Skraidymas į kosmosą neabejotinai yra vienas iš nuostabiausių mūsų civilizacijos pasiekimų. Garsusis Gagarinas "eiti!" ir Armstrongo pirmasis žingsnis į mėnulio paviršių - istoriniai etapai, vedantys į tolimas planetas ir kitas žvaigždžių sistemas. Nieko nebūtų atsitikę be raketų variklio, kuris leido mums įveikti planetos gravitacinę jėgą ir leido eiti į Žemės orbitą.
Raketų variklio įtaisas, viena vertus, yra toks paprastas, kad jūs galite jį pastatyti namuose, tiesiog pažodžiui tris kapeikas. Tačiau, kita vertus, kosmoso ir karinių raketų projektavimas yra toks sudėtingas, kad tik kelios pasaulio valstybės turi savo gamybos technologiją.
Raketų variklis (RD) yra reaktyvinio variklio tipas, kurio darbinis korpusas ir energijos šaltinis yra tiesiogiai orlaivyje. Tai pagrindinis jos skirtumas nuo reaktyvinių variklių. Taigi taksi kelias nepriklauso nuo atmosferos deguonies ir todėl gali būti naudojamas skrydžiams erdvėje (be oro).
Rusija yra viena iš pasaulio lyderių raketų variklių statybos srityje. Iš Sovietų Sąjungos paveldėtas atsilikimas yra įspūdingas. Vidaus pramonė gali gaminti geriausius įvairių paskirties variklių variklius. Tai įrodo „RD-180“ raketų variklis, naudojamas „American Atlas“. Pristatymai į Jungtines Valstijas prasidėjo 2000 m. Ir tęsiasi iki šios dienos. Yra ir kitų įdomių įvykių, ir mes kalbame ne tik apie galingus kosminių ar balistinių raketų variklius, bet ir įvairias ginklų sistemas.
Šiuo metu dažniausiai vadinami cheminiai raketiniai varikliai, kuriuose specifinis impulsas susidaro dėl kuro degimo. Be to, yra ir branduolinių bei elektrinių variklių. Šiame straipsnyje kalbėsime apie tai, kaip veikia raketų variklis, papasakos apie jo privalumus ir trūkumus, taip pat pristatysime dabartinę taksi kelio klasifikaciją.
Kai kurios fizikos ar kaip ji veikia
Skirtingų tipų raketų varikliai turi didelių skirtumų jų konstrukcijoje, tačiau bet kurio iš jų darbas pagrįstas garsiu „Newton“ trečiuoju įstatymu, kuriame teigiama, kad „kiekvienas veiksmas yra lygiavertis“. RD skleidžia darbinio skysčio srovę viena kryptimi ir pati, vadovaudamasi Niutono postulatu, juda priešinga kryptimi. Kuro degimo produktai pereina per purkštuką, formuodami potraukį - tai raketinių variklių teorijos pagrindai.
Jei stovite laive, išmeskite akmenį iš laivagalio, tada jūsų laivas plaukia į priekį. Tai vizualinis visų raketų variklių veikimo modelis. Kitas pavyzdys būtų gaisrinės žarnos darbas, iš kurio vanduo yra išmetamas aukštu slėgiu. Norėdami jį laikyti, reikia dėti šiek tiek pastangų. Jei uždedate gaisrininką ant riedlentės ir suteikiate jam žarną, jis judės gana dideliu greičiu.
Pagrindinė tokių sistemų veiksmingumą lemianti charakteristika yra traukos jėga (traukos jėga). Jis susidaro dėl pradinės energijos transformavimo į darbinio skysčio kinetinį srautą. Metrinėje sistemoje raketų variklio traukos jėga matuojama newtonais, o amerikiečiai ją skaičiuoja svarais.
Kitas svarbus raketų variklių parametras yra specifinis impulsas. Tai yra traukos jėgos (arba judėjimo kiekio) ir kuro suvartojimo per laiko vienetą santykis. Šis parametras laikomas tam tikro takelio tobulumo laipsniu ir yra jo veiksmingumo matas.
Cheminiai varikliai veikia dėl egzoterminės kuro ir oksidatoriaus degimo reakcijos. Šis RD tipas turi du komponentus:
- Antgalis, kuriame šiluminė energija paverčiama kinetine;
- Degimo kamera, kurioje vyksta degimo procesas, ty degalų cheminės energijos konversija į šilumą.
Iš šio klausimo istorijos
Raketų variklis yra vienas seniausių variklių tipų, žinomas žmonijai. Negalime tiksliai atsakyti į klausimą, kada buvo pagaminta pirmoji raketa. Daroma prielaida, kad tai atliko senovės graikai (Tarento archito medinis balandis), tačiau dauguma istorikų mano, kad Kinija yra šio išradimo gimimo vieta. Tai įvyko maždaug 3-ajame amžiuje, netrukus po to, kai buvo atrasta šautuvas. Iš pradžių raketos buvo naudojamos fejerverkams ir kitoms pramogoms. Miltelių raketų variklis buvo gana veiksmingas ir lengvai gaminamas.
Manoma, kad šios technologijos atėjo į Europą kažkur XIII a., Studijavo anglų gamtininkas Roger Bacon.
Pirmąją kovinę raketą 1556 m. Sukūrė Konradas Haasas, išradęs įvairius ginklus imperatoriui Ferdinandui I. Šis išradėjas gali būti vadinamas pirmuoju raketų variklių teorijos kūrėju, jis taip pat sukūrė daugiapakopės raketos idėją - orlaivio, kurį sudaro iš dviejų raketų. Apklausą tęsė XV a. Viduryje gyvenęs Kazimieras Semenovičius. Tačiau visi šie projektai liko popieriuje.
Praktinis raketų panaudojimas prasidėjo tik XIX a. 1805 m. Britų karininkas William Congreve parodė miltelių raketas, kurios tuo metu neturėjo precedento. Pristatymas buvo sužavėtas, o „Congreve“ raketos buvo priimtos britų armijoje. Jų pagrindinis privalumas, lyginant su statinės artilerija, buvo didelis judumas ir santykinai mažos išlaidos, o pagrindinis trūkumas buvo ugnies tikslumas, kuris palieka daug pageidavimų. XIX a. Pabaigoje buvo plačiai paplitę šautuvai, jie labai tiksliai šaudė, todėl raketos buvo pašalintos iš tarnybos.
Rusijoje šį klausimą nagrinėjo generolas Zasyadko. Jis ne tik pagerino „Congrive“ raketas, bet ir pirmąjį, kuris pasiūlė juos naudoti skrydžiui į kosmosą. 1881 m. Rusijos išradėjas Kibalčichas sukūrė savo raketų variklių teoriją.
Kitas mūsų tautietis Konstantinas Tsiolkovskis prisidėjo prie šios technologijos plėtros. Tarp jo idėjų yra skystasis raketų variklis (LRE), dirbantis deguonies ir vandenilio mišiniu.
Praėjusio šimtmečio pradžioje daugelio pasaulio šalių entuziastai dalyvavo kuriant skystą RD, pirmasis sėkmingas buvo amerikiečių išradėjas Robertas Goddardas. Jo raketas, dirbantis benzino ir skysto deguonies mišinyje, buvo sėkmingai pradėtas 1926 m.
Antrasis pasaulinis karas buvo raketų ginklų grąžinimo laikotarpis. 1941 m. Raudonoji armija patvirtino garsiąją Katyusha BM-13 tinklinio ugnį, o 1943 m. Vokiečiai pradėjo naudoti balistinį V-2 su skystojo kuro raketiniu varikliu. Jis buvo sukurtas vadovaujant Wernerui von Braunui, kuris vėliau vadovavo Amerikos kosmoso programai. Vokietija taip pat įvaldė KR V-1 gamybą su tiesioginio srauto varikliu.
Pasibaigus SSRS ir JAV karui prasidėjo tikras „raketų“ lenktynės. Sovietų programą vadovavo išskirtinis raketų variklių dizaineris Sergejus Korolevas, jo vadovaujama, kad buvo sukurtas vidaus ICBM R-7, o vėliau buvo pradėtas pirmasis dirbtinis palydovas ir buvo vykdomas įgulos skrydis.
Pastaraisiais metais buvo bandoma sukurti raketų variklius, veikiančius branduolinio skilimo energijos (sintezės) sąskaita, tačiau ji niekada nebuvo panaudota tokių elektrinių praktiniam naudojimui. 70-aisiais SSRS ir JAV pradėjo veikti elektriniai raketiniai varikliai. Šiandien jie naudojami orbitams ir erdvėlaivių eigai ištaisyti. 70-aisiais ir 80-aisiais buvo atlikti eksperimentai su plazmos XRDs, kurie, kaip manoma, turi gerą potencialą. Didelės viltys priskiriamos jonų raketų varikliams, kurių naudojimas teoriškai galėtų žymiai pagreitinti erdvėlaivius.
Tačiau iki šiol beveik visos šios technologijos yra pradiniame etape, o pagrindinė kosmoso tyrinėtojų priemonė yra gera senoji „cheminė“ raketa. Šiuo metu amerikietis F-1, dalyvavęs Mėnulio projekte, ir Sovietų RD-170/171, kuris buvo naudojamas programoje „Energija-Buranas“, konkuruoja dėl „galingiausio pasaulio raketų variklio“.
Kas jiems patinka?
Raketinių variklių klasifikacija pagrįsta energijos gavimo metodu, kad būtų pašalintas darbinis skystis. Remiantis šiuo parametru, taksi yra:
- cheminė medžiaga;
- branduolinė (termobranduolinė);
- elektriniai (elektriniai raketai);
- dujos.
Kiekvienas iš minėtų tipų gali būti suskirstytas į mažesnes kategorijas. Cheminiai varikliai (HDR), pavyzdžiui, priklausomai nuo degalų suvestinės, yra kietasis kuras ir skystas kuras. Taip pat yra cheminis hibridinis raketinis variklis (GRD). HDR taip pat apima pleišto oro raketų variklį, kuris turi skirtingą formą ir purkštukų konstrukciją. Yra dujų fazės ir kietosios fazės branduolinės RD. Yra keletas elektrinių tipų.
Cheminė RD: privalumai ir trūkumai
Šio tipo raketų variklis yra labiausiai paplitęs ir gerai įvaldytas. Galime pasakyti, kad žmogiškųjų išteklių erdvė buvo HRD. Jis veikia dėl egzoterminės cheminės reakcijos, ir tiek degalai, tiek oksidatoriai yra orlaivyje ir kartu sudaro degalus. Jis taip pat yra energijos šaltinis ir darbinio skysčio pagrindas.
HDD turi palyginti nedidelį specifinį impulsą (lyginant su elektriniais), tačiau jie leidžia jiems sukurti didesnę traukos jėgą. Tai ypač svarbu raketų varikliams paleidžiant ir pašalinant krovinius į orbitą.
Skystuose varikliuose oksidatorius ir kuras yra skystoje fazėje. Naudojant kuro sistemą, jie tiekiami į kamerą, kur jie sudeginami ir teka per purkštuką.
Kietame kurui RD degalų ir oksidatorių mišinys dedamas tiesiai į degimo kamerą. Paprastai degalai turi strypą su centriniu kanalu. Degimo procesas eina iš centro į periferiją, dujos, išeinančios per antgalį, sudaro traukos jėgą. Šie varikliai turi keletą privalumų: jie yra gana paprasti, pigūs, ekologiški ir patikimi.
Kietojo variklio degimo variklio trūkumai apima ribotą jos veikimo trukmę, nedidelį specifinio impulso rodiklį (lyginant su skystais XRD) ir neįmanoma iš naujo paleisti - po to, kai jis pradedamas, jo nebebus galima sustabdyti. Pirmiau minėtos savybės nustato kietųjų raketinių takų naudojimo apimtį - tai balistinės ir meteorologinės raketos, raketos, raketos, raketos, raketų šuoliai tinklinio gaisro sistemoms. Kietasis kuras taip pat naudojamas raketų varikliams paleisti.
Skysti taksi turi didesnį specifinį impulsą, juos galima vėl sustabdyti ir vėl paleisti, o traukti - reguliuoti. Be to, lyginant su kietuoju kuru, jie yra lengvesni ir kompaktiškesni. Tačiau taip pat yra tepalas: skystieji varikliai turi sudėtingą struktūrą ir brangiai kainuoja, todėl pagrindinė jų naudojimo sritis yra astronautika.
Kaip skysto XRD kuro elementai, naudokite įvairius derinius. Pavyzdžiui, deguonis + vandenilis arba azoto tetraoksidas + asimetrinis dimetilhidrazinas. Pastaraisiais metais deguonies ir žibalo raketos tapo labai populiarios. Kurą gali sudaryti penkios ar daugiau dalių. Metano raketų varikliai yra laikomi labai perspektyviais, o šiandien jie kuriami daugelyje pasaulio šalių. Be kitų įdomių įvykių šioje srityje, galime paminėti vadinamąjį sprogimo raketų variklį, kurio kuras nedega, bet sprogsta.
Darbas tobulinant HDR nesibaigia, tačiau tikėtina, kad jos ribos jau pasiektos - dizaineriai „išspaudė“ viską, ką galėjo iš cheminio kuro. Didelė HDR problema yra didžiulė kuro masė, kurią orlaivis turi pakelti. Ir tai yra labai neveiksminga. Ši schema su nuimamais žingsniais šiek tiek pagerino situaciją, tačiau ji neabejotinai tapo panacėja.
Pažymėtina, kad cheminiai raketiniai varikliai naudojami ne tik kosminėms erdvėms tirti. Jie rado jų naudojimą Žemėje, iš esmės tik kariniuose reikaluose. Visose kovinėse raketose, pradedant nuo mažų orlaivių ar prieštankinių, ir baigiant didžiuliais ICBM, įrengta HRA. Dauguma jų turi paprastesnius ir patikimesnius kietojo kuro variklius. Taikaus HRD naudojimo pavyzdys yra geofizinės ir meteorologinės raketos.
Atominiame laive iki žvaigždžių!
Skystas raketų variklis suteikė žmogui erdvę ir padėjo pasiekti artimiausias planetas. Reaktyvinių purkštuvų greitis skystajame degaluose neviršija 4,5-5 m / s, todėl jis netinka tolimoms misijoms - tam reikia dešimčių metrų per sekundę. Erdvėlaiviai su žmogiškųjų išteklių atstovais vis dar sugeba pristatyti asmenį artimiausioms planetoms, pvz., Marsui ar Venerai, bet norėdami keliauti į tolimus Saulės sistemos objektus, turėsime sugalvoti kažką naujo. Vienas iš būdų išeiti iš šios aklavietės, atrodo, yra atominės branduolyje paslėptos energijos naudojimas.
Branduolinių raketų variklis (YARD) yra elektrinės rūšis, kurioje darbinis skystis šildomas branduolio dalijimosi arba sintezės energija. Priklausomai nuo degalų būklės, ji gali būti kieta, skysta arba dujų fazė. Vandenilis arba amoniakas paprastai naudojamas kaip darbo terpė. Traukos YARD yra gana panašus į cheminius variklius, nors jie turi didelį specifinį impulsą. Tačiau yra viena problema - atmosferos užteršimas radioaktyviuoju išmetimu.
Branduolinių variklių istorija prasidėjo 50-ojo dešimtmečio viduryje, dvi pasaulio šalys - JAV ir Sovietų Sąjunga - dalyvavo jų praktinėje kūryboje. Jau 1958 m. Amerikiečiai uždavė sukurti YARD skrydžius skrydžiams į Mėnulį ir Marsą (NERVA programa). Tuo pačiu metu sovietiniai dizaineriai taip pat nagrinėjo panašius klausimus. Aštuntojo dešimtmečio pabaigoje buvo sukurtas RD-0410 branduolinių raketų variklis, tačiau jis neatliko visų bandymų.
Šiuo metu perspektyviausi yra dujų fazės branduoliniai varikliai, kuriuose degalai yra dujinėje būsenoje specialioje uždaroje kolboje. Tai pašalina jo sąlytį su darbiniu skysčiu ir žymiai sumažina radioaktyviosios taršos tikimybę. Nepaisant to, kad pagrindinės NRE kūrimo techninės problemos jau seniai išspręstos, iki šiol nė vienas iš jų neteko praktikos. Nors ši konkreti YARD iš tikrųjų naudojasi perspektyviausia.
Elektriniai raketų varikliai, jų savybės, privalumai ir trūkumai
Kitas galimas konkurentas, turintis galimybę pakeisti ŽSD, yra elektrinis raketinis variklis (ERE), kuris naudoja elektros energiją darbo skysčiui išsklaidyti.
Tokios elektrinės sukūrimo idėja gimė XX a. Pradžioje, o 1930-aisiais sovietų mokslininkas Glushko jį įgyvendino. Aktyvus elektrinių variklių darbas prasidėjo 1960-aisiais Jungtinėse Valstijose ir SSRS, o aštuntajame dešimtmetyje pirmieji tokio tipo raketiniai varikliai jau buvo įrengti erdvėlaiviuose.
Yra keletas ERD tipų:
- elektroterminė;
- elektrostatiniai;
- elektromagnetiniai;
- plazmoje
Elektriniai raketiniai varikliai turi didelį specifinį impulsą, kuris leidžia jiems ekonomiškai sunaudoti darbinį skystį, tačiau jiems taip pat reikia daug energijos, o tai yra rimta problema. Iki šiol vienintelis realus elektros variklių šaltinis yra saulės kolektoriai. Jie turi mažą traukos jėgą, kuri neleidžia juos naudoti Žemės atmosferoje - raketų variklis iš varomojo variklio tikrai neveiks. Šiuo metu jie naudojami kaip manevravimas - kosminių laivų orbitų korekcijai.
