Ракетные двигатели, их разнообразие, возможности и перспективы

Устройство РД-107/108

Двигатель РД-107/108 состоит из четырех камер сгорания, турбонасосного агрегата, газогенератора, испарителя азота для наддува баков ракеты и комплекта агрегатов автоматики. Для управления полетом ракеты на двигателях имеются рулевые камеры: два на РД-107 и четыре на РД-108.

Несоизмеримые с возможностями существующих металлов температуры горения и продуктов сгорания, большое количество выделяемого тепла требуют охлаждения стенок камеры сгорания и сопла. В РД-107/108 эта инженерная задача решается двухстеночной конструкцией камеры сгорания и сопла и организацией охлаждения стенки со стороны горячего тракта подачей горючего (керосина) в камеру сгорания через межстеночные пространства.

Вторая особенность РД-107/108 − открытая схема сброса генераторного газа. Окислитель и горючее хранятся в отдельных баках и подаются в систему с помощью турбонасосного агрегата (ТНА). Для привода насосов горючего и окислителя используется турбина, в качестве рабочего тела для которой используется парогаз – продукт каталитического разложения пероксида водорода. Выхлопы турбины выбрасываются за срез сопла. 

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.

Конфигурации твердотопливных ракет

В описаниях твердотопливных ракет можно часто встретить следующее:

«Топливо для ракет состоит из перхлората аммония (окислитель, по весу – 69,6%), полимера (связующая смесь – 12,04%), алюминия (16%), оксида железа (катализатор – 0,4%) и эпоксидный отверждащий агент (1,96%). Перфорация сделана в форме 11-конечной звезды, находящейся в переднем сегменте двигателя и в форме дважды усеченного конуса в каждом из остальных сегментов, в т.ч. и конечном. Благодаря такой конфигурации при розжиге обеспечивается высокая тяга, а затем, через 50 с после старта, она уменьшается приблизительно на треть, предотвращая перенапряжение аппарата в период максимального динамического давления.

В этом плане объясняется не просто состав топлива, но и форма канала, который был пробуренный в центре топлива. Как выглядит перфорация в виде 11-конечной звезды, можете увидеть на фото:

Весь смысл в том, чтобы увеличить площадь поверхности канала, и соответственно, увеличить площадь выгорания, в результате чего увеличиться тяга. По мере сгорания топлива, форма меняется к кругу. Такая форма в случае с космическим шаттлом дает серьезную изначальную тягу, которая в средине полета становится немного послабее.

Твердотопливные двигатели имеют 3 важные преимущества:

• низкая стоимость;
• простота;
• безопасность.

Хотя есть и 2 недостатка:

двигатель нельзя отключать или запускать повторно после зажигания;

невозможность контроля тяги.

Недостатки означают, что тип твердотопливных ракет подходит только для непродолжительных задач или систем ускорения. Если вам нужно управлять двигателем, то придется прибегнуть к системе жидкого топлива.

Явление отдачи

Но научные поиски и разработки на этом не прекращались. Как всегда, на помощь пришла природа, которая, в большинстве случаев и наталкивает изобретателей на удивительные открытия.

Наблюдения за морскими жителями, такими как осьминоги, кальмары и каракатицы, привели к неожиданным результатам. Манера движения этих морских обитателей, была схожа с кратковременным толчком. Будто тело отталкивается отчего – то и продвигается вперед.

Эти наблюдения были чем-то схожи с замечаниями Гюегенса про выстрел и пушку, которые мы упоминали выше.

Таким образом, в физики появилось понятие «явление отдачи». В ходе дальнейших научных исследований было выяснено, что именно благодаря явлению отдачи происходит все движение на планете Земля: автомобиль отталкивается от земли, корабль – от воды и т.д.

Движение тел происходит благодаря передаче импульса от одного объекта другому. Для объяснения явления приведем простейший пример: вы решили толкнуть своего товарища в плечо, приложили определенную силу, в результате которой, он сдвинулся с места, но и вы испытали силу, отталкивающую вас в противоположную сторону.

Конечно, расстояние, на которое сдвинетесь вы и ваш друг, будет зависеть от ряда факторов: сколько вы весите, как сильно вы его толкнули.

«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. 

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.

