах из которых изготовлен двигатель и в используемом топливе. Чаще всего для изготовления двигателей используется бумага, пластик или композит (стеклоровинг). В моём случае — пластик (полипропиленовая армированная труба в 40мм внешним диаметром). В качестве топлива используется смесь из калиевой селитры и сахара\сорбита в пропорции 65\35. Собственно при плавлении такой смеси образуется сладкая масса (несъедобная!), похожая на карамель, откуда и происходит название «карамельное топливо».

Топливо запресовывается в так называемые «топливные шашки» — цилиндры с отверстием. Размер шашек подбирается таким образом, чтобы во время работы двигателя топливо успевало выгореть равномерно во всех направлениях (в направлении от внутреннего канала к краю). Оптимальной длиной шашки внешним диаметром D и внутренним диаметром d является длина L=1.67D. Шашки в обязательном порядке запрессовываются\оборачиваются в так называемую «бронировку» — внешнюю негорючую оболочку шашки. Бронировка препятствует горению шашки по внешней поверхности, что недопустимо. Слишком большая площадь горения топлива может привести к разрушению двигателя.

Топливные шашки

Из шашек формируется сборка двигателя с единым топливным каналом. При этом шашки укладываются в теплоизоляционную (негорючую) трубку из тефлона\бумаги, пропитанной силикатным клеем. Теплоизоляция нужна для того, чтобы не допустить разрушения двигателя из-за температуры (фронта горения и горячих газов) при горении топлива.

Схема двигателя

Карамельное топливо горит сравнительно медленно, поэтому для создания тяги зажигание двигателя производится в дальней точке канала (противоположного от сопла). Немаловажными параметрами двигателя, кроме тяги, является критика сопла и рабочее давление. Чем больше давление в двигателе — тем больше тяга. Чем больше давление — тем выше скорость горения топлива. Настоящим вызовом в создании двигателя является задача создания такого решения, которое при минимальной массе корпуса будет держать максимальное давление и содержать наибольшее количество топлива.

График тягиГрафик давления

Для расчёта двигателя используются расчёты на основе закона горения. Безусловно, есть готовые решения для расчёта параметров двигателя.

Кроме того, обязательно проводятся стендовые испытания движков. Это позволяет отработать надёжность двигателя на земле, а также снять реальные показания тяги двигателя (которые могут отличаться от расчётных).

Кластерный двигатель на тяго-измерительном стенде

Реактивный двигатель: мотор, подаривший людям небо

Мы живем в эпоху реактивной авиации – это знакомо любому, даже не слишком сведущему в технических вопросах, человеку. Поршневой мотор с традиционным винтом, хотя и не совсем канул в Лету, но лидирующие позиции он сдал давным-давно. Подавляющее большинство современных самолетов – пассажирских, транспортных и военных – оснащены различными типами реактивных двигателей. Именно благодаря моторам подобно конструкции авиация превратилась в удобный, массовый и быстрый вид транспорта.

Реактивный двигатель (РД) – это двигатель, создающий силу тяги путем преобразования внутренней энергии топлива в кинетическую рабочего тела. Оно истекает из сопла со значительной скоростью, и, согласно закону сохранения импульса, толкает его в противоположную сторону. Это и есть принцип работы реактивного двигателя. Особенностью РД является его сочетание с движителем, усилие тяги он создает только за счет контакта с рабочим телом, без опоры или взаимодействия с иными объектами. Первым прототипом РД можно назвать шар Герона, созданный еще в I веке н. э.

В данном материале мы подробно коснемся конструкции устройств, относящихся к реактивным двигателям. Рассмотрим, как работает реактивный двигатель, представим их классификацию, а также основные особенности применения.

Электрический ракетный двигатель

Этот тип имеет самый большой потенциал развития и использования в будущем. Электрические ракетные двигатели подают большие надежды. Так, их удельный импульс может достигать значений 210 км/с. Различают 3 типа двигателей:

1. Электротермические.
2. Электростатические (ионный ракетный двигатель, например).
3. Электромагнитные.

Особенностью (про которую можно сказать, что она является и преимуществом, и недостатком) является то, что при увеличении удельного импульса необходимо меньше горючего, но больше энергии. С этой точки зрения неплохие шансы имеет ионный ракетный двигатель, который работает на газе. На данный момент он применяется на практике для корректировки траектории орбитальных станций и спутников. Ограниченность источников электроэнергии в космическом пространстве, а также проблемы с работоспособностью на высоте свыше 100 километров пока мешают их широкой эксплуатации. Большой потенциал использования имеют плазменные ракетные двигатели, в которых рабочее тело имеет состояние плазмы, но находящиеся пока только в стадии эксперимента.

