В поисках новых горизонтов в космических исследованиях человечество на протяжении более ста лет совершенствует технологии ракетного двигателестроения. В статье мы собрали основные типы таких двигателей и несколько интересных деталей о них.
В начале было...
Одними из самых древних технологий в области ракетостроения можно считать твердотопливные ракетные двигатели (РДТТ) . Они представляют собой простую конструкцию, в которой используется порох для создания тяги за счет выброса газов, образующихся при горении. Несмотря на свою простоту и длительную историю, такие двигатели имеют ряд недостатков, включая сложность в остановке и возобновлении процесса горения. Тем не менее, РДТТ все еще находят применение, особенно в качестве ускорителей на космических ракетах-носителях.
В начале XX века Константин Эдуардович Циолковский предложил концепцию жидкостных ракетных двигателей (ЖРД), которые стали более распространенными и эффективными. В большинстве случаев ЖРД использует две жидкости: топливо и окислитель, что позволяет более точно управлять процессом горения и, как следствие, тягой. Существуют и монотопливные двигатели, в них жидкость может самостоятельно разлагаться. например, гидразин. Он также может выступать и в роли топлива в смеси с окислителем для максимального эффекта. Гибридные двигатели, совмещающие твердое топливо и жидкий окислитель, также находят применение, хотя и в меньшей степени. Все эти типы двигателей объединяет одно название — химические ракетные двигатели (ХРД). Основная их проблема заключается в скорости выброса рабочего тела, которая ограничена химической энергией топлива.
Ядерные ракетные двигатели
Следующим шагом в развитии ракетной техники стали ядерные ракетные двигатели (ЯРД). Они работают на основе ядерной реакции, которая обеспечивает значительно более высокую эффективность по сравнению с химическими двигателями. В рамках этой технологии выделяют несколько разновидностей, такие как ядерные тепловые двигатели, использующие тепло, генерируемое в процессе деления ядер, для разогрева рабочего тела, и ядерные импульсные двигатели, которые создают тягу за счет импульсного выброса нагретого газа.
Ядерные ракетные двигатели, помимо ядерных тепловых и импульсных двигателей, могут включать термоядерные ракетные двигатели, которые используют реакцию термоядерного синтеза для получения энергии. В таких системах легкие атомные ядра, например, изотопы водорода (дейтерий и тритий), соединяются, высвобождая огромное количество энергии.
Термоядерные двигатели обладают потенциальной способностью обеспечить гораздо более высокую эффективность и тягу по сравнению с химическими и даже обычными ядерными двигателями. Однако на данный момент эта технология находится на стадии разработки и сталкивается с различными техническими и инженерными вызовами.
Более подробно читайте в нашей подборке о термоядерной энергетике!
Электрические ракетные двигатели
Если вернуться к уравнению движения ракеты, можно заметить, что на максимальную скорость слабо влияет количество топлива в силу логарифмической зависимости. Поэтому еще тогда К.Э. Циолковский выдвинул предположение, что необходимо как-то увеличивать скорость рабочего тела (РТ). Так в середине XX века и начинает развиваться класс электрических ракетных двигателей (ЭРД). Эти двигатели позволяют разгонять рабочее тело до значительно более высоких скоростей. Они отличаются компактностью и низким потреблением энергии. Среди них можно выделить ионные двигатели, разработанные в 70-х годах в США. Они активно применяются на многих межпланетных космических аппаратах. Ионные двигатели разгоняют рабочее тело с помощью сеточных электродов высокого потенциала, между которыми ионы и электроны ускоряются отдельно. В качестве рабочего тела чаще всего используют легко ионизируемый цезий или вещества с высокой атомной массой.
Существуют также электротермические двигатели, в которых рабочее тело нагревается за счет электрической энергии, превращаясь в газ при температуре 1000-5000 К. Это создает тягу, когда газ истекает из сопла. Рабочими телами в таких двигателях могут быть вещества с малой молекулярной массой, такие как гелий или аммиак. Нагрев может осуществляться различными способами, включая дуговой разряд.
Причем тут плазма?
Плазменные ракетные двигатели представляют собой еще одну интересную разновидность электрических РД. В этих системах в качестве рабочего тела используется плазма, например, ксенона, которая ускоряется в результате воздействия скрещивающихся магнитных полей. Это позволяет добиться высокой эффективности и тяги, что делает плазменные двигатели перспективными для длительных межпланетных миссий. Между собой они подразделяются на импульсные и стационарные РД.
Импульсные плазменные двигатели работают по принципу кратковременного выброса плазмы, создавая высокие импульсы и, соответственно, тягу. В таких системах плазма разгоняется и выбрасывается в виде импульсов, что позволяет достичь значительных значений тяги за короткий период времени. Эти двигатели обычно используются для маневрирования в космосе, где важна высокая эффективность в использовании топлива и возможность быстрого изменения вектора движения.
Стационарные плазменные двигатели, в отличие от импульсных, обеспечивают постоянную тягу. Они работают на основе непрерывного выброса плазмы, что позволяет поддерживать длительное воздействие и проводить длительные маневры. В таких системах плазма генерируется и ускоряется с помощью электрического поля или магнитных полей, что обеспечивает стабильность работы. Стационарные плазменные двигатели обладают высокой эффективностью и могут работать длительное время, что делает их идеальными для межпланетных миссий, где требуется постоянное, но не слишком мощное воздействие.
Таким образом, современные ракетные технологии предлагают широкий спектр двигателей, начиная от традиционных химических и ядерных до более совершенных электрических и плазменных систем. Каждая из них имеет свои преимущества и недостатки, что позволяет подбирать наиболее подходящее решение в зависимости от задач, поставленных перед космическими аппаратами.
Скоро мы более подробно расскажем об устройстве и перспективах плазменных двигателей, подписывайтесь, чтобы не пропустить! А послушать о них можно уже сейчас в нашем подкасте!
#инженерный_подкаст #все_ответы_в_науке_МИФИ #десятилетиенауки #МинобрнаукиРоссии #популяризациянауки