Как двигатель работает в космосе: Как работает реактивный двигатель?

Атмосферный свой: российские спутники смогут летать без топлива | Статьи

Российские изобретатели создали первый в мире двигатель для спутников, который работает без топлива. В качестве горючего аппарат будет использовать остатки атмосферы на орбите. Спутники с таким двигателем могли бы функционировать на считающихся низкими орбитах в районе 200 км от Земли. Сейчас этот диапазон практически не освоен, поскольку на высотах ниже 300 км аппаратам требуется слишком много топлива. Использование этих высот позволило бы, например, обеспечить страну высокоскоростной связью с относительно небольшими затратами, пояснили разработчики. Однако на низких орбитах кислород может губительно воздействовать на двигатель, что, вероятно, сократит срок службы летательного аппарата, указали эксперты.

На подножном корме

Двигатели нужны находящимся на орбите космическим аппаратам, чтобы компенсировать торможение, которое возникает из-за наличия остаточной атмосферы Земли. Без устройства, поддерживающего аппараты на заданной высоте, спутники бы снижались и в итоге сгорали в плотных слоях атмосферы. Кроме того, с их помощью можно изменить направление движения, траекторию и скорость спутника. Обычно в качестве таких устройств используют ионные двигатели. Они работают за счет разгона ионов рабочего газа электрическим полем: поток ускоренных заряженных частиц вылетает из двигателя, создавая тягу, — силу, которая «толкает» аппарат.

Сложность в том, что рабочий газ, система его хранения и подачи имеют значительный вес, а также рано или поздно он заканчивается, — тогда и срок службы спутника подходит к концу. Инженеры из российской компании «Экипо» придумали оригинальный метод решения проблемы.

Созданный ими ионный двигатель принадлежит к так называемому открытому типу.

Атмосферный свой

Фото: Global Look Press/Roscosmos

— Такому двигателю не нужно дополнительное топливо, то есть рабочий газ, — рассказал «Известиям» руководитель проекта Вячеслав Темкин. — Ионная ловушка открытого типа обеспечивает работу двигателя за счет использования остатков атмосферы в низком космосе. Она создает электромагнитное поле, которое обеспечивает зажигание плазмы, в которой ионизуются атмосферные газы. Получающиеся при этом ионы могут быть эффективно захвачены электромагнитным полем. Проведенные нами эксперименты показали устойчивое горение плазмы даже в условиях глубокого вакуума.

По заявлению разработчиков, характеристики «воздушного» двигателя даже превосходят параметры, получаемые на обычных устройствах закрытого типа.

Чем ниже, тем лучше

По мнению ведущего инженера-исследователя корпорации «Российские космические системы» Марии Барковой, использование новых двигателей может позволить продлить срок службы низкоорбитальных космический аппаратов.

— При разработке своего сборщика космического мусора у меня также возникла идея использовать атмосферные газы для получения окислителя (кислорода) и горючего (водорода), которые можно найти на высоте до 1 тыс. км, — рассказала специалист. — Однако она не подошла из-за того, что на таких высотах атмосферы уже нет. Но в рамках увеличения срока службы именно низкоорбитальных космических аппаратов идея использовать атмосферные газы в качестве компонентов топлива подает большие надежды.

Атмосферный свой

Фото: Роскосмос/roscosmos.ru

Низкий космос сейчас мало освоен из-за того, что космические аппараты сложно удержать на орбитах высотой ниже 300 км. Например, чтобы спутник пробыл на орбите высотой около 200 км один год, требуется масса топлива, сравнимая с тяжестью самого спутника. То есть вес аппарата перед запуском практически удваивается, и запуск становится значительно дороже. А когда топливо будет израсходовано, спутник перестанет работать. По этой причине, например, все спутники системы Starlink Илона Маска планируется использовать на высотах существенно больше 300 км.

— С нашим ионным двигателем можно уверенно удерживать спутник на высоте ниже 200 км длительное время без топлива, — заявил Вячеслав Темкин. — На таких высотах существенно возрастают возможности для обеспечения эффективной связи, навигации и дистанционного зондирования Земли по сравнению с большими высотами, допустим, 300–500 км. На данных высотах в отличие от больших отсутствует космический мусор.

Это обстоятельство практически исключает гибель спутника из-за столкновения с каким-либо объектом. Аппарат с таким двигателем можно использовать на орбите до те пор, пока его элементы не перестанут функционировать технически.

По словам руководителя проекта, благодаря разработке Россия может занять лидирующую позицию в низком космосе.

Атмосферный свой

Фото: Роскосмос/roscosmos.ru

— Мы сможем обеспечить покрытие устойчивой связью территории Крайнего Севера, обеспечить навигацией Севморпуть, развивать интернет, телевидение и другое. В низком космосе будут решены многие актуальные для экономики России и геополитики задачи, — заявил Вячеслав Темкин. — Небольшие габариты и низкая масса спутника позволяют существенно сократить затраты на его запуск.

Однако начальник отдела Научно-исследовательского института прикладной механики и электродинамики МАИ Александр Богатый считает, что преимущества такого двигателя неочевидны.

— Атомарный кислород, присутствующий на этих орбитах, оказывает губительное влияние как на аппарат в целом, так и на двигатель, поэтому долго использовать его не получится, — пояснил эксперт. — К тому же на высотах ниже 200 км энергии от солнечных панелей не хватит на компенсацию сопротивления атмосферы. Также двигательная установка получается довольно большой из-за необходимости захватывать требуемое количество газа.

Сейчас разработчики создали лабораторный макет двигателя. Его проверили в условиях, моделирующих открытый космос, — в вакууме разной степени. По словам авторов проекта, устройство работает стабильно и эффективно и готово к реальным испытаниям. Двигатель уже представили публике на проектно-образовательном интенсиве «Архипелаг».

ученые РФ создают двигатель для дальних космических миссий

4 апреля, 2022 12:51

Источник:

Известия

Российские ученые разработали схему ионного двигателя с улучшенными характеристиками. После создания прототипа устройства его производством займутся ведущие ракетно-космические предприятия РФ. Ионные двигатели применяются, например, для коррекции орбиты спутников. Они имеют огромный потенциал для использования на космических аппаратах, выполняющих миссии в дальнем космосе, таких как российский ядерный буксир «Зевс», который полетит к другим планетам Солнечной системы, пояснили эксперты.

Поделиться

Гори огнем

Ионные двигатели — одни из самых перспективных и широко используемых устройств в космосе. Сейчас их в основном применяют для коррекции положения и поддержания рабочей орбиты геостационарных спутников.

Ученые из МАИ исследуют возможность увеличения эффективности работы высокочастотного ионного двигателя за счет изменения геометрии его элементов. Такие устройства работают за счет разгона ионов рабочего газа электрическим полем: поток ускоренных заряженных частиц вылетает из двигателя, создавая тягу — силу, которая «толкает» аппарат. Однако для того, чтобы появились ионы, газ сначала нужно ионизировать — убрать у атомов рабочего газа электрон, превратив их в положительно заряженные частицы. Газ, который состоит из электронов, ионов и атомов, называется плазмой.

Плазма генерируется внутри разрядной камеры — с одной ее стороны располагается подвод газа, а со второй — электроды ионно-оптической системы. Это две или три тонкие пластины, расположенные на расстоянии порядка миллиметра друг от друга, со множеством отверстий. Между ними приложено электрическое поле, ускоряющее положительное ионы из плазменного разряда. Из отверстий в электродах выходит направленный поток ионов, обеспечивающий движение космического аппарата.

— Мы исследуем метод повышения тяги двигателя за счет изменения геометрии основных элементов конструкции высокочастотного ионного двигателя, — рассказал «Известиям» руководитель проекта, ведущий научный сотрудник НИИ прикладной механики и электродинамики МАИ Вартан Абгарян. — В частности, мы рассматриваем влияние формы разрядной камеры и электродов ионно-оптической системы на характеристики двигателя. Кроме этого мы будем изучать эффективность применения магнитной защиты стенок разрядной камеры от выпадения заряженных частиц из плазмы.

Такая постановка задачи определения облика высокочастотного ионного двигателя ранее нигде в мире не применялась.

— Мы ожидаем улучшения эксплуатационных характеристик двигателя, в частности увеличения тяги на 10–15%, и эффективности использования рабочего газа, — сообщил Вартан Абгарян. — После создания устройства «в железе» появятся рекомендации для прототипа двигателя, который можно будет представить ведущим ракетно-космическими предприятиям РФ.

Для проведения вычислений используется инженерная модель плазменного разряда в высокочастотном ионном двигателе. Она позволяет оценить распределение различных параметров плазмы по объему разрядной камеры.

— Эти параметры в высокочастотном индуктивном разряде зависят от большого количества различных факторов, в том числе и от формы разрядной камеры и электродов ионно-оптической системы, — рассказал заместитель начальника лаборатории НИИ прикладной механики и электродинамики МАИ Андрей Мельников. — Рассчитав распределение этих параметров, мы можем оценить характеристики двигателя. Таким образом, рассматривая различные конфигурации камеры и электродов ионно-оптической системы, появляется возможность определить их оптимальные формы, которые могут обеспечить повышение тяги и коэффициента полезного действия двигателя.

Далеко смотрю

Практически все ведущие космические страны рассматривают применение ионных двигателей на борту космических аппаратов, предназначенных для миссий в дальнем космосе. В частности, российский ядерный буксир «Зевс», который сможет доставить к Юпитеру десятки тонн полезной нагрузки, будет использовать именно подобные технологии.

— Ионные двигатели были разработаны в СССР, и Россия до сих пор остается лидером в этом направлении, — сообщил член-корреспондент Российской академии космонавтики Андрей Ионин. — Главное преимущество таких двигателей — долгое время работы в противоположность химическим, которые «выгорают» крайне быстро. Главные недостатки — небольшая тяга и необходимость огромной энергии для работы. На спутниках последняя проблема решается за счет использования солнечных батарей. Но если аппарату нужно повысить тягу, придется собирать двигатели в целые блоки, и энергии им потребуется намного больше. Отсюда необходимость ядерного источника энергии, как на «Зевсе».

Эксперты отмечают, что химические жидкостные ракетные двигатели в любом случае намного больше подходят для выведения космических аппаратов на низкие околоземные орбиты. Однако для дальнейших операций в космосе во многих случаях более эффективны ионные.

— При этом даже небольшой прирост величины тяги ионного двигателя — то, за что стоит бороться. 15% — это хороший результат, — считает ведущий научный сотрудник Института космических исследований РАН Натан Эйсмонт. — Это означает, что скорость аппарата будет на 15% больше при той же массе топлива. Если получится воплотить конструкцию «в железе», можно будет поздравить коллег с заметным достижением, хотя, конечно, предстоит большая работа по установке двигателей на космический аппарат.

Проект поддержан грантом Российского научного фонда. В будущем ученые планируют повысить тягу двигателя на 40% за счет дальнейшей работы с его конструкцией.

Теги

Инженерные науки

7 космических двигателей будущего

Современные ракетные двигатели неплохо справляются с задачей выведения техники на орбиту, но совершенно непригодны для длительных космических путешествий. Поэтому уже не первый десяток лет ученые работают над созданием альтернативных космических двигателей, которые могли бы разгонять корабли до рекордных скоростей. Давайте рассмотрим семь основных идей из этой области.

EmDrive

Чтобы двигаться, надо от чего-то оттолкнуться – это правило считается одним из незыблемых столпов физики и космонавтики. От чего конкретно отталкиваться – от земли, воды, воздуха или реактивной струи газа, как в случае ракетных двигателей, – не так важно.

Хорошо известен мысленный эксперимент: представьте, что космонавт вышел в открытый космос, но трос, связывающий его с кораблем, неожиданно порвался и человек начинает медленно улетать прочь. Все, что у него есть, – это ящик с инструментами. Каковы его действия? Правильный ответ: ему нужно кидать инструменты в сторону от корабля. Согласно закону сохранения импульса, человека отбросит от инструмента ровно с той же силой, с какой и инструмент от человека, поэтому он постепенно будет перемещаться по направлению к кораблю. Это и есть реактивная тяга – единственный возможный способ двигаться в пустом космическом пространстве. Правда, EmDrive, как показывают эксперименты, имеет некоторые шансы это незыблемое утверждение опровергнуть.

Создатель этого двигателя – британский инженер Роджер Шаер, основавший собственную компанию Satellite Propulsion Research в 2001 году. Конструкция EmDrive весьма экстравагантна и представляет собой по форме металлическое ведро, запаянное с обоих концов. Внутри этого ведра расположен магнетрон, излучающий электромагнитные волны, – такой же, как в обычной микроволновке. И его оказывается достаточно, чтобы создавать очень маленькую, но вполне заметную тягу.

Сам автор объясняет работу своего двигателя через разность давления электромагнитного излучения в разных концах «ведра» – в узком конце оно меньше, чем в широком. Благодаря этому создается тяга, направленная в сторону узкого конца. Возможность такой работы двигателя не раз оспаривалась, но во всех экспериментах установка Шаера показывает наличие тяги в предполагаемом направлении.

В числе экспериментаторов, опробовавших «ведро» Шаера, такие организации, как NASA, Технический университет Дрездена и Китайская академия наук. Изобретение проверяли в самых разных условиях, в том числе и в вакууме, где оно показало наличие тяги в 20 микроньютонов.

Это очень мало относительно химических реактивных двигателей. Но, учитывая то, что двигатель Шаера может работать сколь угодно долго, так как не нуждается в запасе топлива (работу магнетрона могут обеспечивать солнечные батареи), потенциально он способен разгонять космические корабли до огромных скоростей, измеряемых в процентах от скорости света.

Чтобы полностью доказать работоспособность двигателя, необходимо провести еще множество измерений и избавиться от побочных эффектов, которые могут порождаться, к примеру, внешними магнитными полями. Однако уже выдвигаются и альтернативные возможные объяснения аномальной тяги двигателя Шаера, которая, в общем-то, нарушает привычные законы физики.

К примеру, выдвигаются версии, что двигатель может создавать тягу благодаря взаимодействию с физическим вакуумом, который на квантовом уровне имеет ненулевую энергию и заполнен постоянно рождающимися и исчезающими виртуальными элементарными частицами. Кто в итоге окажется прав – авторы этой теории, сам Шаер или другие скептики, мы узнаем в ближайшем будущем.

У ДВС есть будущее. Выводы компании Bosch

Компания Bosch поддерживает цели по защите климата и работает над технологиями для силовых установок легковых автомобилей и коммерческого транспорта, которые будут обеспечивать наименьшее влияние на окружающую среду и климат. Однако, по мнению Bosch, единственно верного технического решения в данном вопросе не существует. Слишком разнообразны региональные законодательные условия и индивидуальные запросы конечных пользователей. Снижение выбросов СО2 предполагает всеобъемлющий анализ, при котором во внимание принимаются процессы производства автомобилей и энергоносителей.

По мнению Bosch, центральным элементом автомобиля будущего является электрифицированный привод, включающий различные гибридные и полностью электрические варианты для легковых и грузовых автомобилей. Для тяжёлых грузовых автомобилей подойдут топливные ячейки и ДВС, работающий на водороде – ещё одно многообещающее направление в разработках.

Однако и современный ДВС (с элементами электрификации и без) является частью решения. Он останется основным силовым агрегатом. По прогнозам к 2030 году, 2 из 3 новых автомобилей всё еще будут оснащены классическим ДВС. Новые серийные модели и находящиеся в разработке автомобили показывают, что выбросы оксидов азота и сажи можно значительно снизить. Цель разработки новых ДВС сформулирована четко: автомобили должны соответствовать не только актуальным предельным значениям выбросов вредных веществ, но и в будущем не оказывать никакого влияния на качество воздуха в городах. Потребление топлива, а вместе с ним и выбросы СО2 должны снижаться. Если использовать передовые синтетические виды топлива, можно даже достичь практически нулевых выбросов СО2.

Солнечный парус

Как говорилось выше, электромагнитное излучение оказывает давление. Это значит, что теоретически его можно преобразовывать в движение – например, с помощью паруса. Аналогично тому, как корабли прошлых веков ловили в свои паруса ветер, космический корабль будущего ловил бы в свои паруса солнечный или любой другой звездный свет.

Проблема, однако, в том, что давление света крайне мало и уменьшается с увеличением расстояния от источника. Поэтому, чтобы быть эффективным, такой парус должен иметь очень малый вес и очень большую площадь. А это увеличивает риск разрушения всей конструкции при встрече с астероидом или другим объектом.

Попытки строительства и запуска солнечных парусников в космос уже имели место – в 1993 году тестирование солнечного паруса на корабле «Прогресс» провела Россия, а в 2010 году успешные испытания по пути к Венере осуществила Япония. Но еще ни один корабль не использовал парус в качестве основного источника ускорения. Несколько перспективнее в этом отношении выглядит другой проект – электрический парус.