Химические ракетные двигатели (ХРД)

Этот тип двигателей на сегодняшний день является единственным, который массово используется для выведения в открытый космос космических аппаратов, кроме того, он нашел применение и в военной промышленности. Химические двигатели делятся на твердо- и жидкотопливные в зависимости от агрегатного состояния ракетного топлива.

Виды химических двигателей

История создания

Первыми ракетными двигателями были твердотопливные, а появились они несколько веков назад в Китае. С космосом их тогда мало что связывало, зато с их помощью можно было запускать военные ракеты. В качестве топлива использовался порошок, по составу напоминающий порох, только процентное соотношение его составляющих было изменено. В результате при окислении порошок не взрывался, а постепенно сгорал, выделяя тепло и создавая реактивную тягу. Такие двигатели с переменным успехом дорабатывались, совершенствовались и улучшались, но их удельный импульс все равно оставался малым, то есть конструкция была неэффективной и неэкономичной. Вскоре появились новые виды твердого топлива, позволяющие получить больший удельный импульс и развивать большую тягу. Над его созданием в первой половине ХХ века трудились ученые СССР, США и Европы. Уже во второй половине 40-х годов был разработан прототип современного топлива, используемого и сейчас.

Ракетный двигатель РД — 170 работает на жидком топливе и окислителе.

Жидкостные ракетные двигатели – это изобретение К.Э. Циолковского, который предложил их в качестве силового агрегата космической ракеты в 1903 году. В 20-х годах работы по созданию ЖРД начали проводиться в США, в 30-хх годах – в СССР. Уже к началу Второй мировой войны были созданы первые экспериментальные образцы, а после ее окончания ЖРД стали выпускаться серийно. Использовались они в военной промышленности для оснащения баллистических ракет. В 1957 году впервые в истории человечества был запущен советский искусственный спутник. Для его запуска использовалась ракета, оснащенная РЖД.

Устройство и принцип работы химических ракетных двигателей

Твердотопливный двигатель вмещает в своем корпусе топливо и окислитель в твердом агрегатном состоянии, причем контейнер с топливом – это одновременно и камера сгорания. Топливо обычно имеет форму стержня с центральным отверстием. В процессе окисления стержень начинает сгорать от центра к периферии, а газы, полученные в результате сгорания, выходят через сопло, образуя тягу. Это самая простая конструкция среди всех ракетных двигателей.

В жидкостных РД топливо и окислитель находятся в жидком агрегатном состоянии в двух раздельных резервуарах. По каналам подачи они попадают в камеру сгорания, где смешиваются и происходит процесс горения. Продукты сгорания выходят через сопло, образуя тягу. В качестве окислителя обычно используется жидкий кислород, а топливо может быть разным: керосин, жидкий водород и т.д.

Недостатки РДТТ:

• ограничение по времени работы: топливо сгорает очень быстро;
• невозможность перезапуска двигателя, его остановки и регулирования тяги;
• небольшой удельный вес в пределах 2000-3000 м/с.

Анализируя плюсы и минусы РДТТ, можно сделать вывод, что их использование оправдано только в тех случаях, когда нужен силовой агрегат средней мощности, достаточно дешевый и простой в исполнении. Сфера их использования – баллистические, метеорологические ракеты, ПЗРК, а также боковые ускорители космических ракет (ими оснащаются американские ракеты, в советских и российских ракетах их не использовали).

Достоинства жидкостных РД:

• высокий показатель удельного импульса (порядка 4500 м/с и выше);
• возможность регулирования тяги, остановки и перезапуска двигателя;
• меньший вес и компактность, что дает возможность выводить на орбиту даже большие многотонные грузы.

Недостатки ЖРД:

• сложная конструкция и пуско-наладочные работы;
• в условиях невесомости жидкости в баках могут хаотично перемещаться. Для их осаждения нужно использовать дополнительные источники энергии.

Сфера применения ЖРД – это в основном космонавтика, так как для военных целей эти двигатели слишком дорогие.

Несмотря на то, что пока химические РД – единственные способные обеспечить вывод ракет в открытый космос, их дальнейшее усовершенствование практически невозможно. Ученые и конструкторы убеждены, что предел их возможностей уже достигнут, а для получения более мощных агрегатов с большим удельным импульсом необходимы другие источники энергии.