Sw-motors.ru

Автомобильный журнал
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Космические моторы

Космические моторы. Главные разработки Валентина Глушко, известные на весь мир

2 сентября исполнилось 110 лет со дня рождения инженера, ученого и конструктора, занимавшегося разработкой ракетных двигателей и космических систем, — Валентина Петровича Глушко. При его непосредственном участии был разработан целый ряд двигателей, на которых до сегодняшнего дня летают космические носители «Союз» и «Протон», а также межконтинентальная баллистическая ракета «Воевода», которая известна на Западе как «Сатана». ТАСС собрал главные изобретения знаменитого конструктора ракетно-космической техники.

Первый электрический реактивный двигатель

Под руководством Глушко был разработан первый в мире электротермический реактивный двигатель. Опытный образец был создан в СССР — в Газодинамической лаборатории в Ленинграде, которой заведовал Глушко, в 1929 году.

В двигателе в камеру сгорания устанавливались специальные проводники (из железа, палладия других металлов), на эти проводники подавались кратковременные, но мощные импульсы электрического тока с определенной частотой. Сам процесс назывался «электрическим взрывом» — при прохождении разряда проводники в прямом смысле разрушались, выделяя водород, который истекал из сопла двигателя и создавал тягу. Позже работы по этим двигателям были свернуты из-за низкой мощности.

Впервые в советской космической промышленности электрореактивные двигатели (ЭРД), но с иным принципом, были применены значительно позже — в 1964 году в космос был отправлен спутник «Зонд-2», с шестью установленными плазменными двигателями ориентации.

В современной космической технике применяются различные ЭРД, например, ионный (ионизированный газ разгоняется в электрическом поле). Такие модели, как и первый двигатель Глушко, имеют малую тягу, но могут работать за счет низкого расхода рабочего тела чрезвычайно долго — до нескольких лет. В качестве маршевого ЭРД был, например, установлен на японском космическом аппарате «Хаябуса», запущенном для изучения астероида Итокава. ЭРД широко применяются на спутниках в качестве двигателей коррекции траектории.

Первые в СССР жидкостные ракетные двигатели

Под руководством Глушко после завершения работ по ЭРД впервые в отечественной космической промышленности была создана целая серия опытных ракетных двигателей, работающих на жидком топливе. Серия называлась ОРМ — опытные ракетные моторы. В качестве топлива в двигателях серии использовались керосин, бензин, толуол, другие вещества.

Советские ученые экспериментировали как со смешанными унитарными, так и с двухкомпонентными топливами. Первые образцы, работавшие на унитарном топливе (ОРМ-1 тягой всего 20 кгс), были крайне несовершенны и терпели отказы, вплоть до аварийных ситуаций — двигатели взрывались на стендах во время работы. В итоге был сделан выбор в пользу более безопасной двухкомпонентной схемы — отдельные баки для горючего, отдельные для окислителя.

Работы над двигателями серии ОРМ Газодинамическая лаборатория начала в 1930-х годах, и к 1933-му был создан достаточно мощный образец ОРМ-52 с тягой 300 кгс. Под этот двигатель был разработан целый ряд реактивных летательных аппаратов («РЛА-1», «РЛА-2» и так далее), но их образцы «в железе» не создавались. По задумке инженеров, РЛА должны были взлетать на высоту нескольких километров и выбрасывать контейнер с метеоаппаратурой, которая затем опускалась бы на землю на парашюте. ОРМ-52 прошел официальные государственные испытания, правда, только на стенде. На одном из запусков образца двигателя в 1933 году присутствовал начальник вооружения Красной Армии маршал Михаил Тухачевский и дал работе лаборатории Глушко положительную оценку.

В 1934 году коллектив Газодинамической лаборатории из Ленинграда был объединен с московской группой изучения реактивного движения (под руководством Сергея Павловича Королева) в Реактивный научно-исследовательский институт. Ученые совместными усилиями продолжили разработку двигателей и носителей под них. Коллектив Глушко создал образцы с номерами от ОРМ-53 до ОРМ-102. В частности, двигатель ОРМ-65 разработки Глушко ставился на созданную Королевым крылатую ракету — «объект 212». В 1939 году прошли ее испытания — ракета с ОРМ-65 достигла высоты 250 м, когда преждевременно раскрылся ее парашют. Двигатель ОРМ-65 работал на азотной кислоте и керосине, развивал тягу 150 кгс и мог работать до 80 секунд.

Двигатели для баллистических и космических ракет

С 1946 года Глушко был назначен главным конструктором ОКБ-456 в Химках (сейчас НПО «Энергомаш» — главный разработчик и производитель российских ракетных двигателей — прим. ТАСС). Здесь под его руководством созданы двигатели для первых советских баллистических ракет Р-1, Р-2 и Р-5.

В 1954–1957 годах коллектив ОКБ-456 разработал жидкостные ракетные двигатели РД-107, которые впоследствии будут устанавливаться на знаменитую ракету Р-7, сконструированную коллективом ОКБ-1 под руководством Королева, так называемую королевскую семерку. Это была первая в мире полноценная межконтинентальная баллистическая ракета с максимальной дальностью полета 8 тыс. км и одним термоядерным зарядом мощностью 3 мегатонны. Первый запуск Р-7 состоялся 15 мая 1957 года, на вооружение Ракетных войск стратегического назначения она была принята в январе 1960-го.

На базе Р-7 был создано целое семейство ракет космического назначения. В частности, знаменитый «Восток», на котором 12 апреля 1961 года в космос отправился Юрий Гагарин. Модификации этой ракеты используются до сих пор — с грузовыми кораблями и спутниками в космос стартуют ракеты серии «Союз-2», с пилотируемыми — «Союз-ФГ» (со следующего года запуски космонавтов будут переведены на «Союз-2»). До сих пор на этих ракетах используются модификации двигателей, разработанных Глушко: версии РД-107 для боковых и центрального блока первой ступени и варианты РД-108 — для второй ступени.

Также сотрудники ОКБ-456 под руководством Глушко создали двигатель РД-253, который с изменениями и сейчас используется в самой массовой серии советских и российских тяжелых грузовых ракет «Протон». Последний вариант — «Протон-М» — использует на первой ступени шесть двигателей РД-276, которые являются глубокой модернизацией РД-253 Глушко.

Читать еще:  Датчик температуры двигателя мерседес 202

Параллельно известный конструктор работал над двигателями для советских баллистических ракет, появившихся после Р-7. В частности, самая мощная на сегодняшний день и стоящая на вооружении РВСН тяжелая межконтинентальная ракета «Воевода» использует на первой ступени двигатель РД-264, разработанный при непосредственном участии Глушко.

«ЭнергияБуран»

В 1974 году было создано НПО «Энергия» (сейчас Ракетно-космическая корпорация «Энергия»), в новую организацию вошло Центральное конструкторское бюро машиностроения (ОКБ-1, переименованное так после смерти Королева), а также КБ «Энергомаш» (бывшее ОКБ-456). Глушко стал главным конструктором «Энергии», название которой, по некоторым данным, он и придумал.

Несмотря на все его усилия, НПО «Энергия» не получило заказ от государства на разработку двигателей под ракету сверхтяжелого класса Н-1 для советской лунной программы. Идеи конструктора были отклонены из-за токсичности предложенных им компонентов топлива. Позже он в своих письмах не оставляет планов покорения Луны, в частности, предлагает руководству страны в течение десяти лет разработать и создать систему доставки космонавтов к естественному спутнику Земли и орбитальный лунный модуль весом 60 тонн, который обеспечит высадку на Луну трех космонавтов. Однако этим планам не суждено сбыться.

В 1976 году внимание Глушко переключается на совсем другую тему — создание челнока «Буран» как ответа на запуски американских многоразовых кораблей «Спейс Шаттл». Отечественная многоразовая система «Энергия — Буран» создавалась под непосредственным руководством Глушко и по его проекту, именно он настоял на облике сверхтяжелой ракеты «Энергия» и предложил вид двигателя первой ступени РД-170. Успешный запуск «Бурана» прошел в ноябре 1988 года в автоматическом режиме.

Кроме двигателей, под руководством Глушко был выполнен ряд ключевых работ по направлению пилотируемой космонавтики. Так, конструктор возглавлял работы по совершенствованию пилотируемых космических кораблей «Союз», им была предложена концепция многомодульной станции «Мир»: НПО «Энергия» выдвинула свои предложения по созданию новых орбитальных станций в 1976 году, эскизный проект «Мира» был готов в 1978 году.

Подготовила Валерия Решетникова

Первый запуск воздушного электрического ракетного двигателя

Впервые в мире команда, возглавляемая Европейским космическим агентством (ЕКА), построила и запустила электрический реактивный двигатель, поглощающий немногочисленные молекулы воздуха из верхних слоёв атмосферы для использования в качестве рабочего тела, открывая путь спутникам, летящим на очень низких орбитах в течение многих лет подряд.

Спутник ЕКА для изучения гравитационного поля Земли GOCE летал на высоте всего на 250 км над Землёй в течение более пяти лет благодаря электрическому двигателю, который непрерывно компенсировал воздушное сопротивление. Однако его рабочий ресурс ограничивался 40 кг ксенона, который он носил в качестве рабочего тела — когда этот запас был исчерпан, миссия была закончена.

Замена топлива на борту атмосферными молекулами создаст новый класс спутников, способных работать на очень низких орбитах в течение длительного времени.

Электроракетные двигатели малой тяги, использующие атмосферный воздух также могут применяться во внешних слоях атмосфер других планет, используя, например, двуокись углерода на Марсе.

«Этот проект начался с новой конструкции для сбора молекул воздуха в качестве рабочего тела в верхних слоях атмосферы Земли на высоте около 200 км с типичной скоростью 7,8 км/с», объясняет Луи Уолпот из ЕКА.

Компанией Sitael в Италии был разработан целый двигатель для проверки концепции , которая была выполнена в вакуумной камере в испытательных установках компании, имитируя окружающую среду на высоте 200 км.

«Генератор потока частиц» обеспечивал встречные высокоскоростные молекулы для сбора при помощи воздухозаборника новой конструкции.

Нет клапанов или сложных деталей — все работает на простой, пассивной основе. Все, что требуется, — это сила катушек и электродов, создающая чрезвычайно надежную систему компенсации сопротивления.

Задача заключалась в том, чтобы разработать новый тип воздухозаборника для сбора молекул воздуха, чтобы они не отскакивали, собирались и подвергались сжатию.

Молекулы, собранные воздухозаборником, разработанным QuinteScience в Польше, получают электрические заряды, чтобы их можно было ускорить и выбрасывать для обеспечения тяги.

Sitael разработала двухступенчатый двигатель для обеспечения лучшего заряжания и ускорения поступающего воздуха, чего труднее достичь, чем в традиционных электроракетных двигателях.

«Команда использовала компьютерное моделирование поведения частиц, чтобы моделировать все различные варианты воздухозаборника, — добавляет Луис, — но все это сводилось к этому практическому тесту, чтобы узнать, будут ли воздухозаборник и двигатель работать вместе или нет.

«Вместо простого измерения результирующей плотности на коллекторе для проверки конструкции воздухозаборника, мы решили присоединить электрический ракетный двигатель. Таким образом, мы доказали, что действительно можем собирать и сжимать молекулы воздуха до уровня, в котором может происходить зажигание двигателя, и измерять фактическую тягу.

«Сначала мы проверили, что наш двигатель может неоднократно зажигаться с помощью ксенона, собранного из генератора потока частиц».

В качестве следующего шага Луис объясняет, что ксенон был частично заменен воздушно-воздушной смесью азот-кислород: «Когда синий цвет шлейфа двигателя на основе ксенона изменился до фиолетового, мы поняли, что нам это удалось.

«Система в результате воспламенилась неоднократно исключительно с атмосферным рабочим телом, тем самым доказав осуществимость концепции.

«Этот результат означает, что электроракетный двигатель с использованием воздуха — это уже не просто теория, а осязаемая рабочая концепция, готовая к разработке, которая послужит в один прекрасный день в качестве основы для нового класса миссий».

Этот проект был поддержан Программой исследовательских программ ЕКА для разработки перспективных новых идей для космоса при поддержке Программы Агентства по наблюдению Земли.

Читать еще:  Двигатели ford ecoboost характеристики

Электроракетные двигатели

Практические работы над электроракетными двигателями, начатые в 1970-е гг., были связаны с ограниченными возможностями бортовых энергоустановок КА, максимальная электрическая мощность которых составляла около 1 кВт. Такой уровень мощности и предъявляемые к ЭРД требования обусловили целесообразность разработки стационарных плазменных двигателей (СПД) на основе холловского ускорителя плазмы с замкнутым дрейфом электронов. Первые образцы СПД были выполнены в Институте атомной энергии им. И.В. Курчатова, а затем в КБ “Факел”. Эти двигатели имеют достаточно высокие характеристики при указанном уровне мощности и удельном импульсе тяги, равном примерно 20 км/с; рабочим телом является ксенон.

В ближайшие одно-два десятилетия с помощью ЭРД будут решаться задачи коррекции орбиты космических аппаратов с целью устранения ошибок их выведения и ее поддержания (или изменения) в течение периода активного существования КА, компенсации возмущений, действующих на аппараты при их функционировании как на геостационарной, так и на низких околоземных орбитах; обеспечения высокоточной ориентации и стабилизации КА; доставки КА с опорной околоземной орбиты на более высокие, например, геостационарную.

Впоследствии ЭРД должны найти широкое использование при обеспечении полетов космических аппаратов к Луне и планетам Солнечной системы. В настоящее время весьма эффективно и рентабельно применение ЭРД в составе геостационарных спутников связи. Оценки показывают, что замена ЖРД МТ, обеспечивающего коррекцию орбиты, на ЭРД позволит снизить массу типового спутника на 15 % при сроке его активного существования (САС) 5 лет и на 40 % при САС 15 лет, а при постоянной массе спутника – увеличить число каналов связи и объем передаваемой информации соответственно на 30 и более чем на 50 %.

Анализ задач РКТ на ближайшую перспективу показывает,что для оснащения большинства КА потребуются ЭРД с электрической мощностью от 1 до 10 кВт (в дальнейшем – до 100 кВт), удельным импульсом тяги от 15 до 30 км/с и ресурсом работы порядка 10 000 ч. Указанный диапазон параметров ЭРД является оптимальным для выполнения задач коррекции и ориентации аппаратов различного назначения, межорбитальных перелетов, поддержания орбит низколетающих спутников и т.п. В числе перспективных направлений исследований ближайшего будущего необходимо отметить создание СПД, которые будут работать с использованием менее дефицитных, чем ксенон, веществ, так как запас рабочего тела, потребный, например, для средств межорбитальной буксировки, исчисляется десятками тонн.

В более отдаленной перспективе, по мере решения глобальных энергетических и экологических проблем и роста масштабов межорбитальных транспортных операций, технический и экономический эффекты от использования ЭРД будут возрастать. Без подобных двигателей практически невозможна организация будущих пилотируемых межпланетных экспедиций, широкомасштабного освоения Луны. Поэтому совершенствование ЭРД с потребляемой мощностью десятки-сотни мегаватт, удельным импульсом тяги 15-80 км/с, ресурсом до 5 лет, способных надежно ра-ботать на основе таких доступных веществ, как аргон, криптон, литий, натрий, азот, представляется одним из наиболее перспективных и актуальных направлений развития космического двигателестроения.

Новые технологии, носящие революционный характер, существенным образом повлияют на облик, характеристики и стоимостные показатели орбитальных средств XXI в. Эксперты выделяют следующие основные направления, определяющие разработки перспективных КА: Бортовая обработка, источники питания, средства связи. Новые принципы использования КА, заключающиеся в оплате потребителями услуг только тогда, когда они ими пользуются, повлекли за собой необходимость создания бортовых средств…

В настоящее время в мире существует одна действующая многоразовая космическая система – американская Space Shuttle. Регулярные эксплуатационные запуски МТКС начались в ноябре 1982 г. По состоянию на 1 января 1999 г. осуществлено 93 полета, один из которых (двадцать пятый) завершился катастрофой МТКС с утратой орбитальной ступени (ОС) Challenger. МТКС Space Shuttle представляет собой двухступенчатую ракетную…

В настоящее время в ведущих ракетно-космических странах мира проводятся интенсивные работы по созданию перспективных средств выведения. Позади длительный, сорокалетний (1957-1997 гг.) период создания ракет-носителей на основе боевых ракет. Значительное числомодификаций базовых моделей, разработанных в отмеченный период, созданы путем модернизации отдельных элементов РН в рамках установленных компоновочных схем. Эволюционный период совершенствования РН завершается, потенциальные возможности старых…

Полеты человека в космос стали возможны благодаря созданию ракетно-космической техники и планомерным исследованиям в областях космических биологии и медицины – новых областях естествознания, изучающих особенности жизнедеятельности человека и других организмов при действии на них факторов космического пространства. Биологические исследования в процессе полетов ракет и первых искусственных спутников Земли открыли путь человеку в космос и во…

На настоящем этапе развития космических транспортных средств сложилась ситуация, когда возможности по совершенствованию химических ракетных двигателей традиционных типов (на основе стационарных или медленно протекающих рабочих процессов) практически полностью исчерпаны и ограничены незначительным улучшением энергомассовых характеристик, достигаемым, как правило, в ущерб надежности, безопасности и экологичности. Качественный скачок в развитии космических транспортных средств может быть достигнут путем…

Для управления космическими аппаратами различного назначения в Российской Федерации в основном используется наземный автоматизированный комплекс управления Минобороны. Кроме того, для управления некоторыми КА научного и социально-экономического назначения, обеспечения полетов КА пилотируемых программ и управления коммерческими КА используются комплексы и средства Росавиакосмоса, а также комплексы и средства ряда других государственных ведомств и коммерческих организаций. НАКУ МО…

Одновременная смена веков и тысячелетий – уникальный временной период,который характеризуется определяющими историческими поворотами в развитии человечества. Такова “магия” чисел. В это время подводятся итоги деятельности в областях знаний, определяющих прогресс человечества, и оцениваются перспективы их последующего развития. Не миновала сия участь и космонавтику. Бурное развитие космонавтики во второй половине XX в. значительно ускорило научно-технический прогресс….

Читать еще:  Что такое дизельный турбированный двигатель

В настоящее время рынок телекоммуникаций развивается весьма динамично – его объем в 1998 г. превысил 1 трлн дол. При этом объем космического сегмента рынка телекоммуникаций составил примерно 27 млрд дол., или 2,3 % от всего мирового рынка. Однако в течение 10 лет прогнозируется рост удельной доли космического сегмента до 6 %. Это означает, что среднегодовые…

В США средства управления КА военного и двойного назначения эксплуатируют МО, НАСА и Управление по исследованию атмосферы и океанов НОАА (NOAA) Министерства торговли. В США формальное разделение космической программы на гражданскую и военную произошло в начале 1960-х гг. К 1964 г. сформировался НКУ военной навигационной системы Transit. С запуском первых разведывательных КА типа Samos и…

Анализ развития РКТ зарубежных стран в течение 1970-1990-х гг. позволяет сделать следующие выводы. В США для КС связи и ретрансляции, навигации, системы раннего предупреждения о ракетном нападении и радиотехнической разведки созданы КА с расчетными сроками активного существования 7…10 лет (DSCS-2, DSCS-3, Leasat, Fleetsatcom, TDRSS, Navstar). Это позволяет развертывать космические системы в штатном составе на весь…

Долететь до звезд. Как воронежские инженеры создали электроракетный двигатель

Долететь до звезд. Как воронежские инженеры создали электроракетный двигатель

Инженеры воронежского Конструкторского бюро химавтоматики (КБХА) и Московского авиационного института (МАИ) всего за три года создали ионный электроракетный двигатель. Устройство не уступает по характеристикам зарубежным аналогам и по своей конструкции сильно отличается от привычных ракетных двигателей. Преимущество силовой установки – длительный ресурс работы, а это уже серьезная заявка на полеты за пределы земной орбиты. Возможно, звезды станут к нам немного ближе. И вдвойне приятно, что это отечественная разработка и воронежское исполнение. Ко Дню космонавтики корреспонденты РИА «Воронеж» расспросили о создании двигателя нового поколения с нуля ведущего инженера воронежского КБХА Павла Дронова.

Зачем нужен ионный двигатель?

Электроракетный двигатель необходим для полетов в космос, поддержания и коррекции орбит спутника с учетом точности позиционирования. Без двигателя спутник не выполнит возложенные на него задачи, а человечество лишится сотовой связи, интернета и навигации.

Чем двигатель, созданный МАИ и КБХА, лучше остальных?

Спутник, конечно, может работать и с другим типом «движка». Но у воронежско-московского есть преимущества по ресурсам и экономии топлива. Кроме того, в КБХА такого раньше не делали. Людям у станка, например, токарям, пришлось работать с нетипичными материалами: различными титановыми сплавами и молибденом. Их нужно обрабатывать по специальной технологии – критически важна высокая точность деталей. К тому же поджимали сроки: двигатель необходимо было создать за три года.

Кто работал над созданием электроракетного двигателя?

Задействовали несколько десятков человек. Работа началась в МАИ в 2009 году под руководством академика Гарри Попова совместно со специалистами из Германии. А в 2013 году, когда Минобрнауки запустило программу по взаимодействию вузов и предприятий, к ним присоединилось КБХА. До подключения воронежских специалистов двигателем занимались только в лабораторных условиях: определяли исходные данные, выбирали основные геометрические параметры. После объединения усилий КБХА стало отвечать за практическое воплощение.

Что привнесли в работу над двигателем воронежские инженеры?

Посмотрев на присланный из Москвы чертеж, воронежцы решили внести изменения в конструкцию двигателя, сделать ее более технологичной. Можно было пойти простым путем и просто перерисовать все детали, но молодая команда (в основном, конструкторы и технологи до 30 лет) решила, что нужно научиться как можно большему, работая над этим проектом. Это новая задача, а она требует гибкости ума.

Что у двигателя внутри?

Высокая точность деталей требуется неспроста. Характер у восьмикилограммового двигателя сложный: небольшая погрешность – он уже капризничает. Одним из основных деталей являются электроды – эмиссионный и ускоряющий. Они и определяют характеристики двигателя. Электроды представляют собой две перфорированные пластины. Соосность отверстий и зазор между электродами должны быть строго выверены – уменьшение зазора даже на 0,1 мм приводит к тому, что двигатель во время испытания может «взбрыкнуть», при нагреве электроды замкнет.

Как проверяли двигатель?

Двигатель протестировали в вакуумной камере – в таких условиях он находится в космосе. Сначала может поискрить (реакция на механические частицы, например, пылинки), а потом в камере появляется тусклое зеленое свечение. Сам двигатель работает без звука, как и полагается в вакууме. Также исследователи проверили требуемые основные характеристики и условия работы двигателя. Он прошел виброиспытание – ученые смотрели, как он ведет себя при тряске. Это нужно, чтобы убедиться, что при эксплуатации конструкция не получит повреждения и не развалится. На климатическом испытании проверяли жизнеспособность при резких температурных изменениях (от +50 до -50 градусов) и перепадах влажности: не испортится ли двигатель при хранении через несколько лет.

Каковы перспективы разработок в этой области?

В отличие от жидкостных ракетных двигателей, разработкой которых специалисты КБХА занимаются более полувека, электроракетные двигатели в последние годы стали новым направлением работ на предприятии. Прежде ионные электроракетные двигатели в России были освоены в меньшей степени, чем другие типы электроракетных двигателей. Ионные двигатели имеют преимущество по ресурсу работы и экономичности, что позволит решать более амбициозные задачи в освоении дальнего космоса. Госкорпорация «Роскосмос» запланировала выделение федеральных средств на разработку высокочастотных ионных двигателей в рамках Федеральной космической программы РФ 2016-2025 годов.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector