Latanie w kosmos jest bez wątpienia jednym z najbardziej niesamowitych osiągnięć naszej cywilizacji. Słynny Gagarin "idź!" i pierwszy krok Armstronga na powierzchni Księżyca - historyczne kamienie milowe na drodze do odległych planet i innych systemów gwiezdnych. Nic by się nie wydarzyło bez silnika rakietowego, który pozwoliłby nam przezwyciężyć siłę grawitacyjną planety i umożliwiłby wejście na orbitę Ziemi.
Z jednej strony urządzenie silnika rakietowego jest tak proste, że można je zbudować samodzielnie w domu, wydając na nim trzy kopie. Ale z drugiej strony projektowanie kosmicznych i wojskowych rakiet jest tak złożone, że tylko kilka państw na świecie ma swoją technologię wytwarzania.
Silnik rakietowy (RD) jest rodzajem silnika odrzutowego, którego ciało robocze i źródło energii znajduje się bezpośrednio na pokładzie statku powietrznego. To jest główna różnica w porównaniu z silnikami odrzutowymi. Tak więc droga kołowania nie zależy od tlenu atmosferycznego i dlatego może być wykorzystywana do lotów w przestrzeni kosmicznej (bezpowietrznej).
Rosja jest jednym ze światowych liderów w dziedzinie budowy silników rakietowych. Zaległości odziedziczone po Związku Radzieckim są imponujące. Przemysł krajowy jest w stanie produkować najlepsze silniki rakietowe do różnych celów. Dowodem tego jest silnik rakietowy RD-180 stosowany w amerykańskim Atlasie. Dostawy do Stanów Zjednoczonych rozpoczęły się w 2000 r. I trwają do dziś. Są też inne interesujące rzeczy, a my mówimy nie tylko o potężnych silnikach do rakiet kosmicznych lub balistycznych, ale także o kołach kołowych dla różnych systemów broni.
Obecnie najczęstsze tak zwane chemiczne silniki rakietowe, w których specyficzny impuls powstaje w wyniku spalania paliwa. Oprócz nich istnieją również silniki jądrowe i elektryczne. W tym artykule omówimy działanie silnika rakietowego, opowiemy o jego zaletach i wadach, a także przedstawimy aktualną klasyfikację dróg kołowania.
Część fizyki lub jak to działa
Różne typy silników rakietowych mają znaczące różnice w ich konstrukcji, ale praca którejkolwiek z nich opiera się na słynnym trzecim prawie Newtona, które mówi, że "każde działanie ma równy opór". RD emituje strumień płynu roboczego w jednym kierunku, a on sam, zgodnie z postulatem Newtona, porusza się w przeciwnym kierunku. Produkty spalania paliwa przechodzą przez dyszę, tworząc łaknienie - są to podstawy teorii silników rakietowych.
Jeśli stoisz w łodzi, rzuć kamień od rufy, wtedy twój statek popłynie nieco dalej. Jest to wizualny model funkcjonowania wszystkich silników rakietowych. Innym przykładem może być praca węża pożarowego, z którego woda jest wyrzucana pod wysokim ciśnieniem. Aby to zatrzymać, musisz trochę wysiłku. Jeśli umieścisz strażaka na deskorolce i podasz mu wąż, będzie poruszał się z dość dużą prędkością.
Główną cechą decydującą o skuteczności takich układów jest siła ciągu (siła ciągu). Powstaje w wyniku przekształcenia energii początkowej w kinetyczny strumień cieczy roboczej. W systemie metrycznym ciąg silników rakietowych jest mierzony w niutonach, podczas gdy Amerykanie liczą go w funtach.
Kolejnym ważnym parametrem silników rakietowych jest specyficzny impuls. Jest to stosunek siły ciągu (lub ilości ruchu) do zużycia paliwa na jednostkę czasu. Ten parametr jest uważany za stopień doskonałości danej drogi kołowania i jest miarą jego wydajności.
Silniki chemiczne działają w wyniku egzotermicznej reakcji spalania paliwa i utleniacza. Ten typ RD ma dwa składniki:
- Dysza, w której energia cieplna jest zamieniana na kinetyczną;
- Komora spalania, w której odbywa się proces spalania, czyli zamiana energii chemicznej paliwa w ciepło.