Scuderi

Это двигатель разделенного цикла Air-Hybrid разработан американской компанией Scuderi Group. Он более экономичен, если сравнивать с обычными аналогами. Сотрудники компании рассчитывают, что их изобретение станет настоящим прорывом. Они уже получили на него патент. Для наиболее рационального использования энергии он разделяет 4 стандартных поршневых цилиндра на рабочие и вспомогательные. Это делается для того, чтобы разумно использовать энергию, которую они будут вырабатывать. Механизм функционирования основан на соединении двух цилиндров при помощи специального канала. Далее происходит впрыскивание сжатого воздуха во второй цилиндр с последующим воспламенением топливовоздушной смеси и выхлопом.

Электрический парус

Солнце излучает не только фотоны, но также и электрически заряженные частицы вещества: электроны, протоны и ионы. Все они формируют так называемый солнечный ветер, ежесекундно уносящий с поверхности светила около одного миллиона тонн вещества.

Солнечный ветер распространяется на миллиарды километров и ответственен за некоторые природные явления на нашей планете: геомагнитные бури и северное сияние. Земля от солнечного ветра защищается с помощью собственного магнитного поля.

Солнечный ветер, как и ветер воздушный, вполне пригоден для путешествий, надо лишь заставить его дуть в паруса. Проект электрического паруса, созданный в 2006 году финским ученым Пеккой Янхуненом, внешне имеет мало общего с солнечным. Этот двигатель состоит из нескольких длинных тонких тросов, похожих на спицы колеса без обода.

Благодаря электронной пушке, излучающей против направления движения, эти тросы приобретают положительный заряженный потенциал. Так как масса электрона примерно в 1800 раз меньше, чем масса протона, то создаваемая электронами тяга не будет играть принципиальной роли. Не важны для такого паруса и электроны солнечного ветра. А вот положительно заряженные частицы – протоны и альфа-излучение – будут отталкиваться от тросов, создавая тем самым реактивную тягу.

Хотя эта тяга будет примерно в 200 раз меньше, чем таковая у солнечного паруса, проект заинтересовал Европейское космическое агентство. Дело в том, что электрический парус гораздо проще сконструировать, произвести, развернуть и эксплуатировать в космосе. Кроме того, с помощью гравитации парус позволяет также путешествовать к источнику звездного ветра, а не только от него. А так как площадь поверхности такого паруса гораздо меньше, чем у солнечного, то для астероидов и космического мусора он уязвим куда меньше. Возможно, первые экспериментальные корабли на электрическом парусе мы увидим уже в следующие несколько лет.

Лазеры

Новые технологии в двигателях внутреннего сгорания стали возможны с появлением лазеров. Стандартные свечи имеют серьезную проблему. Она заключается в необходимости сильной искры, но в таком случае идет быстрый износ электродов. Решить этот вопрос можно, если применять лазеры для воспламенения топлива. Они имеют преимущество, так как позволяют задавать важные параметры: угол зажигания и мощность.

Учеными разработаны керамические лазеры d 9 мм. Они подойдут для подавляющего большинства моторов.

Ионный двигатель

Поток заряженных частиц вещества, то есть ионов, излучают не только звезды. Ионизированный газ можно создать и искусственно. В обычном состоянии частицы газа электрически нейтральны, но, когда его атомы или молекулы теряют электроны, они превращаются в ионы. В общей своей массе такой газ все еще не имеет электрического заряда, но его отдельные частицы становятся заряженными, а значит, могут двигаться в магнитном поле.

В ионном двигателе инертный газ (обычно используется ксенон) ионизируется с помощью потока высокоэнергетических электронов. Они выбивают электроны из атомов, и те приобретают положительный заряд. Далее получившиеся ионы ускоряются в электростатическом поле до скоростей порядка 200 км/с, что в 50 раз больше, чем скорость истекания газа из химических реактивных двигателей. Тем не менее современные ионные двигатели обладают очень маленькой тягой – около 50–100 миллиньютонов. Такой двигатель не смог бы даже сдвинуться со стола. Но у него есть серьезный плюс.

Большой удельный импульс позволяет значительно сократить расходы топлива в двигателе. Для ионизации газа используется энергия, полученная от солнечных батарей, поэтому ионный двигатель способен работать очень долго – до трех лет без перерыва. За такой срок он успеет разогнать космический аппарат до скоростей, которые химическим двигателям и не снились.

Ионные двигатели уже не раз бороздили просторы Солнечной системы в составе различных миссий, но обычно в качестве вспомогательных, а не основных. Сегодня как о возможной альтернативе ионным двигателям все чаще говорят про двигатели плазменные.

Мазда Skyactiv-G

Автомобильный концерн Мазда часто предлагает интересные инновационные решения. Один из вопросов, которыми он решил заняться ─ экономия топлива. Компания разработала новые двигатели Skyactiv-G. Уже планируются к выпуску малолитражные автомобили Mazda 2, оснащенные ими. Они обладают высочайшей степенью сжатия, за счет чего и повышается топливная экономичность. По версии разработчиков, средний расход бензина будет составлять примерно 3 литра на сотню километров.

Плазменный двигатель

Если степень ионизации атомов становится высокой (порядка 99%), то такое агрегатное состояние вещества называется плазмой. Достичь состояния плазмы можно лишь при высоких температурах, поэтому в плазменных двигателях ионизированный газ разогревается до нескольких миллионов градусов. Разогрев осуществляется с помощью внешнего источника энергии – солнечных батарей или, что более реально, небольшого ядерного реактора.

Горячая плазма затем выбрасывается через сопло ракеты, создавая тягу в десятки раз большую, чем в ионном двигателе. Одним из примеров плазменного двигателя является проект VASIMR, который развивается еще с 70-х годов прошлого века. В отличие от ионных двигателей, плазменные в космосе еще испытаны не были, но с ними связывают большие надежды. Именно плазменный двигатель VASIMR является одним из основных кандидатов для пилотируемых полетов на Марс.

Электронный клапан

Данный двухтактный двигатель разработан корпорацией Grail Engine Technologies. Он выполнен из простых деталей, изготовленных методом отливки.

Преимущества:

• изготовлен в соответствии с экологическими стандартами;
• потребляя от трех до четырех литров на «сотню» выдает 200 л.с.;
• возможна установка на гибридные автомобили.

Термоядерный двигатель

Укротить энергию термоядерного синтеза люди пытаются с середины ХХ века, но пока что сделать это так и не удалось. Тем не менее управляемый термоядерный синтез все равно очень привлекателен, ведь это источник громадной энергии, получаемой из весьма дешевого топлива – изотопов гелия и водорода.

В настоящий момент существует несколько проектов конструкции реактивного двигателя на энергии термоядерного синтеза. Самой перспективной из них считается модель на основе реактора с магнитным удержанием плазмы. Термоядерный реактор в таком двигателе будет представлять собой негерметичную цилиндрическую камеру размером 100–300 метров в длину и 1–3 метра в диаметре. В камеру должно подаваться топливо в виде высокотемпературной плазмы, которая при достаточном давлении вступает в реакцию ядерного синтеза. Располагающиеся вокруг камеры катушки магнитной системы должны удерживать эту плазму от контакта с оборудованием.

Зона термоядерной реакции располагается вдоль оси такого цилиндра. С помощью магнитных полей экстремально горячая плазма проистекает через сопло реактора, создавая огромную тягу, во много раз большую, чем у химических двигателей.

КРУТИТСЯ, ВЕРТИТСЯ ШАР…

Среди необычных ДВС мотор Герберта Хюттлина выделяется наиболее примечательной конструкцией: традиционные поршни и камеры сгорания здесь размещены внутри шара. Поршни движутся в нескольких направлениях. Во-первых, навстречу друг другу, образуя между собой камеры сгорания. Кроме того, они соединены попарно в блоки, посаженные на единую ось и вращающиеся по хитрой траектории, заданной кольцевой фигурной шайбой. Корпус поршневых блоков объединен с шестерней, передающей крутящий момент на выходной вал.

Из-за жесткой связи между блоками при наполнении смесью одной камеры сгорания одновременно происходит выпуск отработавших газов в другой. Таким образом, за поворот поршневых блоков на 180 градусов происходит 4-тактный цикл, за полный оборот — два рабочих цикла.

Двигатель на антиматерии

Все окружающее нас вещество состоит из фермионов – элементарных частиц с полуцелым спином. Это, к примеру, кварки, из которых состоят протоны и нейтроны в атомных ядрах, а также электроны. При этом у каждого фермиона есть своя античастица. Для электрона таковой выступает позитрон, для кварка – антикварк.

Античастицы имеют ту же массу и тот же спин, что и их обычные «товарищи», отличаясь знаком всех остальных квантовых параметров. Теоретически античастицы способны составлять антивещество, но до сих пор нигде во Вселенной антивещество зарегистрировано не было. Для фундаментальной науки является большим вопросом, почему его нет.

Но в лабораторных условиях можно получить некоторое количество антивещества. К примеру, недавно был проведен эксперимент по сравнению свойств протонов и антипротонов, которые хранились в магнитной ловушке.

При встрече антивещества и обычного вещества происходит процесс взаимной аннигиляции, сопровождаемый выплеском колоссальной энергии. Так, если взять по килограмму вещества и антивещества, то количество выделенной при их встрече энергии будет сопоставимо со взрывом «Царь-бомбы» – самой мощной водородной бомбы в истории человечества.

Причем значительная часть энергии при этом выделится в виде фотонов электромагнитного излучения. Соответственно, возникает желание использовать эту энергию для космических перемещений путем создания фотонного двигателя, похожего на солнечный парус, только в данном случае свет будет генерироваться внутренним источником.

Но чтобы эффективно использовать излучение в реактивном двигателе, необходимо решить задачу создания «зеркала», которое было бы способно эти фотоны отразить. Ведь кораблю каким-то образом надо оттолкнуться, чтобы создать тягу.

Никакой современный материал попросту не выдержит рожденного в случае подобного взрыва излучения и моментально испарится. В своих фантастических романах братья Стругацкие решили эту проблему путем создания «абсолютного отражателя». В реальной жизни ничего подобного пока сделать не удалось. Эта задача, как и вопросы создания большого количества антивещества и его длительного хранения, – дело физики будущего.

Источник

Pinnacle

Одной из перспективных разработок являются двигатели Pinnacle.В них поршни располагаются противоположно относительно друг друга, находясь в одном цилиндре. Между ними и воспламеняется топливо. Подобное их расположение значительно экономит энергию и увеличивает эффективность двигателя. При этом стоимость силового агрегата достаточно низкая.

Эти двигатели принципиально отличаются от распространенных оппозитных моделей, использующихся повсеместно.

Экомотор

Компания Eco Motors International переработала конструкцию двигателя внутреннего сгорания, применив творческий подход. Он получился двухтактный, с элегантной и простой конструкцией. Пара модулей (по четыре поршня в каждом) соединены муфтой и имеют электронное управление.

Турбокомпресс утилизирует энергию выхлопных газов и участвует в выработке электроэнергии.

Работа двигателя возможна на бензине, дизеле, этаноле.

Насколько хороша новинка и насколько она дороже обычной системы привода клапанов?

Разработчики утверждают, что система без распредвалов использует на 10% меньше энергии, чем традиционные решения привода. Эти проценты в стандартной схеме двигателя обычно уходят на преодоление трения, привод и работу всей верхней части «головы» мотора, то есть всех этих многочисленных систем. Эффективность использования такого двигателя как несложно догадаться будет на 10% лучше, но гораздо больший выигрыш станет очевидным при экологической проверке.

Ну и куда теперь девать эти двигатели?

Недавняя публикация о возрождении и развитии двигателя SSME (RS-25) вызвала в ЖЖ наплыв лунных конспирологов в комментариях — судьбу двигателя шаттла они сравнивали с F-1 от Saturn V. Так что сегодня мы сыграем в игру «почувствуй себя руководителем Rocketdyne» и поговорим об извилистом жизненном пути технологий.

Двигатели F-1 и J-2 ракеты Saturn V в музее

В чужой шкуре

Один из «аргументов» конспирологов звучит примерно так: «Двигатели Saturn V (F-1 и/или J-2) были плохими, нужных характеристик не достигали, и после фальсификации лунной программы от них быстро избавились». К сожалению, очень часто сторонникам конспирологических теорий банально не хватает знаний — несмотря на то, что двигатели лунной программы после ее прекращения не летали, они предлагались для множества проектов и до сих пор полностью не умерли. А для того, чтобы наиболее наглядно увидеть, почему их не получилось пристроить на другие ракеты, давайте сыграем в мысленную игру. Итак, мы — лицо, принимающее решения в компании Rocketdyne, которая производит двигатели F-1 и J-2 для Saturn V.

Представим себе, что на дворе 1970 год. В январе отменили Apollo 20, но вскоре сокращения бюджета достигли таких величин, что в сентябре пришлось отменять 18 и 19. Контракт на 15 штук Saturn V близок к выполнению, и становится очевидно, что продолжения не будет. Возникает закономерный вопрос — что делать?

Больше и лучше

Первый вариант очевиден «А давайте сделаем Saturn V еще лучше и попытаемся использовать двигатели там». Еще в середине 60-х были предложены варианты компоновки на базе Saturn V под общим названием Saturn MLV («Modified Launch Vehicle», модифицированная ракета-носитель). С форсированием двигателей, увеличением запаса топлива, добавлением твердотопливных ускорителей или заменой двигателей на HG-3 (из него потом вырастет RS-25) разные варианты MLV могли бы вывести на низкую орбиту от 118 до 160 тонн.

Разные варианты компоновки Saturn MLV, есть даже с ядерной верхней ступенью

Однако вся эта красота не вызвала никакого энтузиазма. Тем более, что в апреле 1972 Палата представителей Конгресса США окончательно принимает решение (и выделяет деньги) на разработку Спейс Шаттла. Крылатый космоплан никак не сочетается с MLV, а огромная стоимость обоих проектов означает, что деньги дадут только на один.

План Б

Хорошо, следующая идея практически очевидна — «А давайте попробуем пролезть в проект шаттла». В качестве первой ступени можно использовать первую ступень Saturn V, а второй ступенью поставить внешний топливный бак шаттла и сам шаттл сбоку. Первую ступень можно оснастить крыльями и сажать обратно на землю, чтобы система получалась полностью многоразовой. У такого варианта есть даже один очень серьезный плюс, которого не было у шаттла в его итоговом варианте — можно запускать модули орбитальной станции или другие очень тяжелые полезные нагрузки в одноразовом варианте второй ступени (грузоподъемность ~100 тонн), а обслуживать орбитальную станцию или спутники уже многоразовым шаттлом (грузоподъемность ~30 тонн). Так появился проект Saturn-Shuttle.

Старт Saturn-Shuttle, рисунок NASA

Увы, и здесь нас ждет неудача. Двигатели F-1 не разрабатывались для многоразового использования, поэтому даже в случае мягкой посадки первой ступени их придется менять. А твердотопливные ускорители кажутся и проще и дешевле, к тому же, их можно будет использовать повторно. Так что наша первая ступень конкурс эскизных проектов проиграла.

Любой ценой

Итак, у нас нет «своей» ракеты и нет возможности встроиться в большой проект шаттла. А «Можно ли поставить наши двигатели на уже летающие ракеты»? Для ответа на этот вопрос давайте посмотрим, что стартует с американских космодромов в районе 1972 года.

РН «Тор» в варианте Торад-Аджена

На базе баллистической ракеты «Тор» есть семейство «Тор-Бёрнер», «Тор-Аджена», «Торад-Аджена», «Тор-Дельта». Из него уже появляется семейство ракет «Дельта». Варианты различаются верхними ступенями и боковыми твердотопливными ускорителями. И, увы, для ракет с начальной массой в районе ста тонн F-1 с тягой 700 тонн не подойдет никак — даже если бы он поместился в ступень «Тора» меньшего диаметра, то уже на старте обеспечил бы перегрузку в 7 «же», сломав ракету на первых секундах полета.

«Атлас-Центавр» с межпланетной станцией «Пионер-10», 1972 год

Семейство РН «Атлас» немного потяжелее. Здесь тоже все еще сохраняется разнообразие верхних ступеней — «Атлас-Аджена», «Атлас-Центавр», но даже в самом тяжелом варианте ракета имеет массу в районе 150 тонн, и наш F-1 никак на нее не влезет.

Старт Titan-IIIC

Ну и, наконец, самая тяжелая ракета — Titan-III. Начальная масса в районе 600 тонн, может вывести на низкую орбиту целых 13 тонн. Однако и тут нам ловить нечего. Базовый двигатель RL-87 имеет тягу в районе 200 тонн, и заменить на 700 тонн F-1 не получится не только по причинам прочности. На центральном блоке «Титана» используется другое топливо — гидразин и тетраоксид диазота. И если RL-87 отличался всеядностью — были версии для кислорода/керосина, гидразина/АТ, даже кислорода/водорода, то про варианты F-1 под другие виды топлива ничего не известно. А на перекомпоновку ракеты под другое топливо с увеличением баков и снятием боковых твердотопливных ускорителей (иначе опять слишком большая перегрузка) нам никто средств не даст.

