Приветствую вас!
Каким способом можно запустить ракету в космос? Конечно же нельзя просто взять спички, поджечь фитиль и отбежать подальше прежде чем ракета полетит ввысь.
Но все же существует несколько способов запустить ракетный двигатель и дать топливу воспламениться. Но в то же самое время не существует универсального подхода к запуску ракетного двигателя. Необходимо учесть несколько факторов, чтобы решить, какой из способов зажигания ракетного двигателя будет работать лучше всего.
В зависимости от типа ракеты-носителя, используемой ступени и того, потребуется ли перезапуск двигателя; для инициирования зажигания топлива и окислителя может использоваться один из пяти методов. Однако в настоящее время используются только четыре из них:
- Гиперголическое топливо
- Пиротехническая детонация
- Высоковольтные электрические свечи зажигания
- Генерация тепла
- Использование лазера
1) Гиперголическое топливо
Было бы идеально, если бы топливо и окислитель могли спонтанно воспламеняться, не полагаясь на отдельную систему зажигания, что сделало бы весь процесс запуска двигателя более надежным и простым. Многие из вас знают что такие вещества существуют, и известны они как двухкомпонентные или гиперголические топлива.
Эти вещества самопроизвольно воспламеняются, когда топливо и окислитель вступают в контакт друг с другом. Однако эти соединения очень токсичны и ядовиты, могут быть смертельно опасны для людей, которые имеют прямой контакт с этими веществами или вдыхают их пары. Они также опасны для окружающей среды.
Несмотря на опасность, это топливо иногда используется в качестве основного топлива в ракетах-носителях, таких как легендарная ракета «Протон», а также в гораздо более безопасной среде космоса, где оно применяется в верхних ступенях ракет-носителей и орбитальных космических аппаратов для многократного и надежного повторного запуска их двигателей.
Топливным компонентом обычно является гидразин в различной форме, например монометилгидразин (ММГ) или несимметричный диметилгидразин (НДМГ), он же гептил. Окислителем обычно является тетраоксид диазота (амил) или азотная кислота.
Такое топливо также используются в системах управления реакцией космических аппаратов, которые имеют решающее значение для их маневрирования в вакууме космоса. Это делает эти опасные соединения идеальными для надежного повторного зажигания двигателей космических кораблей и космических аппаратов, и обеспечения функционирования их систем ориентации.
Кроме этого существуют так называемые пироформные смеси, в частности триэтилалюминий/триэтилборан, которые воспламеняются при контакте с жидким кислородом или другими окислителями, что делает их идеальным вариантом для зажигания топлива в жидкостных ракетных двигателях.
Сочетание небольшого количества этой смеси с жидким кислородом в камере сгорания ракетного двигателя обеспечивает достаточно тепла для воспламенения основных компонентов топлива. Количество повторных запусков двигателя зависит от количества пироформной смеси, хранящейся на борту ракеты-носителя .
Массивные двигатели F1 ракеты "Сатурн-5" использовали этот вариант зажигания. Ракета Falcon 9 компании SpaceX, также использует этот вариант зажигания двигателей первой и второй ступени и повторных зажиганий во время посадки первой ступени.
2) Пиротехническая детонация
Взять 32 деревянные березовые палки, прикрепить к ним пиротехнические устройства и вставить эту конструкцию в сопло ракетных двигателей. А почему бы и нет. И хотя такой способ это кажется архаичным и устаревшим он вполне себе надежен.
Именно так по сей день запускают двигатели ракеты «Союз» — рабочей лошадки российской космической программы, одной из самых успешных ракет-носителей в истории космонавтики, совершившей 2 тысячи полетов.
На деревянной Т-образной опоре установлены две пиротехнические шашки с датчиком (подпружиненный контакт) между ними. По команде «зажигание» шашки воспламеняются от электрозапалов, пламя пережигает провод датчика, и его пружина размыкает контакт. После того как центральная система управления получает сигнал от всех 32 устройств о том, что пиротехнические детонаторы сработали, она открывает клапаны, которые пропускают топливо через соответствующие камеры сгорания, обеспечивая синхронизированное и равномерное зажигание.
