Sw-motors.ru

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

Время работы двигателей ракет

Время работы двигателей ракет

Из повседневной практики известно, что в двигателе внутреннего сгорания, топке парового котла — всюду, где происходит сгорание, самое активное участие принимает атмосферный кислород. Без него нет горения. В космическом пространстве воздуха нет, поэтому для работы ракетных двигателей необходимо иметь топливо, содержащее два компонента — горючее и окислитель.
В жидкостных термохимических ракетных двигателях в качестве горючего используется спирт, керосин, бензин, анилин, гидразин, димстилгидразин, жидкий водород, а в качестве окислителя — жидкий кислород, пероксид водорода, азотная кислота, жидкий фтор. Горючее и окислитель для ЖРД хранятся раздельно, в специальных баках и под давлением или с помощью насосов подаются в камеру сгорания, где при их соединении развивается температура 3000 — 4500 °С.
Продукты сгорания, расширяясь, приобретают скорость 2500-4500 м/с, создавая реактивную тягу. Чем больше масса и скорость истечения газов, тем больше сила тяги двигателя. Насосы подают топливо к головке двигателя, в которой смонтировано большое число форсунок. Через одни из них в камеру впрыскивается окислитель, через другие — горючее. В любой машине при сгорании топлива образуются большие тепловые потоки, нагревающие стенки двигателя. Если не охлаждать стенки камеры, то она быстро прогорит, из какого материала ни была бы сделана. ЖРД, как правило, охлаждают одним из компонентов топлива. Для этого камеру делают двухстеночной. В зазоре между стенками протекает компонент топлива.
Большой удельный импульс тяги создает двигатель, работающий на жидком кислороде и жидком водороде. В реактивной струе этого двигателя газы мчатся со скоростью немногим больше 4 км/с. Температура струи около 3000°С, и состоит она из перегретого водяного пара, который образуется при сгорании водорода в кислороде. Основные данные типичных топлив для ЖРД (на Земле) приведены в таблице.

Один из основных недостатков ракетных двигателей, работающих на жидком топливе, связан с ограниченной скоростью истечения газов. В ЯРД представляется возможным использовать колоссальную энергию, выделяющуюся при разложении ядерного горючего для нагревания рабочего тела. Принцип действия ЯРД почти не отличается от принципа действия термохимических двигателей. Разница заключается в том, что рабочее тело нагревается не за счет собственной химической энергии, а за счет «посторонней» энергии, выделяющейся при внутриядерной реакции. Рабочее тело пропускается через ядерный реактор, в котором происходит реакция деления атомных ядер (например, урана), и при этом нагревается.
У ЯРД отпадает необходимость в окислителе и поэтому может быть использована только одна жидкость. В качестве рабочего тела целесообразно применять вещества, позволяющие двигателю развивать большой удельный импульс тяги. Этому условию наиболее полно удовлетворяет водород, затем следует аммиак, гидразин и вода. Процессы, при которых выделяется ядерная энергия, подразделяют на радиоактивные превращения, реакции деления тяжелых ядер, реакции синтеза легких ядер. Радиоактивные превращения реализуются в так называемых изотопных источниках энергии. Удельная массовая энергия (энергия, которую может выделить вещество массой 1 кг) искусственных радиоактивных изотопов значительно выше, чем химических топлив. Так, для 210 Р она равна 5 х 10 8 кДж/кг, в то время как для наиболее энергопроизводительного химического топлива (бериллий с кислородом) это значение не превышает 3 x 10 4 кДж/кг.
К сожалению, подобные двигатели применять на космических ракетах-носителях пока не рационально. Причина этого — высокая стоимость изотопного вещества и трудности эксплуатации. Ведь изотоп выделяет энергию постоянно, даже при его транспортировке в специальном контейнере, при стоянке ракеты на старте. В ядерных реакторах используется более энергопроизводительное топливо. Так, удельная массовая энергия 235 U (делящегося изотопа урана) равна 5 х 10 9 кДж/кг, т. е. примерно на порядок выше, чем у изотопа 210 Р. Эти двигатели можно «включать» и «выключать», ядерное горючее ( 233 U, 235 U, 238 U, 239 Pu) значительно дешевле изотопного. У таких двигателей могут применяться эффективные рабочие вещества — спирт, аммиак, жидкий водород. Удельный импульс тяги двигателя с водородом около 9000 Н*с/кг.
Простейшая схема ЯРД с реактором, работающим на твердом ядерном горючем, показана на рис.. Рабочее тело помещено в баке. Насос подает его в камеру двигателя. Распыляясь с помощью форсунок, рабочее тело вступает в контакт с тепловыделяющим ядерным горючим, нагревается, расширяется и с большой скоростью выбрасывается через сопло наружу. Ядерное горючее по запасу энергии превосходит любой другой вид топлива. Так почему же установки на этом горючем имеют сравнительно небольшую удельную тягу и большую массу? Дело в том, что удельная тяга твердофазного ЯРД ограничена температурой делящегося вещества, а энергетическая установка при работе испускает сильное ионизирующее излучение, оказывающее вредное действие на живые организмы и материалы.