Z historii tego wydania
Silnik rakietowy jest jednym z najstarszych typów silników znanych ludzkości. Nie możemy dokładnie odpowiedzieć na pytanie, kiedy dokładnie wykonano pierwszą rakietę. Istnieje przypuszczenie, że dokonali tego starożytni Grecy (drewniany gołąb Archite of Tarent), ale większość historyków uważa Chiny za miejsce narodzin tego wynalazku. Stało się to około 3 wieku naszej ery, krótko po odkryciu prochu. Początkowo rakiety były wykorzystywane do fajerwerków i innych rozrywek. Silnik rakietowy w proszku był dość skuteczny i łatwy w produkcji.
Uważa się, że technologie te przybyły do Europy gdzieś w XIII wieku, studiowali angielskiego przyrodnika Rogera Bacona.
Pierwszy pocisk bojowy został opracowany w 1556 r. Przez Konrada Haasa, który wynalazł różne rodzaje broni dla cesarza Ferdynanda I. Ten wynalazca można nazwać pierwszym twórcą teorii silników rakietowych, był także autorem koncepcji wielostopniowej rakiety - mechanizmu działania samolotu składającego się z: z dwóch rakiet. Badanie kontynuował Polak, Kazimierz Siedenowicz, który żył w połowie XVII wieku. Jednak wszystkie te projekty pozostały na papierze.
Praktyczne wykorzystanie pocisków zaczęło się dopiero w XIX wieku. W 1805 roku brytyjski oficer William Congreve pokazał rakiety w proszku, które miały wtedy niespotykaną moc. Prezentacja była pod wrażeniem, a pociski Congreve zostały przyjęte przez armię brytyjską. Ich główną zaletą w porównaniu z artylerią beczkową była duża mobilność i stosunkowo niski koszt, a główną wadą była dokładność ognia, który pozostawiał wiele do życzenia. Pod koniec XIX wieku strzelby były szeroko rozpowszechnione, strzelały bardzo dokładnie, więc pociski zostały wycofane z eksploatacji.
W Rosji kwestią tą zajmował się generał Zasyadko. Nie tylko ulepszył pociski Congrive, ale także pierwszy, który zaproponował użycie ich do lotu w kosmos. W 1881 r. Rosyjski wynalazca Kibalchich stworzył własną teorię silników rakietowych.
Inny nasz rodak, Konstantin Ciołkowski, wniósł ogromny wkład w rozwój tej technologii. Wśród jego pomysłów jest ciekły silnik rakietowy (LRE), pracujący na mieszaninie tlenu i wodoru.
Na początku ubiegłego stulecia entuzjaści wielu krajów świata byli zaangażowani w tworzenie płynnej RD, pierwszą odniosła sukces amerykański wynalazca Robert Goddard. Jego rakieta, pracująca na mieszaninie benzyny i ciekłego tlenu, została z powodzeniem wprowadzona na rynek w 1926 roku.
Druga wojna światowa była okresem zwrotu broni rakietowej. W 1941 r. Instalacja bojowa BM-13, słynna Katiusza, została przyjęta przez Armię Czerwoną, aw 1943 r. Niemcy zaczęli używać balistycznego V-2 za pomocą silnika rakietowego z paliwem ciekłym. Został opracowany pod kierunkiem Wernera von Brauna, który później kierował amerykańskim programem kosmicznym. Niemcy opanowali również produkcję KR V-1 z silnikiem strumieniowym o przepływie bezpośrednim.
Po zakończeniu wojny między ZSRR a USA rozpoczęła się prawdziwa "rakieta". Na czele sowieckiego programu stanął Siergiej Korolev, wybitny projektant silników rakietowych, pod jego kierownictwem powstało krajowe ICBM R-7, a później uruchomiono pierwszy sztuczny satelita i wykonano lot kosmiczny załogowy.
Przez lata podejmowano próby stworzenia silników rakietowych działających kosztem energii rozpadu nuklearnego (syntezy), ale nigdy nie doszło do praktycznego wykorzystania takich elektrowni. W latach 70. zaczęto używać silników rakietowych w ZSRR i USA. Dziś są używane do korygowania orbit i kursu statków kosmicznych. W latach 70. i 80. przeprowadzono eksperymenty z XRD w osoczu, które, jak się uważa, mają duży potencjał. Wysokie nadzieje wiążą się z silnikami rakietowymi jonowymi, których wykorzystanie teoretycznie mogłoby znacznie przyspieszyć statki kosmiczne.