Первые реактивные самолеты

Изобретателем турбореактивного двигателя является англичанин Френк Уиттл. В 1928 году он, будучи слушателем авиационной школы, предложил первую модель двигателя с газовой турбиной и в 1930 году получил на него патент.

Изобретение не привлекло к себе внимания правительства и Уиттл был вынужден искать другого источника финансирования своих разработок. В 1937 году, благодаря поддержке нескольких частных фирм, был изготовлен первый в мире турбореактивный двигатель. Он был разработан по проекту Уиттла компанией «Бритиш-Томсон-Хаустон». После этого правительство решило финансировать разработки Уиттла.

Двигатель Охайна

Heinkel He.178

В то же время немецкий изобретатель Охайн разработал свой турбореактивный двигатель (который по конструкции был очень похож на двигатель Уиттла). Будучи еще студентом, он в 1936 году запатентовал свое изобретение и уже в 1938 году фирма «Хейнкель» приступила к разработке двигателя по его проекту. 27 августа 1939 года первый реактивный самолет Не-178, оснащенный двигателем HeS-3В, совершил успешный полет. Самолет все еще имел деревянные крылья, но фюзеляж был изготовлен из дюралюминия. Двигатель работал на бензине и развивал тягу до 500 кг. Максимальная скорость самолета достигала 700 км/ч.

В 1941 году Охайн разработал новую модель двигателя с тягой 600 кг. Самолет, оснащенный двумя такими двигателями, развивал скорость до 925 км/ч. Но двигатель оказался не очень надежным, потому истребитель не был запущен в серийное производство (было изготовлено только 8 таких самолетов).

«Глостер G-40»

Глостер G-40

В том же 1941 году фирма «Бритиш-Томсон-Хаустон» выпустила самолет «Глостер G-40» с специально разработанным для него двигателем. В мае самолет совершил свой первый полет и оказался значительно хуже немецкого – он мог развивать скорость всего 480 км/ч. В 1943 году свет увидел второй «Глостер G-40»(с улучшенным двигателем), но и он не мог равняться с изобретениями Охайна – максимальная скорость самолета была всего 500 км/ч.

Производство самолетов с турбореактивными двигателями выглядело перспективным делом и вскоре несколько английских фирм начали производить модификации двигателей Уиттла. Фирма «Ровер» изготовила двигатели W2D/23 и W2D/26, а «Роллс-Ройс», выкупив их, представила свои модели – «Уэллэнд» и «Дервент».

Первое серийное производство турбореактивных самолетов

Messerschmitt Me 262

Первым в мире турбореактивным серийным самолетом стал немецкий «Мессершмитт» Ме-262. Он имел два двигателя с тягой 900 кг и развивал скорость до 845 км/ч. Первый самолет испытывался в 1942 году, а всего было выпущено 1300 таких машин.

Первый английский реактивный серийный самолет появился в 1943 году. Это был «Глостер G-41 Метеор», оснащенным двумя двигателями «Дервент». Он развивал скорость до 760 км/ч и летал на высоте 9000 м. Позже были выпущены самолеты с более сильными двигателями (с тягой 1600 кг), что позволило развивать скорость до 935 км/ч. Самолет очень хорошо себя зарекомендовал и производился до конца 40-х годов.

Как работают ракетные двигатели?

Освоение космоса — самое удивительное из мероприятий, когда-либо проводимых человечеством. И большую часть удивления составляет сложность. Освоение космоса осложняется массой проблем, которые нужно решить и преодолеть. Например, безвоздушное пространство, проблема с температурой, проблема повторного входа в атмосферу, орбитальная механика, микрометеориты и космический мусор, космическая и солнечная радиация, логистика в условиях невесомости и другое. Но самая сложная проблема — это просто оторвать космический корабль от земли. Здесь не обойтись без ракетного двигателя, поэтому в этой статье мы рассмотрим именно это изобретение человечества.

С одной стороны, ракетные двигатели настолько просто устроены, что за небольшую копейку вы сможете построить ракету самостоятельно. С другой стороны, ракетные двигатели (и их топливные системы) настолько сложны, что доставкой людей на орбиту, по сути, занимаются только три страны мира.

Когда люди задумываются о двигателе или моторе, они думают о вращении. К примеру, бензиновый двигатель автомобиля производит энергию вращения, чтобы двигать колеса. Электродвигатель производит энергию вращения для движения вентилятора или диска. Паровой двигатель делает то же самое, чтобы вращать паровую турбину.

Ракетные двигатели принципиально отличаются. Ракетные двигатели — это реактивные двигатели. Основной принцип движения ракетного двигателя — это знаменитый принцип Ньютона, «на каждое действие есть равное противодействие». Ракетный двигатель выбрасывает массу в одном направлении, а благодаря принципу Ньютона движется в противоположном направлении.

Ракетный двигатель, как правило, выбрасывает массу в форме газа под высоким давлением. Двигатель выбрасывает массу газа в одном направлении, чтобы получить реактивное движение в противоположном направлении. Масса идет от веса топлива, которое сгорает в двигателе ракеты. Процесс горения ускоряет массы топлива так, что они выходят из сопла ракеты на высокой скорости. Тот факт, что топливо превращается из твердого тела или жидкости в процессе сгорания, никак не меняет его массу. Если вы сожжете килограмм ракетного топлива, вы получите килограмм выхлопа в виде горячих газов на высокой скорости. Процесс сжигания ускоряет массу.

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.

Импульсный ракетный двигатель

Автор публикации: Редколлегия · 12 января 2016 ·  

ИМПУЛЬСНЫЙ РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ — работает в режиме кратковременных периодических включений (импульсов), суммарное число которых составляет обычно многие тысячи. Характерным является режим импульсной модуляции с импульсами тяги постоянной амплитуды и переменной длительности (ширины) и частоты (от нескольких десятков импульсов в секунду до 1 в несколько суток). По значению суммарного импульса тяги, развиваемого за определённое время, импульсный ракетный двигатель равноценен РД, работающему непрерывно при меньшей тяге. Однако достоинством импульсного ракетного двигателя является возможность путём изменения режима работы двигателя быстро и с большой точностью получать различные значения суммарного импульса тяги, что неосуществимо при использовании РД, работающего непрерывно. К импульсному ракетному двигателю предъявляются требования быстродействия, стабильности характеристик, выдачи минимального значения единичного импульса тяги, малого потребления электроэнергии управляющими клапанами. Идеальный импульсный ракетный двигатель должен выдавать импульсы тяги прямоугольной формы, совпадающие по времени с электрическими командами. В реальном импульсном ракетном двигателе импульсы тяги имеют трапецеидальную или колоколообразную форму; они шире командных импульсов и запаздывают относительно их. Неэкономное расходование ракетного топлива в процессе многократных режимов запуска и останова снижает результирующий удельный импульс РД. Импульсные ракетные двигатели развивают малую тягу, большинство их относится к ракетным микродвигателям. Импульсные ракетные двигатели применяются в индивидуальных ракетных двигательных установках и являются основным типом РД реактивных систем управления КА. Быстродействие импульсных ракетных двигателей обеспечивает управление полётом при малом расходе рабочего тела. При совершении манёвров, связанных с относительно большими затратами энергии, импульсные ракетные двигатели работают непрерывно (при изменении местоположения синхронных ИСЗ — до нескольких часов).

Импульсные ракетные двигатели работают как на двухкомпонентном самовоспламеняющемся топливе, так и на однокомпонентном топливе. Примером импульсного ракетного двигателя на двухкомпонентном топливе может служить Р-4Д, созданный для реактивных систем управления космического корабля «Аполлон». В качестве однокомпонентного топлива широко используется гидразин. В частности, типичная реактивная система управления связного ИСЗ, стабилизируемого вращением (обычно с частотой ~ 1 с-1), содержит несколько пар гидразиновых импульсных ракетных двигателей тягой ~ 20 Н каждый. Недостатками гидразиновых импульсных ракетных двигателей являются разрушение и потеря качества катализатора при большом числе «холодных» включений. Увеличение ресурса импульсных ракетных двигателей достигается поддержанием катализатора при повышенной температуре (например, 600 К) путём электрообогрева ДУ. Созданы гидразиновые импульсные ракетные двигатели с числом включений свыше 1 миллиона.

Помещено в рубрику Изучаем ракетные двигатели > База знаний > Энциклопедия