Содержание
Как устроен ракетный двигатель? О принципах работы и видах топлива
Ракетные двигатели — одна из наиболее обсуждаемых тем на канале. При этом, ещё не было публикации с кратким ликбезом по их устройству. Сегодня поговорим о жидкостных ракетных двигателях (ЖРД).
Во-первых, следует сказать, что ракетные двигатели — это реактивные двигатели. Реактивное движение возникает за счёт отделения от ракеты-носителя части массы (горящего топлива) с определённой скоростью относительно неё в направлении, противоположном движению.
Далее перейдём к основным отличиям ракетных, скажем, от автомобильных, авиационных или судовых двигателей. В целом их довольно много, но наиболее заметным является то, что ракетным двигателям для работы нужно не только горючее, но и окислитель.
Дело в том, что все вышеперечисленные двигатели работают в условиях плотной кислородсодержащей атмосферы Земли, в которой кислород, поддерживающий горение, и является окислителем.
Ракета-носитель же слишком быстро выходит за пределы плотных слоёв атмосферы, поэтому ей и необходим окислитель в качестве дополнительного компонента топлива. Таким образом, запоминаем, что ракетное топливо является двухкомпонентным.
В качестве горючего, как правило, используются:
- керосин;
- сжиженный метан;
- сжиженный водород.
Окислитель:
- понятное дело, сжиженный кислород.
Для сжижения газ сильно охлаждают. Помимо прочего, существуют топливные пары и без кислорода. Так, к примеру, на взлётной ступени американского взлётно-посадочного аппарата серии «Аполлон» и для взлётного двигателя и для двигателей системы ориентации в качестве горючего использовался аэрозин-50 (несимметричный диметилгидразин (Ch4)2NNh3 (НДМГ, гептил) + гидразин (Nh3)2), а окислителя — тетраоксид диазота (N2O4). Собственно, самой распространённой бескислородной парой является «гептил (горючее) – тетраоксид диазота (окислитель)». На ней, к примеру, летают РН семейства «Протон», но постепенно представители ракетно-космической отрасли отказываются от этой пары, так как гептил очень токсичен.
Есть топливные пары без кислорода. Например, Такая пара используется в двигателях ракет семейства «Протон». Гептил очень токсичен.
Существует несколько типов ракетных двигателей.
В жидкостных (ЖРД) топливо и окислитель находятся в жидком состоянии в двух раздельных резервуарах, из которых по трубопроводам они и попадают в камеру сгорания, где они смешиваются и, сюрприз, сгорают, создавая поток горячих газов с высокой скоростью и давлением. Проходя через сопло, сконструированное так, чтобы ещё больше их ускорять, эти газы и создают реактивную тягу.
И это только звучит просто. Основная проблема, как вы понимаете, заключается в очень высокой температуре, которая способна разрушить двигатель. Решение очевидно — стенки камеры сгорания и сопло необходимо охлаждать. И проще всего это сделать, чтобы не увеличивать вес РН и не усложнять двигатель, как ни странно, горючим.
Для этого в стенке камеры сгорания и максимально нагреваемой верхней части сопла создают специальные полости («рубашка охлаждения»), через которые горючее проходит перед тем, как попасть в камеру сгорания. Помните, что для сжижения газ сильно охлаждают? Этим и пользуются.
Именно горючее в данном случае выбирают из-за того, что его, как правило, охлаждают до более низких температур, чем окислитель, чтобы повысить плотность для размещения бо́льшего количества в баках. Это касается даже керосина. Например, в Falcon 9 его охлаждают до −7 °C, что увеличивает его плотность на 2,5 %.
Вообще, в ракетных двигателях решено множество интереснейших инженерных задач, но в рамках этой публикации я расскажу ещё об одной.
Чтобы подавать компоненты топлива в камеру сгорания под высоким давлением, нужны, понятное дело, насосы. При этом создаваемое ими давление должно быть настолько высоким, чтобы преодолевать давление, создаваемое в камере сгорания от сжигания топлива. Опять же, наша задача сделать так, чтобы не утяжелять РН.
На этот раз мы непосредственно используем часть топлива, которое подаётся в газогенератор (скажем так, в камеру «предварительного» сгорания), в которой образуется горячий газ, приводящий в действие турбину, которая, в свою очередь, и запускает насосы (по два на валу турбины).
Но что делать с топливом из газогенератора?
Вариантов, собственно, два: сбрасывать наружу и дожигать в камере сгорания. Первая схема, называемая «открытой», не очень эффективна, хоть и достаточно проста, ведь топливо из газогенератора не участвует в создании тяги РН, изначально занимая место. Из современных, к примеру, кислородно-керосиновый Merlin компании Space X работает по открытой схеме.
А, скажем, кислородно-керосиновые РД-180 работают по закрытой схеме, в рамках которой горячий газ сначала вращает турбину турбонасосного агрегата, а затем подаётся в камеру сгорания, эффективно участвуя в создании тяги. Казалось бы, почему всё время не делать ракетные двигатели закрытого цикла? Дело в том, что такие двигатели дороже, сложнее в производстве, да и нагрузка на турбину значительно выше, что повышает риск отказов.
Есть и ещё одна очень эффективная схема работы ракетного двигателя — полнопроточная закрытая. В этом случае всё топливо проходит через газогенератор. В СССР ещё в середине 1960-х создавались такие двигатели — РД-270. Для их работы требуются по два газогенератора и турбонасосных агрегата, ведущих в одну камеру сгорания, и работающих параллельно. Собственно, проблема заключалась в том, что для синхронизации работы тогда не существовало быстродействующего бортового компьютера, из-за чего, при рассинхронизации работы турбонасосных агрегатов, возникали низкочастотные пульсации в газогенераторе и камере сгорания.
Почему-то, несмотря на развитие компьютерной техники, у нас не стали разрабатывать эти двигатели сегодня. Но нашёлся человек, который не дал пропасть заделу — всё тот же Илон Маск, в компании которого разработали кислородно-метановые двигатели полнопроточной закрытой схемы Raptor.
Открытая, закрытая, полнопоточная закрытая схема / © Википедия
Можно ли сделать более эффективный ракетный двигатель?
Пожалуй, наиболее интересным является создание трёхкомпонентного двигателя многократного использования. Тут речь о том, что на старте использовалась бы пара керосин-кислород, а на больших высотах первый заменялся бы на водород.
Дело в том, что керосин обладает высокой плотностью, а водород обеспечивает более высокие значения удельного импульса, что вполне может значительно расширить возможности РН. К примеру, можно было бы создать с таким двигателем одноступенчатую многоразовую РН, способную доставлять на околоземные орбиты ничуть не меньше полезной нагрузки, что значительно удешевит этот процесс.
Оценивайте публикацию, подписывайтесь и приходите в telegram-канал и чат для дискуссий на научные темы.
Работа двигателя ракеты: фото, характеристики, видео
Особенности конструкции турбореактивного двигателя
ТРД состоит из следующих элементов:
- входного устройства;
- компрессора;
- камеры сгорания;
- турбины;
- сопла.
Во время полета набегающий поток воздуха тормозится во входном устройстве: его скорость превращается в давление. Далее струя воздуха поступает в компрессор, который еще больше увеличивает степень ее сжатия. В камере сгорания происходит нагревание при сжигании топлива. Из нее предельно разогретый и сжатый поток направляется в турбину. Там газы совершают работу, вращая лопатки, которая передается компрессору и другим вспомогательным агрегатам.
Конструкция турбореактивного двигателя
При выходе из турбины ТРД газ имеет давление, значительно превосходящее атмосферное. Благодаря этому достигается высокая скорость его истечения из выходного сопла, что создает реактивную тягу.
В 60-е и 70-е годы прошлого столетия ТРД широко применялись на различных типах гражданских и военных самолетов. Позже им на смену пришли двухконтурные турбореактивные двигатели (ТРДД), имеющие лучший КПД, особенно при полетах на дозвуковых скоростях. По существу, сегодня они являются основными моторами современной авиации. Каков же принцип работы ВРД подобного типа?
Внутренний (первый) контур любого ТРДД представляет собой, по сути, обычный турбореактивный двигатель. Воздух, пройдя воздухозаборник, попадает в низконапорный компрессор, называемый еще вентилятором. После этого он разделяется на два потока: один, из которых попадает во внутренний контур, где проходит обычный для ТРД цикл, описанный выше. Второй входит в наружный контур, минуя турбину и камеру сгорания, и попадает в сопло, где смешивается с потоком, выходящим из первого контура. Такой тип двигателя называется ТРДД со смешением потоков.
https://youtube.com/watch?v=-_qi7ZaQcK4
Благодаря наличию внешнего контура общая скорость истечения газа из сопла уменьшается, что повышает тяговый КПД. Важнейшей характеристикой любого ТРДД является степень его двухконтурности – это отношение расхода воздуха через внутренний и внешний контур. Двигатели с большой степенью двухконтурности (выше 2) называются турбовентиляторными. Главным недостатком моторов этого типа является их значительные размеры и масса, а достоинством – высокая экономичность. Турбовентиляторными двигателями оснащается большинство коммерческих авиалайнеров и транспортных самолетов.
Существует несколько способов повышения эффективности работы ТРД и ТРДД:
- форсажная камера;
- регулируемое сопло;
- управление вектором тяги.
Любой ТРД имеет резерв мощности: избыток кислорода в камере сгорания. Однако использовать его напрямую – через увеличение впрыска топлива – нельзя: более высокую температуру не выдерживают детали двигателя. Конструкторы выбрали другой путь, и он оказался правильным: между турбиной и соплом сжигается дополнительное топливо, что увеличивает температуру рабочего тела и значительно повышает тягу (до 1,5 раза). Форсажные камеры в основном устанавливаются на боевых самолетах.
Конструкция турбовентиляторного двигателя. Именно таким мотором оснащаются современные пассажирские лайнеры
Регулируемое сопло состоит из подвижных продольных элементов, управляя положением которых, можно изменять геометрию самой узкой части выходного отверстия двигателя. Это позволяет оптимизировать работу мотора на разных его режимах.
Классы реактивных двигателей:
Все реактивные двигатели подразделяют на 2 класса:
- Воздушно-реактивные – тепловые двигатели, использующие энергию окисления воздуха, получаемого из атмосферы. В этих двигателях рабочее тело представлено смесью продуктов горения с остальными элементами отобранного воздуха.
- Ракетные – двигатели, которые на борту содержат все необходимые компоненты и способны работать даже в безвоздушном пространстве.
Прямоточный воздушно-реактивный двигатель – самый простой в классе ВРД по конструкции. Требуемое для работы устройства повышение давления образуется путем торможения встречного воздушного потока.
Рабочий процесс ПВРД можно кратко описать следующим образом:
Во входное устройство двигателя поступает воздух со скоростью полета, кинетическая его энергия преобразуется во внутреннюю, давление и температура воздуха повышаются. На входе в камеру сгорания и по всей длине проточной части наблюдается максимальное давление.
- Нагревание сжатого воздуха в камере сгорания происходит путем окисления подаваемого воздуха, при этом внутренняя энергия рабочего тела увеличивается.
- Далее поток сужается в сопле, рабочее тело достигает звуковой скорости, а вновь при расширении – сверхзвуковой. За счет того, что рабочее тело движется со скоростью, превышающей скорость встречного потока, внутри создается реактивная тяга.
В конструктивном плане ПВРД является предельно простым устройством. В составе двигателя есть камера сгорания, внутрь которой горючее поступает из топливных форсунок, а воздух – из диффузора. Камера сгорания заканчивается входом в сопло, которое является суживающейся-расширяющимся.
Развитие технологии смесевого твердого топлива повлекло за собой использование этого горючего в ПВРД. В камере сгорания располагается топливная шашка с центральным продольным каналом. Проходя по каналу, рабочее тело постепенно окисляет поверхность топлива и нагревается само. Применение твердого горючего еще более упрощает состоящую конструкцию двигателя: топливная система становится ненужной.
Смесевое топливо по своему составу в ПВРД отличается от применяемого в РДТТ. Если в ракетном двигателе большую часть состава топлива занимает окислитель, то в ПВРД он используется в небольших пропорциях для активирования процесса горения.
Наполнитель смесевого топлива ПВРД преимущественно состоит из мелкодисперсного порошка бериллия, магния или алюминия. Их теплота окисления существенно превосходит теплоту сгорания углеводородного горючего. В качестве примера твердотопливного ПВРД можно привести маршевый двигатель крылатой противокорабельной ракеты «П-270 Москит».
Тяга ПВРД зависит от скорости полета и определяется исходя из влияния нескольких факторов:
- Чем больше показатель скорости полета, тем большим будет расход воздуха, проходящего через тракт двигателя, соответственно, большее количество кислорода будет проникать в камеру сгорания, что увеличивает расход топлива, тепловую и механическую мощность мотора.
- Чем больше расход воздуха сквозь тракт двигателя, тем выше будет создаваемая мотором тяга. Однако существует некий предел, расход воздуха сквозь тракт мотора не может увеличиваться неограниченно.
- При возрастании скорости полета увеличивается уровень давления в камере сгорания. Вследствие этого увеличивается термический КПД двигателя.
- Чем больше разница между скоростью полета аппарата и скоростью прохождения реактивной струи, тем больше тяга двигателя.
Зависимость тяги прямоточного воздушно-реактивного двигателя от скорости полета можно представить следующим образом: до того момента, пока скорость полета намного ниже скорости прохождения реактивной струи, тяга будет увеличиваться вместе с ростом скорости полета. Когда скорость полета приближается к скорости реактивной струи, тяга начинает падать, миновав определенный максимум, при котором наблюдается оптимальная скорость полета.
В зависимости от скорости полета выделяют такие категории ПВРД:
- дозвуковые;
- сверхзвуковые;
- гиперзвуковые.
Каждая из групп имеет свои отличительные особенности конструкции.
Первые шаги человека в мир ракетных технологий
Человечество уже достаточно долго знакомо с реактивным движением. Еще древние греки пытались использовать механические устройства, приводимые в движение сжатым воздухом. Позже уже стали появляться устройства и механизмы, совершающие полет за счет сгорания порохового заряда. Созданные в Китае, а затем появившиеся в Западной Европе первые примитивные ракеты были далеки от совершенства. Однако уже в те далекие годы стала обретать первые очертания теория ракетного двигателя. Изобретатели и ученые пытались найти объяснение процессам, которые возникали при горении пороха, обеспечивая стремительный полет физического, материального тела. Реактивное движение все больше и больше интересовало человека, открывая новые горизонты в развитии техники.
История с изобретением пороха дала новый импульс в развитии ракетной техники. Первые представления о том, что такое тяга реактивного двигателя, формировались в процессе длительных опытов и экспериментов. Работы и изыскания велись с использованием дымного пороха. Оказалось, что процесс горения пороха вызывает большое количество газов, которые обладают огромным рабочим потенциалом. Огнестрельное оружие натолкнуло ученых на идею использовать энергию пороховых газов с большей эффективностью.
Вплоть до начала XX века ракетная техника пребывала в первобытном состоянии, основываясь на самых примитивных представлениях о реактивном движении. Только в конце XIX века предпринимаются первые попытки объяснить с научной точки зрения процессы, способствующие возникновению реактивного движения. Оказалось, что с увеличением заряда увеличивалась сила тяги, которая являлась основным фактором работающего двигателя. Это соотношение объясняло, как работает ракетный двигатель и в каком направлении следует идти, чтобы добиться большей эффективности запущенного устройства.
Первенство в этой области принадлежит российским ученым. Николай Тихомиров уже в 1894 году пытался математически объяснить теорию реактивного движения и создать математическую модель ракетного (реактивного) двигателя. Огромный вклад в развитие ракетной техники внес выдающийся ученый XX столетия Константин Циолковский. Результатом его трудов стали основы теории ракетных двигателей, которыми в дальнейшем пользовался любой конструктор ракетных двигателей. Все последующие разработки, создание ракетной техники шли с использование теоретической части, созданной российскими учеными.
Циолковский, поглощенный теорией космических полетов, впервые озвучил идею использовать вместо твердых видов топлива жидкие компоненты — водород и кислород. С его подачи появился жидкостный реактивный двигатель, который сегодня является самым эффективным и работоспособным типом двигателя. Все последующие разработки основных моделей ракетных двигателей, которые использовались при запуске ракет, в основной своей массе работали на жидком топливе, где окислителем мог быть кислород, использовались другие химические элементы.
Когда изобрели ионный двигатель
При всей перспективности ионного двигателя, первый раз его концепцию предложил еще в 1917 году Роберт Годдард. Только спустя почти 40 лет Эрнст Штулингер сопроводил концепцию необходимыми расчетами.
Роберт Годдард.
В 1957 году вышла статья Алексея Морозова под названием ”Об ускорении плазмы магнитным полем”, в которой он описал все максимально подробно. Это и дало толчок к развитию технологии и уже в 1964 году на советском аппарате ”Зонд-2” стоял такой двигатель для маневров на орбите.
Первый аппарат в космосе с ионным двигателем.
По сути, ионный двигатель является первым электрическим космическим двигателем, но его надо было дорабатывать и совершенствовать. Этим и занимались долгие годы, а в 1970 году прошло испытание, призванное продемонстрировать эффективность долговременной работы ртутных ионных электростатических двигателей в космосе. Показанный тогда малый КПД и низкая тяга надолго отбили желание американской космической промышленности пользоваться такими двигателями.
В СССР разработки продолжались и после этого времени. И европейское, и американское космические агентства вернулись к этой идее. Сейчас исследования продолжаются, а выведенные на орбиту образцы двигателей, хоть и не могут быть главным тяговым элементом управления, но зато проходят ”проверку боем”. Собранная информация позволит увеличить мощность ионного двигателя. По разной информации, так удалось увеличить тягу самого мощного подобного двигателя более чем до 5 Н. Если это так, то все действительно не зря.
Возможность продолжительной работы ионного двигателя очень важна, так как он не способен развивать высокую тягу и моментально разгонять корабль до больших скоростей. В нынешних реализациях тяга ионных двигателей с трудом достигает 100 миллиньютонов.
Из-за такой конструктивной особенности, как минимум пока, такой двигатель не дает возможности стартовать с другой планеты, даже если у нее очень маленькая гравитация.
Получается, что использование таких двигателей для дальних путешествий пока невозможно без традиционных тяговых установок на химическом топливе. Зато, их совместное использование позволит гораздо более гибко пользоваться ускорением. Например, за счет обычного двигателя разгонять аппарат до более менее высокой скорости, а потом ускоряться еще больше за счет ионного двигателя.
Покорение дальнего космоса без новых технологий невозможно.
По сути, малая тяга на данный момент является главным недостатком таких двигателей, но ученые работают в этом направлении и в перспективе повысят его мощность, так как определенного прогресса удалось добиться уже сейчас.
Еще одной, пусть и не такой существенной, проблемой является надежность. В целом ионные двигатели достаточно надежны, но надо понимать, что их задача заключается в том, чтобы унести аппарат очень далеко и очень быстро. То есть работать он должен долго, чтобы не ставить под удар всю миссию. Поэтому, пока идут работы над увеличением мощности, разработчики стараются не забывать и о надежности.
Что такое синтез?
Мы и наша планета во многом зависим от миллионов ядерных реакций синтеза, которые каждую секунду происходят внутри ядра Солнца. Без этих реакций у нас бы не было ни света, ни тепла, и, вероятнее всего, жизни. Термоядерный синтез происходит, когда два атома водорода сталкиваются и создают больший атом гелия-4, который испускает энергию в процессе этого.
Вот как происходит эта реакция:
- Два протона в совокупности образуют атом дейтерия, позитрон и нейтрино.
- Протон и атом дейтерия создают атом гелия-3 (два протона и один нейтрон) и гамма-луч.
- Два гелий-3 атома в совокупности образуют атом гелия-4 (два протона и два нейтрона) и два протона.
Синтез может происходить только в условиях крайне горячей среды, температура которой измеряется миллионами градусов. Звезды, состоящие из плазмы, представляют собой единственные природные объекты, достаточно горячие для создания реакции термоядерного синтеза. Плазма, которую часто называют четвертым состоянием вещества, представляет собой ионизированный газ, состоящий из атомов, лишенных некоторой части электронов. Реакция синтеза отвечает за создание 85 % энергии Солнца.
Высокий уровень тепла, необходимый для создания этого типа плазмы, приводит к тому, что ее нельзя заключить в контейнер из любого, известного нам вещества. Тем не менее, плазма хорошо проводит электричество, что позволяет удерживать, управлять и ускорять ее с помощью магнитного поля. Именно это легло в основу космического корабля с двигателем на основе синтеза, который NASA хочет построить в течение ближайших 25 лет. Давайте рассмотрим конкретные проекты двигателей на основе термоядерного синтеза.
Из истории данного вопроса
Ракетный двигатель – один из старейших видов двигателя, известных человечеству. Мы не можем точно ответить на вопрос, когда именно была изготовлена первая ракета. Есть предположение, что это сделали еще древние греки (деревянный голубь Архита Тарентского), но большинство историков считает родиной данного изобретения Китай. Это произошло примерно в III столетии нашей эры, вскоре после открытия пороха. Первоначально ракеты использовали для фейерверков и других развлечений. Пороховой ракетный двигатель был достаточно эффективен и прост в изготовлении.
Первая боевая ракета была разработана в 1556 году Конрадом Хаасом, который придумывал различные виды вооружений для императора Фердинанда I. Этого изобретателя можно назвать первым создателем теории ракетных двигателей, также он является автором идеи многоступенчатой ракеты – в трудах Хааса подробно описан механизм работы летательного аппарата, состоящего из двух ракет. Изыскания продолжил поляк Казимир Семенович, живший в середине XVII века. Однако все эти проекты так и остались на бумаге.
Практическое использование ракет началось только в XIX столетии. В 1805 году британский офицер Уильям Конгрив продемонстрировал пороховые ракеты, которые имели небывалую по тем временам мощность. Презентация произвела должное впечатление, и ракеты Конгрива были приняты на вооружение английской армии. Их главным преимуществом, по сравнению со ствольной артиллерией, была высокая мобильность и относительно небольшая стоимость, а основным недостатком – кучность огня, которая оставляла желать лучшего. К концу XIX века широкое распространение получили нарезные орудия, стрелявшие очень точно, поэтому ракеты были сняты с вооружения.
Примерно так использовались ракеты Конгрива. Современная реконструкция
В России данным вопросом занимался генерал Засядко. Он не только усовершенствовал ракеты Конгрива, но и первым предложил использовать их для полета в космос. В 1881 году российский изобретатель Кибальчич создал собственную теорию ракетных двигателей.
Огромный вклад в развитие этого направления техники внес еще один наш соотечественник – Константин Циолковский. Среди его идей жидкостный ракетный двигатель (ЖРД), работающий на смеси кислорода и водорода.
В начале прошлого столетия энтузиасты во многих странах мира занимались созданием жидкостного РД, первым добился успеха американский изобретатель Роберт Годдард. Его ракета, работающая на смеси бензина и жидкого кислорода, успешно стартовала в 1926 году.
Вторая мировая война стала периодом возвращения ракетного оружия. В 1941 году на вооружение Красной армии была принята установка залпового огня БМ-13 – знаменитая «Катюша», а в 1943 – немцы начали использование баллистической Фау-2 с жидкостным ракетным двигателем. Она была разработана под руководством Вернера фон Брауна, который позже возглавил американскую космическую программу. Германией также было освоено производство КР Фау-1 с прямоточными реактивным мотором.
Ракета Фау-2. Немцы называли ее «оружие возмездия». Правда, оно не слишком помогло Гитлеру
В разные годы предпринимались попытки создания ракетных двигателей, работающих за счет энергии ядерного распада (синтеза), но до практического применения подобных силовых установок дело так и не дошло. В 70-е годы в СССР и США началось использование электрических ракетных двигателей. Сегодня они применяются для коррекции орбит и курса космических аппаратов. В 70-е и 80-е годы были эксперименты с плазменными РД, считается, что они имеют хороший потенциал. Большие надежды связывают с ионными ракетными двигателями, использование которых теоретически может значительно ускорить космические аппараты.
Однако пока почти все эти технологии находятся в зачаточном состоянии, и основным транспортным средством покорителей космоса остается старая добрая «химическая» ракета. В настоящее время за титул «самый мощный ракетный двигатель в мире» соревнуется американский F-1, участвовавший в лунном проекте, и советский РД-170/171, который использовался в программе «Энергия-Буран».
Классификация, типы и виды электрических ракетных двигателей:
По принципу действия ЭРД подразделяются на три большие группы:
– электротермические (электронагревные) ракетные двигатели,
– электростатические ракетные двигатели,
– электромагнитные ракетные двигатели,
каждая из которых объединяет в себя несколько видов.
Для каждого типа и вида двигателя используется определенное рабочее тело: газ, жидкость или твердое вещество.
В электротермическом ракетном двигателе электрическая энергия служит для нагрева рабочего тела – газа до температуры 1000-5000 К. Газ, истекая из реактивного сопла (аналогичного соплу химического ракетного двигателя), создаёт тягу. В таком двигателе термическая энергия струи газа преобразуется в кинетическую энергию струи в сопле двигателя. Обычно используется сопло Лаваля, позволяющее ускорить газ до сверхзвуковых скоростей.
Электротермические ракетные двигатели подразделяются на следующие виды: омические, электродуговые, индукционные и электровзрывные.
В электростатическом ракетном двигателе ускорение одноимённо заряженных частиц рабочего тела – газа, паров металла, жидкости или твердого вещества осуществляется в электростатическом поле, которые истекая из сопла, создают тягу.
По виду ускоряемых частиц различают ионные и коллоидные ракетные двигатели.
В ионном двигателе заряженными частицами выступают положительно заряженные ионы. В коллоидном двигателе – положительно заряженные микроскопические (размером в доли микрометров) «коллоидные» частицы (капли, пылинки и т.д.), которые по размерам и массе на 4-6 порядков превышают ионы. Рабочим телом в коллоидных двигателях выступают жидкие легкоплавкие металлы (галлий, цезий, висмут и пр.) и их соединения.
В электромагнитном ракетном двигателе (также именуемый плазменный ракетный двигатель) тяга создается за счёт разгона в электромагнитном поле под действием силы Ампера рабочего тела – газа, жидкости, жидкого металла или твердого вещества (например, фторопласта), превращённого в плазму. Сила Ампера возникает в результате взаимодействия протекающего по плазме электрического тока с магнитным полем. Плазма в двигателе обычно формируется путём термической ионизации рабочего тела при пропускании его через зону горения электрической дуги (дугового разряда). Содержание ионов в газе быстро возрастает с повышением температуры и понижением давления.
По режиму работы различают стационарные и импульсные электромагнитные ракетные двигатели.
Стационарные электромагнитные ракетные двигатели работают непрерывно. Их разновидностями являются холловские двигатели (двигатели на основе эффекта Холла) и МГД-двигатели.
Импульсные электромагнитные ракетные двигатели работают в режиме кратковременных импульсов длительностью от нескольких микросекунд до нескольких миллисекунд. Варьируя частоту включений двигателя и длительность импульсов, можно получать любые необходимые значения суммарного импульса тяги.
Разновидностями импульсных электромагнитных ракетных двигателей являются пинчевые двигатели, двигатели с бегущей волной, коаксильные и линейные (шинные, рельсовые) двигатели.
На базе указанных основных типов (классов) ЭРД создаются различные промежуточные и комбинированные варианты, в наибольшей степени отвечающих конкретным условиям использования.
Фото https://www.pexels.com, https://pixabay.com
карта сайта
электроракетный двигатель принцип работы петухов для самолетаустройство электроракетного двигателямеждународная конференция по электроракетным двигателямкосмические ядерные энергоустановки и электроракетные двигателиэлектрические ракетные двигатели космических аппаратов эрдэлектрический ракетный двигатель принцип работы своими руками
Коэффициент востребованности
1 210
Принцип действия реактивной силы
Если вам доводилось стрелять из огнестрельного оружия, или хотя бы наблюдать процесс со стороны, вы уже сталкивались с реактивной силой. Именно струя раскаленных газов, образовавшихся при сгорании пороха, отталкивает ствол назад. Чем больше количество заряда, тем круче отдача. А теперь представьте, что процесс воспламенения смеси постепенен и непрерывен. Получаем ракету с твердотопливным РД. Это самый простой вид двигателя, хорошо знакомый ракетомоделистам.
В качестве топлива в РДТТ сначала использовали дымный порох, более сложные варианты уже имеют основу в виде нитроцеллюлозы, растворенной в нитроглицерине. Топливом для небольших ракет выступает натриевая или калиевая селитра, смешанная с углеводами типа сахара или сорбита. Сделать такой движок можно самостоятельно, можно найти готовую модель и топливо в продаже. Большие твердотопливные двигатели использовались для запуска ракет, выводивших на орбиту шаттлы (характерный густой оранжевый дым при запуске ракеты дают именно такие двигатели), а также в военных целях для МБР. У них топливом выступает смесь полимерного горючего и перхлорат аммония как окислитель. Знаменитый «Тополь-М» основан именно на твердотопливных двигателях.
Твердотопливные двигатели относительно простые в конструкции, имеют нетоксичное топливо, надежные и пожаробезопасные, могут долго храниться, представляя собой стратегический арсенал. Однако удельный импульс у них небольшой, ими трудно управлять (включая не только направление тяги, но и запуск, а также остановку двигателя), а потому для космических полетов более предпочтительны ракетные двигатели на куда более эффективном жидком топливе.
Сверхзвуковые ПВРД
Сверхзвуковые ПВРД рассчитаны на осуществление полетов в диапазоне скоростей 1 < M < 5.
Торможение газового сверхзвукового потока всегда выполняется разрывно, при этом образуется ударная волна, которая называется скачком уплотнения. На дистанции ударной волны процесс сжатия газа не является изоэнтропийным. Следовательно, наблюдаются потери механической энергии, уровень увеличения давления в нем меньший, нежели в изоэнтропийном процессе. Чем мощнее будет скачок уплотнения, тем больше изменится скорость потока на фронте, соответственно, больше потери давления, иногда достигающие 50%.
Для того чтобы минимизировать потери давления, организуется сжатие не в одном, а нескольких скачках уплотнения с меньшей интенсивностью. После каждого из таких скачков наблюдается снижение скорости потока, которая остается сверхзвуковой. Это достигается, если фронт скачков расположен под углом к направлению скорости потока. Параметры потока в интервалах между скачками остаются постоянными.
В последнем скачке скорость достигает дозвукового показателя, дальнейшие процессы торможения и сжатия воздуха происходят непрерывно в канале диффузора.
Если входное устройство мотора расположено в области невозмущенного потока (например, впереди летательного аппарата на носовом окончании или на достаточном отдалении от фюзеляжа на крыльевой консоли), оно выполняется асимметричным и комплектуется центральным телом – острым длинным «конусом», выходящим из обечайки. Центральное тело предназначено для создания во встречном воздушном потоке косых скачков уплотнения, которые обеспечивают сжатие и торможение воздуха до момента его поступления в специальный канал входного устройства. Представленные входные устройства получили название устройств конического течения, воздух внутри них циркулирует, образуя коническую форму.
Центральное коническое тело может быть оснащено механическим приводом, который позволяет ему двигаться вдоль оси двигателя и оптимизировать торможение потока воздуха на разных скоростях полета. Данные входные устройства называются регулируемыми.
При фиксации двигателя под крылом или снизу фюзеляжа, то есть в области аэродинамического влияния элементов конструкции самолета, используют входные устройства плоской формы двухмерного течения. Они не оснащаются центральным телом и имеют поперечное прямоугольное сечение. Их еще называют устройствами смешанного или внутреннего сжатия, поскольку внешнее сжатие здесь имеет место только при скачках уплотнения, образующихся у передней кромки крыла или носового окончания летательного аппарата. Входные регулируемые устройства прямоугольного сечения способны менять положение клиньев внутри канала.
В сверхзвуковом скоростном диапазоне ПВРД более эффективен, нежели в дозвуковом. К примеру, на скорости полета М=3 степень увеличения давления составляет 36,7, что приближается к показателю турбореактивных двигателей, а расчетный идеальный КПД достигает 64,3 %. На практике эти показатели меньшие, но на скоростях в диапазоне М=3-5 СПВРД по эффективности превосходят все существующие типы ВРД.
При температуре невозмущенного воздушного потока 273°K и скорости самолета М=5 температура рабочего заторможенного тела равна 1638°К, при скорости М=6 — 2238°К, а в реальном полете с учетом скачков уплотнения и действия силы трения становится еще выше.
Дальнейшее нагревание рабочего тела является проблематичным из-за термической неустойчивости конструкционных материалов, входящих в состав двигателя. Поэтому предельной для СПВРД считается скорость, равная М=5.
Достоинствами твердотопливных ракет являются: относительная простота, отсутствие проблемы возможных утечек токсичного топлива, низкая пожароопасность, возможность долговременного хранения, надёжность.
Недостатками таких двигателей являются невысокий удельный импульс и относительные сложности с управлением тягой двигателя (дросселированием), его остановкой (отсечка тяги) и повторным запуском, по сравнению с ЖРД; как правило, больший уровень вибраций при работе, большое количество агрессивных веществ в выхлопе наиболее распространённых видов топлива с перхлоратом аммония.
Двухконтурный РД
Эти агрегаты имеют массу преимуществ перед турбореактивными. Например, значительно меньший расход топлива при той же мощности.
Но сам двигатель имеет более сложную конструкцию и больший вес.
Да и принцип работы двухконтурного реактивного двигателя немного другой. Воздух, захватываемый турбиной, частично сжимается и подается в первый контур на компрессор и на второй – к неподвижным лопастям. Турбина при этом работает в качестве компрессора низкого давления. В первом контуре двигателя воздух сжимается и подогревается, а затем посредством компрессора высокого давления подается в камеру сгорания. Здесь происходит смесь с топливом и воспламенение. Образуются газы, которые подаются на турбину высокого давления, за счет чего и вращаются лопасти турбины, подающие, в свою очередь, вращательное движение на компрессор высокого давления. Затем газы проходят через турбину низкого давления. Последняя приводит в действие вентилятор и, наконец, газы попадают наружу, создавая тягу.
- Автор: Владимир
- Распечатать
Оцените статью:
(0 голосов, среднее: 0 из 5)
Поделитесь с друзьями!
Доклад Реактивный двигатель 8 класс сообщение
- Энциклопедия
- Разное
- Реактивный двигатель
Реактивный двигатель — это машина, которая превращает богатое энергией жидкое топливо в мощную силу толкания, называемую тягой. Тяга от одного или нескольких двигателей толкает самолет вперед, заставляя воздух проходить вдоль крыльев, в результате чего создается восходящая сила, называемая подъемом.
Все реактивные двигатели работают одинаково: втягивают воздух во входное отверстие, сжимают его, сжигают вместе с топливом и выводят выхлопные газы через турбину наружу. Поэтому все реактивные двигатели имеют пять ключевых компонентов: вход, компрессор, камеру сгорания и турбину. Но различные типы двигателей могут значительно отличаться друг от друга. Они могут иметь дополнительные компоненты, управляемые турбиной, входы у них могут работать по-разному, может быть более одной камеры сгорания, два или более компрессоров и несколько турбин.
Турбореактивный двигатель — это самый простой реактивный двигатель, основанный на газовой турбине. В нем базовая «ракетная» струя двигает плоскость вперед, стреляя горячей струей выхлопа назад. Выхлоп выходит из двигателя намного быстрее, чем холодный воздух входит в него, что и создает тягу.
Турбореактивные двигатели — это базовые реактивные двигатели общего назначения, которые постоянно производят одинаковое количество энергии, поэтому они подходят для небольших малоскоростных реактивных самолетов, которые не должны делать ничего особенно примечательного, например, внезапно ускоряться или перевозить огромные, тяжелые грузы.
Турбовальный двигатель сильно отличается от турбореактивного двигателя, поскольку выхлопной газ производит относительно небольшую тягу. Турбина в турбовальном двигателе передает большую часть мощности на вращение проходящего через нее приводного вала и один или несколько редукторов, которые вращают роторы. Турбовальные двигатели используются на вертолетах, в поездах, танках и лодках.
Современный самолет с пропеллером обычно использует турбовинтовой двигатель. Он похож на турбовальный двигатель в вертолете, но вместо того, чтобы приводить в действие верхний ротор, турбина внутри него вращает пропеллер, установленный спереди, который толкает плоскость вперед. В отличие от турбовального, турбовинтовой двигатель создает прямое движение от выхлопных газов, но большая часть тяги исходит от пропеллера. Поскольку летательные аппараты, управляемые пропеллером, летают медленнее, они тратят меньше энергии на борьбу с сопротивлением воздуха, что делает их очень эффективными для использования в рабочих грузовых самолетах и других небольших легких самолетах.
Гигантские пассажирские самолеты имеют огромные вентиляторы, установленные спереди, которые действуют как сверхэффективные пропеллеры. Вентиляторы работают двумя способами:
- Немного увеличивают движение воздуха, который течет через центр двигателя, создавая большую тягу с тем же топливом, что делает их более эффективными.
- Передают часть воздуха на внешнюю оболочку двигателя, полностью обходя внутреннюю часть, вызывая обратный поток воздуха.
Другими словами, турбовентилятор производит тягу частично как турбореактивный двигатель и частично как турбовинтовой. Низкооборотные турбовентиляторы посылают практически весь воздух через сердечник, в то время как обходные направляют больше воздуха вокруг двигателя. Впечатляющая мощность и эффективность делают турбовинтовые двигатели самыми востребованными: от пассажирских самолетов до реактивных истребителей.
Доклад №2
Устройство и роль ракетных двигателей в жизни людей.
Люди начали осваивать космос очень не скоро: не на чем было выбраться за пределы атмосферы Земли. Дело обстояло в том, что не хватало тяги для данной операции. Только в 1961 году удалось впервые полететь в космос. Все благодаря тому, что наконец – то удалось создать такой двигатель, который был способен вынести ракету за пределы орбиты Земли. Но как устроен ракетный двигатель? Что использовали для получения такой огромной мощи? И применяются ли где – нибудь еще подобные двигатели?
Как работает ракетный двигатель?
Создателем ракетного двигателя был А. Циолковский. Один из важных фактов про работу ракетного двигателя – это то, что его действие зависит от закона сохранения импульса. Для тех, кто не знает данный закон, я напомню: сумма импульсов до взаимодействия тел равна сумме импульсов после взаимодействия тел. Кстати говоря, ракетные двигатели работоспособны даже там, где отсутствует воздух. Главный компонент для отличной работы двигателей – это твердое топливо, которое вскоре начинает прогорать. Когда оно сгорит полностью, тогда образуется достаточная масса горючего газа. Весь этот газ образуется в мощную струю, благодаря которой ракета движется в направлении, противоположном направлению газового потока.
Роль ракетных двигателей в жизни людей.
К сожалению, у такого рода двигателей только одна задача, о которой уже было говорено ранее. Их цель – отправить ракету в космос, ведь у других двигателей не хватает мощи для этого. Больше ракетные двигатели нигде применения не находят.
Разновидности ракетных двигателей.
Да, они бывают нескольких видов. Главное их отличие – это источник энергии, он же – топливо для двигателей. Итак, вот эти самые виды:
• Химические.
Самый многочисленный, если подумать. Здесь топливом является реакция определенного горючего и окислителя. Затем всю «смесь» нагревают до высокой температуры, что ведет к расширению топлива, которое следом разгоняют в сопле Лаваля. В итоге, то, что получилось, выталкивает ракету. Стоит отметить, что уже в 2013 году данный вид двигателя улучшили до максимума, а значит, у ракет с химическим двигателем есть свой предел.
• Электрические.
Нетрудно догадаться, что в данном случае будет топливом. Импульс электрических двигателей способен достичь отметки 210 километров в час.
• Плазменные.
Схож с прошлым типом двигателей, только здесь ракета будет ускоряться, когда топливо находится в плазменном состоянии. На данный момент существует только один такой двигатель.
8 класс
Реактивный двигатель
Популярные темы сообщений
- Олень
Одно из прочных мест в мифологии и человеческих шутках занимает олень, а точнее его рога. В народе давно закрепилась шутка, что если жена изменяет мужу, то у того появляются рога, и на него говорят, что он олень.
- Лилия
Лилия относится к декоративным многолетним однодольным луковичным растениям из семейства Лилеевых. Растение неприхотливое, луковка пористая и неплотная яйцевидной или круглой формы. Луковицы складываются из отдельных мелких пластинок,
- Дерево Пальма
Пальма — это, пожалуй, самое теплолюбивое дерево, которое у многих ассоциируется с райскими пляжами и жаркими странами. В любых тропических и субтропических странах, у любого тёплого моря можно найти это вечнозелёное растение.
- Помидоры
Трудно представить, но раньше томаты выращивали строго в лекарственных целях. Их родиной считается Южная Америка. Кто завез семена данных ягод в Европу, ученым установить не удалось. Известно только, что произошло это знаменательное событие
- Профессия строитель
Сегодня многие даже не задумываются о том, какой колоссальный труд был приложен другими людьми, чтобы в каждом городе были десятки тысяч домов, десятки детских садиков, школ, университетов, магазинов, торговых центров, больниц, дворцов и т.д.
Как работает ядерный двигатель
- Технологии
11 декабря 2018 г. | Автор: Александр Ким
Как работает ядерный двигатель
Ракетные двигатели на жидком топливе дали человеку возможность выйти в космос — на околоземные орбиты. Однако подобные ракеты сжигают 99% топлива за первые несколько минут полёта. Остатка топлива может не хватить для путешествия на другие планеты, да и скорость будет настолько малой, что вояж займёт десятки или сотни лет. Решить проблему могут ядерные двигатели. Как? Будем разбираться вместе.
Эта статья была опубликована в журнале OYLA №4(20). Оформить подписку на печатную и онлайн-версию можно здесь.
Принцип работы реактивного двигателя очень прост: он переводит топливо в кинетическую энергию струи (закон сохранения энергии), за счёт направления этой струи ракета движется в пространстве (закон сохранения импульса). Важно понимать, что мы не можем разогнать ракету или самолёт до скорости большей, чем скорость истечения топлива — раскалённого газа, выбрасываемого назад.
Космический аппарат New Horizons
Что же отличает эффективный двигатель от неудачного или устаревшего аналога? Прежде всего то, сколько топлива потребуется двигателю, чтобы разогнать ракету до нужной скорости. Этот важнейший параметр ракетного двигателя называется удельный импульс, который определяется как отношение общего импульса к расходу топлива: чем больше этот показатель, тем эффективнее ракетный двигатель. Если ракета практически целиком состоит из топлива (это означает, что в ней нет места для полезного груза, предельный случай), удельный импульс можно считать равным скорости истечения топлива (рабочего тела) из ракетного сопла. Запуск ракеты — крайне дорогостоящее мероприятие, учитывается каждый грамм не только полезного груза, но и топлива, которое тоже весит и занимает место. Поэтому инженеры подбирают всё более и более активное горючее, единица которой давала бы максимальную отдачу, увеличивая удельный импульс.
Подавляющее большинство ракет в истории и современности было оборудовано двигателями, использующими химическую реакцию горения (окисления) топлива.
Они позволили достичь Луны, Венеры, Марса и даже планет дальнего пояса — Юпитера, Сатурна и Нептуна. Правда, космические экспедиции заняли месяцы и годы (автоматические станции Pioneer, Voyager, New Horizons и др.). Необходимо отметить, что все подобные ракеты расходуют значительную часть топлива для отрыва от Земли, и далее продолжают полёт по инерции с редкими моментами включения двигателя.
Космический аппарат Pioneer
Подобные двигатели подходят для вывода ракет на околоземную орбиту, но, чтобы её разогнать хотя бы до четверти скорости света, понадобится невероятное количество топлива (расчёты показывают, что нужно 103200 грамм топлива, при том, что масса нашей Галактики не более 1056 грамма). Очевидно, что для достижения ближайших планет, а тем более звёзд, нам необходимы достаточно большие скорости, обеспечить которые жидкотопливные ракеты не в состоянии.
Газофазный ядерный двигатель
Дальний космос — дело совсем другое. Взять хотя бы Марс, «обжитый» фантастами вдоль и поперёк: он хорошо изучен и научно перспективен, а самое главное — близок как никто другой. Дело — за «космическим автобусом», который сможет доставить туда экипаж за разумное время, то есть, как можно быстрее. Но с межпланетным транспортом есть проблемы. Его сложно разогнать до нужной скорости, сохранив при этом приемлемые размеры и потратив разумное количество топлива.
RS-25 (Rocket System 25) — жидкостный ракетный двигатель компании Рокетдайн, США. Применялся на планере космической транспортной системы «Space Shuttle», на каждом из которых было установлено три таких двигателя. Более известен как двигатель SSME (англ. Space Shuttle Main Engine — главный двигатель космического челнока). Основными компонентами топлива являются жидкий кислород (окислитель) и водород (горючее). RS-25 использует схему закрытого цикла (с дожиганием генераторного газа).
Решением может быть «мирный атом», толкающий космические корабли. О создании лёгкого и компактного устройства, способного вывести на орбиту хотя бы самого себя, инженеры задумались ещё в конце 50‑х годов прошлого века. Главное отличие ядерных двигателей от ракет с двигателями внутреннего сгорания в том, что кинетическая энергия получается не за счёт сгорания топлива, а за счёт тепловой энергии распада радиоактивных элементов. Давайте сравним эти подходы.
Из жидкостных двигателей выходит раскалённый «коктейль» выхлопных газов (закон сохранения импульса), образующихся при реакции топлива и окислителя (закон сохранения энергии). В большинстве случаев это комбинация кислорода и водорода (результат горения водорода — обычная вода). h3O обладает гораздо большей молярной массой, чем водород или гелий, поэтому её труднее разогнать, удельный импульс для подобного двигателя 4 500 м/с.
Наземные испытания NASA новой системы запуска космических ракет, 2016 год (штат Юта, США). Эти двигатели будут установлены на космический корабль Orion, на котором планируется миссия на Марс.
В ядерных двигателях предлагается использовать только водород и разгонять (разогревать) его за счёт энергии ядерного распада. Тем самым идёт экономия на окислителе (кислороде), что уже замечательно, но не всё. Так как у водорода относительно малая удельная масса, нам проще его разогнать до более высоких скоростей. Конечно, можно использовать и другие тепловосприимчивые газы (гелий, аргон, аммиак и метан), но все они не менее чем в два раза проигрывают водороду в самом главном — достижимом удельном импульсе (более 8 км/c).
Так стоит ли его терять? Выигрыш настолько велик, что инженеров не останавливает ни сложность конструкции и управления реактором, ни его большой вес, ни даже радиационная опасность. Тем более никто и не собирается стартовать с поверхности Земли — сборка таких кораблей будет вестись на орбите.
«Летающий» реактор
Как работает ядерный двигатель? Реактор в космическом двигателе намного меньше и компактнее своих наземных аналогов, но все основные компоненты и механизмы управления принципиально те же. Реактор выступает в роли нагревателя, в который подаётся жидкий водород. Температуры в активной зоне достигают (и могут превышать) 3000 градусов. Затем разогретый газ выпускают через сопло.
Однако такие реакторы испускают вредные радиационные излучения. Для защиты экипажа и многочисленного электронного оборудования от радиации нужны основательные меры. Поэтому проекты межпланетных кораблей с атомным движком часто напоминают зонтик: двигатель располагается в экранированном отдельном блоке, соединённом с основным модулем длинной фермой или трубой.
«Камерой сгорания» ядерного двигателя служит активная зона реактора, в которой подаваемый под большим давлением водород нагревается до 3000 и более градусов. Этот предел определяется только жаропрочностью материалов реактора и свойствами топлива, хотя повышение температуры увеличивает удельный импульс.
Тепловыделяющие элементы — это жаропрочные ребристые (для повышения площади теплоотдачи) цилиндры-«стаканы», заполненные урановыми таблетками. Они «омываются» потоком газа, играющего роль и рабочего тела, и охладителя реактора. Вся конструкция изолирована бериллиевыми экранами-отражателями, не выпускающими опасное радиационное излучение наружу. Для управления выделением тепла рядом с экранами расположены специальные поворотные барабаны
Существует ряд перспективных конструкций ядерных ракетных двигателей, реализация которых ждёт своего часа. Ведь в основном они будут применяться в межпланетных путешествиях, которые, судя по всему, уже не за горами.
Проекты ядерных двигателей
Эти проекты были заморожены по разным причинам — недостаток денег, сложность конструкции или даже необходимость сборки и установки в открытом космосе.
«ОРИОН» (США, 1950–1960)
Проект пилотируемого ядерно-импульсного космического корабля («взрыволёт») для исследования межпланетного и межзвёздного пространства.
Принцип работы. Из двигателя корабля, в направлении противоположном полёту, выбрасывается ядерный заряд небольшого эквивалента и подрывается на сравнительно малой дистанции от корабля (до 100 м). Ударная сила отражается от массивной отражающей плиты в хвосте корабля, «толкая» его вперёд.
«ПРОМЕТЕЙ» (США, 2002–2005)
Проект космического агентства NASA по разработке ядерного двигателя для космических аппаратов.
Принцип работы. Двигатель космического корабля должен был состоять из ионизированных частиц, создающих тягу, и компактного ядерного реактора, обеспечивающего установку энергией. Ионный двигатель создаёт тягу порядка 60 грамм, но сможет работать постоянно. В конечном счёте, корабль постепенно сможет набрать огромную скорость — 50 км/сек, затратив минимальное количество энергии.
«ПЛУТОН» (США, 1957–1964)
Проект по разработке ядерного прямоточного воздушно-реактивного двигателя.
Принцип работы. Воздух через переднюю часть транспортного средства попадает в ядерный реактор, в котором нагревается. Горячий воздух расширяется, приобретает большую скорость и высвобождается через сопло, обеспечивая необходимую тягу.
NERVA (США, 1952–1972)
(англ. Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application) — совместная программа Комиссии по атомной энергии США и NASA по созданию ядерного ракетного двигателя.
Принцип работы. Жидкий гидрогель подаётся в специальный отсек, в котором происходит его нагревание ядерным реактором. Горячий газ расширяется и высвобождается в сопле, создавая тягу.
Тэги:
технологиикак это работаеткосмостранспорткак это устроено
Почему ракеты взлетают
Один из популярных детских вопросов «Почему ракеты летают?» для многих остается без ответа. Изучение космонавтики требует глубоких знаний по физике, ракетостроению, астрономии и в других отраслях. Т&Р объясняют, как происходит одно из самых завораживающих научных событий, и рассказывают, благодаря чему ракеты сохраняют скорость, не переворачиваются и преодолевают силу притяжения.
Как устроен реактивный двигатель
Русский революционер и изобретатель Николай Кибальчич создал первый в мире проект аппарата с реактивным двигателем. Однако ученый был казнен. В начале XX века эту идею стал развивать К.Э. Циолковский. Ученый разработал саму схему реактивного двигателя, который работал на жидком топливе.
Ракета способна обеспечивать собственное движение в пустоте за счет реактивной силы. То есть она самостоятельно толкает себя, подобно осьминогу или кальмару. Процесс воспламенения смеси в двигателе является непрерывным — это пример простого твердотопливного двигателя. Еще один тип ракетного двигателя — жидкостный. В нем используется жидкий кислород или азотная кислота, при окислении этого вещества увеличивается удельный импульс — показатель эффективности реактивного двигателя или ракетного топлива.