Jednak do tej pory prawie wszystkie te technologie są w powijakach, a głównym pojazdem odkrywców kosmosu pozostaje stara, "chemiczna" rakieta. Obecnie amerykański F-1, który uczestniczył w projekcie księżycowym, i radziecki RD-170/171, który był używany w programie "Energy-Buran", walczą o tytuł "najpotężniejszego silnika rakietowego na świecie".
Jakie one są?
Klasyfikacja silników rakietowych opiera się na metodzie pozyskiwania energii do odrzucania cieczy roboczej. Na podstawie tego parametru drogi kołowania są:
- chemiczne;
- jądrowy (termojądrowy);
- elektryczny (rakieta elektryczna);
- gaz.
Każdy z powyższych typów można podzielić na mniejsze kategorie. Silniki chemiczne (HDR), na przykład, w zależności od stanu skupienia paliwa, są paliwem stałym i ciekłym paliwem. Istnieje również hybrydowy silnik rakietowy (GRD). HDR zawiera również silnik rakietowy klinowy, który ma inny kształt i konstrukcję dyszy. Istnieją reaktory jądrowe RD w fazie gazowej i fazie stałej. Istnieje kilka rodzajów elektrowni.
Chemical RD: zalety i wady
Ten typ silnika rakietowego jest najbardziej powszechny i dobrze opanowany. Można powiedzieć, że to HRD dało przestrzeń ludzkości. Działa na skutek egzotermicznej reakcji chemicznej, a zarówno paliwo, jak i utleniacz znajdują się na pokładzie samolotu i razem tworzą paliwo. Służy również jako źródło energii i podstawa płynu roboczego.
HDD mają stosunkowo niewielki impuls właściwy (w porównaniu z elektrycznymi), ale pozwalają im uzyskać większą przyczepność. Jest to szczególnie ważne przy uruchamianiu silników rakietowych i podczas usuwania ładunków na orbitę.
W silnikach ciekłych utleniacz i paliwo znajdują się w fazie ciekłej. Za pomocą układu paliwowego są one wprowadzane do komory, gdzie są spalane i przepływają przez dyszę.
W paliwie stałym RD, mieszanina paliwa i utleniacza jest umieszczana bezpośrednio w komorze spalania. Z reguły paliwo ma kształt pręta z centralnym kanałem. Proces spalania przebiega od środka do obrzeża, a gazy wychodzące przez dyszę tworzą ciąg. Silniki te mają kilka zalet: są stosunkowo proste, tanie, przyjazne dla środowiska i niezawodne.
Wady stałego silnika chemicznego opartego na paliwie obejmują ograniczony czas jego działania, niewielki wskaźnik konkretnego impulsu (w porównaniu z płynnymi XRD) i niemożność ponownego uruchomienia - po uruchomieniu nie można go już zatrzymać. Powyższe cechy określają zakres zastosowania dróg kołowych z napędem stałym - są to rakiety balistyczne i meteorologiczne, pociski, pociski, pociski, pociski rakietowe do strzelania z siatkówki. Paliwa stałe są również wykorzystywane do uruchamiania silników rakietowych.
Ciekłe drogi kołowania mają wyższy specyficzny impuls, można je zatrzymać i ponownie uruchomić, i pociągnąć - w celu regulacji. Ponadto, w porównaniu z paliwem stałym, są lżejsze i bardziej kompaktowe. Ale w maści jest też mucha: silniki płynne mają złożoną strukturę i wysokie koszty, więc głównym obszarem ich wykorzystania jest astronautyka.
Jako składniki paliwa do płynnego XRD stosuj różne kombinacje. Na przykład tlen + wodór lub tetlenek azotu + asymetryczna dimetylohydrazyna. W ostatnich latach bardzo popularne stały się rakiety na tlen i nafty. Paliwo może składać się z pięciu lub więcej części. Metanowe silniki rakietowe są uważane za bardzo obiecujące, dziś są zaangażowane w ich tworzenie w kilku krajach świata jednocześnie. Wśród innych ciekawych wydarzeń w tej dziedzinie można wymienić tak zwany silnik rakietowy detonacji, którego paliwo nie pali się, ale eksploduje.
Prace nad ulepszaniem HDR nie kończą się, ale prawdopodobnie już osiągnięto granice - projektanci "wycisnęli" wszystko, co mogli, z paliwa chemicznego. Poważnym problemem HDR jest ogromna masa paliwa, którą samolot musi podnieść. A to jest szalenie nieskuteczne. Schemat z odłączanymi krokami nieco poprawił sytuację, ale wyraźnie nie stał się panaceum.
