Здравствуйте, уважаемые читатели!
Сегодня я решил немного отойти от истории. Поговорим немного о космической технике.
Для того, чтобы вывести космический аппарат на околоземную орбиту, нужна ракета. Но непросто ракета, а космическая. Называется она ракета-носитель, т.е. ракета, которая несет полезную нагрузку.
Основным элементом РН, который реализует полет РН с полезной нагрузкой и головным обтекателем, что называется ракетой космического назначения (РКН) является ракетный двигатель. Ракетные двигатели также применяются в КА в качестве маршевых и корректировочных.
В настоящее время существуют следующие виды ракетных двигателей:
- жидкостные ракетные двигатели;
- твердотопливные ракетные двигатели;
- ядерные ракетные двигатели;
- электроракетные двигатели.
В настоящее время в РН применяются только первые 2 вида ракетных двигателей. Ядерные двигатели не применяются в РН в связи с соображениями экологии, а также в связи с недостаточной разработанностью, электроракетные - в виду их очень маленькой тяги.
Основными характеристиками ракетных двигателей являются:
- тяга двигателя, т.е. создаваемая двигателем реактивная сила, отражает реальную мощность двигателя, чем выше тяга, тем большую массу полезной нагрузки может нести РН и тем на большую высоту РН может вывести полезную нагрузку;
- удельный импульс, т.е. доля импульса двигателя к весу затраченной доли КРТ (компонентов ракетного топлива), отражает эффективность ракетного двигателя, т.е. чем выше удельный импульс, тем более экономичным является двигатель, тем меньший объем КРТ требуется для выведения полезной нагрузки на орбиту Земли, что снижает стартовую массу РКН.
Каким образом данные двигатели работают?
Сначала рассмотрим жидкостные ракетные двигатели (ЖРД). В ЖРД тяга возникает возникает в результате взаимодействия двух веществ:
1. Топливо (в качестве такового обычно выступают несимметричный диметилгидразин (C₂H₈N₂, (CH₃)₂NNH₂), аэрозин (50 % несимметричного диметилгидразина и гидразина (N₂H₄, H₂N-NH₂)), керосин (сложная смесь азотистых, серных и кислородных соединений), жидкий водород (H₂) и другие, лучшим является жидкий водород).
2. Окислитель (в качестве такового обычно выступают азотный тетраоксид (N₂O₄), жидкий кислород (О₂), лучшим является фтор (F)).
В результате данного взаимодействия в камере сгорания происходит преобразование этих веществ в раскаленный газ, который в сопле Лаваля истекает и, таким образом, создает тягу ДУ. При этом сопло сконструировано таким образом, что газ сначала разгоняется на дозвуковых скоростях путем уменьшения диаметра сопла, а в сечении с минимальным диаметром получается скорость звука. Дальше получается сверхзвуковая скорость и для дальнейшего разгона газов сопло расширяется.
Наилучшей парой компонентов ракетного топлива считаются фтор (окислитель) и жидкий водород (топливо), в результате взаимодействия которых может быть получен максимальный удельный импульс для химических двигателей - 5000 м/с.
Другим примером химических ракетных двигателей являются твердотопливные (ТТРД). Данные двигатели, в основном используются в баллистических ракетах, в космических ракетах их применение весьма ограничено. Твердое топливо имеет в своем составе и окислитель и горючее. Чаще всего сейчас применяются:
- перхлорат аммония (NH4ClO4),
- перхлорат лития (LiClO4),
- перхлорат калия (KClO4),
- нитрат калия (КNО3),
- нитрат аммония (NH4NO3),
- динитрамид аммония (NH4N(NO2)2).
Твердое топливо загорается на земле от искры и истекает по соплу по вышеописанному принципу.
Помимо химических ракетных двигателей существуют также:
- ядерные двигатели, в которых рабочее тело (как правило, водород) разогревается до высоких температур (около 3000 К) за счет применения цепной реакции, подается в сопло и истекает через него в окружающее пространство, удельный импульс достигает 12000 м/с;
- электроракетные двигатели, в которых электрическая энергия преобразовывается в кинетическую энергию заряженных частиц. Существуют в настоящее время:
- электротермические ракетные двигатели,
- электромагнитные ракетные двигатели,
- электростатические ракетные двигатели,
- ионные ракетные двигатели.
Электроракетные двигатели имеют очень малую тягу, в связи с чем они очень долго разгоняют КА. Однако они обладают наивысшим из существующих ракетных двигателей удельным импульсом, до 1000000 м/с.
Каковы перспективы дальнейших разработок ракетных двигателей?
В настоящее время перспективными являются следующие разработки:
1. Разработка газофазного (плазменного) ядерного ракетного двигателя, в котором урановая плазма передает тепло водороду, который, нагреваясь до десятков тысяч Кельвинов, выходит из двигателя в виде реактивной струи. По предварительным расчетам, проведенным в исследовательском центре им. М.В. Келдыша, такие двигатели позволят разгонять КА до десятков тысяч м/с, и, т.о. достаточно быстро осуществлять межпланетные перелеты.
2. Совмещение ЖРД с электроракетными двигателями. До начала 2010-х в ВКА им. А.Ф. Можайского велись активные теоретические разработки двигателей на таких принципах. В частности, есть ЖРД с дополнительным электротермическим разгоном рабочего тела и ЖРД с дополнительным электромагнитным разгоном рабочего тела (автор является одним из разработчиков данного двигателя и автором патента на его изобретение). Такое совмещение позволяет сохранить высокую тягу, присущую ЖРД, и получить высокие значения удельного импульса (до 50000 м/с). Такие двигатели также способны разгонять КА до очень высоких скоростей (несколько тысяч м/с).
3. Разработка аннигиляционного ракетного двигателя. К сожалению данный тип двигателей является предметом разработок более далекого будущего. В данном двигателе используется энергия аннигиляции (реакция взаимодействия материи с антиматерией), при которой выделятся количество энергии в 270 раз больше, чем при термоядерной реакции. Такие двигатели позволят разгонять КА до скоростей, близких к скорости света. Однако в настоящее время есть ряд непреодолимых для современной науки проблем, связанных с малоизученностью античастиц и аннигиляции, проблемами производства антиматерии, проблемами удержания и направления энергии аннигиляции и т.д.
Вот такой краткий экскурс по ракетным двигателям.