Реактивный научно-исследовательский институт — РНИИ был образован приказом Реввоенсовета СССР от 21 сентября 1933 года № 113 и постановлением Совета Труда и Обороны СССР от 31 октября 1933 года № 104. РНИИ стал первой в мире научно-исследовательской организацией по разработке ракетной техники и оригинальных методов ее отработки и испытаний. РНИИ был создан на базе ленинградской Газодинамической лаборатории (ГДЛ) и московской Группы по изучению реактивного движения (ГИРД) и подчинен Наркомтяжнрому. Возглавил институт начальник ГДЛ И. Т. Клейменов, а его заместителем был назначен начальник ГИРД С. П. Королев. В составе РНИИ были организованы отделы по разработке пороховых снарядов, жидкостных ракет, стартовых установок, подразделения по разработке ЖРД, крылатых и баллистических ракет, прямоточных воздушно-реактивных двигателей (ПВРД), газодинамическая и химическая лаборатории, испытательные станции и производственные мастерские.

НПО энергетического машиностроения (НПО «Энергомаш») имени академика В. П. Глушко — ведущее российское предприятие по разработке мощных жидкостных ракетных двигателей (ЖРД). Оно обладает развитой инфраструктурой, включающей все необходимые элементы технологического цикла создания ЖРД. Творческий путь коллектива НПО «Энергомаш» начался 15 мая 1929 года, когда в Газодинамической лаборатории в г. Ленинграде была организована группа но разработке электрических и жидкостных ракетных двигателей. В начале 30-х гг. под руководством В. П. Глушко был создан первый в мире электрический ракетный двигатель, первый отечественный ЖРД — ОРМ-1, серия опытных ракетных моторов, в том числе ОРМ-65, предназначенный для ракетоплана и крылатой ракеты конструкции С. П. Королева. Эти работы были продолжены в г. Москве в Реактивном научно-исследовательском институте (РНИИ), организованном в сентябре 1933 гола.

Принцип работы и устройство реактивного двигателя

Первые двигатели появились давным-давно и преобразовывали мускульную силу животных в полезную для достижения конкретной цели энергию. Простейший пример – лошадь, помогающая крутить эернова мельницы. Затем появились ветряные мельницы, где жернова приходили в движение за счет энергии ветра, иди водяные мельницы, использующие течение рек.

Двигатели, работающие на топливе

Примечательно, что идея была позаимствована у артиллеристов, наблюдая за которыми, Гюйгенс обратил внимание на то, что после выстрела, орудия откатывались в сторону, противоположную выстрелу.

Наработки голландца, а также ряда других заслуженных ученых, значительно облегчили путь создания топливных двигателей, которыми мы пользуемся до сих пор. На место пороха пришли бензин и солярка, обладающие иными физическими свойствами и температурами горения, необходимыми для выделения энергии.

Явление отдачи

Но научные поиски и разработки на этом не прекращались. Как всегда, на помощь пришла природа, которая, в большинстве случаев и наталкивает изобретателей на удивительные открытия.

Наблюдения за морскими жителями, такими как осьминоги, кальмары и каракатицы, привели к неожиданным результатам. Манера движения этих морских обитателей, была схожа с кратковременным толчком. Будто тело отталкивается отчего – то и продвигается вперед.

Эти наблюдения были чем-то схожи с замечаниями Гюегенса про выстрел и пушку, которые мы упоминали выше.

Таким образом, в физики появилось понятие «явление отдачи». В ходе дальнейших научных исследований было выяснено, что именно благодаря явлению отдачи происходит все движение на планете Земля: автомобиль отталкивается от земли, корабль – от воды и т.д.

Движение тел происходит благодаря передаче импульса от одного объекта другому. Для объяснения явления приведем простейший пример: вы решили толкнуть своего товарища в плечо, приложили определенную силу, в результате которой, он сдвинулся с места, но и вы испытали силу, отталкивающую вас в противоположную сторону.

