В давние времена, после того как человечество открыло порох и осознало его свойства, были созданы первые ракеты. Эти первые пороховые устройства, запускаемые в небо и оставляющие за собой огненный хвост и дымный шлейф, служили главным образом развлечением. Хотя они были далеки от современных технологических чудес, именно они заложили основу для будущего развития ракетостроения.
С течением времени, пороховые ракеты перестали быть простым развлечением и нашли применение как мощное оружие на поле боя. Однако их потенциал для других, более масштабных и мирных применений - был ограничен, и многие ученые и инженеры видели необходимость в создании более мощных и надежных устройств. Промышленная революция в конце XIX века и развитие науки, привели к разработке ракет на жидком топливе, которые, несмотря на сложность производства, предлагали гораздо больше возможностей и улучшенные характеристики по сравнению с твердотопливными ракетами.
Именно благодаря технологии жидкостного ракетного двигателя, человечество совершило свои первые шаги в космос. Однако, твердотопливные ракеты никуда не исчезли, а развивались параллельным курсом. Они выделялись своей простотой и надежностью, что было оценено в среде военных технологий. Более того, со временем такие "пороховые" ракеты взяли реванш, и все же стали применяться для освоения космоса.
Но где же грань между пороховым фейерверком и высокотехнологичной космической техникой? Давайте подробнее рассмотрим устройство, особенности и примеры твердотопливных двигателей, применяющихся в ракетостроении.
Итак, в середине двадцатого века активное освоение космоса стало возможным благодаря прорывам в технологии жидкостных ракетных двигателей (ЖРД). Эти двигатели предоставляли существенные преимущества и более солидные рабочие параметры по сравнению с твердотопливными ракетными двигателями (ТТРД), что привело к их широкому использованию в космических миссиях. Так, первые советские ракеты серии Р-7, и семейство американских ракет Redstone использовали жидкостные двигатели, и с успехом достигали космических орбит.
Но несмотря на широкое распространение ЖРД в космонавтике, ракеты на твердом топливе (ТТРД) не утратили своей актуальности. Одной из первых среди таких "пороховых" космических ракет можно считать американскую Scout.
Scout была создана в рамках проекта Национального управления по аэронавтике и космическому исследованию (NASA) при участии промышленных партнеров. Ее эксплуатация началась в 1960-х годах и продолжалась до начала 1990-х. Ракета имела длину 23 метра и диаметр примерно 1 метр. Ее стартовый вес составлял 20 тонн, и она могла доставлять грузы весом до 200 кг на низкие околоземные орбиты. Первый успешный запуск этой ракеты был осуществлен 18 июля 1960 года. За все время службы она проявила себя как один из самых надежных твердотопливных носителей, выполнив множество успешных запусков. Основной миссией Scout было выведение малых научных спутников на орбиту для разнообразных исследований.
Для понимания особенностей данной технологии, стоит рассмотреть устройство стандартного твердотопливного двигателя. Для начала, отметим главную особенность любого подобного двигателя: такие устройства одновременно выполняют функции и топливного бака, и собственно двигателя. Это значительно упрощает конструкцию ракеты и необходимые производственные процессы.
"Стандартный" ТТРД представляет собой металлическую трубу, верхняя часть которой закрыта заглушкой, а в нижней расположено сопло. Этот корпус наполнен твёрдым топливом, которое быстро сгорает, создавая высокое давление газов. Эти газы, выбрасываются через сопло и создают реактивную тягу, благодаря чему ракета и поднимается в небо.
Однако, даже форма "пороховой шашки" имеет значение, когда речь идет о настоящих космических технологиях. Твёрдая топливная смесь в ТТРД обычно не является монолитным цилиндром, занимающим все внутреннее пространство. В центре этой "шашки" обычно присутствует продольный канал, который позволяет увеличить площадь горения и обеспечить равномерное выделение газов. Эта особенность конструкции позволяет достичь максимальной эффективности работы двигателя. Более того, пока топливо сгорает изнутри, тепловое воздействие на внешний корпус остается минимальным. Это позволяет достичь дополнительной надежности и предотвращает повреждение конструкции от процесса горения.
Собственно, о топливе стоит поговорить подробнее. Иногда можно встретить мнение, что подобные ракеты заполнены, по сути, взрывчаткой, но это не так. Такое недопонимание, вероятно, исходит из того, что мы привыкли считать черный порох взрывчатым веществом, он же и использовался в древних фейерверках. На самом деле, твёрдое ракетное топливо, несмотря на исторические корни, в современной технологии стоит далеко от обычных взрывчатых материалов. Главная цель этого топлива — обеспечение мощной тяги благодаря быстрому, но контролируемому процессу горения, а не создание взрывной реакции.