Разгонный блок «Центавр»

J-2 в качестве двигателя верхней ступени тоже не везет. Уже создан кислородно-водородный разгонный блок Centaur, но там стоят двигатели RL-10 с тягой в десять раз меньше, при этом
более эффективные, так что менять их на J-2 нет никакого смысла. А первых водородных ступеней нет.

Что любопытно, по другую сторону океана произошла похожая история, которая, однако, имела позитивный исход — двигатель РД-170, который разрабатывали для боковых ускорителей РН «Энергия» был четырехкамерный, поэтому его сначала порезали пополам, и получившийся двухкамерный РД-180 стали продавать американцам на первую ступень подросшего и ставшего более тяжелым «Атласа». А затем еще раз пополам, поставив однокамерный РД-191 на «Ангару» и предложив почти такой же РД-193 для «Союза-2.1в».

Схема развития семейства РД-170

Гибернация

Увы, F-1 с J-2 однокамерные, и снижать размеры и тягу простыми и дешевыми действиями мы не можем. Так что нам остается один вариант — положить чертежи с двигателями на склад, по возможности проводить модернизации в инициативном порядке и предлагать их в любом конкурсе на сверхтяжелые ракеты. Как показала практика, схема оказалась вполне рабочей, подарив несколько шансов (пусть и не реализовавшихся в итоге) на возвращение «скакунов Аполлона».

J-2 получил шанс первым, но в результате от него осталось только название. Двигатель J-2X, который сначала хотели сделать на базе J-2, предлагался для разгонного блока Earth Departure Stage ракеты Ares программы Constellation. Но из-за возросших требований получился фактически новый двигатель, с тягой на 30% больше, на новых материалах и заметно более тяжелый.

В 2009 программу Constellation закрыли, и с J-2X пока что повторяется история J-2. Для разгонного блока ракеты SLS он был сочтен слишком мощным, и один J-2X тягой 130 тонн решили заменить на 4 RL-10 общей тягой 44 тонны. Но если SLS потребуется двигатель с большей тягой, J-2X получит новый шанс.

F-1 пришлось ждать дольше. В Constellation он не попал, но, когда объявили конкурс на двигатели для SLS, забрезжила надежда и для него. Дошло даже до очень поучительной истории — инженеры достали со склада двигатель номер F-6049, снятый с «Сатурна-5» для «Аполлона-11» из-за глюка на испытаниях, и стали разбираться, как он работает, и как его можно улучшить. В 2013 году, спустя десятилетия хранения, испытали газогенератор (приводит в действие турбонасос, качающий топливо в двигатель).

Двигателестроение, материаловедение и способы производства ракетных двигателей не стояли на месте. Новая модификация под названием F-1B должна иметь в 50 раз меньше деталей и заметно упрощенную конструкцию. Например, выхлоп газогенератора больше не направлялся в сопло для дополнительной теплоизоляции его завесой избытка топлива, а банально сбрасывался параллельно соплу, возвращая красивые картины зари космонавтики, когда рядом с основным выхлопом хлестало пламя газогенератора.

Но пока что шанс не реализовался — конкурс на двигатели для SLS F-1B проиграл и снова отправился на склад.

Заключение

В истории космонавтики есть случай, когда двигатели десятилетиями лежат на складе а потом начинают использоваться с минимальными доработками. Сохранившийся запас советских двигателей НК-33 стали ставить на американскую РН Antares и российский «Союз-2.1в». Но производство их возобновлять не будут — доверие к двигателю подорвано аварией Antares 2014 года, похожей на аварии советской лунной ракеты Н-1, для которой изначально и делался НК-33. Antares уже перешел на РД-181, а «Союзу-2.1в» переход на родственный РД-193 предстоит после исчерпания складского запаса НК-33. Несмотря на то, что теоретически возможно возобновить производство точных копий двигателей американской лунной программы, практического смысла в этом уже нет. Технологии не стоят на месте — 3D печать заменяет множество деталей одной, а современная электроника проще и надежней «гидравлической логической машины», открывавшей и закрывавшей клапаны при запуске двигателя F-1. Но прямые потомки легендарных лунных двигателей вполне могут вернуться к активной жизни, если окажутся подходящими для будущих задач.

В качестве эксперимента запущены пуш-уведомления. Нажмите эту кнопку, и вам будет приходить сообщение, когда выйдет мой новый пост.

Я в социальных сетях:
Вконтакте, Facebook, Twitter, Instagram, YouTube

Метки: история космонавтики

Сердца космических фрегатов. Какие бывают двигатели у космических аппаратов и в чем их сильные и слабые стороны

Двигатель — едва ли не самое важное в космическом аппарате. Без возможности активно маневрировать, набирать скорость и тормозить нельзя выбраться дальше околоземной орбиты, да и на орбите приходится бороться с различными уводящими аппарат в сторону эффектами. За прошедшие с момента запуска первого спутника почти шестьдесят лет технологии заметно шагнули вперед, и одними ракетами все давно не ограничивается.

Ракетный двигатель

Принцип работы ракетного двигателя известен нам как минимум с 30-х годов прошлого века, а как максимум — со времен Древнего Китая. Конечно, бамбуковые ракеты, движимые энергией горения черного пороха, для космоса непригодны, но вот уже двигатели американца Роберта Годдарда (1926 год), россиянина Фридриха Цандера (СССР, рубеж 1920-х и 1930-х годов) или немца Германа Оберта (1930 год) работали на паре «жидкое топливо + окислитель» и уже имели узлы, без которых не обходится любой современный ракетный двигатель.

Ракетный двигатель создает тягу при сжигании топлива: в соответствии с законом сохранения импульса движимый им аппарат приобретает импульс, равный импульсу выходящих в сопло продуктов сгорания. Отсюда можно определить рецепт увеличения тяги: сжигать больше топлива или добиться более высокой скорости реактивной.

Установленный в двигателе турбонасосный агрегат раскручивает лопасти насосов при помощи жаростойкой газовой турбины, а насосы закачивают топливо и окислитель в камеру сгорания. Большой поток топлива и окислителя приводит к интенсивному сгоранию и выбросу мощной струи раскаленных газов. Теоретически при сжигании керосина в кислороде можно получить температуру до 3500 °С и добиться истечения струи со скоростью около трех километров в секунду — практические результаты сейчас близки к теории. Пары водород-кислород или гидразин — тетраоксид азота, два других часто используемых сочетания, дают сопоставимые значения, и это объясняет как достоинства, так и недостатки традиционных ракет.

Ракетный двигатель RS-68, работающий на паре водород-кислород во время испытаний. Обратите внимание на сложную конструкцию над соплом. Стоимость больших ракетных двигателей доходит до $ 10 млн. Фото: NASA

Достоинством этого двигателя является его мощность, достигаемая сжиганием огромного объема топлива, ограниченная только размерами камеры сгорания. На американском «Сатурне-V» стояли двигатели F1, которые сжигали в единственной камере свыше полутора тонн кислорода и почти тонну керосина ежесекундно. Такое потребление давало тягу более 700 тонна-сил, а пять F1 с успехом доставляли ракету к Луне. Созданные позже советские РД-170 уступали по объему камеры сгорания, но зато камер было сразу четыре — их планировали использовать на сверхтяжелой ракете «Энергия» (носитель «Бурана»), которая могла бы вывести в космос до ста тонн полезной нагрузки.

По сей день начальный этап любого космического полета, хоть на геостационарную орбиту, хоть к Плутону, совершается при помощи ракетных двигателей: ни один другой даже близко не приближается к требуемым для развития космической скорости. Но где достоинства, там и недостатки.

Небольшой ракетный двигатель — советский КДУ-414. Его длина составляет всего 70 сантиметров и он дает тягу около 200 килограммов; использовался с середины 1960-х годов для коррекции орбиты космических аппаратов. Фото: Bricktop/Wikimedia.

Экстремальные условия в камере сгорания приводят к тому, что даже многочисленные инженерные хитрости вроде охлаждения стенок подаваемым топливом или отсекания от них основной горячей струи более «холодной» струей от турбонасоса не позволяют добиться сколько-нибудь продолжительной работы в сочетании с высокой надежностью. А внедрение в сплавы жаростойких добавок вплоть до металлов платиновой группы все равно не гарантирует успеха запуска ракеты: доля аварий у всех основных производителей в мире колеблется в районе нескольких процентов. Представьте, какова была бы авиация, если бы даже каждый сотый рейс заканчивался взрывом или падением самолета!

Изготовленные уже не для старта с Земли, а для полета в безвоздушном пространстве ракетные двигатели имеют не столь экстремальные параметры, но все равно регулярно подводят. Российские разгонные блоки ДМ и «Фрегат», например, имеют долю отказов в районе от одного до трех процентов. Последняя авария произошла в 2014 году, когда «Фрегат» вывел на нецелевую орбиту два спутника европейской навигационной системы Galileo. Хотя нельзя сказать, что российские блоки как-то особо ненадежны: американский Centaur отказывал больше десятка раз на двести с лишним запусков.

Статистическая оговорка: как можно заметить, многие числа нами указываются приблизительно. Это обусловлено тем, что говорить о точных значениях зачастую нельзя. Скажем, разгонные блоки многих семейств производятся с 1960-х годов с целым рядом модификаций, и обобщать статистику запусков за все время затруднительно. Тяга двигателя немного зависит от атмосферного давления, а температура сгорания топлива — от его состава и режима работы двигателя.

Ракетные двигатели крайне неэкономичны. Их КПД уступает паровозному: мы вынуждены тратить гигантские запасы горючего с окислителем для достижения цели. Хуже того, наши затраты нелинейно растут с увеличением дельта-V, той скорости, которую должен приобрести наш космический аппарат для достижения цели. Чтобы попасть к Луне и вернуться, потребовался уже упоминавшийся «Сатурн-V»; полет же к звездам или хотя бы к Облаку Оорта за разумное время потребует ракет, габариты которых выходят как за пределы возможностей современных технологий, так и за рамки здравого смысла.

Ионы и плазма

Если снова обратиться к закону сохранения импульса, то становится ясно: чем быстрее покидает двигатель струя вещества, тем он эффективнее. Получить скорость струи свыше нескольких километров в секунду сжиганием чего-либо невозможно, однако двигатели, работающие на частицах со скоростью в десятки км/с, уже существуют. Они — ионные.

Суть ионного двигателя заключается в том, что сначала газ превращается в плазму, смесь положительно заряженных ионов с электронами. Далее заряженные частицы разгоняются электромагнитным полем и выбрасываются наружу — таким образом удается разом обойтись без экстремальных условий внутри двигателя и превзойти скорость истечения продуктов даже самых «жестких» химических реакций вроде сжигания лития в атмосфере фтора.

Правда, назвать ионные двигатели идеальными тоже нельзя. При более-менее достижимой на сегодня электрической мощности — а это, как правило, не более киловатта — их тяга не превышает считанных граммов. Двестикиловаттный VASIMIR, который одно время планировали поставить на МКС, выдавал на испытаниях в вакуумной камере около пяти ньютонов тяги — этого было бы достаточно для отрывания от Земли груза в полкилограмма. Даже в предположении, что ионному двигателю не мешает работать атмосфера, поднять с космодрома хотя бы свой собственный вес такое устройство не сможет.

Испытания одного из первых плазменных двигателей состоялись уже в 1961 году. Ионные двигатели впервые полетели в космос в 1964-м, а сегодня ионные и плазменные установки ставятся на многие спутники для удержания на заданной орбите. Фото: NASA, Lewis Research Center

Но в дальнем космосе этого и не требуется. Там важна экономичность и надежность — то, чем как раз отличаются ионные двигатели. Многие из них способны буквально годами работать бесперебойно, а в пересчете на килограмм потраченного рабочего тела (говорить «топливо» уже не очень корректно, ведь ничего не сжигается) они дают намного больший результат. Аппараты на ионных двигателях поначалу отстают от взявших быстрый старт ракетных аналогов, но ракетного топлива хватает от силы на несколько часов, а ионный «мотор» растягивает запас инертного газа в баке на годы. Медленно, буквально по миллиметру в секунду, прибавляя скорость, «черепаха» на ионной тяге сначала догоняет, а потом и перегоняет ракетного «зайца» с опустевшими баками.

Аппарат «Рассвет», летавший к Весте и Церере, японская миссия «Хаябуса» по доставке на Землю образца астероидного грунта, российские двигатели для геостационарных спутников — все это далеко не полный перечень ионных и плазменных установок в космосе. Плазменные представляют собой вариант ионных: в них ионизированный газ ускоряется не при помощи электродов, а выходит наружу с большой скоростью после разогрева тем или иным способом.

Российские плазменные двигатели СПД. Плазма в них разогревается магнетроном — устройством, которое можно найти почти в каждом доме: именно магнетрон используется в микроволновых печах. Фото: NASA

Существуют проекты мощных ионных или плазменных двигателей с электропитанием от большого массива солнечных батарей или ядерного реактора. Возможно, уже в ближайшие десятки лет мы получим установки, способные в разы сократить сроки перелетов между планетами. Разработка двигательной установки с ядерным реактором ведется в России силами предприятий Росатома и, по сообщениям осени 2016 года, может быть готова к испытаниям уже к концу 2018 года. Подобным же проектом занимаются и в Китае.

А еще есть проекты плазменных двигателей, которые будут использовать в качестве рабочего тела водяной пар. Воду можно получать, используя астероиды или лунный грунт. Это разом решит проблему и дозаправки вдали от Земли, и дороговизны выведения на орбиту. Упомянутые выше ограничения ракетных двигателей ведут к тому, что сегодня килограмм груза даже на самой низкой орбите стоит тысячи долларов, а доставка на геостационарную орбиту сопоставима по цене с изготовлением такого же по массе спутника из чистого золота!

Паруса

Идеальный двигатель должен по возможности весить как можно меньше, иметь нулевой расход топлива и полное отсутствие частей, которые могут сломаться во время работы. И подобные устройства существуют. Речь о парусах, призванных либо поймать поток заряженных частиц от Солнца, либо потянуть космический аппарат вперед под давлением света.

В первом случае парус предполагается делать из тонких проволочек, создающих вокруг себя электрическое поле, а во втором случае сгодится любой легкий и блестящий материал вроде металлизированного пластика.

Солнечный парус в испытательной камере на Земле. Фото: NASA

Примечательно, что концепция солнечного паруса если не опередила появление жидкостного ракетного двигателя, то возникла примерно тогда же. В 1900 году Петр Лебедев впервые исследовал эффект давления солнечного света, а в 1920-х идея использовать это явление для движения космических аппаратов была озвучена Фридрихом Цандером. Тем самым, который разработал советский жидкостный ракетный двигатель.

На практике «солнечным парусником» стал японский аппарат IKAROS в 2010 году, за ним последовал собранный американским «Планетарным сообществом» зонд Light Sail-1. Два других экспериментальных спутника, Cosmos-1 и NanoSail-D, пытались запустить в 2005 и 2008 годах, но оба раза подвели ракеты — один раз российская «Волна», а во второй — уже Falcon 1 Илона Маска.

Кроме того, эффект давления света использовал вполне обычный межпланетный зонд MESSENGER, летевший к Меркурию. Для корректировки его курса инженеры предпочли использовать отражение солнечных лучей от блестящей поверхности солнечных батарей аппарата. Тяга в итоге получалась очень маленькой, но зато ей можно было очень точно управлять, для маневрирования не требовалось топлива и сберегался ресурс ракетных двигателей.

Эстонский спутник ESTCube-2 планируется запустить в 2018 году. Его «электрический парус» будет представлять собой тонкую проволочку длиной 300 метров; предполагается, что подобные двигатели позволят безопасно снимать малые спутники с орбиты. Иллюстрация: Taavi Torim. Wikimedia commons CC BY-SA 4.0

Отдельно стоит упомянуть и т.н. электрический парус: его толкает вперед взаимодействие электрического поля тонких проволочек с летящими от Солнца заряженными частицами. И первенство в этой области принадлежит не одной из признанных космических держав, а Эстонии: собранный в Университете Тарту ESTCube-1 вышел на орбиту в 2013 году и проработал два года. Правда об успехе эстонцев надо упоминать «со звездочкой»: раскрыть электрический парус им не удалось. Но сейчас эстонские инженеры работают над следующим аппаратом, ESTCube-2. Может, все-таки успеют стать по-настоящему первыми.

Электрические паруса менее эффективны в сравнении с солнечными, однако они требуют куда меньше материала (тонкие проволоки вместо сплошной пленки). Легкие и компактные, они подходят для долговременных миссий — например, есть проект «электрического парусника» к Урану. Он сможет достичь этого ледяного гиганта всего за шесть лет. Для сравнения: «Вояджер-2» потратил девять лет, и при этом расположение планет было на редкость удачным.

