Ракетные двигатели: от китайских фейерверков до космических кораблей
Полеты в космос – без сомнения, одно из самых потрясающих достижений нашей цивилизации. Знаменитое гагаринское «поехали!» и первый шаг Армстронга по лунной поверхности – исторические вехи на пути к далеким планетам и другим звёздным системам. Ничего бы этого не было без ракетного двигателя, который позволил нам преодолеть силу гравитации планеты и дал возможность выйти на околоземную орбиту.
Устройство ракетного двигателя, с одной стороны, настолько незамысловато, что вы можете построить его дома самостоятельно, потратив на это буквально три копейки. Но, с другой стороны, конструкция космических и военных ракет до такой степени сложна, что только несколько государств в мире имеют технологии их изготовления.
Ракетный двигатель (РД) – это разновидность реактивного двигателя, рабочее тело и источник энергии которого находится непосредственно на борту летательного аппарата. Это его главное отличие от воздушно-реактивных двигателей. Таким образом, РД не зависит от кислорода атмосферы и поэтому может использоваться для полетов в космическом (безвоздушном) пространстве.
Россия является одним из мировых лидеров в области ракетного двигателестроения. Задел, доставшийся нам от Советского Союза, впечатляет. Отечественная промышленность способна производить лучшие ракетные двигатели самого разного назначения. Доказательством этому является ракетный двигатель РД-180, который используется на американских «Атласах». Поставки в США начались еще в 2000 году и продолжаются до сих пор. Существуют и другие интересные наработки, причем речь идет не только о мощных двигателях для космических или баллистических ракет, но и РД для различных оружейных систем.
В настоящее время наиболее распространены так называемые химические ракетные двигатели, в которых удельный импульс образуется за счет сгорания топлива. Кроме них, существуют также ядерные и электрические двигатели. В этой статье мы расскажем о том, как работает ракетный двигатель, поведаем о его преимуществах и недостатках, а также представим современную классификацию РД.
Немного физики или как это работает
Разные типы ракетных двигателей имеют существенные отличия в своей конструкции, но работа любого из них базируется на знаменитом третьем законе Ньютона, который гласит, что «каждому действию есть равное противодействие». РД выбрасывает струю рабочего тела в одном направлении, а сам, в соответствии с ньютоновским постулатом, движется в противоположную. Продукты сгорания топлива выходят через сопло, образуя тягу – это основы теории ракетных двигателей.
Если вы, стоя в лодке, отбросите от кормы камень, то ваше судно немного уплывет вперед. Это и есть наглядная модель функционирования всех ракетных двигателей. Еще одним примером может быть работа пожарного шланга, из которого под большим давлением выбрасывается вода. Для его удержания необходимо приложить определенные усилия. Если поставить пожарного на скейборд и дать ему в руки шланг, то он будет двигаться с довольно высокой скоростью.
Главной характеристикой, определяющей эффективность подобных систем, является тяга (сила тяги). Она образуется в результате превращения исходной энергии в кинетическую реактивной струи рабочего тела. В метрической системе тяга ракетного двигателя измеряется в ньютонах, а американцы считают ее в фунтах.
Еще одним важнейшим параметром ракетных двигателей является удельный импульс. Это отношение силы тяги (или количества движения) к расходу топлива в единицу времени. Данный параметр рассматривается в качестве степени совершенства того или иного РД, и является мерой его экономичности.
Химические двигатели работают за счет экзотермической реакции сгорания горючего и окислителя. Этот тип РД имеет две составные части:
Из истории данного вопроса
Ракетный двигатель – один из старейших видов двигателя, известных человечеству. Мы не можем точно ответить на вопрос, когда именно была изготовлена первая ракета. Есть предположение, что это сделали еще древние греки (деревянный голубь Архита Тарентского), но большинство историков считает родиной данного изобретения Китай. Это произошло примерно в III столетии нашей эры, вскоре после открытия пороха. Первоначально ракеты использовали для фейерверков и других развлечений. Пороховой ракетный двигатель был достаточно эффективен и прост в изготовлении.