Пиротехнические детонаторы также использовались для воспламенения больших твердотопливных ракетных ускорителей космических челноков и используются для запуска твердотопливных ускорителей других ракет-носителей. Небольшой пиротехнический заряд подрывается в верхней части ускорителя, что воспламеняет небольшое количество пиротехнической смеси.
Она в свою очередь, воспламеняет небольшое количество твердого топлива в инициаторе твердотопливного ракетного двигателя, который создает пламя по всей длине канала внутри ускорителя, воспламеняя основное твердое ракетное топливо.
3) Высоковольтные электрические свечи зажигания
Многие читатели, владеющие автомобилем, знакомы со свечами зажигания — устройством, которое позволяет топливу в двигателе воспламеняться. Некоторые ракетные двигатели используют тот же , когда дело доходит до воспламенения топлива.
В случае жидкостного ракетного двигателя более прочная и надежная свеча зажигания создает искру, когда через нее проходит электрический ток.
Протекание топлива и окислителя в через небольшую область вокруг свечи зажигания приведет к воспламенению и горению смеси. Однако небольшого пламени обычно недостаточно для зажигания ракетного двигателя.
Большое давление, под которым топливо и окислитель подаются в основную камеру сгорания, приводит к тому, что большой объем топлива движется с высокой скоростью через относительно небольшое пространство, что затрудняет воспламенение, особенно от небольшого источника.
Низкая температура топлива и переохлажденный окислитель (жидкий кислород) усугубляют проблему. Даже если горение возможно, воспламенение только небольшой части топлива или позднее воспламенение может иметь катастрофические последствия.
Это означает, что область горения должна быть достаточно большой, чтобы зажечь смесь топлива и окислителя, и зажигание также должно происходить равномерно по всей камере сгорания.
Позднее зажигание может привести к тому, что большое количество несгоревшего топлива воспламенится одновременно, вызвав большое давление в камере сгорания. Возникающее в результате этого процесса неконтролируемое сгорание может разрушить весь двигатель.
Очевидно, что использование одной свечи зажигания или недостаточно малого источника тепла для зажигания большого жидкостного ракетного двигателя непрактично и опасно. Это обстоятельство приводит нас следующему способу запуска ракетного двигателя - создание достаточно большого источника тепла.
4) Генерация тепла
Общеизвестно, что большой источник тепла, расположенный близко к горючему материалу, может вызвать его возгорание, если тепло поддерживается в течение достаточного периода времени. Ракетные двигатели используют этот принцип для зажигания через систему воспламенения.
Процесс начинается с простой искры, создаваемой высоковольтной свечой зажигания, как описано выше. Когда газообразный водород и кислород протекают через небольшую ограниченную область вокруг свечи зажигания, они воспламеняются, превращаясь в очень горячий газ.
Горячий газ создает пламя, которое проходит по каналу, откуда оно выходит через отверстие в центре главного инжектора в камеру сгорания. Это создает горячий и достаточно большой источник тепла, который позволяет топливу вокруг него воспламенится. Такой способ зажигания достаточно надежен и используется во многих ракетных двигателях.
5) Использование лазера
Может показаться, что технологии стоят на месте, однако в космической отрасли постоянно происходят инновации и появляются новые разработки.
Одной из таких технологий является зажигание ракетного двигателя с помощью луча лазера. Хотя ни одна из этих систем в настоящее время не используется, ряд компаний работает над разработкой этой технологии.
По сути, принцип этой новой технологии заключается в том, что лазерный импульс фокусируется на топливе, когда оно впрыскивается в камеру сгорания. Индуцированная лазером плазма воспламеняет топливо. Но это перспектива будущего.