Как работает ракетный двигатель: РЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ • Большая российская энциклопедия

Как это работает. Ракетный двигатель

19 июля 2021

Ростех

Фото: Объединенная двигателестроительная корпорация

Видео дня

Полеты в космос, одно из самых вдохновляющих достижений человечества, невозможны без ракетного двигателя. С одной стороны, принцип его работы максимально прост, а с другой – всего несколько стран могут похвастаться ракетными двигателями собственного производства.

С момента старта Гагарина и по сей день все российские космонавты поднимаются с поверхности Земли двигателями РД-107/108. Серийное производство этих исключительно надежных двигателей продолжается на самарском предприятии Ростеха «ОДК-Кузнецов». Рассказываем о том, как устроен и работает космический двигатель-долгожитель РД-107/108.

Космически просто

И правда, объяснить принцип действия реактивных двигателей, к которым относятся и ракетные двигатели, можно даже ребенку. Для этого достаточно отпустить надутый воздушный шарик, который под влиянием выталкиваемого воздуха полетит в противоположном направлении. Движение и шарика, и ракеты происходит согласно третьему закону Ньютона: действию всегда есть равное и противоположное противодействие. Действие из ничего не возникает. Чтобы обеспечить действие, требуется энергия. В шарике это потенциальная энергия сжатого, в меру возможностей ваших легких, воздуха. Отличие ракеты заключается в том, что для выхода за пределы атмосферы требуется выбрасывать большие массы вещества с очень большой скоростью, что требует подвода огромного количества энергии. Это и делает ракетный двигатель.

Фото: Космический центр «Восточный» / Роскосмос

Самым распространенным типом двигателей для космических программ сегодня являются жидкостные ракетные двигатели (ЖРД), в которых в качестве топлива используются жидкие горючее и окислитель. К этому типу относится и российский РД-107/108.

Жидкостные двигатели – на сегодняшний момент самые мощные и универсальные ракетные двигатели, с помощью которых совершается большинство полетов в космос. Они отличаются высоким удельным импульсом, то есть при меньшей массе израсходованного топлива создают большую тягу. Кроме того, ЖРД позволяют активно управлять уровнем тяги и могут использоваться много раз. При этом по сравнению с другими видами ракетных двигателей, например твердотопливными, они значительно сложнее и дороже, поэтому основная их сфера применения – космонавтика и обеспечение выведения орбитальных и межпланетных аппаратов.

Как работает жидкостный ракетный двигатель

Чтобы получить полезное действие, достаточное для прорыва в космос, нужно получить большое количество энергии эффективно сжечь большое количество топлива. Как известно, любой процесс горения представляет собой химическую реакцию окисления. И если на Земле для других видов тепловых двигателей в качестве окислителя можно использовать атмосферный кислород, то для ракетного двигателя, и тем более в космосе, окислитель и горючее надо иметь непосредственно на ракете, и лучше всего в максимально плотном и удобном для подачи жидком виде. В РД-107/108 в качестве окислителя используется жидкий кислород, а в качестве горючего – керосин.

Фото: Объединенная двигателестроительная корпорация

В камере сгорания подаваемые специальными насосами в нужном количестве и с необходимым давлением окислитель и горючее смешиваются и сгорают. Горячие (с температурой в несколько тысяч градусов) продукты сгорания в конструкции особого профиля – сверхзвуковом сопле Лаваля – разгоняются до многократно сверхзвуковых скоростей и уходят в пространство. Если умножить сумму секундных расходов масс горючего и окислителя на скорость выхода продуктов сгорания из сопла, можно в первом приближении получить силу тяги двигателя. Так, в общих чертах, можно описать схему работы жидкостного ракетного двигателя.

Устройство РД-107/108

Двигатель РД-107/108 состоит из четырех камер сгорания, турбонасосного агрегата, газогенератора, испарителя азота для наддува баков ракеты и комплекта агрегатов автоматики. Для управления полетом ракеты на двигателях имеются рулевые камеры: два на РД-107 и четыре на РД-108.

Несоизмеримые с возможностями существующих металлов температуры горения и продуктов сгорания, большое количество выделяемого тепла требуют охлаждения стенок камеры сгорания и сопла. В РД-107/108 эта инженерная задача решается двухстеночной конструкцией камеры сгорания и сопла и организацией охлаждения стенки со стороны горячего тракта подачей горючего (керосина) в камеру сгорания через межстеночные пространства.

Вторая особенность РД-107/108 открытая схема сброса генераторного газа. Окислитель и горючее хранятся в отдельных баках и подаются в систему с помощью турбонасосного агрегата (ТНА). Для привода насосов горючего и окислителя используется турбина, в качестве рабочего тела для которой используется парогаз – продукт каталитического разложения пероксида водорода. Выхлопы турбины выбрасываются за срез сопла.

Рекордсмен космоса

Разработка двигателей РД-107 и РД-108 проходила в 1954–1957 годах под руководством выдающегося конструктора Валентина Глушко. Двигатели предназначались для первой в мире межконтинентальной баллистической ракеты Р-7, модификация которой в 1957 году доставила в космос первый искусственный спутник Земли. В 1961 году двигатели обеспечили первый полет человека в космос. На протяжении более 60 лет российские ракеты «Союз» поднимаются в небо с помощью двигателей РД-107/108 и их модификаций. Серийное производство двигателей налажено на самарском заводе «ОДК-Кузнецов», входящем в Объединенную двигателестроительную корпорацию Ростеха.

Программа РД-107/108 продолжает развиваться, создаются новые модификации – всего разработано 18 вариантов для различных программ. Сегодня модификациями двигательных установок РД-107А/РД-108А оснащаются I и II ступени всех ракет-носителей среднего класса типа «Союз». Все пилотируемые и до 80% грузовых космических кораблей в России взлетают благодаря этим двигателям.

РД-107/108 уже поставил свой космический рекорд по долголетию. Конечно, когда-нибудь и его время пройдет, но сегодня запас для совершенствования двигателя еще не исчерпан.

Войска,Валентин Глушко,Объединенная двигателестроительная корпорация,Роскосмос,Ростех,

Клиновоздушные ракетные двигатели — будущее ракетостроения / Хабр

Современные ракетные двигатели подошли к пределу своих возможностей.

Всё чаще можно заметить этот тезис в статьях, докладах, мнениях о ракетостроении. И действительно, в глобальном плане это так, новые возможности, характеристики вжимать из реактивных двигателей становится всё сложнее, а те же тяги по большому счёту не увеличиваются уже давно, самые тяговитые монстры двигателестроения были созданы во 2 половине 20 века, и современные движки от них недалеко ушли, хоть и прокачали другие характеристики и возможности. Например, F1, настоящий монстр, поднимавший в небо лунную ракету Сатурн V имел тягу 6,77 меганьютон, а самый современный Raptor от корабля Starship и ускорителя Super Heavy имеет тягу всего…2000 килоньютон. И он считается мощным двигателем. Ситуация складывается печальная. Можно ли как то улучшить ситуацию, сделать двигатели мощнее, экономичнее? Можно, и об этом статья.

«Новый» тип двигателей

Сама по себе идея клиновоздушного реактивного двигателя не нова. В 1960-х годах Рокетдайн проводил обширные испытания с различными вариантами. Более поздние версии этих двигателей были основаны на крайне надёжных ЖРД J-2 (Рокетдайн) и обеспечивали приблизительно тот же уровень тяги, что могли обеспечить те двигатели, на которых они были основаны: ЖРД J-2T-200k обладал тягой 90,8 тс (890 кН) и ЖРД J-2T-250k обладал тягой 112,2 тс (1,1 МН) (буква «T» в наименовании двигателя указывает на тороидальную камеру сгорания). Позже создавались и другие прототипы и проводились испытания, но до полноценной реализации так и не доходило. Клиновоздушные двигатели даже планировалось использовать на Шаттлах, но выбрали более консервативное решение. Но технологии не стоят на месте, а актуальность этого типа двигателей растет.

В июле 2014 года Firefly Space Systems объявила, что в своей новой ракете-носителе Firefly Alpha будет использовать клиновоздушный двигатель на первой ступени. Так как данная модель предназначается для рынка запуска малых спутников, ракета будет выводить спутники на низкую околоземную орбиту по цене 8-9 миллионов долларов за запуск. Firefly Alpha сконструирована так, чтобы поднимать на орбиту 400 кг полезного груза. В конструкции ракеты задействуются композитные материалы — в том числе углеродное волокно. Клиновоздушный двигатель, применяемый в ракете, имеет тягу в 40,8 тс(400 кН). Правда, На данный момент работа застопорилась, и будущее именно этой ракеты выглядит туманно.

Так как это работает?

Для начала разберем, как работает классический реактивный ракетный двигатель. Очень упрощая, в камере сгорания смешивается и сгорает смесь топлива и окислителя(в качестве последнего применяют как правило жидкий кислород). Раскаленная до нескольких тысяч градусов смесь газов, образовавшаяся в результате сгорания под давлением выбрасывается из двигателя через сопло на огромной скорости, создавая тягу(спасибо закону сохранения импульса 😉 ), и ракета красочно отправляется к звёздам(иногда не отправляется, это называют аварией)). В контексте статьи самый главный элемент этой технологической фантасмагории это сопло.

Тут дело вот в чем, если просто сделать дырку в камере сгорания и поджечь топливо, тяга, конечно, будет, но минимальная, раскаленные газы будут выходить во все стороны и лишь малая часть будет вырываться в направлении, необходимом для создания тяги, да и скорость выходящих газов будет так себе, вобщем, печаль — беда, так до космоса не долетишь, а долететь хочется. Для того, чтобы направлять выхлопные газы, а так же разгонять их побыстрее, желательно до нескольких чисел Маха умные люди придумали Сопло Лаваля. Сопло было предложено в 1890 году шведским изобретателем Густафом де Лавалем для паровых турбин, а позже нашло своё применение в ракетостроении.

Самое простое сопло Лаваля представляет из себя два усечённых конуса, соединённых в одну конструкцию. Реальные современные сопла профилируются на основе газодинамических расчетов и компьютерных симуляций.

Иллюстрация работы сопла Лаваля. По мере движения газа по соплу, его абсолютная температура Т и давление Р снижаются, а скорость V возрастает. М — число Маха.

Итак, на сужающемся, т.н. докритическом участке сопла движение газа происходит с дозвуковыми скоростями. В самой узкой,критической части сопла скорость газа достигает звуковой. На расширяющемся, закритическом участке, газ движется со сверхзвуковыми скоростями.

Выглядит просто идеально. Но всё не так гладко, свои коррективы, например, вносит атмосфера, а именно атмосферное давление, которое тоже действует на поток газа, и на разных высотах действует по разному, серьезно влияя на эффективность двигателя. На любой высоте над поверхностью Земли с разным давлением атмосферы сопло может быть сконструировано практически идеально, но та же самая форма будет менее эффективна на другой высоте с другим давлением воздуха. Таким образом, по мере того как ракета поднимается через атмосферу, эффективность её двигателей вместе с их тягой претерпевает значительные изменения, которые достигают 30 %. Например, двигатели RS-24 МТКК «Спейс шаттл» могут генерировать тягу со скоростью газовой струи 4525 м/с в вакууме и 3630 м/с на уровне моря. По сути двигатель работает «не на полную», куча драгоценного топлива, которое, кстати, составляет бОльшую часть массы ракеты, тратится впустую. Клиновоздушный реактивный двигатель решает эту проблему. Как? Расширяющейся частью сопла становится сама атмосфера! И такое «сопло» саморегулируется, сохраняя одинаковую эффективность на любой высоте.

В конструкции клиновоздушного двигателя проблема эффективности на различной высоте решается следующим образом: вместо одной точки выхлопа в виде небольшого отверстия в центре сопла используется клиновидный выступ, вокруг которого устанавливается ряд камер сгорания. Клин формирует одну сторону виртуального сопла, в то время как другая часть формируется проходящим потоком воздуха в ходе полета. Этим объясняется его первоначальное название «двигатель аэроспайк» (aerospike engine, «воздушно-клинный двигатель»).

Вот так это выглядит. По сути, такой двигатель выступающим клином формирует сужающуюся(докритическую) часть сопла. Остальное формирует сама атмосфера. Гениальное решение.

Недостатком такой конструкции является большой вес центрального выступа и дополнительные требования по охлаждению из-за большей поверхности, подверженной нагреву. Также большая площадь охлаждаемой поверхности может уменьшить теоретические уровни давления на сопло. Дополнительным отрицательным фактором является относительно плохая производительность такой системы при скоростях 1-3 Маха. В данном случае воздушный поток сзади летательного аппарата имеет уменьшенное давление, что снижает тягу.

Существует несколько модификаций этого дизайна, которые отличаются по их форме. В «тороидальном клине» центральная часть имеет форму сужающегося конуса, по краям которого осуществляется концентрический выход реактивных газов.

Практическое использование

Несмотря на очевидные преимущества, на данный момент клиновоздушные двигатели почти нигде не применяются, хотя планы по их применению есть и разработки ведутся.

20 сентября 2003 года объединённая команда Университета штата Калифорния в Лонг-Бич и компании Garvey Spacecraft Corporation успешно провела испытательный полет ракеты с КВРД в пустыне Мохаве. Студенты университета разработали ракету Prospector 2, используя двигатель с тягой 448,7 кгс (4,4 кН). Эта работа над клиновоздушными двигателями не прекращается — ракета Prospector 10 с 10-камерным КВРД была испытана 25 июня 2008 года. В марте 2004 года были проведены два успешных испытания в Лётном исследовательском центре НАСА им. Драйдена (база Эдвардс, США) с малоразмерными твердотопливными ракетами с тороидальными двигателями, которые достигли скорости 1,1 М и высоты 7,5 км. Другие модели малоразмерных клиновоздушных ракетных двигателей находятся в стадии разработок и испытаний. У клиновоздушных двигателей есть проблемы и недостатки, в том числе высокая сложность и стоимость, но их преимущества делают их весьма перспективными. В обозримом будущем они будут активно применяться, хоть и не заменят полностью классические двигатели на сопле Лаваля.

Как работают ракеты: полное руководство

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

Ракеты

— лучший способ 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 восходящую 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 ракетных 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.

По мере того, как 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 мертвого 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.

Взлет

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 захватывающее путешествие по Солнечной системе и за ее пределы, от удивительных технологий и космических кораблей, которые позволяют человечеству выйти 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. Одними из наиболее эффективных пропеллентов являются 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 на высоте 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 происходит из-за так называемого эффекта Оберта , неожиданного свойства уравнений ракеты, которое означает, что ракета более эффективна, когда она движется с более высокой 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 космических полетов 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].

All About Space — это книга, в которой потрясающие изображения сочетаются с доступным и авторитетным текстом, чтобы обучать и вдохновлять читателей всех возрастов, отправляя их в захватывающее путешествие по Солнечной системе к известным пределам Вселенной. All About Space, характеризующийся качеством и доступностью, — это бренд, посвященный предоставлению экспертных комментариев о последних передовых исследованиях, технологиях и теориях в развлекательной и визуально ошеломляющей форме.

Получите фантастические предложения, подписавшись на цифровое и/или печатное издание прямо сейчас. Подписчики получают 13 выпусков в год!

Как работают модели ракетных двигателей? – Модель ракеты

Модели ракет вызывают восхищение у многих людей, потому что, по крайней мере в небольшом масштабе, вы можете испытать ту же самую базовую физику, которая доставила космический корабль на Луну и дальше. И все начинается с двигателя.

Как работают модели ракетных двигателей?

Модельные ракетные двигатели содержат смесь топлива и окислителя (топливо), заключенную в цилиндрический корпус. При воспламенении двигатель выбрасывает выхлопные газы через сопло двигателя и толкает ракету вперед. В зависимости от конструкции двигатель обычно имеет выбрасывающий заряд для раскрытия парашюта сверху ракеты.

Это основной ответ на вопрос: «Как моделируют ракетные двигатели?
работает?», но то, как работает ракетный двигатель вашей модели, будет зависеть от того, какой тип
модель ракетного двигателя, которую вы используете.

Чтобы узнать больше о типах двигателей, топливах, марках и уровнях мощности, читайте ниже. Я также включил несколько изображений и ссылок на видео, чтобы помочь вам лучше понять, как работает модель ракетного двигателя.

Вы все еще используете стандартные контроллеры Estes для своих запусков?

Мы только что создали наши собственные красивые контроллеры запуска, которые делают запуски НАМНОГО более увлекательными, и мы задокументировали КАЖДЫЙ шаг и приобретенный предмет и включили их в пошаговый курс, который научит вас делать то же самое. .

Щелкните здесь, чтобы узнать больше о том, как создавать собственные контроллеры запуска!

Получите ТОЧНЫЙ список материалов вместе с простыми пошаговыми инструкциями о том, как создать свой собственный контроллер запуска и сделать запуски в 10 раз ЛУЧШЕ в нашем курсе: Лицензия на запуск

Как работает модель ракетного двигателя, шаг за шагом

Нужно немного больше подробностей о том, как работает модель ракетного двигателя
работает? Вот что вам нужно знать.

1. Зажгите ракетный двигатель вашей модели, вставив
   электрозапальник в глиняную насадку.
2. Электрический ток воспламеняет топливо и
   оно горит.
3. При сгорании топливо выбрасывается под высоким давлением.
   газ.
4. Газ выходит из глиняного сопла и
   создает тягу, толкая ракету вперед.
5. После того, как топливо израсходовано, дым или
   Заряд замедления, находящийся за метательным топливом, начинает гореть.
6. Заряд замедления оставляет дымовой след, чтобы помочь
   Вы следите за своей ракетой.
7. Заряд замедления помогает ракете достичь цели.
   максимальной высоты в течение нескольких секунд.
8. Когда заряд замедления израсходован, выброс
   заряжать пожары.
9. Выбросной заряд создает давление в ракете и
   выбрасывает парашют или подобное спасательное устройство.
10. Ваш
    ракета падает на землю. Пора искать!

Существуют ли разные типы двигателей для моделей ракет?

Большинство моделей ракетных двигателей состоят из твердого топлива,
рассчитан на одноразовое использование. Однако существует несколько типов моделей ракет.
двигатели.

Чтобы узнать больше о моделях ракетных двигателей, изучите
одноразовые и перезаряжаемые двигатели, жидкотопливные и твердотопливные, дымный порох и др.
композитные двигатели и различные модели ракетных двигателей.

Одноразовые и перезаряжаемые

Существует три типа двигателей ракетных двигателей моделей: одноразовые, заряжаемые и перезаряжаемые. Вот плюсы и минусы каждого из них.

Модельный модельный ракетный двигатель

• Более дорогой в целом
• Проще собрать и использовать
• Обычно то, что вы найдете в магазинах хобби
• . Не требуется возраст или Retruction

999999999969

Ракетный двигатель с перезаряжаемой моделью

• Более низкая стоимость за полет5 при сборке 9015 Больше 9015 шагов, чем другие двигатели
• Обычно требуется специальный заказ (не продается в магазинах товаров для хобби)
• Только для лиц старше 18 лет

Твердое топливо или жидкое топливо

В ракетном двигателе вашей модели используется твердое или жидкое топливо?
топливо?

В «твердотопливной» ракете горючее и окислитель объединяются, образуя
твердое топливо, хранящееся в цилиндре внутри корпуса ракеты. Твердое тело
порох горит при воздействии внешнего источника тепла, например воспламенителя.

При сгорании твердого топлива выхлопные газы выходят наружу и приводят в движение
ракета. «Фронт пламени» перемещается в топливо до тех пор, пока оно полностью не сгорит.
вверх.

Жидкостные ракетные топлива состоят из топлива и кислорода в жидкой форме, которые смешиваются в камере сгорания и затем воспламеняются. Ракетчик может фактически контролировать количество производимой тяги. Они также могут управлять потоком топлива и самим двигателем.

Твердый пропеллент

• Проще говоря,
• Не может остановить двигатель, как только воспламеняется
• , может сидеть в течение многих лет без стрельбы
• FUER и OxyGen.

  Жидкостное топливо

  • Тяжелее и сложнее
  • Ракетчик может остановить тягу, отключив подачу топлива
  • Должен загружаться непосредственно перед запуском
  • Должен смешиваться в камере сгорания
  • Более дорогой
  • Ракетчик может управлять тягой, двигателем и подачей топлива

  Источник: НАСА черный порох
  топливо. Композитные двигатели состоят из топлива и окислителя, смешанного с
  резиновое связующее. Основным компонентом является перхлорат аммония.

  Черный порох

  Двигатели на черном порохе чаще всего используются в моделях ракет. По данным lunar.org, они состоят из бумажной трубки с глиняным соплом и твердой гранулы черного пороха.

  Черный порох, также называемый порохом, состоит из древесного угля, нитрата калия и серы. По данным Apogee Rockets, он дешевле других видов топлива, но не создает столько энергии на килограмм топлива.

  Двигатели на черном порохе:

  • Недорогие
  • Легко найти
  • Готовые к использованию

  удельная мощность по сравнению с другими двигателями. Они ограничены в размерах и могут
  должны быть отправлены только через доставку HAZMAT.

  Композит

  Композитные двигатели состоят из комбинации топлива и окислителя,
  которые вызывают химическую реакцию при смешивании. Вы можете найти их в одноразовых или
  перезагружаемые стили.

  Композитные двигатели:

  • Высокоэнергетические
  • Доступны практически всех размеров и мощностей
    уровней
  • Цвет пламени настраивается по индивидуальному заказу

  В то время как композитные двигатели имеют до трех раз большую мощность
  черный порох на развес, имейте в виду, что он дороже черного
  порошок, его трудно найти, и он более совершенен в использовании.

  Различные марки ракетных двигателей

  Вы можете найти свою модель ракеты в магазине для хобби, таком как Hobby Lobby или Michaels. Есть также множество возможностей онлайн-покупок на таких сайтах, как Amazon и Apogee Rockets. Доступные для вас бренды будут зависеть от того, где вы ищете.

  Вы ищете двигатель на дымном порохе или композитный двигатель? какая
  размер и уровень мощности вы хотите? Вот некоторая полезная информация, которая поможет вам
  определить, какая модель ракетного двигателя подходит именно вам.

  Aerotech: Aerotech популярен и универсален. Вы можете
  найдите их в одноразовых, загружаемых или перезагружаемых стилях. Они бывают 18 мм D
  размера и выше, согласно Apogee Rockets. Это двигатель большой мощности, т.
  более доступным, чем другие бренды.

  Estes: Вы можете найти двигатели Estes везде, специальный онлайн-заказ не требуется. Это один из лучших вариантов для начинающих. В большинстве двигателей Estes используется черное моторное топливо, но есть несколько моделей с составным топливом.

  Квест: Квестовые двигатели сравнимы с Эстес, за исключением
  они известны более длинными хвостами и еще проще в использовании. Тем не менее, Эстес
  обычно легче найти. Все двигатели Quest используют дымный порох.

  Cesaroni: модели Cesaroni используют
  композитно-перегружаемые двигатели. Они поставляются с предварительно собранными комплектами, чтобы сделать ваш
  составной двигатель переживает гораздо легче.

  Это одни из самых популярных моделей ракетных марок.
  доступный. Вы должны выбрать свой бренд на основе того, что доступно рядом с вами и
  функции, которые вы хотите в вашем двигателе.

  Я рекомендую Estes или Quest для новеньких ракетчиков. Чтобы узнать больше, ознакомьтесь с нашей статьей «Лучшие модели ракет для начинающих».

  Из каких частей состоит модель ракетного двигателя?

  Чтобы лучше узнать двигатель вашей модели ракеты, вам нужно
  необходимо знать детали внутри двигателя. Части немного различаются в зависимости от
  по мощности, размеру и марке, но типовые детали любой модели ракетного двигателя
  включают:

  • Сопло на одном конце
  • Топливо за соплом (черный порох или
    композит)
  • Задержка за топливом
  • Выброс заряда на другом конце

  Двигатель горит и имеет эффект домино, чтобы сделать ваш
  модель ракеты парит.

  Когда вы поджигаете свою модель ракеты, топливо сгорает и
  производит газ. Газ выходит через сопло, а тяга от
  двигатель подстегивает ракету.

  Когда топливо полностью израсходовано, начинается заряд замедления
  сжечь. Заряд замедления не создает тяги, но позволяет ракете
  побережье на мгновение до самой высокой точки. Плата за задержку также создает поток
  дыма, чтобы вы могли лучше наблюдать за своей ракетой.

  Когда задержка завершена, поджигает метательный заряд,
  который выталкивает носовой обтекатель и парашют или косу.

  Вот отличное видео, показывающее различные части двигателя:

  Каковы размеры моделей ракетных двигателей?

  Модели ракетных двигателей размером от 6 до 98 мм в
  диаметр.

  «Мини» Двигатели A имеют диаметр около 13 мм и диаметр 45 мм.
  длинная.

  Двигатели A, B и C считаются «стандартными» в
  размер. Они имеют диаметр около 18 мм и длину 70 мм.

  Двигатели D и E имеют диаметр около 24 мм и длину 70 мм, но могут быть и длиннее.

  Двигатели средней и большой мощности могут быть 29мм, 38мм, 54мм,
  или большего диаметра. Длина варьируется в зависимости от выбранного вами бренда.

  Классификационная модель
  ракетные двигатели с буквами и цифрами

  Вы, наверное, видели буквы и цифры, описывающие модель
  ракетных двигателей, и вам может быть интересно, как расшифровать эти инопланетные
  категории. Я провел небольшое исследование, чтобы тоже узнать таинственную
  язык ракетостроения.

  Буквы: Модели ракетных двигателей относятся к категории с
  буква A-G в зависимости от тяги или импульса, создаваемого двигателем. Этот
  значение измеряется в ньютонах.

  Двигатель типа А может иметь импульс от 1,26 до 2,5
  ньютоны. Ньютон – это сила, необходимая для ускорения одного килограмма со скоростью
  один метр на секунду в квадрате. Двигатели

  B могут иметь мощность от 2,6 до 5 ньютонов. Двигатели

  C имеют импульс примерно от 5,1 до 10 ньютонов. Двигатели

  D имеют диапазон мощности от 10,1 до 20 ньютонов и так далее.

  По сути, двигатель B в два раза мощнее двигателя A,
  и вы продолжаете удваивать свою силу оттуда.

  Какое значение имеет мощность вашей ракеты? Очевидно,
  мощность вашей ракеты определяет, как быстро и как высоко будет летать ваша ракета.

  Подумайте о своей цели в опыте с моделью ракеты и
  место, где вы будете использовать свою ракету. Более мощным может стать
  проблема, когда вы теряете свою ракету на крыше незнакомца. (Убедитесь, что вы
  запуск в безопасном и открытом месте!)

  Числа: Буква — не единственный способ классифицировать
  модель ракетного двигателя. Вы часто будете видеть число, следующее за буквой, или даже
  две цифры после буквы. Например, вы, возможно, слышали о C4 или
  Б6-2.

  Nar.org опубликовал веб-страницу «Стандартные коды двигателей», которая поможет нам разобраться в этой системе. Модель ракетного двигателя классифицируется по:

  1. A
     буква, обозначающая общий импульс
  2. A
     число, указывающее среднюю тягу
  3. А
     число, указывающее время задержки между выгоранием и возвратным выбросом

  Число, следующее за буквой, является средним значением двигателя
  тяга в ньютонах. Тяга определяется скоростью сгорания топлива. За
  например, двигатель B4 работает медленнее, и ему требуется больше времени, чтобы израсходовать топливо.
  чем B6, который использует все свое топливо менее чем за одну секунду.

  Помните: чем меньше второе число, тем медленнее будет лететь ракета, потому что медленнее сгорает топливо.

  Второе число или число после тире — это время
  что заряд замедления сгорает. Если вы прочтете статью «Из каких частей состоит модель
  ракетный двигатель? раздел, вы можете помнить, что заряд замедления сгорает после
  топливо сгорает и позволяет ракете подняться на максимальную высоту.

  Второе число достаточно легко расшифровать. А Б6-2
  указывает на двухсекундную задержку, тогда как B6-6 указывает на шестисекундную задержку и т. д.

  Вот таблица, которая поможет вам определить, какой тип
  Модель ракетного двигателя соответствует вашему уровню навыков:

  Класс двигателя	Мощность	Уровень квалификации
  1/2А	0,63–1,25 ньютон-секунды	1
  А	1,26–2,50 ньютон-секунды	1
  Б	2,51-5 ньютон-секунд	1 и 2
  С	5,01-10 Ньютон-секунд	1, 2, 3
  Д	10.01-20 Ньютон-секунд	2 и 3
  Е	20.01-40 Ньютон-секунд	3 и 4
  Ф	40.01-80 Ньютон-секунд	4
  грамм	80,01-160 Ньютон-секунд	4

  Обратите внимание:

  • В модели используются ракетные двигатели класса A-G.
    ракетная техника
  • Классы HO используются в ракетной технике большой мощности и
    требуется сертификация
  • Классы OS требуют дальнейшей сертификации и
    включают самые большие двигатели, доступные любителям
  • классы S-AH применимы только к профессиональным ракетам,
    которые не используют эту номенклатуру

  Каков мой уровень квалификации?

  Давайте коснемся уровня квалификации, на тот случай, если вы не уверены, какой тип двигателя купить, основываясь на своем предыдущем опыте. Чтобы найти действительно отличный ресурс с более полной информацией об уровне навыков, посетите страницу Apogee Rockets «Измерение вашего уровня навыков».

  Имейте в виду, что ваши навыки должны основываться на навыках предыдущих уровней, поэтому, если у вас есть навыки третьего уровня, у вас также должны быть все навыки, упомянутые на втором и первом уровнях.

  Использовать ракету малой или большой мощности?

  «Маломощные» ракеты могут включать в себя все до Е
  двигатель.

  Ракеты средней мощности могут включать двигатели D и E, но
  конечно двигатели F и G.

  Ракеты «большой мощности» включают двигатели H.

  Если вы новичок в моделировании ракет, купите комплект в
  ваш местный магазин хобби. Прочитайте комплект, чтобы узнать, какой тип или типы двигателей
  подходят для выбранной вами ракеты. Вероятно, вам следует начать с
  маломощная ракета.

  После того, как вы впервые полетаете на маломощном двигателе, вы можете получить
  лучше почувствуй, как высоко и далеко полетит твоя ракета, и какой двигатель
  вы хотите в будущем.

  Информация об ограничениях и сертификатах

  Да, есть некоторые ограничения и сертификаты при
  касается моделей ракет и моделей ракетных двигателей. Вы можете быть удивлены тем, как
  мощные некоторые из этих любительских двигателей!

  Вот что вам нужно знать об ограничениях для моделей ракетных двигателей:

  • Любой может приобрести ракетные двигатели, засекреченные
    A-G
  • Для приобретения и эксплуатации двигателей H или I необходимо
    быть сертифицированным уровнем 1
  • Чтобы приобрести и эксплуатировать двигатели J, K или L, вы
    должен быть сертифицирован уровень 2
  • Чтобы приобрести и эксплуатировать двигатели M, N и O, вы
    должен быть сертифицирован уровень 3

  Как получить сертификат уровня 1, уровня 2, уровня 3 или
  уровень 4, чтобы купить и запустить некоторые из этих более совершенных ракет?

  Чтобы стать ракетчиком 1-го уровня:

  Шаг 1: Станьте членом NAR (Национальной ассоциации ракетной техники) или TRA (Ассоциации ракетной техники Триполи)

  Вы должны стать членом, прежде чем получить сертификат
  летающие двигатели H-класса или выше.

  Используйте приведенные выше ссылки на веб-сайты, чтобы посетить их сайты и узнать
  подробнее о получении сертификата с ними. Первым шагом является завершение
  приложение онлайн.

  TRA взимает 40 долларов за взрослого за годовое членство, или
  $50/семья. Вы платите снова каждый год, чтобы продлить свое членство. НАР предлагает
  единовременный взнос в размере 1000 долларов США, чтобы стать участником на всю жизнь.

  Зачем регистрироваться в NAR? NAR предлагает:

  • Страхование ответственности за полеты на ракетах на сумму 5 миллионов долларов
  • Такие ресурсы, как Справочник участника NAR (a
    руководство по ракетной технике) и доступ к веб-сайту «Ресурсы для участников»
  • Возможность пройти сертификацию для
    ракетная техника
  • Доступ к клубам, отчеты и шесть выпусков Спорт
    Журнал Rocketry

  Зачем регистрироваться в TRA? TRA предоставляет:

  • 3 миллиона долларов США с первичным страхованием полета на ракете
  • Частные и активные форумы, на которых участники могут задавать вопросы, связанные с ракетами
  • Доступ к сертификационным курсам, чтобы вы могли продвинуться в ракетостроении

  Шаг 2: Создайте свою ракету уровня 1

  Если вы хотите получить уровень 1, уровень 2 , уровень 3 или уровень
  4, вы должны начать с сертификации уровня 1 (и продолжать
  оттуда!)

  Имейте в виду, что правила различаются в зависимости от того, являетесь ли вы членом TRA или NAR. Вот ссылки на правила и процедуры TRA и правила и процедуры NAR.

  Вот несколько вещей, которые вы должны знать о создании своего
  Сертификационная ракета уровня 1:

  • друга, и вы не можете работать в группе.
  • Вы можете собрать свою ракету из набора или из
    царапать.
  • Ваша ракета должна лететь с двигателем H или I.
    Тем не менее, вы можете сначала испытать свою ракету с двигателем G, прежде чем
    запуск под наблюдением.
  • Провести контролируемый запуск.

  Вам следует приобрести один двигатель H или I и настроить
  встреча с официальным наблюдателем. Вы можете найти как свой двигатель, так и свой
  наблюдатель через вашу организацию (NAR или TRA). Свяжитесь со своим наблюдателем
  до назначенного дня, чтобы убедиться, что вы оба четко указали время и место.

  Наблюдатель будет смотреть, как вы собираете и запускаете ракету.
  Затем вы должны забрать свою модель ракеты и вернуть ее вашему наблюдателю.

  Если вы потеряете свою ракету или она вернется со значительным
  повреждения, вы не пройдете сертификационный тест. Если вы успешно запустите
  и забрать свою ракету, и она все еще летает, вы пройдете
  сертификация. Ваш наблюдатель отправит вам форму сертификации уровня 1.

  После получения сертификата вы можете покупать и летать H и
  Двигатели I категории.

  Чтобы получить сертификат уровня 2:

  Шаг 1: Соберите ракету уровня 3

  Если вы хотите получить сертификат для покупки и запуска двигателя J или K, пришло время построить ракету уровня 2 и пройти еще один сертификационный тест. . Джеймс Йон предполагает, что если вы выберете правильный ракетный комплект и двигатель, вы сможете пройти сертификацию уровня 1 и уровня 2 с одной и той же ракетой!

  Шаг 2: подготовка к письменному экзамену

  Перед запуском ракеты 2-го уровня вам необходимо сдать письменный экзамен. Ваша организация предлагает руководства с ответами, которые вам необходимо знать. Если вы внимательно изучите данное руководство, вы сможете пройти тест без труда.

  Шаг 3: Проведите контролируемый запуск

  Убедитесь, что ваша ракета и двигатель готовы, а ваш
  наблюдатель знает нужное время и место. На старте собери свою ракету
  и запустите его с панели запуска. Возьмите свою ракету и покажите своему наблюдателю, что
  он все еще в хорошем состоянии.

  Чтобы получить сертификат уровня 3:

  Шаг 1: Спроектируйте и постройте ракету уровня 3

  Спроектируйте свою ракету и затем получите одобрение от вашего TRA
  или технический консультант NAR. Вам нужно будет провести исследование, чтобы спроектировать ракету.
  который может успешно летать на двигателе М.

  Шаг 2: Планирование запуска

  Заполните документы, такие как заявление на сертификацию и аффидевит о строительстве. Назначьте встречу с вашим наблюдателем TRA или NAR и подтвердите дату и время.

  Шаг 3: Запустите ракету 3-го уровня

  Правила такие же, как и при предыдущих запусках, но не забывайте
  Имейте в виду, что ваш двигатель намного мощнее и риски выше. Быть
  уверены в месте, которое вы выбрали для запуска. Вам понадобится много места
  так что вы можете успешно вернуть свою ракету, которая летела высоко и быстро
  в небо.