Считается, что эти технологии попали в Европу где-то в XIII веке, их изучением занимался английский естествоиспытатель Роджер Бэкон.
Практическое использование ракет началось только в XIX столетии. В 1805 году британский офицер Уильям Конгрив продемонстрировал пороховые ракеты, которые имели небывалую по тем временам мощность. Презентация произвела должное впечатление, и ракеты Конгрива были приняты на вооружение английской армии. Их главным преимуществом, по сравнению со ствольной артиллерией, была высокая мобильность и относительно небольшая стоимость, а основным недостатком – кучность огня, которая оставляла желать лучшего. К концу XIX века широкое распространение получили нарезные орудия, стрелявшие очень точно, поэтому ракеты были сняты с вооружения.
В России данным вопросом занимался генерал Засядко. Он не только усовершенствовал ракеты Конгрива, но и первым предложил использовать их для полета в космос. В 1881 году российский изобретатель Кибальчич создал собственную теорию ракетных двигателей.
Огромный вклад в развитие этого направления техники внес еще один наш соотечественник – Константин Циолковский. Среди его идей жидкостный ракетный двигатель (ЖРД), работающий на смеси кислорода и водорода.
В начале прошлого столетия энтузиасты во многих странах мира занимались созданием жидкостного РД, первым добился успеха американский изобретатель Роберт Годдард. Его ракета, работающая на смеси бензина и жидкого кислорода, успешно стартовала в 1926 году.
После окончания войны между СССР и США началась настоящая «ракетная» гонка. Советскую программу возглавил Сергей Королев – выдающийся конструктор ракетных двигателей, именно под его руководством была создана отечественная МБР Р-7, а позже запущен первый искусственный спутник и осуществлен полет человека в космос.
В разные годы предпринимались попытки создания ракетных двигателей, работающих за счет энергии ядерного распада (синтеза), но до практического применения подобных силовых установок дело так и не дошло. В 70-е годы в СССР и США началось использование электрических ракетных двигателей. Сегодня они применяются для коррекции орбит и курса космических аппаратов. В 70-е и 80-е годы были эксперименты с плазменными РД, считается, что они имеют хороший потенциал. Большие надежды связывают с ионными ракетными двигателями, использование которых теоретически может значительно ускорить космические аппараты.
Однако пока почти все эти технологии находятся в зачаточном состоянии, и основным транспортным средством покорителей космоса остается старая добрая «химическая» ракета. В настоящее время за титул «самый мощный ракетный двигатель в мире» соревнуется американский F-1, участвовавший в лунном проекте, и советский РД-170/171, который использовался в программе «Энергия-Буран».
Какими они бывают?
Классификация ракетных двигателей построена на способе получения энергии для отбрасывания рабочего тела. Исходя из этого параметра, РД бывают:
Каждый из вышеперечисленных типов может подразделяться на более мелкие категории. Химические двигатели (ХРД), например, в зависимости от агрегатного состояния топлива бывают твердотопливными и жидкотопливными. Существует и химический гибридный ракетный двигатель (ГРД). К ХРД также относится клиновоздушный ракетный двигатель, который имеет другую форму и конструкцию сопла. Различают газофазные и твердофазные ядерные РД. Есть несколько типов электрических силовых установок.
Химический РД: преимущества и недостатки
Этот тип ракетных двигателей является наиболее распространенным и хорошо освоенным. Можно сказать, что именно ХРД подарил человечеству космос. Он работает за счет экзотермической химической реакции, причем и горючее и окислитель находится на борту летательного аппарата и вместе образуют топливо. Оно одновременно служит и источниками энергии, и основой для рабочего тела.
ХРД обладают сравнительно небольшим удельным импульсом (если сравнивать их с электрическими), но позволяют развивать большую тягу. Это особенно важно для стартовых ракетных двигателей и при выведении полезной нагрузки на орбиту.
В жидкостных двигателях окислитель и горючее находится в жидкой фазе. С помощью топливной системы они подаются в камеру, где сгорают и, истекая через сопло.
В твердотопливном РД смесь горючего и окислителя размещено непосредственно в камере сгорания. Как правило, топливо имеет форму стержня с центральным каналом. Процесс горения идет от центра к периферии, газы, выходя через сопло, образуют тягу. Подобные двигатели имеют ряд преимуществ: они сравнительно просты, дешевы, безопасны в плане экологии и надежны.
К недостаткам твердотопливного химического двигателя можно отнести ограниченность времени его работы, небольшой показатель удельного импульса (по сравнению с жидкостными РД) и невозможность перезапуска – после старта его уже нельзя остановить. Вышеперечисленные особенности определяют сферу использования твердотопливных РД – это баллистические и метеорологические ракеты, ЗУР, НАР, реактивные снаряды для систем залпового огня. Твердое топливо также используют в стартовых ракетных двигателях.
Жидкостные РД имеют более высокий показатель удельного импульса, их можно останавливать и перезапускать вновь, а тягу – регулировать. Кроме того, по сравнению с твердотопливными, они имеют меньший вес и более компактны. Но есть и ложка дегтя: жидкостные двигатели отличаются сложной конструкцией и высокой стоимостью, поэтому основная область их применения – это космонавтика.
В качестве компонентов топлива для жидкостных РД используют различные комбинации. Например, кислород + водород или азотный тетраоксид + несимметричный диметилгидразин. В последние годы весьма популярны ракеты, использующие кислород и керосин. Топливо может состоять из пяти и более частей. Весьма многообещающими считаются метановые ракетные двигатели, их созданием сегодня занимаются сразу в нескольких странах мира. Из других интересных разработок в этой области можно отметить так называемый детонационный ракетный двигатель, топливо которого не горит, а взрывается.
Работы над улучшением ХРД не прекращаются, но, вероятно, предел его возможностей уже достигнут – конструкторы «выжали» из химического горючего все, что могли. Серьезной проблемой ХРД является огромная масса топлива, которую должен поднимать летательный аппарат. И это дико неэффективно. Схема с отделяемыми ступенями несколько улучшила ситуацию, но явно не стала панацеей.
Следует отметить, что химические ракетные двигатели используются не только для покорения космоса. Они нашли свое применение и на Земле, правда, в основном только в военном деле. Все боевые ракеты, начиная с маленьких авиационных или противотанковых, и заканчивая огромными МБР, оснащаются ХРД. В подавляющем большинстве они имеют более простые и надежные твердотопливные двигатели. Примером мирного использования ХРД являются геофизические и метеорологические ракеты.
На атомном корабле к звездам!
Жидкостной ракетный двигатель подарил человеку космос и помог добраться до ближайших планет. Скорость истечения реактивной струи ракеты на жидком топливе не превышает 4,5-5 м/с, что делает ее малопригодной для далеких миссий – для этого необходимы десятки метров в секунду. Космические аппараты с ХРД еще способны доставить человека к ближайшим планетам – типа Марса или Венеры – но для путешествий к далеким объектам Солнечной системы нам придется придумать что-то новое. Одним из выходов из этого тупика видится использование энергии, скрытой в атомном ядре.
Ядерный ракетный двигатель (ЯРД) – это тип силовой установки, в которой рабочее тело нагревается за счет энергии ядерного деления или синтеза. В зависимости от состояния топлива он может быть твердо-, жидко- или газофазным. В качестве рабочего тела обычно используется водород или аммиак. Тяга ЯРД вполне сравнима с химическими двигателями, при этом они имеют высокий удельный импульс. Но есть одна проблема – загрязнение атмосферы радиоактивным выхлопом.
В настоящее время наиболее перспективно выглядят газофазные ядерные двигатели, в которых топливо находится в газообразном состоянии в специальной герметичной колбе. Это исключает его контакт с рабочим телом и значительно уменьшает вероятность радиоактивного заражения. Несмотря на то что основные технические проблемы создания ЯРД уже давно решены, до сих пор ни один из них не нашел своего применения на практике. Хотя, именно этот ЯРД выглядит наиболее перспективным с точки зрения реального применения.
Электрические ракетные двигатели, их особенности, преимущества и недостатки
Еще одним возможным конкурентом, у которого есть шансы заменить ХРД, является электрический ракетный двигатель (ЭРД), использующий для разгона рабочего тела электрическую энергию.
Идея создания подобной силовой установки родилась еще в начале XX века, в 30-е годы ее на практике реализовал советский ученый Глушко. Активные работы над ЭРД начались в США и СССР в 60-е годы, а в 70-е – первые ракетные двигатели подобного типа уже были установлены на космических аппаратах.
Существует несколько типов ЭРД:
Электрические ракетные двигатели имеют высокий показатель удельного импульса, что позволяет им весьма экономно расходовать рабочее тело, но при этом они нуждаются в большом количестве энергии, что является серьезной проблемой. Пока единственным реальным ее источником для ЭРД являются солнечные батареи. Они имеют малую тягу, что не позволяет использовать их в пределах земной атмосферы – стартовый ракетный двигатель из ЭРД точно не получится. В настоящее время они используются в качестве маневровых – для коррекции орбит космических аппаратов.
Как работают ракетные двигатели?
Освоение космоса — самое удивительное из мероприятий, когда-либо проводимых человечеством. И большую часть удивления составляет сложность. Освоение космоса осложняется массой проблем, которые нужно решить и преодолеть. Например, безвоздушное пространство, проблема с температурой, проблема повторного входа в атмосферу, орбитальная механика, микрометеориты и космический мусор, космическая и солнечная радиация, логистика в условиях невесомости и другое. Но самая сложная проблема — это просто оторвать космический корабль от земли. Здесь не обойтись без ракетного двигателя, поэтому в этой статье мы рассмотрим именно это изобретение человечества.
С одной стороны, ракетные двигатели настолько просто устроены, что за небольшую копейку вы сможете построить ракету самостоятельно. С другой стороны, ракетные двигатели (и их топливные системы) настолько сложны, что доставкой людей на орбиту, по сути, занимаются только три страны мира.
Когда люди задумываются о двигателе или моторе, они думают о вращении. К примеру, бензиновый двигатель автомобиля производит энергию вращения, чтобы двигать колеса. Электродвигатель производит энергию вращения для движения вентилятора или диска. Паровой двигатель делает то же самое, чтобы вращать паровую турбину.
Ракетные двигатели принципиально отличаются. Ракетные двигатели — это реактивные двигатели. Основной принцип движения ракетного двигателя — это знаменитый принцип Ньютона, «на каждое действие есть равное противодействие». Ракетный двигатель выбрасывает массу в одном направлении, а благодаря принципу Ньютона движется в противоположном направлении.
Понятие «выбрасывания массы и движения по принципу Ньютона» может быть сложно понять с первого раза, потому что ничего не разобрать. Ракетные двигатели, кажется, работают с огнем, шумом и давлением, а не «толкают вещи». Давайте рассмотрим несколько примеров, чтобы получить более полную картину реальности.
Если вы когда-либо наблюдали за работой пожарного шлага, вы наверняка заметили, что его достаточно сложно удержать (иногда пожарные вдвоем и втроем его держат). Шланг работает как ракетный двигатель. Он выбрасывает воду в одном направлении, а пожарные используют свою силу, чтобы противостоять реакции. Если они упустят рукав, он будет метаться повсюду. Если бы пожарные стоял на скейтбордах, пожарный рукав разогнал бы их до приличной скорости.
Когда вы надуваете воздушный шарик и выпускаете его, он летает по всей комнате, испуская воздух, — так работает ракетный двигатель. В данном случае вы выпускаете молекулы воздуха из шара. Многие считают, что молекулы воздуха ничего не весят, но это не так. Когда вы выпускаете их из шарика, шарик летит в противоположном направлении.
Еще один сценарий, который поможет объяснить действие и противодействие, — это космический бейсбол. Представьте, что вы вышли в скафандре в космос недалеко от своего космического судна, и у вас в руке бейсбольный мяч. Если вы его бросите, ваше тело среагирует в противоположном направлении от мяча. Допустим, он весит 450 гр, а ваше тело вместе со скафандром весит 45 кг. Вы бросаете бейсбольный мяч весом почти в полкило со скоростью 34 км/ч. Таким образом, вы ускоряете полукилограммовый мяч своей рукой так, что он набирает скорость 34 км/ч. Ваше тело реагирует в противоположном направлении, но весит в 100 раз больше мяча. Таким образом, оно принимает одну сотую ускорения мяча, или 0,34 км/ч.
Если вы хотите создать большую тягу от своего бейсбольного мяча, у вас есть два варианта: увеличить его массу или увеличить ускорение. Вы можете бросить мячик потяжелее или бросать мячи один за другим, либо бросить мяч быстрее. Но на этом все.
Ракетный двигатель, как правило, выбрасывает массу в форме газа под высоким давлением. Двигатель выбрасывает массу газа в одном направлении, чтобы получить реактивное движение в противоположном направлении. Масса идет от веса топлива, которое сгорает в двигателе ракеты. Процесс горения ускоряет массы топлива так, что они выходят из сопла ракеты на высокой скорости. Тот факт, что топливо превращается из твердого тела или жидкости в процессе сгорания, никак не меняет его массу. Если вы сожжете килограмм ракетного топлива, вы получите килограмм выхлопа в виде горячих газов на высокой скорости. Процесс сжигания ускоряет массу.
«Сила» ракетного двигателя называется тягой. Тяга измеряется в ньютонах в метрической системе и «фунтах тяги» в США (4,45 ньютона тяги эквивалентны одному фунту тяги). Фунт тяги — это количество тяги, необходимое для удержания 1-фунтового объекта (0,454 кг) неподвижным относительно силы тяжести Земли. Ускорение земной гравитации составляет 9,8 м/с².
Одной из забавных проблем ракет является то, что топливный вес, как правило, в 36 раз больше полезной нагрузки. Потому что помимо того, что двигателю нужно поднимать вес, этот же вес и способствует собственному подъему. Чтобы вывести крошечного человека в космос, нужна огромная ракета и много-много топлива.
Обычная скорость для химических ракет составляет от 8000 до 16 000 км/ч. Топливо горит около двух минут и вырабатывает 3,3 миллиона фунтов тяги на старте. Три основных двигателя космического шаттла, например, сжигают топливо в течение восьми минут и вырабатывают около 375 000 фунтов тяги каждый в процессе горения.
Далее мы рассмотрим топливные смеси твердотопливных ракет.
Твердотопливные ракеты: топливная смесь
Твердотопливные ракеты: конфигурации
Читая описание для современных твердотопливных ракет, часто можно найти вот такое:
«Ракетное топливо состоит из перхлората аммония (окислитель, 69,6 % по весу), алюминия (топливо, 16 %), оксида железа (катализатор, 0,4 %), полимера (связующей смеси, удерживающей топливо вместе, 12,04 %) и эпоксидный отверждающий агент (1,96 %). Перфорация выполнена в форме 11-конечной звезды в переднем сегменте двигателя и в форме дважды усеченного конуса в каждом из остальных сегментов, включая конечный. Такая конфигурация обеспечивает высокую тягу при розжиге, а затем уменьшает тягу примерно на треть спустя 50 секунд после старта, предотвращая перенапряжение аппарата во время максимального динамического давления». — NASA
Здесь объясняется не только состав топлива, но и форма канала, пробуренного в центре топлива. «Перфорация в виде 11-конечной звезды» может выглядеть вот так:
Твердотопливные двигатели обладают тремя важными преимуществами:
Но есть и два недостатка:
Недостатки означают, что твердотопливные ракеты полезны для непродолжительных задач (ракеты) или систем ускорения. Если вам понадобится управлять двигателем, вам придется обратиться к системе жидкого топлива.
Жидкотопливные ракеты
В 1926 году Роберт Годдард испытал первый двигатель на основе жидкого топлива. Его двигатель использовал бензин и жидкий кислород. Также он пытался решить и решил ряд фундаментальных проблем в конструкции ракетного двигателя, включая механизмы накачки, стратегии охлаждения и рулевые механизмы. Именно эти проблемы делают ракеты с жидким топливом такими сложными.
Основная идея проста. В большинстве жидкотопливных ракетных двигателях топливо и окислитель (например, бензин и жидкий кислород) закачиваются в камеру сгорания. Там они сгорают, чтобы создать поток горячих газов с высокой скоростью и давлением. Эти газы проходят через сопло, которое еще больше их ускоряет (от 8000 до 16 000 км/ч, как правило), а после выходят. Ниже вы найдете простую схему.
Будущее ракетных двигателей
Мы привыкли видеть химические ракетные двигатели, которые сжигают топливо для производства тяги. Но есть масса других способов для получения тяги. Любая система, которая способна толкать массу. Если вы хотите ускорить бейсбольный мячик до невероятной скорости, вам нужен жизнеспособный ракетный двигатель. Единственная проблема при таком подходе — это выхлоп, который будет тянуться через пространство. Именно эта небольшая проблема приводит к тому, что ракетные инженеры предпочитают газы горящим продуктам.
Многие ракетные двигатели крайне малы. К примеру, двигатели ориентации на спутниках вообще не создают большую тягу. Иногда на спутниках практически не используется топливо — газообразный азот под давлением выбрасывается из резервуара через сопло.
Новые конструкции должны найти способ ускорить ионы или атомные частицы до высокой скорости, чтобы сделать тягу более эффективной. А пока будем пытаться делать электромагнитные двигатели и ждать, что там еще выкинет Элон Маск со своим SpaceX.
Ракетные двигатели
Что первое приходит на ум при словосочетании «ракетные двигатели»? Конечно же, загадочный космос, межпланетные полеты, открытие новых галактик и манящее сияние далеких звезд. Во все времена небо притягивало к себе человека, оставаясь при этом неразгаданной тайной, но создание первой космической ракеты и ее запуск открыли человечеству новые горизонты исследований.
Ракетные двигатели по своей сути – это обычные реактивные двигатели с одной немаловажной особенностью: для создания реактивной тяги в них не используется атмосферный кислород в качестве окислителя топлива. Все, что нужно для его работы, находится либо непосредственно в его корпусе, либо в системах подачи окислителя и топлива. Именно эта особенность и дает возможность использовать ракетные двигатели в открытом космосе.
Видов ракетных двигателей очень много и все они разительно отличаются между собой не только особенностями конструкции, но и принципом работы. Именно поэтому каждый вид нужно рассматривать отдельно.
Среди основных рабочих характеристик ракетных двигателей особое внимание уделяется удельному импульсу – отношению величины реактивной тяги к массе расходуемого за единицу времени рабочего тела. Значение удельного импульса отображает эффективность и экономичность двигателя.
Химические ракетные двигатели (ХРД)
Этот тип двигателей на сегодняшний день является единственным, который массово используется для выведения в открытый космос космических аппаратов, кроме того, он нашел применение и в военной промышленности. Химические двигатели делятся на твердо- и жидкотопливные в зависимости от агрегатного состояния ракетного топлива.
Виды химических двигателей
История создания
Ракетный двигатель РД — 170 работает на жидком топливе и окислителе.
Жидкостные ракетные двигатели – это изобретение К.Э. Циолковского, который предложил их в качестве силового агрегата космической ракеты в 1903 году. В 20-х годах работы по созданию ЖРД начали проводиться в США, в 30-хх годах – в СССР. Уже к началу Второй мировой войны были созданы первые экспериментальные образцы, а после ее окончания ЖРД стали выпускаться серийно. Использовались они в военной промышленности для оснащения баллистических ракет. В 1957 году впервые в истории человечества был запущен советский искусственный спутник. Для его запуска использовалась ракета, оснащенная РЖД.
Устройство и принцип работы химических ракетных двигателей
Твердотопливный двигатель вмещает в своем корпусе топливо и окислитель в твердом агрегатном состоянии, причем контейнер с топливом – это одновременно и камера сгорания. Топливо обычно имеет форму стержня с центральным отверстием. В процессе окисления стержень начинает сгорать от центра к периферии, а газы, полученные в результате сгорания, выходят через сопло, образуя тягу. Это самая простая конструкция среди всех ракетных двигателей.
В жидкостных РД топливо и окислитель находятся в жидком агрегатном состоянии в двух раздельных резервуарах. По каналам подачи они попадают в камеру сгорания, где смешиваются и происходит процесс горения. Продукты сгорания выходят через сопло, образуя тягу. В качестве окислителя обычно используется жидкий кислород, а топливо может быть разным: керосин, жидкий водород и т.д.
Плюсы и минусы химических РД, их сфера применения
Достоинствами твердотопливных РД являются:
Недостатки РДТТ:
Анализируя плюсы и минусы РДТТ, можно сделать вывод, что их использование оправдано только в тех случаях, когда нужен силовой агрегат средней мощности, достаточно дешевый и простой в исполнении. Сфера их использования – баллистические, метеорологические ракеты, ПЗРК, а также боковые ускорители космических ракет (ими оснащаются американские ракеты, в советских и российских ракетах их не использовали).
Достоинства жидкостных РД:
Недостатки ЖРД:
Сфера применения ЖРД – это в основном космонавтика, так как для военных целей эти двигатели слишком дорогие.
Несмотря на то, что пока химические РД – единственные способные обеспечить вывод ракет в открытый космос, их дальнейшее усовершенствование практически невозможно. Ученые и конструкторы убеждены, что предел их возможностей уже достигнут, а для получения более мощных агрегатов с большим удельным импульсом необходимы другие источники энергии.
Ядерные ракетные двигатели (ЯРД)
Этот тип РД в отличие от химических вырабатывает энергию не при сгорании топлива, а в результате нагревания рабочего тела энергией ядерных реакций. ЯРД бывают изотопными, термоядерными и ядерными.
История создания
Конструкция и принцип работы ЯРД были разработаны еще в 50-хх годах. Уже в 70-хх годах в СССР и США были готовы экспериментальные образцы, которые успешно проходили испытания. Твердофазный советский двигатель РД-0410 с тягой в 3,6 тонны испытывался на стендовой базе, а американский реактор «NERVA» должен был устанавливаться на ракету «Сатурн V» до того, как спонсирование лунной программы было остановлено. Параллельно велись работы и над созданием газофазных ЯРД. Сейчас действуют научные программы по разработке ядерных РД, проводятся эксперименты на космических станциях.
Таким образом, действующие модели ядерных ракетных двигателей уже есть, но пока ни один из них так и не был задействован вне лабораторий или научных баз. Потенциал таких двигателей довольно высокий, но и риск, связанный с их использованием, тоже немалый, так что пока они существуют только в проектах.
Устройство и принцип действия
Ядерные ракетные двигатели бывают газо-, жидко- и твердофазными в зависимости от агрегатного состояния ядерного топлива. Топливо в твердофазных ЯРД – это ТВЭЛы, такие же, как в ядерных реакторах. Они находятся в корпусе двигателя и в процессе распада делящегося вещества выделяют тепловую энергию. Рабочее тело – газообразный водород или аммиак – контактируя с ТВЭЛом, поглощает энергию и нагревается, увеличиваясь в объеме и сжимаясь, после чего выходит через сопло под высоким давлением.
Принцип работы жидкофазного ЯРД и его устройство аналогично твердофазным, только топливо находится в жидком состоянии, что позволяет увеличить температуру, а значит и тягу.
Газофазные ЯРД работают на топливе в газообразном состоянии. Обычно в них используется уран. Газообразное топливо может удерживаться в корпусе электрическим полем или же находится в герметичной прозрачной колбе – ядерной лампе. В первом случае возникает контакт рабочего тела с топливом, а также частичная утечка последнего, поэтому кроме основной массы топлива в двигателе должен быть предусмотрен его запас для периодического пополнения. В случае с ядерной лампой утечки не происходит, а топливо полностью изолировано от потока рабочего тела.
Преимущества и недостатки ЯРД
Ядерные ракетные двигатели имеют огромное преимущество в сравнении с химическими – это высокий показатель удельного импульса. Для твердофазных моделей его величина составляет 8000-9000 м/с, для жидкофазных – 14000 м/с, для газофазных – 30000 м/с. Вместе с тем, их использование влечет за собой заражение атмосферы радиоактивными выбросами. Сейчас ведутся работы по созданию безопасного, экологичного и эффективного ядерного двигателя, и главным «претендентом» на эту роль является газофазный ЯРД с ядерной лампой, где радиоактивное вещество находится в герметичной колбе и не выходит наружу с реактивным пламенем.
Электрические ракетные двигатели (ЭРД)
Еще один потенциальный конкурент химических РД – электрический РД, работающий за счет электрической энергии. ЭРД может быть электротермическим, электростатическим, электромагнитным или импульсным.
История создания
Первый ЭРД был сконструирован в 30-х годах советским конструктором В.П. Глушко, хотя идея создания такого двигателя появилась еще в начале ХХ века. В 60-х годах ученые СССР и США активно работали над созданием ЭРД, и уже в 70-х годах первые образцы начали использоваться в космических аппаратах в качестве двигателей управления.
Устройство и принцип работы
Электроракетная двигательная установка состоит из самого ЭРД, строение которого зависит от его типа, систем подачи рабочего тела, управления и электропитания. Электротермический РД нагревает поток рабочего тела за счет тепла, выделяемого нагревательным элементом, или в электрической дуге. В качестве рабочего тела используется гелий, аммиак, гидразин, азот и другие инертные газы, реже – водород.
Электростатические РД делятся на коллоидные, ионные и плазменные. В них заряженные частицы рабочего тела ускоряются за счет электрического поля. В коллоидных или ионных РД ионизация газа обеспечивается ионизатором, высокочастотным электрическим полем или газоразрядной камерой. В плазменных РД рабочее тело – инертный газ ксенон – проходит через кольцевой анод и попадает в газоразрядную камеру с катод-компенсатором. При высоком напряжении между анодом и катодом вспыхивает искра, ионизирующая газ, в результате чего получается плазма. Положительно заряженные ионы выходят через сопло с большой скоростью, приобретенной за счет разгона электрическим полем, а электроны выводятся наружу катодом-компенсатором.
Электромагнитные РД имеют свое магнитное поле – внешнее или внутреннее, которое ускоряет заряженные частицы рабочего тела.
Импульсные РД работают за счет испарения твердого топлива под действием электрических разрядов.
Преимущества и недостатки ЭРД, сфера использования
Среди преимуществ ЭРД:
Недостатки:
На сегодняшний день использование ЭРД ограничено их установкой на космические спутники, а в качестве источников электроэнергии для них применяются солнечные батареи. Вместе с тем именно эти двигатели могут стать теми силовыми установками, которые дадут возможность исследовать космос, поэтому работы по созданию их новых моделей активно ведутся во многих странах. Именно эти силовые установки чаще всего упоминали фантасты в своих произведениях, посвященных покорению космоса, их же можно встретить и в научно-фантастических фильмах. Пока именно ЭРД является надеждой на то, что люди все же смогут путешествовать к звездам.