Задача специалистов, работающих над разработкой такого топлива, заключается в максимизации скорости горения, минимизируя при этом риск взрыва. В отличие от многих взрывчатых веществ, которые зачастую состоят из одного химического соединения, выполняющего роль и горючего, и окислителя (например, нитроглицерин или нитроцеллюлоза), твёрдое ракетное топливо включает в себя комбинацию различных компонентов.
Так, структура твёрдого ракетного топлива в некоторой степени аналогична жидкостным ракетным топливам, в их составе есть собственный отдельный окислитель и собственное горючее. Однако, если в жидкостных двигателях эти составляющие хранятся в разных баках, то в твёрдом топливе эти компоненты предварительно смешиваются.
Характерным окислителем для современного твёрдого топлива является перхлорат аммония, который, благодаря своим выдающимся окислительным характеристикам, обеспечивает двигателю необходимую эффективность сгорания. Если же речь идет о выборе горючего компонента, инженеры имеют в распоряжении широкий ряд вариантов. Многие углеродные полимерные соединения имеют высокую температуру горения и выделяют большое количество газов, что делает их подходящими для таких целей. Например, полимер HTPB обладает высокой термической стабильностью и эластичностью, что делает его одним из наиболее предпочтительных вариантов. Другой полимер, PBAN, обладает хорошей адгезией к другим компонентам топлива и способствует равномерному горению.
Впрочем, эти полимеры выступают не столько в роли горючего, сколько выполняют роль связующего вещества. Гореть могут не только полимеры на основе углерода, но и многие металлы. Например, алюминий в виде мелкофракционного порошка, часто является одним из основных компонентов топлива, именно его наличие в составе создает высокие температуру и давление в камере сгорания.
Яркий пример твердотопливной ракеты:
Например, вот состав топливной смеси в твердотопливном ускорителе SRB системы Space Shuttle.
- Перхлорат аммония - окислитель, составляющий около 69,6% по массе.
- Порошок алюминия - топливо, около 16% по массе.
- Углеродный полимер HTPB - смола, одновременно является связующим веществом и топливом, около 12% по массе.
- Пластификаторы и прочие добавки.
Выбор конкретного состава топлива зависит от множества факторов. Инженеры стремятся к оптимальному сочетанию характеристик, таких как температура горения, скорость горения, давление газов и механические свойства материала. Эти характеристики определяют эффективность и безопасность работы ракетного двигателя.
В дополнение к основным компонентам топлива, инженеры также добавляют различные добавки для улучшения его свойств. Например, пластификаторы добавляются для улучшения пластичности и уменьшения хрупкости твердого топлива, а также для обеспечения его равномерного горения.
Но какие физические характеристики способно обеспечить такое топливо при сгорании? Температура горения твердого топлива в среднем составляет около 2700° по Цельсию, в то время как давление газов в камере сгорания при этом достигает примерно 60-70 атмосфер. Эти показатели могут выглядеть впечатляющими, но при сравнении с жидкостными ракетными двигателями становится ясно, что последние обычно имеют более высокие характеристики, превосходя твердое топливо на 30-50%. Например, основной двигатель SpaceX, Мerlin-1D, создает давление в 97 атмосфер в камере сгорания, а керосин и кислород, на которых он работает, сгорают при температуре около 3300° по Цельсию.
Наш паблик VK:
Плотность твердого топлива также отличается, составляя около 1,7 тонн на кубический метр. Это значительно больше, чем у большинства жидких ракетных топлив, чья плотность обычно лежит в диапазоне 0,7-1 тонны на кубический метр. В силу этих физических характеристик, основной показатель ракетного двигателя, удельный импульс ТТРД (в среднем 2400 м/c) часто оказывается ниже, чем у ЖРД (в среднем 3000 м/c). Это указывает на то, что, хотя твердое топливо может быть более удобным для некоторых приложений из-за его плотности и стабильности, оно не всегда является самым эффективным выбором с точки зрения производительности ракетного двигателя.
Удельный импульс можно рассматривать как эффективность использования топлива ракетой. Если удельный импульс невелик, это значит, что ракете нужно больше топлива для достижения заданной траектории и скорости. Это подобно автомобилю с большим расходом топлива на 100 км, который быстро расходует бензин. Для ракет, низкий удельный импульс может означать потребность в большем весе, больших размерах и увеличенных затратах на запуск для выполнения той или иной задачи.
Таким образом, твердотопливные ракетные двигатели имеют свои ограничения, а их характеристики, в среднем, действительно ниже чем у жидкостных ракетных двигателей. Однако, это лишь первая часть статьи, посвященная данной технологии, и остальные, не менее важные аспекты, мы рассмотрим в следующий раз.