Należy zauważyć, że chemiczne silniki rakietowe są wykorzystywane nie tylko do eksploracji kosmosu. Okazało się jednak, że ich użycie na Ziemi dotyczyło tylko spraw wojskowych. Wszystkie pociski bojowe, zaczynając od małych samolotów lub przeciwpancernych, a kończąc na ogromnych rakietach ICBM, są wyposażone w HRA. W przeważającej mierze mają prostsze i bardziej niezawodne silniki na paliwo stałe. Przykładem pokojowego użycia HRD są rakiety geofizyczne i meteorologiczne.
Na statku atomowym do gwiazd!
Ciekły silnik rakietowy dał człowiekowi przestrzeń i pomógł dotrzeć na najbliższe planety. Prędkość wylotu strumienia od paliwa ciekłego nie przekracza 4,5-5 m / s, co sprawia, że nie nadaje się do odległych misji - wymaga to kilkudziesięciu metrów na sekundę. Statki kosmiczne z HRD wciąż są w stanie dostarczyć osobę na najbliższe planety - takie jak Mars czy Wenus - ale aby podróżować do odległych obiektów Układu Słonecznego, musimy wymyślić coś nowego. Jednym ze sposobów wyjścia z tego impasu wydaje się być wykorzystanie energii ukrytej w jądrze atomowym.
Silnik rakietowy jądrowy (YARD) jest rodzajem elektrowni, w której płyn roboczy jest ogrzewany przez energię jądrową lub energię syntezy jądrowej. W zależności od stanu paliwa może to być faza stała, ciekła lub gazowa. Jako medium robocze powszechnie stosuje się wodór lub amoniak. Trakcja YARD jest dość porównywalna z silnikami chemicznymi, podczas gdy mają wysoki specyficzny impuls. Ale jest jeden problem - zanieczyszczenie atmosfery przez radioaktywne spaliny.
Historia silników nuklearnych rozpoczęła się w połowie lat 50., dwa kraje świata - Stany Zjednoczone i Związek Radziecki - zaangażowały się w ich praktyczne tworzenie. Już w 1958 r. Amerykanie postawili zadanie stworzenia WZDŁU do lotów na Księżyc i Mars (program NERVA). Mniej więcej w tym samym czasie radzieccy projektanci zajmowali się podobnymi problemami. Pod koniec lat 70. stworzono silnik rakietowy RD-0410, który jednak nie przeszedł pełnego testu.
Obecnie najbardziej obiecujące są silniki jądrowe w fazie gazowej, w których paliwo znajduje się w stanie gazowym w specjalnej uszczelnionej kolbie. Eliminuje to jego kontakt z płynem roboczym i znacznie zmniejsza prawdopodobieństwo skażenia radioaktywnego. Pomimo tego, że główne problemy techniczne związane z tworzeniem NRE już dawno zostały rozwiązane, jak dotąd żadne z nich nie znalazło zastosowania w praktyce. Chociaż ten konkretny YARD wygląda najbardziej obiecująco z punktu widzenia rzeczywistego użytkowania.
Elektryczne silniki rakietowe, ich cechy, zalety i wady
Innym możliwym konkurentem, który ma szansę zastąpić HRD, jest elektryczny silnik rakietowy (ERE), który wykorzystuje energię elektryczną do rozproszenia płynu roboczego.
Idea stworzenia takiej elektrowni narodziła się na początku XX wieku, w latach 30. XX wieku sowiecki naukowiec Glushko wdrożył ją w praktyce. Aktywne prace nad napędem elektrycznym rozpoczęły się w Stanach Zjednoczonych i ZSRR w latach 60., aw latach 70. pierwsze tego typu silniki rakietowe były już zainstalowane na statkach kosmicznych.
Istnieje kilka rodzajów ERD:
- elektrotermiczny;
- elektrostatyczny;
- elektromagnetyczny;
- osocze
Elektryczne silniki rakietowe charakteryzują się wysokim określonym współczynnikiem impulsu, który pozwala im ekonomicznie zużywać płyn roboczy, ale także potrzebują dużo energii, co stanowi poważny problem. Jak dotąd jedynym prawdziwym źródłem napędów elektrycznych są panele słoneczne. Mają niski ciąg, który nie pozwala na użycie ich w ziemskiej atmosferze - silnik rakietowy startujący z silnika napędowego z pewnością nie zadziała. Obecnie są wykorzystywane jako manewrowanie - do korekcji orbit statków kosmicznych.