 Алексей Тимошенко

Теги

КосмосАвиация и космос

Новый электрический реактивный двигатель действительно работает в атмосфере

В прошлом году группа исследователей из Китая представила новую конструкцию плазменного реактивного двигателя. Хотя сама по себе технология не является новой, эта новая конструкция может предоставить возможность использовать эти двигатели не только в космосе, но и в атмосфере.

Хотя выходная тяга все еще довольно мала по сравнению с обычными атмосферными двигателями, после масштабирования этот новый тип двигателя может оказаться революционным для аэрокосмической промышленности.

Но прежде чем мы рассмотрим эту новую конструкцию, давайте разберемся, как работают плазменные реактивные двигатели.

Что такое плазменный силовой двигатель?

Плазменные двигатели обычно рассматриваются как потенциальная форма движения космических кораблей . Такие двигатели отличаются от двигателей с ионным двигателем, которые генерируют тягу, отбирая ионный ток из своего источника плазмы. Затем эти ионы ускоряются до высоких скоростей с помощью решеток или анодов.

Плазменные двигатели обычно не требуют высоковольтных решеток или анодов / катодов для ускорения заряженных частиц в источнике плазмы, но используют токи и потенциалы, которые генерируются внутри в виде сильноточной электрической дуги между двумя электродами, для ускорения. Это имеет тенденцию приводить к более низкой скорости выхлопа, поскольку для ускорения используется ограниченное напряжение.

Пример работающего плазменного движителя. Источник: МФТИ / Flickr

Тем не менее, с минимальным трением воздуха в космосе или его отсутствием, тяга этих двигателей не должна быть такой высокой. Если постоянное ускорение может наростать месяцами или годами за один раз, можно в конечном итоге достичь очень высокой скорости.

Такие двигатели имеют различные преимущества перед другими видами электрических двигателей. Например, отсутствие высоковольтных сеток анодов снижает риск ионной эрозии сетки.

Еще одно преимущество состоит в том, что выхлоп плазмы называется «квазинейтральным». Это означает, что положительные ионы и электроны существуют в равных количествах, а это означает, что простая ионно-электронная рекомбинация  в выхлопе может  использоваться для тушения выхлопного шлейфа , устраняя необходимость в электронной пушке.

Типичные примеры этих двигателей имеют тенденцию генерировать исходную плазму с использованием различных методов, включая радиочастотную или микроволновую энергию с использованием внешней антенны. Из-за особенностей конструкции этих двигателей в них может использоваться ряд ракетных топлив, включая аргон или двуокись углерода .

Как и следовало ожидать, у этой технологии есть и некоторые недостатки. Главный из них — высокий спрос на энергию, необходимую для их работы .

Например, двигателю VX-200 с регулируемым удельным импульсом магнитоплазменной ракеты ( VASIMR)  требуется электрическая мощность 200 кВт для создания тяги в 5 Н или 40 кВт / Н. Теоретически такая потребность в энергии может быть удовлетворена с помощью реакторов деления на космических кораблях, но добавленный вес может оказаться недопустимым для запуска корабля.

Еще одна проблема — плазменная эрозия. Во время работы плазма может термически разрушать стенки полости двигателя малой тяги и опорной конструкции, что в конечном итоге может привести к отказу системы.

На сегодняшний день такие двигатели действительно полезны только тогда, когда космический корабль находится в космосе. Это связано с относительно низкой тягой, которая не позволяет реально использовать их для вывода корабля на орбиту. В среднем эти ракеты обеспечивают тягу около 4,45 Н.

Источник: Натанаэль Койн / Flickr

Большинство космических агентств разработали плазменные двигательные установки в той или иной форме, включая, помимо прочего, Европейское космическое агентство, Иранское космическое агентство и, конечно же, НАСА.

Были разработаны различные примеры из реальной жизни, которые использовались в некоторых космических полетах. Например, в 2011 году НАСА в партнерстве с Busek запустило первый двигатель на эффекте Холла на борту спутника Tacsat-2. Они также используются на космическом зонде NASA  Dawn .

Другой пример — вышеупомянутая  магнитоплазменная ракета с переменным удельным импульсом, которую в  настоящее время разрабатывает компания  Ad Astra Rocket .

VASIMR работает с использованием  источника электроэнергии ,  чтобы  ионизировать  с  пропеллент  в плазме. Электрические поля нагревают и ускоряют плазму, в то время как магнитные поля направляют плазму в нужном направлении, когда она выбрасывается из двигателя, создавая тягу для космического корабля.   Теоретически двигатель VASIMR мощностью 200 мегаватт может сократить время путешествия от Земли до Юпитера или Сатурна с шести лет до четырнадцати месяцев, а от Земли до Марса — с 6 месяцев до 39 дней.

Что такого особенного в этом новом китайском плазменном двигателе?

В прошлом году группа китайских инженеров представила рабочий прототип микроволнового двигателя. По словам исследователей, двигатель должен работать в атмосфере Земли с такой же эффективностью и тягой, что и обычные реактивные двигатели.

Плазменные двигатели, обычно использующие благородный газ, например ксенон, не могут применяться в атмосфере Земли, поскольку генерируемые ионы имеют тенденцию терять силу тяги из-за трения с воздухом. Еще одна усугубляющая проблема состоит в том, что существующие образцы создают довольно низкую тягу, которая хороша в космосе, но была бы ничтожно мала на Земле.

Новая конструкция, созданная исследователями из  Института технических наук Уханьского университета, использует воздух и электричество вместо таких газов, как ксенон.  Испытания показали, что двигатель способен создавать впечатляющую тягу, которая однажды может найти применение в современных самолетах.

Этот новый плазменный двигатель работает немного аналогично двигателю внутреннего сгорания, в котором плазма генерируется из исходного газа, который затем, в свою очередь, быстро нагревается и расширяется для создания тяги. В  новом двигателе ионизированный воздух используется для создания низкотемпературной плазмы, которая затем подается в трубу с помощью воздушного компрессора. Когда воздух движется вверх по трубке, он подвергается бомбардировке микроволнами, которые сильно встряхивают ионы, заставляя их сталкиваться с другими неионизированными атомами.

Художественный портрет многомегаваттного  космического корабля ВАСИМР. Источник: Ad Astra Rocket Company / Wikimedia Commons

Этот процесс резко увеличил температуру и давление плазмы, тем самым создавая значительную тягу дальше вниз по трубе.

Удивительное достижение частично достигается за счет использования плоского волновода (прямоугольной металлической трубки), через который фокусируются микроволны. Микроволны, генерируемые специально разработанным магнетроном мощностью 1 кВт, 2,45 ГГц, направляются вниз по направляющей, которая сужается до половины своего первоначального размера по мере приближения к плазме, а затем снова расширяется. Этот процесс увеличивает напряженность электрического поля и оказывает на плазму как можно больше тепла и давления.

Кварцевая трубка также помещается в отверстие в волноводе в самом узком месте. Воздух проходит через эту трубку, затем проходит через небольшой участок волновода и выходит из другого конца кварцевой трубки.

Когда воздух входит в трубку, он проходит над электродами, которые подвергаются воздействию очень сильного поля. Эта обработка удаляет электроны с некоторых атомов воздуха / газа (в основном азота и кислорода), что создает низкотемпературную плазму низкого давления. Давление воздуха от нагнетателя устройства на входе в трубку затем продвигает плазму вверх по трубке, пока она не попадет в волновод.

Как только плазма попадает в волновод, заряженные частицы начинают колебаться в микроволновом поле, вызывая быстрый нагрев.  При этом смесь атомов, ионов и электронов часто сталкивается друг с другом, передавая энергию от ионов и электронов к нейтральным атомам, быстро нагревая плазму.

В результате, как утверждают исследователи, плазма быстро нагревается до более чем 1000 ° C. Истощенная горячая плазма создает пламя, подобное факелу, когда горячий газ выходит из волновода, создавая таким образом тягу.

Насколько мощный новый плазменный двигатель?

Исследователи заметили, что если поток воздуха в компрессоре точно настроен, струя пламени, образующаяся в трубке, удлиняется в ответ на увеличение мощности микроволн. Основываясь на этом наблюдении, исследователи попытались определить количество создаваемой тяги.

Хотя на первый взгляд это звучит относительно просто, в этом есть одна серьезная загвоздка. Плазменная струя под углом в тысячу градусов, создаваемая двигателем, разрушила бы обычный барометр.

Чтобы преодолеть это, команда решила немного нестандартно мыслить. Они изобрели способ уравновесить полый стальной шар на вершине трубы.  Этот шар был заполнен стальными шариками меньшего размера, чтобы изменять его вес по мере необходимости. При определенном весе тяга будет такой, что она будет противодействовать гравитационным силам, действующим на шар вниз на выпускном конце трубы, позволяя поднять его на определенную высоту над трубкой.

Схема недавно разработанного плазменного реактивного двигателя. Источник: Дэн Йе и др. 2 020. 

Используя это измеренное расстояние и вычитая тягу, добавленную компрессором, команда смогла косвенно получить оценку тяги плазменной струи.

Используя этот инновационный, хотя и нетрадиционный метод, команда смогла протестировать устройство в диапазоне уровней мощности и скорости воздушного потока. Как оказалось, им удалось найти линейную зависимость между движущей силой и мощностью микроволн и воздушным потоком.

Более того, технология тоже оказалась довольно эффективной и способной выдавать  движущую силу при потребляемой электрической мощности 400 Вт и 1,45 кубических метров воздуха в час, что составляет 11 Н), что представляет собой преобразование мощности в тягу со скоростью 28 Н / кВт.

Предполагая линейную зависимость между мощностью СВЧ (и потоком воздуха) и выходной мощностью, должно быть возможно использовать батарею Tesla Model S, способную выдавать 310 кВт и превратить это примерно в 8,5 кН движущей силы тяги.

Двигаясь вперед, команда уже ищет способы использовать более сложный и надежный метод для проверки выходной тяги технологии. Они также ищут способы дальнейшего усовершенствования и повышения эффективности двигателя.

При этом все, безусловно, идут в ногу с этой инновационной концепцией плазменного двигателя. Но если бы все было так просто. Конечно, есть несколько серьезных возражений против такого нововведения.

Какой бы захватывающей ни была эта технология, она, вероятно, не сможет найти много покупателей на перспективном рынке eVTOL. Несмотря на то, что технология тише, чем опоры канальных вентиляторов, выхлоп в тысячу градусов может вызвать серьезные проблемы. Другая проблема заключается в том, что, как указывает Ars Technica , «потоки воздуха примерно в 15 000 раз меньше, чем у полноразмерного двигателя. Тяга также должна увеличиваться примерно на четыре порядка.

Некоторые эксперты, просматривающие данные, также указали на странные упущения в имеющихся в настоящее время данных. По какой-то причине (и не приведенной) точки данных не показывают наивысшие уровни мощности микроволн при самых высоких скоростях полета прототипа.

Хотя этот вопрос просто связан с тем, что установка не тестировалась на таких уровнях, это также может указывать на наличие серьезных проблем с двигателем на этих уровнях мощности.

Изображение, показывающее линейную зависимость между шлейфом тяги в кварцевой трубке и потребляемой мощностью. Источник: Дэн Йе и др. 2 020. 

Еще одна проблема будущего такого двигателя — его источник питания. Факт остается фактом: авиационное топливо является очень энергоемким источником топлива. Особенно это касается аккумуляторов (на самом деле где-то в 43 раза больше).

Сравните 28 Н / кВт новых двигателей с двигателями коммерческого Airbus A320, которые вместе развивают около 220 000 Н тяги. Это означает, что для нового двигателя для реактивного самолета сопоставимых размеров потребуется более 7 800 киловатт мощности — примерно столько же, сколько производится  570 единицами Tesla Powerwall 2.

При этом это очень интересная технологическая инновация. Если этот новый плазменный двигатель малой тяги действительно окажется настоящим жизнеспособным и будет масштабируемым, не говоря уже об эффективности, это может означать нечто вроде квантового скачка в авиационных силовых установках, работающих на неископаемом топливе.

Будьте в курсе в удобном формате, присоединяйтесь: TG-канал и ВК

Source:
interesting engineering

Теги: eVTOLИонный двигательИсточники энергииТранспорт

Как космические ракеты работают без воздуха?

Ракета SpaceX Falcon Heavy стартует в клубах дыма.
(Изображение предоставлено SpaceX)

В космосе ракеты летают без воздуха, на который можно было бы натолкнуться. В чем их секрет?

Оказывается, ракетные двигатели отличаются от двигателей самолетов или другого наземного оборудования. Ракетные двигатели несут в космос все, что им нужно, а не полагаются на воздух.

Как и земные двигатели, ракетные двигатели работают на основе внутреннего сгорания. Поскольку все формы горения нуждаются в кислороде, ракеты несут с собой в космос окислитель, такой как жидкий кислород. Это означает, что им не нужно полагаться на окружающий воздух, как это делает автомобильный двигатель.

«Тогда у ракеты все еще есть топливо, будь то керосин, метан или жидкий водород, чтобы произвести реакцию», — сказала Live Science Кассандра Марион, научный советник Канадского музея авиации и космонавтики.

Связанный: Вселенная вращается?

Ракета SpaceX Falcon 9 запускает в космос 60 интернет-спутников Starlink с площадки 39A Космического центра имени Кеннеди НАСА на мысе Канаверал, Флорида, 6 октября 2020 года. Это был третий полет Falcon 9.бустер. (Изображение предоставлено SpaceX)

Конструкция ракеты включает камеру сгорания, где реагируют окислитель и топливо, а затем сопло, из которого выходят продукты сгорания, пояснила она.

«Взрыв, вызванный этим сгоранием, создаст очень горячие газы, которые выбрасываются из днища ракеты», — сказала Марион. «Если вы приложите достаточно силы к нижней части ракеты, реакция будет движением ракеты в противоположном направлении».

Это отсылка к третьему закону движения Исаака Ньютона. Мы часто формулируем это, говоря, что каждое действие вызывает равную и противоположную реакцию, хотя это не совсем так, как Ньютон назвал это.

Один старый английский перевод его латыни из «Математических принципов натуральной философии (том 1) » 1766 года описывает этот закон: «Каждому действию всегда противостоит равное противодействие: или взаимные действия два тела друг на друга всегда равны и направлены в противоположные стороны».

Другими словами, ракеты работают во вселенной сил. Иногда силы неуравновешены, что мы видим, когда ускорение ракеты толкает ее инертное тело вверх в космос. Иногда, однако, силы уравновешены, например, книга лежит на столе (или ракета, ожидающая старта на стартовой площадке).

«Согласно третьему закону, стол прикладывает к книге равную и противоположную силу. Эта сила возникает потому, что вес книги заставляет стол слегка деформироваться, так что он давит на книгу, как свернутая пружина,» Британика написала (откроется в новой вкладке).

Ракета United Launch Alliance Atlas V с марсоходом НАСА «Настойчивость» на борту освещена прожекторами на стартовой площадке космодрома 41 во вторник, 28 июля 2020 г., на базе ВВС на мысе Канаверал во Флориде. (Изображение предоставлено НАСА/Джоэл Ковски)

(открывается в новой вкладке)

Правила движения также должны учитывать орбитальную механику. Проще говоря, вокруг больших планет, таких как Земля, каждая возможная высота имеет определенную скорость, связанную с ней.

Высшей точкой орбиты является перицентр, а самой низкой точкой — апоцентр. Как объяснило НАСА , ракеты могут увеличить свой перицентр, только включив свои двигатели (или иным образом увеличив свою энергию), находясь в апоапсисе. Или, если ракеты хотят снизить высоту, им нужно снимать энергию (включать двигатели) в перицентре.

Земная атмосфера оказывает постоянное сопротивление космическим кораблям и Международной космической станции, заставляя их периодически запускать ракетные двигатели, чтобы предотвратить падение на Землю. Таким образом, миссии на всех околоземных орбитах, кроме самых высоких, должны нести достаточно топлива, чтобы предотвратить это «откатывание».

«Существуют очень точные измерения того, сколько топлива нужно заправить в ракету, в зависимости от размера ракеты, типа топлива и всего, что добавляется к массе ракеты», — сказала Мэрион. Дизайнеры также должны учитывать второй закон Ньютона. Один из способов перефразировать это: силы, приложенные к объекту, придают ему ускорение, при этом величина ускорения зависит от массы объекта.

Система космического запуска НАСА использует дополнительные ускорители, чтобы поднять большую стартовую массу с земли. (Изображение предоставлено НАСА/Гленн Бенсон)

Поэтому перед отправкой корабля на орбиту конструкторы должны учитывать удельный импульс ракеты. По словам НАСА, это показатель того, насколько эффективно ракетное топливо с точки зрения количества тяги на количество сожженного топлива. «Чем выше удельный импульс, тем больше «отталкивания от колодки» вы получаете на каждый фунт топлива», — добавили в агентстве .

Добавление топлива в ракету не всегда решает проблемы с орбитой. Это связано с тем, что больше топлива означает большую массу, что увеличивает стоимость миссии, поскольку потребуется больше энергии, чтобы оттолкнуть космический корабль и ракету от стартовой площадки.

НАСА часто использует жидкий водород и жидкий кислород, потому что эта комбинация обеспечивает самый высокий удельный импульс любого обычно используемого ракетного топлива, по данным агентства. Однако водород имеет настолько низкую плотность, что использовать топливо в чистом виде нецелесообразно: бак будет «слишком большим, слишком тяжелым и со слишком большой изоляцией, защищающей криогенное топливо, чтобы быть практичным», заявило агентство.

связанные загадки

Вот почему многие запуски ракет требуют ускорителей. Одним из сегодняшних примеров является система космического запуска НАСА (открывается в новой вкладке), ракета для дальних космических полетов на Луну, предназначенная для использования двух ускорителей. Вместе ускорители обеспечивают 75 % общей стартовой тяги (открывается в новой вкладке), необходимой для отрыва SLS от земли.

Для более дальних направлений космические агентства проявляют творческий подход. Чтобы сэкономить деньги при съемке далеких планет, таких как Юпитер, некоторые космические корабли вращаются вокруг планеты (скажем, Венеры) и используют ее гравитацию для увеличения скорости. Это сокращает время, необходимое для того, чтобы добраться до других пунктов назначения, и требует, чтобы ракета несла меньше топлива, чем требуется для столь далекого полета.

Первоначально опубликовано на Live Science.

Элизабет Хауэлл является постоянным автором Live Science и Space.com, а также ряда других научных публикаций. Она одна из немногих канадских репортеров, специализирующихся на космических репортажах. Элизабет имеет степень бакалавра журналистики в Карлтонском университете (Канада) и степень магистра наук. Космические исследования (дистанционные) в Университете Северной Дакоты. Элизабет стала штатным фрилансером после получения степени магистра наук. в 2012 году. Она лично сообщила о трех запусках космических челноков и однажды провела две недели на изолированном объекте в Юте, притворяясь марсианином.

Как работают ракеты: полное руководство

Система космического запуска НАСА (SLS) доставит астронавтов на Луну.
(Изображение предоставлено: Гетти)

Ракеты

— лучший способ для нашего вида вырваться из атмосферы Земли и достичь космоса. Но процесс, позволяющий заставить эти машины работать, далеко не прост. Вот что вам нужно знать о запуске ракеты в космос.

Как стартуют ракеты

Писатели и изобретатели веками мечтали исследовать вселенную за пределами Земли, но настоящие трудности путешествия в космос стали очевидны только в 19век. Экспериментальные полеты на воздушном шаре показали, что земная атмосфера быстро истончается на больших высотах, поэтому еще до того, как полеты с двигателем стали реальностью, инженеры знали, что устройства, которые создают направленную вперед или направленную вверх силу, отталкиваясь от окружающей среды, такой как воздух, такие как крылья и пропеллеры — в космосе бесполезны.

Другая проблема заключалась в том, что двигатели внутреннего сгорания — такие машины, как паровые или бензиновые двигатели, которые вырабатывают энергию за счет сжигания топлива в кислороде из земной атмосферы — также отказывали в безвоздушном пространстве.

К счастью, уже было изобретено устройство, решившее проблему создания силы без внешней среды, — ракета. Первоначально используемые в качестве оружия войны или в фейерверках, ракеты генерируют силу в одном направлении, называемую тягой, по принципу действия и противодействия: выхлопные газы, выделяемые взрывоопасными химическими веществами, выбрасываются из задней части ракеты с высокой скоростью и по мере того, как в результате ракета толкается в другом направлении, независимо от окружающей среды, НАСА объясняется в этом учебнике (pdf).

Ключ к использованию ракет в космосе заключается в том, чтобы нести химическое вещество, называемое окислителем, которое может выполнять ту же роль, что и кислород в земном воздухе, и позволяет сгорать топливу.

Уникальная конструкция космического корабля «Шаттл» направляла топливо из внешнего бака к основным двигателям шаттла во время запуска, в то время как два больших твердотопливных ускорителя помогали. (Изображение предоставлено НАСА)

Первый человек, серьезно изучивший потенциал ракеты для космических путешествий, русский школьный учитель и ученый-любитель Константин Циолковский , впервые опубликовал свои выводы в 1903 году. Он правильно определил запуск как одну из самых больших проблем — момент, когда ракета должна нести все топливо и окислитель, необходимые для достижения космоса — поскольку ее вес максимален. и требуется огромное количество тяги только для того, чтобы заставить его двигаться.

Когда ракета стартует, она теряет массу через выхлопные газы, поэтому ее вес уменьшается, и такое же количество тяги будет иметь больший эффект с точки зрения ускорения остальной части ракеты. Циолковский придумал различные конструкции ракет и пришел к выводу, что наиболее эффективной установкой была ракета вертикального запуска с несколькими «ступенями» — каждая из которых представляла собой автономную ракету, которая могла нести над собой ступени на определенное расстояние, прежде чем израсходовать свое топливо, отделиться и упасть. прочь. Этот принцип все еще широко используется сегодня. (открывается в новой вкладке) уменьшает количество собственного груза, который необходимо нести в космос.

Циолковский разработал сложное уравнение, которое выявило необходимую силу тяги, необходимую для любого заданного маневра ракеты, и «удельный импульс» — сколько тяги создается на единицу топлива — необходимый для того, чтобы ракета достигла космоса. Он понял, что взрывчатое ракетное топливо его времени было слишком неэффективным для питания космической ракеты, и утверждал, что в конечном итоге для выхода на орбиту и за ее пределы потребуются жидкие топлива и окислители, такие как жидкий водород и жидкий кислород. Хотя он не дожил до признания своей работы, принципы Циолковского до сих пор лежат в основе современной ракетной техники.

Отправление в полет

Ракеты должны тонко балансировать и контролировать мощные силы, чтобы пройти через атмосферу Земли в космос.

Ракета создает тягу с помощью контролируемого взрыва, поскольку топливо и окислитель подвергаются бурной химической реакции. Расширяющиеся газы от взрыва выталкиваются из задней части ракеты через сопло. Сопло представляет собой выхлоп особой формы , который направляет горячий газ под высоким давлением, образующийся при сгорании, в поток, выходящий из задней части сопла с гиперзвуковой скоростью, более чем в пять раз превышающей скорость звука.

Третий закон движения Исаака Ньютона гласит, что каждое действие имеет равную и противоположную реакцию, поэтому сила «действия», которая выталкивает выхлоп из сопла ракеты, должна быть уравновешена равной и противоположной силой. силой, толкающей ракету вперед. В частности, эта сила действует на верхнюю стенку камеры сгорания, но, поскольку ракетный двигатель является неотъемлемой частью каждой ступени ракеты, мы можем думать, что она действует на ракету в целом.

Ядру первой ступени ракеты Delta II во время запуска помогали девять отдельных твердотопливных ускорителей. (Изображение предоставлено НАСА)

Хотя силы, действующие в обоих направлениях, равны, их видимые эффекты различны из-за другого закона Ньютона, который объясняет, как объектам с большей массой требуется больше силы, чтобы ускорить их на заданную величину. Таким образом, в то время как сила действия быстро разгоняет небольшую массу выхлопных газов до гиперзвуковых скоростей каждую секунду, равная сила реакции создает гораздо меньшее ускорение в противоположном направлении для гораздо большей массы ракеты.

По мере того, как ракета набирает скорость, крайне важно, чтобы направление движения точно совпадало с направлением тяги. Необходимы постепенные корректировки, чтобы вывести ракету на орбитальную траекторию, но серьезное смещение может привести к тому, что ракета выйдет из-под контроля. Большинство ракет, в том числе Falcon и Titan серии и лунная ракета Saturn V управляются с помощью карданных двигателей, установленных таким образом, что весь ракетный двигатель может вращаться и изменять направление своей тяги от момента к моменту. Другие варианты рулевого управления включают использование внешних лопастей для отклонения выхлопных газов при их выходе из ракетного двигателя — наиболее эффективно для твердотопливных ракет без сложного двигателя — и вспомогательных двигателей, таких как небольшие ракетные двигатели, установленные по бокам ступени ракеты.

Как работают ракетные двигатели

Современные ракетные двигатели прошли долгий путь от фейерверков, первых в истории ракет. Относительно простые твердотопливные ракеты, чаще всего используемые в качестве ускорителей для обеспечения дополнительной тяги при запуске, по-прежнему основаны на том же основном принципе воспламенения трубки, содержащей горючую смесь топлива и окислителя. После воспламенения твердотопливная ракета будет продолжать гореть до тех пор, пока ее топливо не будет израсходовано, но скорость, с которой сгорает топливо — и, следовательно, величину тяги — можно контролировать, изменяя площадь поверхности, подвергаемой воспламенению в разное время в ракете. полет.

Это можно сделать, упаковав смесь топлива и окислителя с полым зазором по центру по всей длине ракеты. В зависимости от профиля этого зазора, который может быть, например, круглым или звездообразным, величина открытой поверхности будет меняться во время полета.

Все о космосе

(Изображение предоставлено Future)

Эта статья предоставлена ​​вам All About Space.

Журнал «Все о космосе» отправит вас в увлекательное путешествие по нашей Солнечной системе и за ее пределы, от удивительных технологий и космических кораблей, которые позволяют человечеству отправиться на орбиту, до сложностей космической науки.

Более распространенные жидкостные ракеты намного сложнее. Как правило, они включают в себя пару топливных баков — по одному для топлива и окислителя — соединенных с камерой сгорания через сложный лабиринт труб. Для подачи жидкого топлива в камеру через систему впрыска используются высокоскоростные турбонасосы, приводимые в движение собственными независимыми моторными системами. Скорость подачи может быть увеличена или уменьшена в зависимости от потребности, а топливо может впрыскиваться в виде простой струи или мелкодисперсного распыления.

Внутри камеры сгорания для начала горения используется запальный механизм — это может быть струя высокотемпературного газа, электрическая искра или пиротехнический взрыв. Быстрое воспламенение имеет решающее значение — если в камере сгорания скапливается слишком много смеси топлива и окислителя, то замедленное воспламенение может создать достаточное давление, чтобы разнести ракету на части, катастрофическое событие, которое инженеры-ракетчики лаконично называют «жесткий старт». или «быстрая внеплановая разборка» (RUD).

Детальный проект ступени жидкостной ракеты может сильно различаться в зависимости от топлива и других требований. Некоторые из наиболее эффективных пропеллентов — это сжиженные газы, такие как жидкий водород , который стабилен только при очень низких температурах — около минус 423 градусов по Фаренгейту (минус 253 градуса по Цельсию). После загрузки на борт ракеты это криогенное топливо должно храниться в хорошо изолированных баках. В некоторых ракетах нет необходимости в механизме зажигания, использующем гиперголическое топливо, которое самовозгорается при контакте друг с другом.

Межпланетное путешествие

Ракеты являются ключом к исследованию нашей солнечной системы , но как они перемещаются с орбиты в дальний космос?

Первый этап любого космического полета включает в себя запуск с поверхности Земли на относительно низкую орбиту около 124 миль (200 км) над большей частью атмосферы. Здесь гравитация почти так же сильна, как и на поверхности, но трение верхних слоев атмосферы Земли очень мало, поэтому, если самая верхняя ступень ракеты движется достаточно быстро, она может поддерживать стабильную круговую или эллиптическую траекторию, где сила тяжести и естественная тенденция автомобиля лететь по прямой уравновешивают друг друга.

Многие космические корабли и спутники не путешествуют дальше этой низкой околоземной орбиты (LEO), но тем, кому суждено полностью покинуть Землю и исследовать более широкую Солнечную систему, требуется дальнейшее увеличение скорости, чтобы достичь космической скорости — скорость, с которой их никогда не сможет оттянуть обратно гравитация нашей планеты.

Скорость убегания у поверхности Земли — 6,9 мили в секунду (11,2 км/с) — примерно на 50% выше, чем типичная скорость объектов на НОО. Он становится ниже на большем расстоянии от Земли, и зонды, направляющиеся в межпланетное пространство, часто сначала выводятся на удлиненные или эллиптические орбиты с помощью тщательно рассчитанного импульса тяги ракеты-носителя верхней ступени, которая может оставаться прикрепленной к космическому кораблю до конца полета. его межпланетный полет. На такой орбите расстояние космического корабля от Земли может варьироваться от сотен до тысяч миль, и его скорость также будет варьироваться, достигая максимума, когда космический корабль находится ближе всего к Земле — в точке, называемой перигеем, — и замедляясь дальше.

Ядерные тепловые ракеты — это гипотетический способ создания большой тяги в течение длительного периода времени — однажды они могут сократить время полета к другим планетам. (Изображение предоставлено НАСА)

Удивительно, однако, что критический взрыв ракеты, используемой для побега в межпланетное пространство, обычно происходит, когда космический корабль находится вблизи перигея. Это связано с так называемым эффектом Оберта , неожиданным свойством уравнений ракеты, которое означает, что ракета более эффективна, когда она движется с большей скоростью.

Одним из способов понять это является то, что сжигание топлива космического корабля позволяет двигателю использовать не только его химическую энергию, но и его кинетическую энергию, которая больше на более высоких скоростях. В итоге дополнительная тяга ракеты, необходимая для достижения космической скорости с малой высоты на более высокой скорости, меньше, чем необходимая для ухода с большой высоты при движении с более низкой скоростью.

Инженеры по космическим полетам и специалисты по планированию миссий часто ссылаются на « Delta-v », необходимый для выполнения определенного маневра полета, такого как изменение орбиты. Строго говоря, термин Delta-v означает изменение скорости, но инженеры используют его специально как меру количества импульса или силы тяги во времени, необходимой для выполнения маневра. Вообще говоря, миссии планируются исходя из «бюджета Delta-V» — сколько тяги они могут генерировать и как долго, используя бортовые запасы топлива космического корабля.

Отправка космического корабля с одной планеты на другую с минимальными требованиями Delta-v включает в себя вывод его на эллиптическую орбиту вокруг Солнца, называемую переходной орбитой Хохмана (откроется в новой вкладке). Космический корабль движется по отрезку эллиптической траектории, которая напоминает спиральную дорожку между орбитами двух планет и не требует дополнительной тяги на своем пути. По прибытии к целевому объекту он может использовать только гравитацию, чтобы выйти на свою конечную орбиту, или ему может потребоваться ракетная тяга в противоположном направлении — обычно это достигается простым разворотом космического корабля в космосе и запуском двигателя — прежде чем он сможет достичь стабильная орбита.

Присоединяйтесь к нашим космическим форумам, чтобы продолжать обсуждать последние миссии, ночное небо и многое другое! А если у вас есть новость, исправление или комментарий, сообщите нам об этом по адресу: [email protected].

Изучив астрономию в Университетском колледже Лондона и научную коммуникацию в Имперском колледже, Джайлз отправился в захватывающее приключение с Illustrated Publishing. С тех пор он написал ряд прекрасных и успешных книг по астрономии, науке и другим интересным предметам, а также регулярно публикуется в журналах. Когда он не выполняет повседневную работу, вы можете увидеть, как он фанатеет от Доктора Кто или заблудился в каком-нибудь малоизвестном уголке истории…

Можно ли запустить двигатель внутреннего сгорания в космосе?

| Car Design

Это не такой глупый вопрос, как вы могли подумать, поэтому мы вызвали экспертов.

Когда мы писали об усилиях GM по отправке автомобиля обратно на Луну с использованием той же технологии электрической трансмиссии, что и в Hummer EV, пользователь на нашей странице в Facebook заявил, что это имеет смысл, потому что «двигатель не будет работать. в космосе.» Хотя было бы легко проигнорировать такой комментарий, мы решили, что будет интереснее выяснить, действительно ли двигатель внутреннего сгорания (или ДВС) не может работать в космосе. Просто чтобы убедиться, что мы не говорим из-за задницы, мы также задали вопрос исследователям и профессорам Калифорнийского политехнического государственного университета, или сокращенно Калифорнийского политехнического университета.

Что вообще делают двигатели?

Лучше всего начать с переподготовки или, возможно, нового урока для тех, кто не знает, что и как делает двигатель. Простейшая идея состоит в том, что двигатель создает свою собственную мощность посредством «рабочей жидкости» для создания движения. Рабочее тело — это газ или жидкость, которые в первую очередь передают силу, движение или механическую энергию. Мы знаем, что трудно думать о газе как о «жидкости», но в мире науки газ рассматривается как жидкость во многих отношениях. Если бы это было не так, мы бы не поняли, как работают ни аэродинамика, ни пневматические клапаны, не говоря уже о том, чтобы смоделировать их.

Это определение объясняет, почему двигатель отличается от двигателя, которому для создания движения требуется питание от внешнего источника, то есть: электродвигателю для создания движения требуется питание от батареи или другого источника электроэнергии. Однако непрофессионал может использовать слова «мотор» или «двигатель» как синонимы, когда речь идет о движении транспортного средства. Для целей этой статьи мы будем использовать слово «двигатель» только для описания двигателя и не будем менять их местами.

Буква «C» в ICE

Горение – это процесс, при котором топливо сжигается с окислителем при определенном соотношении каждого из них. Это сгорание создает тепло, которое вызывает расширение газов в нашем цилиндре — нашей рабочей жидкости. Это все, что представляет собой сгорание, и именно поэтому большинство людей, когда их спросят, объяснят, почему двигатель не будет работать в космосе.

В космосе нет кислорода, и это вакуум, который высосет топливо до того, как оно сгорит, так что это не должно работать. Чего они не задают себе перед тем, как ответить на этот вопрос, так это «почему ракета работает в космосе, а ДВС не может?» Теперь, когда вы, вероятно, задали этот вопрос, мы можем правильно начать эту статью.

Сосать, хлюпать, хлопать, дуть в космос!

Мы обратились в Cal Poly, чтобы помочь нам с этим мысленным экспериментом по ДВС в космосе, и профессору машиностроения, Патрику Лемье, доктору философии, PE; и профессор аэрокосмической техники Дайан Дж. ДеТуррис, доктор философии, были рады помочь нам и изложить всю теорию и объяснения по этой теме. Мы были счастливы получить их помощь — эти двое изучают и едят машиностроение и аэрокосмическую технику для развлечения и в качестве карьеры.

Короткий ответ заключается в том, что ДВС можно запускать в космосе, несмотря на холод (до некоторой степени — без каламбура) и вакуум в окружающей среде. Когда дело доходит до того, как работает сгорание, все то же самое для бензиновых и жидкостных ракет, это просто количество каждой жидкости, необходимое для достижения этого сгорания вместе с окислителем и событием воспламенения, чтобы все началось.

Для большинства ракетных двигателей на жидком топливе воспламенение создается с помощью воспламенителя факела, но в других ракетных двигателях с кислородной смесью используется гиперголическое (самовоспламеняющееся) топливо, закачиваемое в их камеры сгорания, свечи зажигания (да, такие, как в вашем автомобиле), или — в случае с ракетой «Союз» — «спички-переростки», сделанные из пиротехнических ракет, закрепленных на березовых шестах. После воспламенения топливо сгорает, расширяется и приводит в движение объект, к которому привязан двигатель. Двигатель внутреннего сгорания делает то же самое, за исключением того, что расширяющиеся газы толкают поршень вниз, создавая энергию вращения на коленчатом валу.

Ракета, ДВС, взрыв одинаковый

«Разница заключается в том, что вы делаете с произведенной энергией, — говорит профессор ДеТуррис. — Ракета использует энергию для создания тяги в сужающемся и расширяющемся сопле, но ICE использует энергию для создания вращения. Любая из этих вещей может быть выполнена в вакууме, — однако, — отмечает она, — вам просто нужно учитывать температуру окружающей среды при разработке вашего приложения, и это может легко повлиять на материалы, которые вы используете в своей работе. пространство.» Одна из таких проблем связана с отсутствием кислорода, металлы легко сваривать в холодном состоянии. Это явление, связанное с вакуумом, позволяет металлам соединяться без плавления и нагревания, что в прошлом было проблемой для астронавтов и спутников. Однако современные материалы и лучшее понимание этого явления привели нас к материалам, более подходящим для космоса и предотвращающим холодную сварку.

«Вы также можете почувствовать, как это влияет на вещи, — говорит профессор Лемье, — рассмотрев двигатели небольших винтовых самолетов авиации общего назначения». «Автомобили без наддува, конечно, видят резкое падение атмосферного давления, когда они стабильно набирают высоту, и это связано с падением производительности, и поэтому «плотная высота» является таким важным параметром как для двигателей, так и для самолетов». Вот почему эти двигатели ограничены по высоте без добавления турбокомпрессора или нагнетателя, чтобы нагнетать больше воздуха, как в высокомощном автомобильном двигателе. Давление наддува означает, что при сжигании бензина нужно использовать больше воздуха.

Получение кислорода

Профессор Лемье также объясняет, что, хотя может показаться, что двигатель вообще не заработает в полном вакууме, это возможно, если вы сможете поставить окислитель. «Тогда это, безусловно, так. Если бы вы полагались на окружающую среду в качестве источника окислителя, это бы не сработало», — добавляет он. Если бы вы разработали инжектор окислителя для работы с закрытой камерой, вы могли бы даже сохранить те же конструкции клапанного механизма, которые мы сейчас используем в двигателях. Или вы можете проявить новаторство и удалить всю систему впуска и порт, заменив их прямым инжектором жидкого кислорода.

Питание мощного ракетного двигателя

Использование форсунки окислителя похоже на то, как это делают сейчас жидкостные ракеты, просто форсунка для ракеты обычно не работает, как форсунки в ДВС. Насосы для жидкого кислорода и жидкого топлива ракеты во многом похожи на турбокомпрессор и называются турбонасосами. Разница, как правило, заключается в том, что вместо использования выхлопных газов для привода турбины он использует гравитацию и тянет жидкое топливо вниз для привода турбины. Крыльчатка, прикрепленная к этой турбине, сжимает каждую жидкость перед отправкой ее в основную камеру сгорания ракеты.

Есть и другие, которые используют газогенератор для привода крыльчатки (работает точно так же, как турбокомпрессор), а недавно были предприняты попытки привести турбину в движение с помощью электродвигателя («электрическая ракета», о которой вы, возможно, слышали, при условии, что вы небрежно рыщете по достижениям ракетостроения). То, как это делается, просто зависит от производителя ракеты и даже от параметров конкретной миссии, которую выполняет ракета.

Топливо под давлением подается в главный клапан, который открывается и закрывается, контролируя подачу топлива к форсунке. То, что на самом деле распыляет топливо, представляет собой пластину (или пару или набор пластин), заполненную точно просверленными отверстиями, как вы видите на конце бензиновой топливной форсунки. За исключением того, что, в отличие от топливной форсунки вашего автомобиля, здесь нет штифта, который фактически контролировал бы количество топлива, поступающего в основную камеру сгорания. Все это управляется главными клапанами, которые управляют потоком, а не объемом.

Наконец, воспламеняется топливо, как мы упоминали ранее, и ракета отрывается от стартовой площадки или движется вперед в космосе. Чтобы поддерживать подачу топлива в гравитационные турбонасосы в космосе, без какого-либо отдельного механического или электрического насоса, ракета полагается на импульс, создаваемый ускорением для поддержания потока жидкого топлива и окислителя. Этот импульс создает своего рода искусственную гравитацию, которая выталкивает жидкости на дно резервуаров и постоянно питает турбонасосы. Многие из этих решений для подачи топлива и окислителя в ракетный двигатель могут быть применены к ДВС. Опять же, это просто вопрос того, что каждый двигатель делает с расширяющимися газами.

Проблема не в вакууме

Хотя вы можете подумать, что космический вакуум может создать проблему, профессор Лемье объясняет, что поршневые кольца могут герметизироваться в вакууме. Имейте в виду, что эти кольца борются с огромной разницей давления расширяющегося газа по сравнению с атмосферным давлением, которое обычно испытывает двигатель. «То, что герметизируют поршневые кольца, — это не совсем абсолютное противодавление в картере, — объясняет профессор Лемье. содержимое СС по направлению к картеру».

Он также указывает, что даже когда двигатель работает на уровне моря, «между этими кольцами существует большая дельта P, которая постоянно изменяется в течение 4-тактного цикла», и они отлично герметизируют камеру на протяжении всего цикла. цикл. «Если тот же двигатель с турбонаддувом (или) с наддувом, — добавляет он, — дельта P может значительно увеличиться (скажем, более чем на 15 фунтов на квадратный дюйм), а кольца по-прежнему будут хорошо его герметизировать. Абсолютный 0 фунтов на квадратный дюйм в картере. , который является вашим сценарием, добавляет к этой дельте P не более 15 фунтов на квадратный дюйм. Так что здесь нет проблем».

Наилучший способ борьбы с обратным давлением

Эта вакуумная среда потенциально может быть преимуществом для ДВС. «Что касается механической стороны, — говорит профессор Лемье, — то здесь тоже все становится интереснее: отсутствие противодавления в выхлопных газах означает, что объемный КПД двигателя увеличится, поэтому характеристики двигателя, такие как среднее эффективное давление торможения (BMEP) и другие, увеличатся. подниматься.» Это также работает внутри картера, который, как он отмечает, «также упадет, а это означает, что перепад давления на поверхности поршня возрастет до одной атмосферы, что снова поднимет BMEP». Если вы видели девятый эпизод первого сезона «Мастеров двигателей», вы знаете, что двигатели всех типов нуждаются в уменьшении противодавления и что за счет его уменьшения можно получить мощность. Только представьте, какую мощность мог бы развить ваш двигатель при нулевом противодавлении в выхлопе или картере.

Все это говорит о том, что вакуум не является проблемой и что сгорание на самом деле не зависит от «сжатия». На самом деле это скорее хранилище энергии вращения, которая передается на трансмиссию через коленчатый вал. Однако это сжатие приводит к выделению тепла при сжатии газов, и вместе с искрой от свечи зажигания начинается преобразование бензина и кислорода в тепловое расширение этих газов.

Итак, что на самом деле делает такт сжатия?

Однако, если вы можете генерировать достаточно тепла от вашей искры или даже использовать предварительный запальник, ваша камера сгорания не нуждается в сжатии и будет продолжать работать. Были даже проведены испытания двигателей, в которых используется отдельная камера сгорания, которая подает расширяющиеся газы в цилиндр, чтобы заставить поршень двигаться вниз. Опять же, ракетный двигатель делает то же самое и не имеет поршня для создания сжатия. Вы также можете поджечь бензин вне двигателя, особенно легко, когда он находится в газообразном состоянии (дым).

Компрессия в любом поршневом двигателе — это способ накопления потенциальной энергии, которая будет использоваться для генерации энергии вращения посредством коленчатого вала. Неважно, двух- или четырехтактный он; бензин, дизель или любой другой вид топлива. Если топливо достаточно горячее, чтобы достичь воспламенения со своим окислителем, оно будет воспламеняться и расширяться до тех пор, пока не столкнется с чем-то и не сдвинет этот объект или не остановится, потому что этот объект требует большей силы, чем это расширение создает.

Дело не в топливе и окислителе, дело в весе

Помимо экстремального холода, который прямо сейчас может быть объяснен материалами (части в космосе тоже должны вращаться), почему мы не видим генераторы с питанием от ДВС для космической станции, марсохода Perseverance и будущие луноходы? Когда дело доходит до освоения космоса, есть два важных момента: вес и долговечность. Конечно, у нас есть возможность впрыскивать жидкости в камеры сгорания, хотя кислород является криогенной жидкостью и требует очень низких температур, чтобы оставаться в жидком состоянии, и это не проблема, поскольку мы можем делать это в ракетных двигателях так же, как с много видов топлива.

Возникают проблемы с доставкой этого топлива и окислителя в космос и тем, как вы могли бы их восполнить. Одна из основных проблем при выходе в космос заключается в том, что вам нужна большая скорость, чтобы выйти на орбиту, и даже больше, когда вы хотите выйти из-под гравитационного влияния Земли и попасть на другую планету. Вот почему вы видите, как во многих орбитальных и межпланетных миссиях используются материалы, сделанные из вещей, о которых мечтают производители гоночных автомобилей, таких как титан, углеродное волокно и другие сверхлегкие материалы.

Именно поэтому так много космических и марсианских десантных аппаратов выглядят скелетонизированными, за исключением некоторых щитов из фольги для защиты термочувствительных частей. Если вам также нужно нести топливо и окислитель, вы должны учитывать эту массу в своей механике запуска и орбитальной механики, применяя больше энергии тяги для достижения космической скорости. Если вы имели дело с гоночным автомобилем, вы понимаете, к чему все идет. В противном случае большая тяга требует большей мощности, а это означает больше топлива и больше веса. Если бы вы могли дозаправиться на орбите — чего на момент написания этой статьи мы не могли — это не было бы проблемой. Поскольку мы не можем этого сделать, мы полагаемся на батареи, которые питаются от солнечной энергии для привода двигателей и силовой электроники наших космических кораблей и Международной космической станции (МКС).

Дополнительная заметка о марсоходе Perseverance

Нам пока неизвестны какие-либо ресурсы, которые позволили бы нам пополнить наше топливо или окислитель на Луне или Марсе. Именно этим Curiosity и Perseverance отличаются от других марсианских миссий: вместо того, чтобы полагаться только на солнечные панели для питания своих батарей, эти марсоходы размером с седан используют многоцелевой радиоизотопный термоэлектрический генератор (MMRTG), по сути, миниатюрную атомную электростанцию.

Основное различие между вашей местной атомной электростанцией и ММРТГ — помимо очевидной разницы в размерах — заключается в том, что вместо превращения воды в пар, который вращает турбину электрического генератора, в нем используется эффект Зеебека. Самый простой способ описать эффект Зеебека состоит в том, что два непохожих, но электропроводящих материала создают электричество, применяя разницу температур на каждом конце этих материалов. По сути, это обратная сторона устройства Пельтье, используемого в охладителях сидений, где электрический ток проходит между этими двумя материалами и создает разницу температур в двух материалах, одна сторона горячее, а другая холоднее; это то, сколько автомобильных холодильников работают без фреона и компрессора. В общем, в ближайшее время мы не увидим марсоход с двигателем ICE или даже лунный багги.

Искры в местах, где живут астронавты

Некоторые из вас отмечают, что пожар в космосе — это плохо, вероятно, вспоминая Аполлон-1 и потерю Гаса Гриссома, Эда Уайта и Роджера Чаффи, когда они еще находились на стартовой площадке. для репетиции запуска. Вы также, без сомнения, слышали о предупреждениях о наличии пламени рядом с чистым кислородом и фотографиях сгоревших комнат и того хуже. Но, конечно же, кислород при отсутствии какого-либо источника топлива не представляет опасности возгорания. Однако верно, что любое топливо будет гореть интенсивнее в атмосфере чистого кислорода, чем на воздухе. Это потому, что азот, который составляет примерно 80 процентов воздуха, которым мы дышим, не является окислителем.

В современных космических кораблях и будущих космических станциях атмосфера такая же, как у нас на Земле: 20 процентов кислорода, 80 процентов азота. В переводе это означает, что пожароопасность на МКС такая же, как и здесь, на Земле, только очень-очень далеко от ближайшей пожарной части.

А как насчет побочного продукта сжигания топлива?

Если бы мы сохранили использование бензина и кислорода в качестве внутреннего источника топлива для ДВС, то выхлоп был бы проблемой в изолированной среде. Углекислый газ, оксид азота, несгоревшие углеводороды и другие твердые частицы должны быть отфильтрованы, чтобы создать безопасную среду, в которой человек мог бы работать. Было бы идеально, если бы все эти газы можно было просто выпустить в космос, но это было бы сложной задачей, а это означает, что более реалистичным вариантом использования генератора с питанием от ДВС был бы тот, который подвергается воздействию космической среды, просто как ракетный двигатель.

Если бы мы использовали альтернативное топливо, то их побочные продукты тоже нужно было бы фильтровать. Например, если бы мы использовали жидкий водород, побочным продуктом была бы вода со следами перекиси водорода и озона, поэтому пить ее прямо из выхлопной трубы было бы не очень приятно, но лучше, чем бензин. ДВС потребуется такая же защита от перепадов температур при прохождении между Солнцем и планетой, но это можно легко решить с помощью обогревателей и тепловых покрытий.

Мы могли бы запустить ДВС в космосе, но…

Хотя двигатель внутреннего сгорания можно запустить в вакууме и в холодной космической среде, реальность такова, что это просто невозможно. Вес переноски топлива и окислителя является основным бременем, за которым следует проблема пополнения их запасов вне Земли. Это означает, что аккумуляторные, солнечные и ядерные источники энергии и генерация являются единственными надежными и устойчивыми источниками для космических станций и транспортных средств, которые нуждаются в энергии для приборов и даже для движения.

Кроме ракет, мы никогда не увидим аппарат для исследования планет с ДВС. Подумай о своих мечтах о сладком лунном багги, работающем на бензине, который превратился бы в кристаллы льда, которые превратились бы в твои слезы в холодном космосе, по крайней мере до тех пор, пока они не испарятся, встретившись с солнечным светом. Мрачно, да? Тем не менее, это вряд ли означает, что космический корабль должен быть скучным. Представьте себе полноприводный луноход мощностью 1000 л.с. с диким рулевым управлением, основанный на технологии Ultium от Hummer EV. Это, безусловно, было бы выполнимо. Интересно, позволят ли GM и NASA построить хот-род Lunar Vehicles в Hot Rod Garage?

Космические и ракетные изображения и диаграммы предоставлены Getty и NASA

Trending Pages

• Лучшие электромобили — модели электромобилей с самым высоким рейтингом

• Сколько стоит Tesla? Вот разбивка цен

• Лучшие гибридные автомобили — модели гибридных автомобилей с самым высоким рейтингом

• Каждый электрический внедорожник, который можно купить в США в 2022 году

• Это самые экономичные пикапы, которые вы можете купить.

  0319

• Это внедорожники с лучшим расходом бензина

Страницы трендов

• Лучшие электромобили — самые популярные модели электромобилей

• Сколько стоит Tesla? Вот разбивка цен

• Лучшие гибридные автомобили — модели гибридных автомобилей с самым высоким рейтингом

• Каждый электрический внедорожник, который можно купить в США в 2022 году

• Это самые экономичные пикапы, которые вы можете купить.0319

• Это внедорожники с лучшим расходом топлива

Читатели отвечают: как космический корабль маневрирует в космическом вакууме? | Космос

Как космический корабль маневрирует в космосе? Неужели в вакууме сила реакции не сработает?
Rolf Ericsson

Новые вопросы направляйте по адресу [email protected] .

Ответы

Да ладно, приятель, это не ракетостроение
jimble675

Распространенное заблуждение

Среди населения распространено заблуждение, что когда ракета взлетает, она каким-то образом давит на стартовую площадку или воздух вокруг нее, чтобы набрать высоту. Это основано на здравом смысле и повседневном опыте. Допустим, вы идете на каток в коньках и хотите двигаться вперед; вам просто нужно нажать на что-то твердое, например, на край катка, в другом направлении. Но здравый смысл — плохой ориентир в случае с ракетой; например, как бы вы объяснили, что ракета все еще ускоряется в сторону космоса, когда она находится высоко над площадкой и движется сквозь облака? В самом деле, как он может менять направление в космическом вакууме?

Простой ответ заключается в том, что ракета движется, толкая газ, выходящий из ее двигателей. Хотя кажется невозможным, чтобы массивная ракета двигалась только за счет выпуска газа, это простая научная истина, основанная на третьем законе движения Ньютона: на каждое действие в природе есть равное и противоположное противодействие. Другими словами, когда один объект воздействует на другой объект, этот второй объект оказывает на первый объект силу, равную по величине, но противоположную по направлению. Итак, когда ракета с силой выталкивает газ из своих сопел, тот же самый газ, плазма, состоящая из множества крошечных атомов, разгоняющихся с очень высокой скоростью, одновременно давит на ракету, толкая ее вперед. В случае одной из самых мощных когда-либо созданных ракет, ракеты НАСА «Сатурн-5», которая доставила астронавтов «Аполлон» к Луне, тяга ее двигателей при старте была эквивалентна 7,6 млн фунтов газа, выбрасываемого из-за ракеты каждую секунду. .

То же самое происходит, когда вы сидите в весельной лодке и бросаете за корму массивный предмет, например бревно или большой камень; немедленно лодка двинется вперед. Чем массивнее предмет, который вы бросите, тем сильнее будет ускоряться лодка в другом направлении и тем быстрее она будет двигаться. Действие-реакция!

Как насчет ракеты, маневрирующей в космическом вакууме? Упираться, действительно, не во что, но ситуация точно такая же, как и на стартовом столе: чтобы двигаться в одну сторону, пилоту достаточно активировать какую-то струю из сопла, направленного в другую сторону, и вуаля ! Газ, выбрасываемый в одном направлении, давит на ракету и толкает ее в противоположном направлении. Помните Сандру Буллок в «Гравитации», которая с помощью огнетушителя перебрасывалась с одной космической станции на другую? Ну, последняя часть не имеет смысла, но принцип действия-противодействия, иллюстрируемый стрельбой из огнетушителя и полетом Буллока в противоположном направлении, на высоте. Но она забыла одну вещь: в космическом вакууме, где нет трения, тормозящего вас, единственный способ остановиться — использовать принцип действия-противодействия в противоположном направлении, иначе вы просто продолжаете двигаться с постоянной скоростью в течение Когда-либо. Жаль, Буллок не взяла с собой второй огнетушитель!
Prof Pierre Chastenay, Université du Québec à Montréal

Горение для тяги

Сила реакции (третий закон Ньютона) — это точный принцип, который используется в космосе для движения.

В случае химического двигателя топливо сгорает в камере сгорания, в которой образуются очень горячие продукты сгорания под высоким давлением. Эти продукты сгорания разгоняются через сужающееся-расширяющееся сопло (колокол), которое повышает скорость газа до скорости звука в горловине (точка минимальной площади поперечного сечения), а затем дополнительно ускоряет поток сверх скорости звука в расширяющаяся часть сопла. Эта скорость продуктов сгорания в сочетании с их массой и есть импульс, определяющий силу реакции. Это также может быть достигнуто с помощью электрического двигателя, который выбрасывает заряженные частицы с гораздо большей скоростью, но с гораздо меньшей массой.

Кроме того, на поверхность расширяющейся секции сопла действует сила давления, которая зависит от разницы между давлением окружающей среды и давлением в выходной плоскости сопла.
Фил Гэдсби, инженер-двигатель, Dawn Aerospace

В среднем космический корабль вообще не движется

Сила реакции — это именно то, как они работают. Космический корабль в среднем вообще не движется. Он отбрасывает часть своей массы в одну сторону (горящее топливо, которое полностью находилось внутри ракеты), а летит в другую. В среднем исходная масса продолжает двигаться с той же скоростью (сохранение импульса). На Земле предметы могут сталкиваться с другими объектами, используя трение (то, что делают шины автомобиля, чтобы заставить его двигаться, или крылья самолета, противодействующие воздуху, чтобы помочь ему поворачиваться), чего вы не можете сделать в космосе, отсюда и бессмысленность Крестокрылы в фильмах о «Звездных войнах», которые, кажется, заставляют космический корабль крениться и поворачиваться, когда они ничего подобного не делают. Настоящий космический корабль должен был бы быстро вытолкнуть топливо вправо, чтобы начать движение влево, но то, как он поворачивается, выглядит совершенно иначе, чем то, как самолет поворачивается в атмосфере.
Nic Océan, Швейцария

Криогенное топливо

Большая часть используемых сегодня ракетных двигателей — это химические ракеты; то есть они получают энергию, необходимую для создания тяги, в результате химических реакций для создания горячего газа, который расширяется для создания тяги. Существенным ограничением химического двигателя является то, что он имеет относительно низкий удельный импульс, который представляет собой отношение создаваемой тяги к массе топлива, необходимого при определенной скорости потока.

Значительное улучшение удельного импульса (более 30%) может быть достигнуто за счет использования криогенных пропеллентов, таких как, например, жидкий кислород и жидкий водород. Исторически эти топлива не применялись за пределами верхних ступеней. Кроме того, многочисленные концепции передовых технологий двигательных установок, таких как электрическая двигательная установка, обычно используются для поддержания станций на коммерческих спутниках связи и в качестве основной двигательной установки в некоторых научных космических миссиях, поскольку они имеют значительно более высокие значения удельного импульса. Однако они, как правило, имеют очень малые значения тяги и поэтому должны работать в течение длительного времени, чтобы обеспечить полный импульс, необходимый для миссии.
Юлиан Димитров, Гертс

Системы управления реакцией

Силы реакции действительно работают в вакууме. Космические аппараты обычно оснащены системой управления реакцией (RCS). Обычно они расположены в определенных местах снаружи космического корабля, чтобы можно было изменить его ориентацию.

Часто космические корабли также имеют более крупный главный ракетный двигатель, который используется для подъема или понижения его орбиты или изменения плоскости орбиты, известного как векторизация. Представьте себе двух астронавтов, парящих рядом друг с другом внутри космического корабля. Если бы один астронавт толкнул другого, оба астронавта отошли бы от своего исходного положения в противоположных направлениях с одинаковой скоростью (при условии, что они имеют одинаковую массу).

При воспламенении подруливающего устройства RCS или главного двигателя образовавшийся газ выбрасывается с очень высокой скоростью из раструба двигателя или подруливающего устройства. Движение этого газа от космического корабля обеспечивает силу реакции, толкающую его в противоположном направлении. После того, как был инициирован маневр по крену, тангажу или рысканию путем включения двигателя RCS, космический корабль будет продолжать движение вдоль оси двигателя даже после того, как он прекратит работу. Равный прожиг необходимо произвести в противоположном направлении, чтобы затем стабилизировать космический корабль.
Ben Deegan

Система орбитального маневрирования

Поскольку в космосе нет среды, нет сопротивления движущему движению; выбросьте вещи из задней части космического корабля, и вы ускоритесь вперед. Чем быстрее ты выбрасываешь вещи в спину, тем быстрее ты разгоняешься, но из-за отсутствия среды маневровые плавники или крылья бесполезны для маневрирования, маневрировать нечем, поэтому маленькие ракеты, расположенные во всех трех плоскостях (х, y, z) транспортного средства используются в различных комбинациях для обеспечения желаемой ориентации. Система известна как OMS или система орбитального маневрирования, хотя космическому кораблю не обязательно находиться на орбите вокруг тела, чтобы использовать ее. Тот факт, что космос в основном пуст и не имеет значительной среды, означает, что вы должны брать с собой все свое топливо (которое составляет рабочее тело), ​​но плюс в том, что нет никакого сопротивления движению, если вы не находитесь слишком близко к планете. , поэтому однажды достигнутая скорость остается вашей скоростью до тех пор, пока вы не столкнетесь с чем-то, что маловероятно, потому что пространство очень большое и в основном пустое.
Therion Ware, Stevenage

Типы маневрирования

Забавно читать этот вопрос при написании программного обеспечения для маневрирования малых космических аппаратов. Я руковожу программным обеспечением в офисе поставщика малых спутников в Глазго. Мы делаем малые космические корабли для огромного спектра применений.

Я бы хотел разделить вопрос на два типа маневрирования:

Отношение (куда вы указываете) и
Положение (где вы находитесь)

Для корректировки пространственного положения у нас есть две основные формы маневрирования:

Реактивное колесо. Вращая вверх и вниз колеса, установленные в направлениях x, y и z, и внезапно изменяя их ускорение, мы очень точно контролируем положение космического корабля.

Магнитометры. У каждой компании свой подход к этому, но у нас есть большие петли из проволоки, встроенные в наши солнечные панели. Изменяя электрическое поле вокруг корабля с помощью этих петель и взаимодействуя поля с магнитным полем Земли, мы можем изменить свое положение, хотя и не с таким точным контролем, как с реактивными колесами.

Корректировка положения (орбиты):

Как правило, в небольших кораблях у нас нет реального прямого метода корректировки нашей орбиты. В экстремальных обстоятельствах, таких как предотвращение столкновений, мы направляем наши солнечные батареи в направлении движения корабля. Это вызывает небольшое сопротивление с ограниченным количеством атмосферы, с которой вы сталкиваетесь на низкой околоземной орбите, и корректирует орбиту корабля.

г. Опять же, есть несколько подходов к этому, но основная концепция одна и та же. Выбросьте что-нибудь из своего корабля в одном направлении, и вы скорректируете орбиту. У более крупного корабля будет запас газа для этого. Для нас, тех, кто занимается гораздо меньшими кораблями, вы можете использовать импульсно-плазменный двигатель, своего рода маленькую свечу зажигания, которая разрушает небольшое количество тефлона, искря на нем и выбрасывая образовавшиеся обломки из задней части корабля.

Есть и более экзотические формы двигателей, например, солнечные паруса, которые используют тепловое давление излучаемой солнцем энергии для толкания корабля, почти так же, как лодочный парус использует ветер.
Колин Уодделл, Глазго

Вопросы навигации

Другие авторы, гораздо более компетентные, чем я, уже объяснили физику, стоящую за этим, но, в качестве отступления, может быть уместно упомянуть, что по мере того, как пространство вокруг нашей планеты становится все более и более чем больше людей, тем важнее заранее предупредить другие транспортные средства, прежде чем запускать двигатели, чтобы отклонить свой космический корабль от его текущего курса.

В некоторых более ранних аппаратах, все еще находящихся в эксплуатации, астронавт-навигатор высовывает свою руку из специального герметичного порта или «окна» и подает одну из согласованных на международном уровне, но сложных сигналов рукой в ​​перчатке для связи их намерения. Это не совсем удовлетворительно, поскольку только некоторые люди и очень немногие роботизированные аппараты понимают или даже замечают жесты, и, следовательно, было несколько промахов.

К счастью, ситуация значительно улучшилась теперь, когда все современные космические корабли оснащены привлекательным и понятным набором мигалок Гордона.
ThereisnoOwl

Как работает электрическая тяга и почему это важно?

Как работает электрическая тяга и почему это важно?

Автор:
Скотт Тилли, заслуженный инженер, и Тай Ли, системный инженер, Maxar Technologies
| 21.02.2020

Время чтения:
5 минут

Являясь пионером в области электрических двигателей, компания Maxar построила более 30 космических аппаратов, наработавших в космосе более 100 000 часов активных электрических двигателей. Это принесло Maxar репутацию самого опытного интегратора электрических двигательных установок на геосинхронных спутниках в космической отрасли США. Но что такое электрическая двигательная установка (ЭР) и чем она отличается от химических двигательных установок, используемых на стандартных космических кораблях? Похоже ли это на разницу между традиционным автомобилем с бензиновым двигателем и все более популярным электромобилем? Некоторые аспекты этого сравнения уместны, но другие части — настоящая наука о ракетах.

Бензиновый автомобиль работает на химическом топливе, которое сгорает в двигателе с выделением энергии, заставляющей колеса автомобиля двигаться. На космическом корабле химические двигатели имеют камеры сгорания, в которых сжигание смеси топлива и окислителя создает тепло и давление для создания выхлопного газа, который выбрасывается из сопла. Равным и противоположным эффектом выхлопного шлейфа (помните того парня, Исаака Ньютона?) является сила, которая движет космический корабль.

Электрические двигательные установки излучают синее свечение при стрельбе. Изображение: Факел

Теперь давайте посмотрим на электромобиль и на то, насколько он похож на двигатель EP. Электромобиль получает энергию от большой перезаряжаемой батареи, которая приводит в движение двигатель, вращающий колеса. Хотя у космических кораблей есть батареи, они используют лучший источник энергии — солнце. Солнечные батареи собирают солнечную энергию, напряжение этой энергии повышается и направляется на инновационный двигатель EP. Сложный электромагнитный процесс происходит внутри двигателя с топливом на борту (обычно это ксенон в современных системах) для создания ионов, которые ускоряются с помощью электрического поля для создания выхлопного шлейфа. Как и в случае с химическими системами, этот выхлопной шлейф толкает космический корабль в нужном направлении.

Точно так же, как КПД автомобиля в милях на галлон, двигатель космического корабля имеет рейтинг эффективности, называемый удельным импульсом, записываемый как Isp, который показывает, насколько изменяется скорость космического корабля на единицу топлива, проходящего через двигатель. И точно так же, как электрические автомобили имеют лучшую «эффективность», чем бензиновые (4 доллара за галлон бензина делают электромобиль красивым!), система EP Isp обычно в шесть-десять раз эффективнее, чем Isp химического двигателя. Но где кислород и окислитель? В ЕР нет! Еще более интересно и важно то, что эти ЭП-системы не могут работать в атмосфере — только в космическом вакууме.

Электрические двигатели звучат великолепно, так в чем подвох? Теперь мы должны терпеть немного ракетостроения. ЭП слабее химической тяги, поэтому ускорение занимает намного больше времени. Это связано с такими вещами, как массовый расход топлива, уровни энергии, скорость истечения и молекулярный вес вылетающих частиц. Maxar использует химические двигатели для управления орбитой, которые производят 5 фунтов. силы, но его двигатели EP в настоящее время производят около 0,05 фунта. силы. Несмотря на то, что тяга ВЗ очень мала, путешествия в космосе часто занимают много времени, что позволяет системе ВЗ обеспечивать такое же увеличение скорости, как и в химической системе. Недавно первый полностью внезапный космический корабль Maxar под названием EUTELSAT 7C завершил фазу подъема орбиты, проработав более 100 дней непрерывной внезапной тяги. Аналогичная фаза с химическими двигателями заняла бы около одной недели, но потребовала бы на 1200 кг больше топлива, что эквивалентно примерно 50% веса EUTELSAT 7C без топлива.

Созданный Maxar спутник связи EUTELSAT 7C, запущенный в 2019 году, использует полностью электрическую двигательную установку.

Maxar использует свой опыт в области EP для создания космического корабля, который НАСА будет использовать для исследования металлического астероида в главном поясе астероидов под названием (16) Psyche. Космический корабль «Психея» использует большие мощные солнечные батареи, тщательно настроенные для работы в условиях тусклого солнечного света глубокого космоса, для производства электроэнергии, которая питает электроэнергетическую систему, а также остальную часть космического корабля, включая научные приборы и оборудование связи для передачи данных. обратно на Землю. Поскольку астероид находится в три раза дальше от Солнца, чем Земля, система EP в миссии Psyche настроена на работу со значительно меньшей мощностью, чем типичный космический корабль, вращающийся вокруг Земли. EP-система Psyche намного эффективнее традиционной химической двигательной установки, что делает космический корабль Psyche легче и его легче запускать с Земли.

Построенный Maxar космический корабль Psyche отправится к цельнометаллическому астероиду, используя электрическую двигательную установку нового поколения Maxar. Изображение: Максар.

Это повышение эффективности от EP будет иметь более важное значение во время первой демонстрации силового и двигательного элемента Maxar, которая начнет строительство лунных ворот под руководством НАСА. В рамках программы НАСА «Артемида» Gateway поможет отправить первую женщину и следующего мужчину на Луну к 2024 году и обеспечит будущие миссии на Марс. Эта солнечная электрическая двигательная установка будет вырабатывать около 40 кВт мощности по сравнению с примерно 13 кВт, используемыми на EUTELSAT 7C.

Запланированное НАСА исследование Луны, Марса и других районов включает использование внезапных буксиров для перевозки топлива, оборудования и других материально-технических средств на большие расстояния для подготовки и поддержания деятельности человека. EP, поставляемый Maxar, станет важной частью будущей космической инфраструктуры.

Maxar использует свой опыт в области солнечных электрических двигателей для создания силового и двигательного элемента Gateway под руководством НАСА. Изображение: Maxar

Подписка по электронной почте

Предыдущий пост
Назад к блогу
Следующий пост

будущее космических полетов – Physics World

Взято из номера Physics World за октябрь 2020 г., где оно появилось под заголовком «Устранение границы между небом и космосом». Члены Института физики могут ознакомиться с полным выпуском через приложение Physics World .

Многоразовые транспортные средства необходимы для того, чтобы сделать доступ в космос более доступным, но у обычных ракетных двигателей есть свои ограничения. Оливер Нейлард описывает, как британская фирма Reaction Engines надеется совершить революцию в доступе в космос с помощью нового класса двигательной установки, синергетического ракетного двигателя с воздушным дыханием (SABRE)

(Предоставлено реактивными двигателями)

Преследование, исследование и использование космической среды могут быть ошибочно истолкованы как роскошь. История изображает космос как исключительное владение мировых держав, стремящихся продемонстрировать свое мастерство с помощью технологических чудес, или как сцену для далеких исследований и научных исследований, мало влияющих на повседневную жизнь. Тем не менее, преимущества космоса уже вплетены в нашу повседневную жизнь и обеспечивают коммунальные услуги и ресурсы, от которых зависит общество. Если бы они внезапно исчезли и мир пережил бы всего лишь «день без пространства», последствия были бы очевидны для всех.

Нашим самым большим космическим ресурсом являются спутники, которые мы вывели на орбиту вокруг Земли. Спутники связи обеспечивают глобальную связь и средства для прямой трансляции телевидения по всему миру. Благодаря этой космической инфраструктуре мы можем удаленно наблюдать за международными событиями и спортивными зрелищами в режиме реального времени. Наблюдение за Землей также приобретает все большее значение, позволяя нам отслеживать и оценивать нашу естественную среду обитания и климат, что, в свою очередь, позволяет нам оптимизировать использование сельскохозяйственных земель, прогнозировать национальные бедствия и вмешиваться в них, организовывать усилия по оказанию помощи и многое другое.

Спутники определения местоположения, навигации и времени (PNT) предоставляют ценные данные о местоположении для водителей и любителей активного отдыха, а их сигналы времени также используются для отметки времени и координации глобального снятия наличных и финансовых транзакций. Спутники обеспечивают платформу для науки и техники, и они могут дать университетам доступ к орбитальным экспериментам. Компании учатся быстро разрабатывать технологии с помощью прототипов, размещаемых на орбите, в то время как исследования космической погоды с использованием приборов на орбите обеспечивают лучшее понимание и прогнозирование для защиты наших земных электросетей от солнечных бурь.

Использование пространства станет еще более важным. Начинает формироваться новое видение будущего, в котором будут представлены еще более инновационные способы использования космоса, начиная от космического производства и производства энергии и заканчивая глобальным подключением к Интернету. Управлению космическим мусором также уделяется больше внимания наряду с исследованием Луны и Марса и даже космическим туризмом.

Хотя некоторые из этих инноваций могут показаться чем-то из области научной фантастики, уже есть компании, продвигающие технологии, чтобы воплотить их в жизнь.

SABRE выпустила Концептуальное изображение синергетического ракетного двигателя с воздушным дыханием (SABRE) реактивного двигателя. (Предоставлено Reaction Engines)

Доступный доступ в космос

Одна из фундаментальных проблем, связанных с исследованием и работой в космосе, заключается в том, что все, что находится там, начинается здесь. Выйти из-под земного притяжения и выйти на орбиту технически сложно, сложно с точки зрения эксплуатации и исключительно с финансовой точки зрения.

Однако ситуация меняется, и мир переживает новую эру в истории космических полетов. Деятельность, которая когда-то ограничивалась правительствами и национальными космическими агентствами, теперь является свидетелем расцвета инноваций, возглавляемых предприимчивыми частными компаниями, такими как Rocket Lab, Virgin Orbit и SpaceX, последняя из которых была в центре внимания всего мира, наблюдая за запуском американской программы коммерческих экипажей. астронавтов на Международную космическую станцию, а затем благополучно вернуть их в начале этого года. Оптимизируя обычные ракетные технологии, эти фирмы быстро снижают стоимость доступа в космос и создают пусковые мощности. Это, в свою очередь, создает возможности для новых космических операторов и начинает инициировать благотворный круг, в котором снижение стоимости запуска и увеличение скорости полета создают дополнительные коммерческие возможности и растущий спрос на услуги по запуску. Действительно, по оценкам инвестиционного банка Morgan Stanley, к 2040 году мировой космический рынок будет стоить 1 трлн долларов в год9.0003

Глобальная индустрия доступа в космос будет ограничена, если она будет по-прежнему сосредоточена на оптимизации обычных ракетных технологий, которые впервые были использованы в середине 20-го века

Хотя этот цикл может еще больше снизить затраты на запуск, он будет ограничен, если глобальная индустрия доступа в космос будет по-прежнему сосредоточена на оптимизации обычных ракетных технологий, которые впервые были использованы в середине 20-го века. Вот почему мы здесь, в компании Reaction Engines в Великобритании (см. вставку ниже), разрабатываем синергетический ракетный двигатель с воздушным дыханием (SABRE) — то, что, по нашему мнению, станет следующим поколением космических двигателей. Наша цель состоит в том, чтобы обеспечить запуск многоразовых космических аппаратов горизонтального запуска, которые были бы доступными, надежными и быстро реагирующими и могли бы запускаться с высокой и регулярной частотой.

SABRE по сравнению с обычными ракетами

Обычные ракеты приводятся в движение топливом (жидким водородом, керосином или метаном) и окислителем (жидким кислородом), которые находятся внутри корпуса транспортного средства. Когда топливо и окислитель сгорают, масса выбрасывается из задней части ракеты, создавая тягу. Однако этот подход — и особенно использование тяжелого жидкого кислорода на борту — ограничивается ракетным уравнением Циолковского. По сути, это говорит нам о том, что все, что находится на борту транспортного средства, имеет штраф в виде дополнительного топлива и структурной массы транспортного средства, необходимого для отрыва его от земли. Другими словами, этот подход снижает производительность миссии, полезную нагрузку и время миссии.

SABRE, с другой стороны, представляет собой гибридный воздушно-реактивный двигатель. Во время атмосферного сегмента своего подъема он будет использовать кислород из атмосферы вместо того, чтобы нести его внутри транспортного средства, прежде чем переключиться на бортовой кислород при выходе из атмосферы. Таким образом, ракета-носитель с двигателем SABRE будет иметь меньшую массу для данной полезной нагрузки, чем обычная ракета-носитель. Это массовое преимущество можно обменять на системы, которые обеспечат возможность повторного использования и характеристики самолета, такие как крылья, шасси и системы тепловой защиты — все функции, необходимые для того, чтобы летать на одном и том же транспортном средстве снова и снова, выполняя сотни запусков.

Возможность повторного использования не только снизит стоимость запуска. Ракеты-носители с двигателем SABRE также будут взлетать как самолеты, а не вертикально, как обычные ракеты. В результате они приведут к более быстрому времени выполнения работ, более высокому коэффициенту использования транспортных средств и более оперативным запускам. Они смогут выполнять сценарии безопасного прерывания и возврата на базу. Конструкция ракет-носителей с двигателем SABRE также обеспечит более быструю настройку и более простые средства запуска по сравнению с существующими конструкциями ракет.

Мы в Reaction Engines считаем, что эти характеристики намного превосходят даже самые передовые одноразовые системы, доступные в настоящее время, и поэтому они откроют полный эффективный цикл для доступа в космос и большего потенциала космической экономики.

Предохладитель

Ключевым элементом SABRE является уникальная высокопроизводительная система управления температурой, которая опирается на фундаментальную термодинамику для извлечения, перенаправления и использования энтальпии гиперзвукового (5 Маха) воздушного потока, когда он входит в двигатель. Одной из наиболее важных частей этой системы является предварительный охладитель, который, таким образом, был одним из первых разработанных элементов технологии SABRE.

Скорость существующих воздушно-реактивных двигателей ограничена их способностью обрабатывать и использовать энергию, содержащуюся в воздушных потоках с высокой скоростью Маха. Для создания тяги воздушно-реактивного двигателя необходимо увеличить скорость проходящего через него воздуха. Вопреки интуиции, вы также должны замедлять воздух, когда вы достигаете высоких скоростей, чтобы внутренний механизм мог применить работу к воздушному потоку, прежде чем ускорять его от задней части двигателя.

Однако, когда быстро движущийся воздух замедляется, он быстро нагревается, так как кинетическая энергия преобразуется в тепловую. Например, эти температуры могут достигать более 1000 °C при замедлении воздушного потока на 5 Маха. При таких высоких температурах невозможно сохранить целостность обычных компонентов двигателя — они попросту плавятся.

Быстрое охлаждение Горячие воздушные потоки могут быть охлаждены с температуры 1000 °C до температуры окружающей среды за 50 мс с помощью предохладителя SABRE. (Предоставлено: Reaction Engines)

Вместе система терморегулирования SABRE и предварительный охладитель обеспечивают решение этой проблемы. Когда воздух с высокой скоростью Маха входит в SABRE, он сначала замедляется всасыванием двигателя за счет серии ударных волн, создаваемых геометрией компонентов двигателя. При этом воздух быстро нагревается, но затем проходит в предварительный охладитель, где его температура снижается до приемлемого уровня. Предохладитель предназначен для создания теплообмена между воздушным потоком и внутренней текучей средой (криогенный гелий). Геометрия, свойства жидкости, а также тепловые и механические эффекты были учтены таким образом, чтобы максимизировать извлечение тепла из воздушного потока.

При соответствующем охлаждении воздушного потока он теперь может попасть в сердце двигателя, где он проходит цикл, включающий сжатие, сгорание, регенерацию и, в конечном итоге, расширение через сопло двигателя, тем самым создавая движущую силу. Тепловая энергия воздушного потока, переданная жидкости предохладителя, также используется для приведения в действие внутренних компонентов двигателя.

Предохладитель может охлаждать потоки воздуха с большим массовым расходом от температуры выше 1000 °C до температуры окружающей среды менее чем за 50  миллисекунд в компактной и легкой конструкции. Он образован более чем 42 км трубок, стенки которых тоньше человеческого волоса, что обеспечивает огромную площадь для теплообмена между воздухом и охлаждающей средой.

Испытание

В 2012 году компания Reaction Engines изготовила полностью рабочий предохладитель и провела более 700 испытаний, подтвердив его способность охлаждать окружающий воздух до криогенных температур. Этот прототип установки прошел больше времени испытаний, чем уже работающий предполагаемый предварительный охладитель SABRE, и показал безупречные результаты.

Затем последовала тестовая кампания горячего теплообменника (HTX), которая была разработана для того, чтобы подвергнуть предварительный охладитель воздействию ряда высокотемпературных условий, характерных для полета с высокой скоростью Маха. Проведено в 2019 году, испытания проходили на специально построенном объекте в Колорадском воздушно-космическом порту недалеко от Денвера в США. Испытательная установка включала обычный двигатель истребителя, работающий на полном форсаже, чтобы создать поток воздуха большой массы и высокотемпературные условия, которые предохладитель SABRE будет испытывать в полете после стагнации (или замедления) воздушного потока 5 Маха.

Было проведено три кампании горячих испытаний, каждая из которых достигла более высокого эквивалентного числа Маха. В финальном раунде испытаний как предварительный охладитель, так и тестовое оборудование были доведены до предела, и они успешно выполнили конечную цель теста Mach 5 — он продемонстрировал, что предварительный охладитель может подавлять температуру воздушного потока, превышающую 1000 °C, менее чем за 50  миллисекунд.

Испытания показали способность предохладителя успешно охлаждать воздушный поток на скоростях, намного превышающих эксплуатационный предел любого реактивного самолета в истории. Он работал более чем в два раза быстрее, чем Concorde, и более чем в полтора раза быстрее, чем SR71 Blackbird. Таким образом, эта замечательная технология предварительного охлаждения является не только ключом к двигателю SABRE, но также предлагает решения для двигателей с высокой скоростью вращения и гиперзвуковых самолетов, которые остаются в атмосфере.

Испытания, испытания Предохладитель прошел серию высокотемпературных испытаний с использованием двигателя обычного истребителя. (Предоставлено Reaction Engines)

Что будет дальше?

После успешной тестовой кампании HTX в настоящее время проводится следующий этап испытаний SABRE в рамках «кампании основного двигателя», целью которой является проверка производительности воздушно-реактивного ядра. Эта часть SABRE отвечает за рециркуляцию тепловой энергии, извлекаемой через предварительный охладитель, во внутренние компоненты двигателя. Здесь же поступающий воздух сжимается, смешивается с водородным топливом, а затем сжигается в системе сгорания двигателя перед расширением через его сопло. Этот этап докажет жизнеспособность всего термодинамического цикла SABRE и станет знаковым моментом, когда он будет продемонстрирован впервые.

Хотя точные сроки этой последней фазы испытательной кампании были нарушены ограничениями COVID-19, введенными в Великобритании, обширный процесс проектирования уже был проведен совместно с британскими и европейскими космическими агентствами, что позволит программа для быстрого прогресса после снятия ограничений. И хотя пандемия COVID-19, несомненно, повлияла как на глобальный аэрокосмический сектор, так и на работу производственных и научно-исследовательских центров в Великобритании, в секторе коммерческих космических запусков сохраняется устойчивый спрос. Reaction Engines уже видит ряд возможностей, где приложения двигателей класса SABRE могут быть использованы в архитектуре ракет-носителей, и мы работаем с партнерами в космической отрасли, чтобы понять, как эти возможности можно вывести на передний план.

Развитие технологии

Несмотря на то, что изначально она задумывалась как двигатель для обеспечения недорогого доступа в космос, теперь ясно, что технология SABRE может принести пользу не только космической отрасли. Вот почему Reaction Engines также разрабатывает дополнительные приложения этой технологии вместе с другими отраслевыми партнерами.

В аэрокосмической отрасли возможности SABRE по управлению тепловым режимом и технология теплообменников могут повысить эффективность двигателей и систем коммерческих самолетов нового поколения, а также самолетов с высокой скоростью вращения и гиперзвуковых самолетов. В то время, когда аэрокосмическая отрасль должна продемонстрировать устойчивость перед лицом COVID-19, сдвиги в технологической парадигме и сложные задачи по обезуглероживанию, технология SABRE может помочь, обеспечивая ряд улучшений эффективности и экономии средств для текущих и будущих концепций самолетов.

Reaction Engines исследует, как технология SABRE может принести пользу и другим секторам. Автоспорт, промышленные процессы и энергетика — все это области, в которых интеллектуальное управление температурным режимом, такое как в основе SABRE, может привести к значительным изменениям. Reaction Engines стремится адаптировать и внедрять свои технологии в эти отрасли, чтобы сделать их более эффективными, устойчивыми и безопасными для окружающей среды.

Очевидно, что космическая отрасль переживает период значительных инноваций и быстрого развития. Инновационные новые коммерческие участники снизили стоимость доступа в космос, что, в свою очередь, открыло дополнительные коммерческие возможности в космосе.

По мере развития отрасли и увеличения спроса на сверхдешевый доступ в космос мы считаем, что возникнет необходимость в революционном скачке вперед в области двигателей, который представляет собой SABRE и ее системы управления тепловым режимом.

Reaction Engines

Reaction Engines — британская компания, основанная в 1989 году инженерами-двигателями Аланом Бондом, Ричардом Варвиллом и Джоном Скоттом Скоттом. Ранее они вместе работали над двигателем RB545, который предназначался для использования в системе горизонтального взлета и посадки (HOTOL) — концепции космического самолета, разработанной British Aerospace и Rolls-Royce — в конце 1980-х годов.