Конечно, расстояние, на которое сдвинетесь вы и ваш друг, будет зависеть от ряда факторов: сколько вы весите, как сильно вы его толкнули.

Читать еще:  Датчик температуры двигателя форд куга

Реактивный двигатель и принцип его работы

Любой из нас способен воочию наблюдать явление реактивной реакции. Все что необходимо, надуть воздушный шарик и отпустить. Каждый знает, что произойдет далее: из шарика будет вырываться поток воздуха, который будет двигать тело шарика в противоположном направлении.

Согласитесь, очень похоже на то, как кальмар, сокращая свои мышцы, создает струю воды, толкающую его в противоположном направлении.

Наблюдения, описанные выше, получили точные научные объяснения, были отображены в физических законах:

  • закон сохранения импульса;
  • третий закон Ньютона.

Именно на них основывается принцип работы реактивного двигателя: в двигатель поступает поток воздуха, который сгорает в камере внутреннего сгорания, смешиваясь с топливом, в результате чего образуется реактивная струя, заставляющая тело двигаться вперед.

Принцип работы достаточно прост, однако устройство подобного двигателя довольно сложное и требует точнейших расчетов.

Устройство реактивного двигателя

Реактивный двигатель состоит из следующих основных элементов:

  • компрессор, который засасывает в двигатель поток воздуха;
  • камера внутреннего сгорания, где происходит смешивание топлива с воздухом, их горение;
  • турбина – придает дополнительное ускорение потоку тепловой энергии, полученной в результате горения топлива и воздуха;
  • сопло, важнейший элемент, который преобразует внутреннюю энергию в «движущую силу» – кинетическую энергию.

Благодаря совместному взаимодействию этих элементов, на выходе реактивного двигателя образуется мощнейшая реактивная струя, придающая объектам, на которых установлен двигатель, высочайшую скорость.

Реактивные двигатели в самолете

Первый реактивный самолет был разработан немцами в 1937 году, а его испытания начались лишь в 1939 году. Однако имеющиеся на то время двигатели потребляли невероятно большое количество топлива и запас хода такого самолета составлял всего лишь 60 км.

В это же время Японии и Великобритании удалось создать собственные самолеты с реактивными двигателями. Но это были лишь опытные экземпляры, так и не поступившие в серийное производство.

Первым серийным реактивным самолетом стал немецкий «Мессершмит», который, однако, не позволил гитлеровской коалиции взять верх в развязанной ими войне.

В гражданской же авиации реактивные самолеты появились лишь в 1952 году в Великобритании.

С тех пор и по настоящие дни, реактивные двигатели являются основными двигателями, применяемыми в самолетостроении. Именно благодаря им, современны лайнеры развивают скорость до 800 километров в час.

Реактивные двигатели в космосе

Как вы уже поняли, наиболее мощным двигателем, способным поднять ракету на высоту во много тысяч километров, являлся именно реактивный двигатель.

Конечно, возникает вопрос: как может работать реактивный двигатель в космосе, в безвоздушном пространстве?

В устройстве ракеты предусмотрен резервуар с кислородом, который смешивается с ракетным топливом и образует необходимую тягу полета ракеты, когда космический корабль покидает атмосферу Земли.

Затем приходит в действие закон сохранения импульса: масса ракеты постепенно уменьшается, сгоревшая смесь топлива и кислорода выбрасывается через сопло в одну сторону, а тело ракеты движется в противоположную.

Ядерный двигатель: готовность № 1

Ядерный двигатель будет испытан на околоземной орбите уже в 2025 году. По результатам испытаний, технология ядерного ракетного двигателя (ЯРД) будет применена как в «мирном космосе», так и в военных разработках. Агентство США по перспективным оборонным исследовательским проектам (DARPA) выбрало три крупные космические компании для первой фазы крупного проекта по испытанию ядерного двигателя на низкой околоземной орбите к 2025 году.

Разработка и первые испытания ядерного ракетного двигателя

Данная технология не нова. Первые варианты были названы ядерными тепловыми ракетными двигателями (ЯТР). Они были разработаны в середине 1950-х годов еще до образования НАСА. Фактически, концепция ядерного двигателя для космических путешествий создавалась почти одновременно с Манхэттенским проектом по созданию атомной бомбы.

Британские ученые также работали над теорией атомных ракетных двигателей. В 1948 году, Британией был опубликован ряд работ, с выводом о том, что ядерные ракеты будут единственным способом проводить исследования в глубоком космосе.

Американский ядерный ракетный двигатель NERVA был разработан и сертифицирован к применению, однако в 1973 году его бесшумно поставили на полку. Американская программа NTR была закрыта (по крайней мере, официально) в 1973 году. К этому моменту был разработан полностью готовый и сертифицированный двигатель, названный NERVA (ядерный двигатель для применения в ракетных установках).

Советский Союз, со своей стороны, продолжил работу над ядерными двигателями. В 2010-2011 гг. в технических журналах сообщалось, что Россия фактически близка к завершению разработки рабочей конструкции ядерного двигателя и инвестируют значительные средства в проект ракеты на Марс, которая должна была быть готова в 2018 г. Однако этим планам также не суждено было свершиться.

Ядерный ракетный двигатель: принцип работы

На первый взгляд, эти двигатели выглядят слишком сложными. Однако, как и в случае с таким большим количеством технологий, основной принцип довольно прост. Ракеты всех типов работают за счет ускорения газообразного или жидкого вещества в одном направлении, заставляя двигатель двигаться в другом направлении. Это достигается с помощью сопла — для ускорения газового потока, генерируемого двигателем. Как правило, чем выше температура отработавших газов, тем больше скорость, при которой они выходят из сопла; чем больше скорость, тем больше тяга двигателя.

На схеме ниже, жидкий водород прокачивается вокруг очень горячей активной зоны реактора, которая нагревает его до экстремальных температур, а затем выбрасывается из сопла со скоростью до 10 км в секунду, приводя в движение двигатель и прикрепленный к нему корпус ракеты.

Ракетно-ядерные двигатели работают, имея в своей активной зоне небольшой ядерный реактор, который при активации генерирует чрезвычайно высокую температуру. Затем жидкости или газы различных типов проходят через активную зону и нагреваются почти до той же температуры — 20 000 градусов С, выходя из сопла со скоростью до 10 000 м/с.

Реальный показатель производительности называется «Specific Impulse»: обычный ракетный химический двигатель имеет импульс около 500 сек, а ядерная версия — 6 000 сек. Проще говоря, это означает, что ядерный ракетный двигатель может толкать космический корабль со скоростью, в шесть раз превышающей скорость существующих двигателей, сокращая, например, путь на Марс до приемлемых 80 дней или менее.

Опасность технологии ядерного ракетного двигателя

Если эти двигатели настолько эффективны, почему они не используются сегодня? Ну, проблемы — это смесь технологических сложностей, стоимости и опасностей, присущих выходу из строя двигателя.

Конструкции этих систем настолько сложны, что для их правильной работы требуется огромный объем технического анализа. Современные вычислительные системы все еще испытывают сильные нагрузки и нагревания, а высокие температуры все еще являются технической проблемой с точки зрения производительности материалов. Все это приводит к высоким затратам на разработку — намного большим, чем доказанные и «серийно производимые» обычные ракетные двигатели, доступные сегодня.

Опасность поломки двигателя всегда была очень велика. Взрыв атомного ракетного двигателя, это все равно что Чернобыльский воздушный взрыв, за исключением того, что в некоторых случаях площадь, пораженная радиоактивным материалом, может быть значительно больше. Даже без взрыва поломка двигателя может привести к образованию смертоносного облака или падению радиоактивных частиц на землю с ужасными последствиями для людей и экосистем, где бы они ни приземлялись.

Казалось бы сборка ракеты с подобной установкой прямо в космосе решает большинство рисков. На фото ниже изображен ядерный ракетный двигатель, собираемый в космосе перед дальним космическим полетом.

Это поможет снизить риск огромного выброса радиоактивных материалов на уровне земли в случае отказа системы. Однако последствия выброса такого облака высоко над Землей по-прежнему вызывают большую озабоченность, поскольку мы не до конца понимаем, как и когда оно может вернуться на поверхность планеты.

Даже без учёта загрязнения окружающей среды, двигатель будет представлять собой высокорадиоактивный кусок металла, с минимальным экранированием для членов экипажа. Кроме того, рассмотрим вопрос о стыковке с космической станцией или что-то в этом роде: как защитить близлежащие сооружения и персонал от радиации? Как избавиться от отработанного ядра двигателя, кроме как «загоняя» отходы в космос?

Существует опасность того, что постепенно накопится массивное облако радиоактивных материалов, вращающееся вокруг Земли. В конечном счете оно упадет обратно на поверхность. Хотя некоторые из элементов имели бы короткий период полураспада, большая часть материала действительно была бы очень долгоживущей. Это может создать классический сценарий Судного дня. Планету, в какой-то момент станет непригодной для обитания.

Российская разработка ядерного двигателя и авария на полигоне «Нионокса» под Северодвинском

Согласно источникам, Россия пытается реализовать ряд проектов с использованием очень маленьких ядерных двигателей для ракет и даже торпед. Полученные в результате высокие скорости и увеличенная дальность действия ракет делают их очень подвижным и опасным оружием, способным обойти все существующие системы противоракетной обороны.

Торпеда или беспилотная подводная лодка также обладали бы скоростью и выносливостью, которые представляли бы весьма серьезную угрозу для всех действующих военно-морских оборонительных систем.

Читать еще:  Что такое электрический двигатель электромобили

Однако некоторые факты указывают на весьма негативный опыт испытаний подобных систем. В марте 2018 года Путин объявил, что ракета 9М730 «Буревестник» (название НАТО «Скайфолл») является одним из шести новых стратегических оружий, разрабатываемых Россией.

9 августа, «российское агентство по атомной энергии «Росатом» подтвердило, что выброс радиации на полигон для испытаний ракеты «Нионокса» под Северодвинском был связан с аварией при испытании «изотопного источника питания жидкостного ракетного двигателя», в результате которой погибли восемь человек, в том числе пятеро ученых». (Источник: Википедия).

Рассказы об уровнях радиации разнятся, в некоторых официальных сообщениях говорится, что они оставались довольно высокими в течение нескольких часов. Уровни, опасности, связанные с ветром, еще не раскрыты в полной мере, поскольку крупный пожар и взрыв почти наверняка привели бы к тому, что большое облако такого материала было бы рассеяно в атмосфере.

Есть некоторые сообщения о том, что местных жителей попросили покинуть свои дома до проведения испытаний, но официальное агентство печати опровергло их. Тем не менее, очевидно, что взрыв заставил военных либо приостановить, либо отменить дальнейшие испытания, хотя это вполне может быть заявлением, направленным на успокоение как местных, так и международных опасений.

Россия утверждает, что ее работа над ядерными ракетными двигателями является самой передовой в мире. Однако запланированные Америкой на 2025 год испытания могут оспорить это утверждение.

США уверены в готовности ядерного ракетного двигателя к испытаниям 2025 года

Агентство по перспективным оборонным исследовательским проектам (DARPA) выбрало три крупные космические компании для первой фазы более крупного проекта по испытанию ядерного двигателя над низкой околоземной орбитой к 2025 году.

США заявили, что уверены в готовности ядерного ракетного двигателя к испытаниям до 2025 года. Три компании — General Atomics, Blue Origin и Lockheed Martin получили контракты на первую фазу программы DRACO (Демонстрационная ракета для маневренных операций). В то время как DARPA не раскрыла стоимость контракта в своем объявлении, СМИ Space News сообщили, что General Atomics получила $22 миллиона, Lockheed Martin — $2,9 миллиона и Blue Origin — $2,5 миллиона.

«Команды были отобраны в связи с их способностью разрабатывать и развертывать современные системы для реакторов, двигателей и космических аппаратов», говорится в заявлении DARPA. Агентство, в частности, подчеркнуло необходимость «быстрого маневра» для военных систем.

Первый этап программы включает в себя два направления, длительностью в 18 месяцев, каждое из которых проходит разными путями. Направление «А» включает в себя предварительный проект ядерного теплового энергетического реактора, а также двигательной подсистемы. На этапе «В» будет создана «концепция эксплуатационной системы космического аппарата» для решения будущих задач, включая демонстрационную систему.

Прежняя администрация НАСА также проявила интерес к потенциалу ядерных двигателей, особенно к сокращению времени, затрачиваемого при полёте на Марс, примерно до трех — четырех месяцев по сравнению с двигателями на химическом топливе. Агентство заявило, что надеется доставить астронавтов на Красную планету в 2030-х годах.

«Это абсолютно переломный момент для того, чего пытается достичь НАСА», — заявил бывший администратор НАСА Джим Брайденстин во время заседания Национального космического совета. «Это дает нам возможность по-настоящему защитить жизнь, когда мы говорим о дозе радиации, когда мы путешествуем между Землей и Марсом», — добавил он.

Жидкостные ракетные двигатели

Двигательный блок для пилотируемого лунного модуля

Двигателистами КБ «Южное» была выполнена ответственная и сложная задача – разработка двигательного блока 11Д410 для лунного корабля.

Блок двигателей 11Д410 состоял из основного двигателя РД858 и резервного РД859 и решал следующие задачи: осуществление мягкой посадки на поверхность Луны, взлет с поверхности Луны и выведение лунного корабля на эллиптическую орбиту искусственного спутника Луны.

Так как предусматривался полет лунного корабля с экипажем на борту, то к надежности двигателей предъявлялись самые высокие требования. Надежность необходимо было подтвердить большим числом испытаний с имитацией натурных условий работы. Для обеспечения мягкой посадки на Луну и взлета с ее поверхности двигатель РД858 имеет два режима тяги: основной и режим глубокого дросселирования (РГД) и обеспечивает два включения. На основном режиме диапазон регулирования тяги составляет ±9,8%, на РГД – ±35%. Такое глубокое дросселирование требовало применения особых конструктивных мер для обеспечения устойчивости работы камеры двигателя при надежном охлаждении.

Резервный двигатель РД859 – однорежимный с регулированием тяги в диапазоне ±9,8%.

Высочайшие требования предъявлялись к надежности турбонасосных агрегатов двигателей: в частности к торцовым уплотнениям, разделяющим полости насоса окислителя и турбины. Потребовался значительный объем экспериментальных работ, в результате которых была подобрана наиболее надежная и работоспособная пара трения. Конструкция оказалась удачной – ТНА имели ресурс, оценивающийся тысячами секунд.

Для обеспечения надежного охлаждения корпус камеры в зоне высоких тепловых потоков имеет спиральные фрезерованные канавки переменного оптимального сечения на сложнопрофильных деталях.

Количество включений на одном двигателе достигало двенадцати вместо двух в полете. Резервный двигатель является уникальным по возможности запуска после трехсекундного перерыва между выключением и повторным запуском. Процессы выключения двигателя, опорожнения трактов камеры и повторного запуска после трехсекундной паузы тщательно исследовались для подтверждения сходимости характеристик. Параметры повторного запуска при испытаниях были идентичны первому. Ни один из существующих двигателей с турбонасосной системой подачи не обеспечивал такую возможность. Для двигателей с турбонасосной системой подачи, обеспечивающих широкий диапазон регулирования тяги, эти ЖРД имеют весьма высокие величины удельного импульса . Масса и габариты блока двигателей свидетельствуют о высокой степени совершенства конструкции, даже с учетом того, что в ее состав входили системы контроля работы двигателей и регулирования тяги. Общая масса двигателей составляет 110 кг при суммарной тяге 4100 кгс. Для сравнения: масса двигателя верхней ступени РН Ариан-5 при тяге 2700 кгс превышает 100 кг.

Очень большим был объем отработки: 181 двигатель РД858 при суммарной наработке 253281 с и 181 двигатель РД859 при суммарной наработке 209463 с. Испытано 11 блоков двигателей 11Д410 с имитацией аварийных ситуаций.

В целом блок ЖРД лунного посадочного модуля является одним из самых надежных среди своего класса двигателей. Три блока двигателей прошли успешные испытания на орбите вокруг Земли в составе специальных космических аппаратов Т-2К, запущенных ракетой-носителем Р-7.

Маршевые двигатели

Тяга в пустоте, кгс

Удельный импульс в пустоте, кгс?с/кг

азотная кислота + 27% N2O4

Предназначен для второй ступени ракеты 8К66 (SS-7).

Предназначен для торможения и управления орбитальным космическим аппаратом по всем каналам стабилизации (разгонная ступень 8K69) (SS-9-2).

Предназначен для второй ступени ракеты 8К99 (SS-15).

Предназначен для создания тяги управления третьей ступенью ракеты 11К68 («Циклон-3») на активном участке полета по всем каналам стабилизации.

Предназначен для вторых ступеней ракет 15А15 и 15А16 (SS-17-1) и (SS-17-2).

Предназначен для создания двух режимов тяги и управления по всем каналам стабилизации при полете ступени разведения ракеты 15А18 (SS-18-2).

Предназначен для установки в головном отсеке космического буксира и ступеней разведения 15Ж44, 15Ж60 (SS-24-1) и (SS-24-2).

Предназначен для использования в составе апогейной ступени РН «Зенит» и «Циклон-4».

Предназначен для управления полетом космического буксира второй ступени ракеты 15А18М (SS-18-3) по всем каналам стабилизации.

История жидкостных ракетных двигателей

Первым опытом самостоятельного создания в КБ «Южное» жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) стали начатые в 1958 г. работы по разработке рулевых двигателей для первой и второй ступеней МБР 8К64. Основной особенностью данной ракеты стало применение впервые в паре с окислителем АК-27 нового горючего – несимметричного диметилгидразина (НДМГ), которое стало основным для нескольких поколений ЖРД.

Читать еще:  Honda jazz температура двигателя

Успех, достигнутый в создании первых рулевых ЖРД, позволил начать в 1960 г. разработку нового более сложного и многофункционального двигателя РД853 для второй ступени ракеты 8К66.

В 1961 г. были начаты работы по созданию рулевых двигателей для первой и второй ступеней ракеты 8К67, работающих на новой паре компонентов топлива – тетраоксид диазота (АТ) и НДМГ.

В 1962 г. началось проектирование и отработка ЖРД РД854 на топливе АТ+НДМГ без дожигания генераторного газа для тормозной двигательной установки орбитальной головной части МБР 8К69. При проектировании двигателя впервые в практике отечественного двигателестроения было разработано и освоено в производстве трубчатое сопло камеры двигателя.

В 1964 г. были начаты работы по созданию маршевого двигателя РД857 второй ступени комбинированной ракеты 8К99, для которого впервые была разработана схема с дожиганием восстановительного генераторного газа в камере сгорания. На этом двигателе также впервые управление вектором тяги осуществлено с помощью вдува генераторного газа в сверхзвуковую часть сопла.

КБ «Южное» приняло участие и в советской лунной программе, в рамках которой в 1965 г. началась разработка ракетного блока (блока Е) лунного корабля комплекса 11А52. Созданный в КБ «Южное» блок двигателей лунного корабля состоял из основного двигателя РД858 и резервного РД859 и решал следующие задачи: осуществление мягкой посадки на поверхность Луны, взлет с поверхности Луны и выведение лунного корабля на эллиптическую орбиту искусственного спутника Луны. В целом блок ЖРД лунного посадочного модуля являлся одним из самых надежных среди своего класса двигателей. Три блока двигателей прошли успешные испытания на орбите вокруг Земли в составе специальных космических аппаратов Т-2К, запущенных с помощью РН «Союз».

Проектирование двигателя РД861 для третьей ступени РН «Циклон-3» было начато в 1966 г. Этот двигатель обладает весьма высокими энергомассовыми характеристиками.

В 1976 г., в ходе создания МБР 15А18, начались работы по разработке четырехкамерного двигателя РД864, работающего на АТ и НДМГ по схеме без дожигания генераторного газа. Двигатель обеспечил работу на двух режимах: основном и дросселированном с многократным (до 25 раз) переключением с одного режима на другой. Для этого двигателя были впервые разработаны и применены агрегаты регулирования на встречных струях высокого давления, отличающиеся высокой точностью и быстродействием.

Модификацией этого двигателя стал двигатель РД869 для МБР 15А18М, обладающий еще более высокими характеристиками.

Новым этапом для КБ «Южное» явилась разработка РН «Зенит-2», которая началась в 1977 г. Особенностью данной РН является использование на ней криогенных компонентов топлива: керосина и жидкого кислорода, при этом впервые в практике двигателестроения рулевой двигатель на указанных компонентах топлива было решено проектировать по схеме с дожиганием генераторного газа. Благодаря накопленному опыту конструирования ЖРД, внедрению передовых технических решений в ходе проектирования двигателя РД-8 удалось получить высокие энергомассовые характеристики, обеспечить высокую надежность и длительный ресурс работы.

И с т о р и я к о с м о н а в т и к и

Галерея

Твердотопливные ракетные двигатели

Конструкция двигателя на твердом топливе (ТТРД) проста; он состоит из корпуса (камеры сгорания) и реактивного сопла. Камера сгорания является основным несущим элементом двигателя и ракеты в целом. Материалом для его изготовления служит сталь или пластик. Сопло предназначено для разгона газов до определенной скорости и придания потоку требуемого направления. Представляет собой закрытый канал специального профиля. В корпусе находится топливо. Корпус двигателя обычно изготавливают из стали, иногда — из стеклопластика. Часть сопла, которая испытывает наибольшее напряжение, делается из графита, тугоплавких металлов и их сплавов, остальная часть — из стали, пластмасс, графита.

Когда газ, образовавшийся в результате сгорания топлива, проходит через сопло, он вылетает со скоростью, которая может быть больше скорости звука. Как результат — возникновение силы отдачи, направление которой противоположно истечению струи газа. Эту силу называют реактивной, или просто тягой. Корпус и сопло работающих двигателей необходимо защищать от прогорания, для этого в них применяют теплоизолирующие и жаропрочные материалы.

ТТРД в разрезе: 1 — воспламенитель; 2 — топливный заряд; 3 — корпус; 4 — сопло

По сравнению с другими типами ракетных двигателей, ТТРД достаточно просто устроен, но имеет пониженную тягу, малое время работы и сложности в управлении. Поэтому, являясь достаточно надежным, он используется, в основном, для создания тяги при «вспомогательных» операциях и в двигателях межконтинентальных баллистических ракет.

До настоящего времени ТТРД редко использовались на борту космических аппаратов. Одна из причин этого — чрезмерное ускорение, которое сообщается конструкции и аппаратуре ракеты при работе твердотопливного двигателя. А для старта ракеты необходимо, чтобы двигатель развивал небольшую по величине тягу в течение продолжительного промежутка времени.

Твердотопливные двигатели позволили США осуществить в 1958 году вслед за СССР запуск первого своего искусственного спутника и вывести в 1959 году космический аппарат на траекторию полета к другим планетам. На сегодняшний день именно в США создан самый мощный космический ТТРД — DM-2, способный развить тягу в 1634 т.

Перспективами развития космических двигателей на твердом топливе являются:

  • улучшение технологий изготовления двигателя;
  • разработка реактивных сопел, которые смогут работать большее время;
  • использование современных материалов;
  • совершенствование составов смесевого топлива и т. д.

Твердотопливный ракетный двигатель (ТТРД) — двигатель, работающий на твердом горючем, наиболее часто используется в ракетной артиллерии и значительно реже в космонавтике; является старейшим из тепловых двигателей.

В качестве топлива в таких двигателях применяют твердое вещество (смесь отдельных веществ), способное гореть без доступа кислорода, выделяя при этом большое количество раскаленных газов, которые используются для создания реактивной тяги.

Существуют два класса горючего для ракет: двухосновные топлива и смесевые топлива.

Двухосновные топлива — представляют собой твердые растворы в нелетучем растворителе (чаще всего нитроцеллюлоза в нитроглицерине). Достоинства — хорошие механические, температурные и другие конструкционные характеристики, сохраняют свои свойства при длительном хранении, просты и дешевы в изготовлении, экологичны (при сгорании нет вредных веществ). Недостаток — сравнительно невысокая мощность и повышенная чувствительность к ударам. Заряды из этого топлива применяются чаще всего в небольших корректирующих двигателях.

Смесевые топлива — современные смеси состоят из перхлората аммония (в качестве окислителя), алюминия в форме порошка и органического полимера — для связывания смеси. Алюминий и полимер играют роль горючего, причем металл является основным источником энергии, а полимер — основным источником газообразных продуктов. Характеризуются нечувствительностью к ударам, высокой интенсивностью горения при низких давлениях и очень трудно гасятся.

Горючее в виде топливных зарядов помещается в камеру сгорания. После старта горение продолжается до полного выгорания горючего, тяга изменяется по законам, обусловленным горением топлива, и практически не регулируется. Изменение тяги достигается использованием топлива с различными скоростями горения и выбором подходящей конфигурации заряда.

При помощи воспламенителя компоненты топлива разогреваются, между ними начинается химическая реакция окисления-восстановления, и топливо постепенно сгорает. При этом образуется газ с высоким давлением и температурой. Давление раскаленных газов при помощи сопла превращается в реактивную тягу, которая по своей величине пропорциональна массе продуктов сгорания и скорости их вылета из сопла двигателя.

При всей простоте точный расчет эксплуатационных параметров ТТРД является сложной задачей.

Ракетный двигатель на твердом топливе

Твердотопливные двигатели обладают рядом преимуществ перед жидкостными ракетными двигателями: двигатель достаточно прост для изготовления, может храниться долгое время, сохраняя при этом свои характеристики, относительно взрывобезопасен. Однако по мощности они уступают жидкостным двигателям примерно на 10–30 %, имеют сложности при регулировании мощности и большую массу двигателя в целом.

В ряде случаев применяется разновидность ТТРД, в котором один компонент горючего находится в твёрдом состоянии, а второй (чаще всего окислитель) — в жидком.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector