Что такое удельный импульс?
Удельный импульс ракетного двигателя - один из основных показателей его эффективности, это отношение создаваемого им импульса к расходу затраченного топлива. Увеличивая удельный импульс, мы увеличиваем массу полезной нагрузки при том же количестве топлива. При недостаточном удельном импульсе ракета будет неэффективна. Особенно влияет на полезную нагрузку удельный импульс верхних ступеней, я слышал (как бы шутка) даже призыв сажать в тюрьму за использование на верхних ступенях любых двигателей, кроме водородных (у них один из лучших возможных показателей). Что влияет на удельный импульс и как его увеличить?
1. Температура газа в камере сгорания. Чем горячее - тем лучше. Температуру можно увеличить подбором наилучшей пары топливо-окислитель.
2. Молекулярная масса газа в камере сгорания. Чем меньше - тем лучше.
3. Давление газа в камере сгорания. Чем выше - тем лучше. Давление в камере сгорания всегда меньше, чем в турбонасосе (иначе топливо не пойдёт). Поэтому для повышения удельного импульса важен хороший турбонасос (создающий давление повыше).
4. Давление газа на выходе из сопла. Чем ниже - тем лучше. Зависит от окружающей среды. В атмосфере удельный импульс всегда меньше, чем в вакууме.
5. Эффективность использования топлива. Когда часть топлива сжигается в турбонасосе и выбрасывается (двигатель открытого типа) - удельный импульс будет снижаться. Наш выбор - двигатель закрытого типа с полным дожиганием компонентов (если мы говорим о жидкостных двигателях).
Чаще всего меры по увеличению удельного импульса приводят к уменьшению тяги, а увеличение тяги - к уменьшению удельного импульса. Поэтому на первых ступенях используют двигатели с высокой тягой и низким удельным импульсом (У двигателя F-1 Первой ступени ракеты Сатурн-5 удельный импульс на уровне моря - 263с, что довольно мало), а на верхних - высокий удельный импульс при низкой тяге.
Посмотрим удельный импульс различных двигателей.
1. Любительские твердотопливные двигатели - 100-130 c.
Любительские двигатели для моделей ракет на сорбитовой карамели - 100 с или несколько выше. Самый высокий параметр, который встречал - 130 с. Если есть ракетомоделисты или их знакомые - напишите в комментарии удельный импульс ваших двигателей - лично мне очень интересно.
2. Промышленные твердотопливные двигатели - 250-300 с.
Боковой ускоритель Спейс-Шаттла - 250 с. Очень хорошие (для твёрдого топлива) показатели у европейской ракеты "Вега". На первой ступени - 280 с, на третьей - 296.
3. Ракетные двигатели на жидком топливе - 300-450 с.
РД-107 (первая ступень "Союза") - 320 с в вакууме, ИлонМасковский "Мерлин" - 311 с в вакууме, Российский "лучший в мире по версии российских СМИ" РД-180 - 338 с в вакууме и 311 с на уровне моря. ИлонМасковский "Раптор" - до 380 с в вакууме (целевые показатели), на уровне моря на испытаниях уже показал 330 с.
Рекордсмены тут американский RS-25 (двигатель Шаттлов) и советский РД-0120 (главный двигатель "Энергии") - по 450 с в вакууме. Причина такого лидерства - использование водорода в качестве топлива. Правда водородные двигатели очень дороги и сложны в эксплуатации - иначе их использовали бы повсеместно.
4. Запрещённые виды химического топлива - 450-550 с.
В принципе, можно повысить удельный импульс, используя более эффективный, чем кислород, окислитель - фтор. Теоретически - до примерно 600 с. Самый высокий полученный экспериментально удельный импульс - 543 с, был получен на трёхкомпонентном топливе литий-фтор-водород. Такие работы велись и в США и в СССР. Однако фтор крайне токсичен, так же как и продукты его горения, поэтому в реальных ракетах (тем более пилотируемых) его не применяют.
5. Ядерные двигатели - 850 - 7000 с.
Американский ядерный двигатель NERVA на испытаниях показал удельный импульс более 800 с, и это не предел для ядерных двигателей. Советский РД-0410 должен был иметь удельный импульс около 900 с, а разрабатываемый сегодня Роскосмосом совместно с Росатомом ЯЭДУ - около 7000 с.
Недостатки ядерных двигателей - невозможность (нежелательность по экологическим показателям) использования в атмосфере, и проблемы с безопасностью - радиоактивное загрязнение в случае аварии.
6. Электрореактивные двигатели - 1500 - 21 400 с.
Электрореактивные двигатели, в отличие от ядерных, активно используются как на межпланетных аппаратах, так и на геостационарных спутниках. Удельные импульсы начинаются от 1500 с. Рекордсмен - европейско-австралийский двигатель - Dual-Stage 4-Grid (DS4G) - 21 400 с.
У электрореактивных двигателей есть недостаток - очень слабая тяга (всего несколько ньютон).
7. Аннигиляционный фотонный двигатель.
Один из самых перспективных двигателей для межзвёздных перелётов, способный достичь не менее 10% скорости света. Находится на стадии теоретической проработки, многие вопросы пока не решены (хранение антивещества на борту, например). Обладает фантастическим удельным импульсом - около 30 570 000 с.