Несмотря на всю сложность конструкции современных космических кораблей, ракета — один из самых простых летательных аппаратов. В основе ее устройства лежит принцип, согласно которому всякое действие рождает противодействие. Ракета летит, выбрасывая определенное вещество из своей хвостовой части. Несмотря на всю эту простоту, ракеты разрабатывались и совершенствовались в течение более чем семисот лет.
Луис Блумфилд. «Как все работает. Законы физики в нашей жизни»
Луис Блумфилд в своей книге «Как все работает. Законы физики в нашей жизни» приводит в пример движение по скользкому льду. Единственный способ сдвинуться — получить какой-то толчок от самого себя. Необходимо бросить кроссовок, и вы начнете двигаться в противоположную сторону. Вы передали импульс брошенной обуви, и она обратно передала его вам. «Величина импульса кроссовка равна величине вашего противоположно направленного импульса. Естественно, ваша масса намного больше массы кроссовка, поэтому вы двигаетесь гораздо медленнее, чем он», — объясняет Блумфилд.
Движение ракеты предполагает действие двух равных и противоположно направленных сил
Аналогично этому работает реактивный двигатель. Топливо и окислитель попадают в рабочую камеру, смешиваются, сгорают в зоне горения, выделяя огромное количество тепла, которого достаточно для движения.
Траектория полета
Многие убеждены, что ракеты взлетают вертикально, однако это не так. Ракетное топливо может закончиться через 10 минут, а при вертикальном взлете этого времени просто не хватит для выхода на орбиту.
Современные ракеты взлетают вертикально на самом первом этапе, а далее меняют траекторию и двигаются под углом по отношению к Земле. Чем выше высота полета, тем заметнее угол. Ракета совершает гравитационный разворот — маневр, при котором направление тяги совпадает или противоположно направлению движения, изменяющемуся под действием силы тяжести. Этот маневр используется в момент выведения на орбиту или при посадке с нее.
Ускорение ракеты, взлетающей под углом к горизонту: g — ускорение свободного падения, ae — вклад двигателя в ускорение, a — итоговое ускорение ракеты
Как обеспечивается устойчивость ракеты
«Ракета сохраняет динамическую устойчивость, если суммарный момент приложенных к ней сил относительно центра масс равен нулю при ориентации носом вперед», — объясняет Луис Блумфилд. Иными словами, для того чтобы ракета постоянно двигалась носом вперед и не переворачивалась, двигатель должен создавать силу тяги, которая направлена к центру масс. Второе условие устойчивости — действие аэродинамических сил. Воздушный поток обволакивает ракету и помогает лететь, если сопротивление воздуха у хвостовой части больше, чем спереди. Для устойчивого полета модели ракеты необходимо, чтобы центр тяжести модели ракеты был впереди ее центра давления.
Действие трех скоростей
Нет однозначного ответа на вопрос, с какой скоростью летит ракета. Все зависит от ее типа, загрузки и так далее. Однако все летальные аппараты стараются достигнуть космической скорости — первой (7,9 км/с), второй (11,2 км/с) и, соответственно, третьей (46,9 км/с). Первая позволяет «не упасть» и выйти на орбиту, вторая — выйти из орбиты Земли, третья — преодолеть притяжение. Чем дальше объект, с которого стартует ракета, находится от звезды, тем меньше третья космическая скорость. Например, американский космический зонд «Вояджер-1» движется со скоростью 17 км/с.
Существует и четвертая космическая скорость. Она необходима для того, чтобы объект мог преодолеть притяжение Галактики и выйти в межгалактическое пространство. Например, около Солнца четвертая космическая составляет 550 км/с.
Любовь Карась
Теги
#конструктор
#полет
#космонавтика
#космос
#ракета
#физика
принцип действия (кратко). Принцип работы реактивного двигателя самолета
Под реактивным понимают движение, при котором от тела с определенной скоростью отделяется одна из его частей. Возникающая в результате такого процесса сила действует сама по себе. Другими словами, у нее отсутствует даже малейший контакт с внешними телами.
Во время летнего отдыха на юге практически каждый из нас, купаясь в море, встречался с медузами. Но мало кто задумывался о том, что эти животные перемещаются так же, как реактивный двигатель. Принцип работы в природе подобного агрегата можно наблюдать при перемещении некоторых видов морских планктонов и личинок стрекоз. Причем КПД этих беспозвоночных зачастую выше, чем у технических средств.
Кто еще может наглядно продемонстрировать, какой имеет реактивный двигатель принцип работы? Кальмар, осьминог и каракатица. Подобное движение совершают и многие другие морские моллюски. Возьмем, например, каракатицу. Она вбирает воду в свою жаберную полость и энергично выбрасывает ее через воронку, которую направляет назад или вбок. При этом моллюск способен совершать движения в нужную сторону.
Принцип работы реактивного двигателя можно наблюдать и при перемещении сальца. Это морское животное принимает воду в широкую полость. После этого мышцы его тела сокращаются, выталкивая жидкость через отверстие, находящееся сзади. Реакция получаемой при этом струи позволяет сальце совершать движение вперед.
Морские ракеты
Но самого большего совершенства в реактивной навигации достигли все-таки кальмары. Даже сама форма ракеты, кажется, скопирована именно с этого морского обитателя. При перемещении с низкой скоростью кальмар периодически изгибает свой ромбовидный плавник. А вот для быстрого броска ему приходится использовать собственный «реактивный двигатель». Принцип работы всех его мышц и тела при этом стоит рассмотреть подробнее.
У кальмаров есть своеобразная мантия. Это мышечная ткань, которая окружает его тело со всех сторон. Во время движения животное засасывает в эту мантию большой объем воды, резко выбрасывая струю через специальное узкое сопло. Такие действия позволяют кальмарам двигаться толчками назад со скоростью до семидесяти километров в час. Во время перемещения животное собирает в пучок все свои десять щупалец, что придает телу обтекаемую форму. В сопле имеется специальный клапан. Животное поворачивает его при помощи сокращения мышц. Это позволяет морскому обитателю менять направление движения. Роль руля во время перемещений кальмара играют и его щупальца. Их он направляет влево или вправо, вниз или вверх, легко уклоняясь от столкновений с различными препятствиями.
Существует вид кальмаров (стенотевтис), которому принадлежит звание лучшего пилота среди моллюсков. Опишите принцип работы реактивного двигателя — и вы поймете, почему, преследуя рыб, это животное порой выскакивает из воды, попадая даже на палубы судов, идущих по океану. Как же это происходит? Кальмар-пилот, находясь в водной стихии, развивает максимальную для него реактивную тягу. Это и позволяет ему пролететь над волнами на расстояние до пятидесяти метров.
Если рассматривать реактивный двигатель, принцип работы какого животного можно упомянуть еще? Это, на первый взгляд, мешковатые осьминоги. Пловцы из них не такие быстрые, как кальмары, но в случае опасности их скорости могут позавидовать даже лучшие спринтеры. Биологи, изучавшие миграции осьминогов, установили, что перемещаются они наподобие того, какой имеет реактивный двигатель принцип работы.
Животное с каждой струей воды, выброшенной из воронки, делает рывок на два или даже на два с половиной метра. При этом плывет осьминог своеобразно – задом наперед.
Другие примеры реактивного движения
Существуют свои ракеты и в мире растений. Принцип реактивного двигателя можно наблюдать тогда, когда даже при очень легком прикосновении «бешеный огурец» с высокой скоростью отскакивает от плодоножки, одновременно отторгая клейкую жидкость с семенами. При этом сам плод отлетает на значительное расстояние (до 12 м) в противоположном направлении.
Принцип работы реактивного двигателя можно наблюдать также, находясь в лодке. Если из нее в воду в определенном направлении бросать тяжелые камни, то начнется движение в противоположную сторону. Такой же имеет и ракетный реактивный двигатель принцип работы. Только там вместо камней используются газы. Они создают реактивную силу, обеспечивающую движение и в воздухе, и в разряженном пространстве.
Фантастические путешествия
О полетах в космос человечество мечтало давно. Об этом свидетельствуют произведения писателей-фантастов, которые для достижения этой цели предлагали самые разнообразные средства. Например, герой рассказа французского писателя Эркюля Савиньена Сирано де Бержерака достиг Луны на железной повозке, над которой постоянно подбрасывался сильный магнит. До этой же планеты добрался и знаменитый Мюнхгаузен. Совершить путешествие ему помог гигантский стебель боба.
Реактивное движение использовалось в Китае еще в первом тысячелетии до нашей эры. Своеобразными ракетами для забавы при этом служили бамбуковые трубки, которые начинялись порохом. Кстати, проект первого на нашей планете автомобиля, созданный Ньютоном, был также с реактивным двигателем.
История создания РД
Только в 19-м в. мечта человечества о космосе стала приобретать конкретные черты. Ведь именно в этом столетии русским революционером Н. И. Кибальчичем был создан первый в мире проект летательного аппарата с реактивным двигателем. Все бумаги были составлены народовольцем в тюрьме, куда он попал после покушения на Александра. Но, к сожалению, 03.04.1881 г. Кибальчич был казнен, и его идея не нашла практического воплощения.
В начале 20-го в. мысль об использовании ракет для полетов в космос выдвинул русский ученый К. Э. Циолковский. Впервые его работа, содержащая описание движения тела переменной массы в виде математического уравнения, была опубликована в 1903 г. В дальнейшем ученый разработал саму схему реактивного двигателя, приводящегося в движение при помощи жидкого топлива.
Также Циолковским была изобретена многоступенчатая ракета и высказана идея о создании на околоземной орбите настоящих космических городов. Циолковский убедительно доказал, что единственным средством для космических полетов является ракета. То есть аппарат, оборудованный реактивным двигателем, заправляемый горючим и окислителем. Только такая ракета способна преодолеть силу тяжести и совершать полеты за пределами атмосферы Земли.
Освоение космоса
Статья Циолковского, опубликованная в периодическом издании «Научное обозрение», утвердила за ученым репутацию мечтателя. Его доводов никто не принял всерьез.
Идею Циолковского реализовали советские ученые. Возглавляемые Сергеем Павловичем Королевым, они осуществили запуск первого искусственного спутника Земли. 4 октября 1957 г. этот аппарат доставила на орбиту ракета с реактивным двигателем. Работа РД была основана на преобразовании химической энергии, которая передается топливом газовой струе, превращаясь в энергию кинетическую. При этом ракета совершает движение в обратном направлении.
Реактивный двигатель, принцип работы которого используется уже много лет, находит свое применение не только в космонавтике, но и в авиации. Но более всего его используют для запуска ракет. Ведь только РД способен перемещать аппарат в пространстве, в котором отсутствует любая среда.
Жидкостный реактивный двигатель
Тот, кто стрелял из огнестрельного оружия или просто наблюдал этот процесс со стороны, знает, что существует сила, которая непременно оттолкнет ствол назад. Причем при большем количестве заряда отдача непременно увеличивается. Так же работает и реактивный двигатель. Принцип работы его схож с тем, как происходит отталкивание ствола назад под действием струи раскаленных газов.
Что касается ракеты, то в ней процесс, во время которого происходит воспламенение смеси, является постепенным и непрерывным. Это самый простой, твердотопливный двигатель. Он хорошо знаком всем ракетомоделистам.
В жидкостном реактивном двигателе (ЖРД) для создания рабочего тела или толкающей струи применяется смесь, состоящая из топлива и окислителя. Последним, как правило, выступает азотная кислота или жидкий кислород. Топливом в ЖРД служит керосин.
Принцип работы реактивного двигателя, который был в первых образцах, сохранен и до настоящего времени. Только теперь в нем используется жидкий водород. При окислении этого вещества удельный импульс увеличивается по сравнению с первыми ЖРД сразу на 30%. Стоит сказать о том, что идея применения водорода была предложена самим Циолковским. Однако существующие на тот момент трудности работы с этим чрезвычайно взрывоопасным веществом были просто непреодолимы.
Каков принцип работы реактивного двигателя? Топливо и окислитель попадают в рабочую камеру из отдельных баков. Далее происходит превращение компонентов в смесь. Она сгорает, выделяя при этом колоссальное количество тепла под давлением в десятки атмосфер.
Компоненты в рабочую камеру реактивного двигателя попадают по-разному. Окислитель вводится сюда напрямую. А вот топливо проходит более длинный путь между стенками камеры и сопла. Здесь оно разогревается и, уже имея высокую температуру, вбрасывается в зону горения через многочисленные форсунки. Далее струя, сформированная соплом, вырывается наружу и обеспечивает летательному аппарату толкающий момент. Вот так можно рассказать, какой имеет реактивный двигатель принцип работы (кратко). В данном описании не упоминаются многие компоненты, без которых работа ЖРД была бы невозможной. Среди них компрессоры, необходимые для создания нужного для впрыска давления, клапана, питающие турбины и т. д.
Современное использование
Несмотря на то что работа реактивного двигателя требует большого количества топлива, ЖРД продолжают служить людям и сегодня. Их применяют в качестве основных маршевых двигателей в ракетоносителях, а также маневровых для различных космических аппаратов и орбитальных станций. В авиации же используются другие виды РД, которые имеют несколько иные рабочие характеристики и конструкцию.
Развитие авиации
С начала 20-го столетия, вплоть до того периода, когда разразилась Вторая мировая война, люди летали только на винтомоторных самолетах. Эти аппараты были оснащены двигателями внутреннего сгорания. Однако прогресс не стоял на месте. С его развитием появилась потребность в создании более мощных и быстрых самолетов. Однако здесь авиационные конструкторы столкнулись с, казалось бы, неразрешимой проблемой. Дело в том, что даже при незначительном увеличении мощности двигателя значительно возрастала масса самолета. Однако выход из создавшего положения был найден англичанином Френком Уиллом. Он создал принципиально новый двигатель, названный реактивным. Это изобретение дало мощный толчок для развития авиации.
Принцип работы реактивного двигателя самолета схож с действиями пожарного брандспойта. Его шланг имеет зауженный конец. Вытекая через узкое отверстие, вода значительно увеличивает свою скорость. Создающаяся при этом сила обратного давления настолько сильна, что пожарный с трудом удерживает в руках шланг. Таким поведением воды можно объяснить и то, каков принцип работы реактивного двигателя самолета.
Прямоточные РД
Этот тип реактивного двигателя является самым простым. Представить его можно в виде трубы с открытыми концами, которая установлена на движущемся самолете. В передней части ее поперечное сечение расширяется. Благодаря такой конструкции входящий воздух снижает свою скорость, а его давление увеличивается. Самое широкое место такой трубы является камерой сгорания. Здесь происходит впрыскивание топлива и его дальнейшее сгорание. Такой процесс содействует нагреванию образовавшихся газов и их сильному расширению. При этом возникает тяга реактивного двигателя. Ее производят все те же газы, когда с силой вырываются наружу из узкого конца трубы. Именно эта тяга и заставляет самолет лететь.
Проблемы использования
Прямоточные реактивные двигатели имеют некоторые недостатки. Они способны работать только на том самолете, который находится в движении. Летательный аппарат, находящийся в состоянии покоя, прямоточные РД привести в действие не могут. Для того чтобы поднять в воздух такой самолет нужен любой другой стартовый двигатель.
Решение проблемы
Принцип работы реактивного двигателя самолета турбореактивного типа, который лишен недостатков прямоточного РД, позволил авиационным конструкторам создать самый совершенный летательный аппарат. Как действует это изобретение?
Основной элемент, находящийся в турбореактивном двигателе, – газовая турбина. С ее помощью приводится в действие воздушный компрессор, проходя через который, сжатый воздух направляется в специальную камеру. Полученные в результате сгорания топлива (обычно это керосин) продукты попадают на лопасти турбины, чем приводят ее в действие. Далее воздушно-газовый поток переходит в сопло, где разгоняется до больших скоростей и создает огромнейшую реактивную силу тяги.
Увеличение мощности
Реактивная сила тяги может значительно возрасти за короткий промежуток времени. Для этого используется дожигание. Оно представляет собой впрыскивание дополнительного количества топлива в поток газа, вырывающийся из турбины. Неиспользованный в турбине кислород способствует сгоранию керосина, что и увеличивает тягу двигателя. На больших скоростях прирост ее значения достигает 70%, а на малых – 25-30%.
циклов ракетного двигателя | Повседневный астронавт
Введение
Ракетные двигатели — невероятно сложные машины, раздвигающие границы материаловедения и человеческой изобретательности, с множеством различных циклов двигателя, которые характеризуют двигатель. В этой статье мы обсудим многие циклы ракетных двигателей, которые использовали инженеры.
Типы энергетического цикла варьируются от очень простых, таких как двигатели на холодном газе, до все более и более сложных, таких как знаменитое ступенчатое сжигание с полным потоком. В этой статье будут представлены все известные типы циклов двигателя, а также подробно описаны и изображены их.
Мы можем сравнивать типы циклов ракетных двигателей с типами двигателей внутреннего сгорания в одном смысле. Типы автомобильных двигателей включают 2-тактные, 2-цилиндровые или 4-тактные, 4-цилиндровые, с наддувом, с турбонаддувом и т. Д. Все они работают по одним и тем же основным принципам, но используют разные методы для достижения своей мощности и / или эффективности.
Некоторые из следующих пунктов могут показаться вам знакомыми, если вы читали или видели нашу статью и видео о двигателе SpaceX Raptor, но на этот раз вся статья и видео будут посвящены только типам циклов двигателя.
Эта статья также доступна в виде видео на нашем YouTube-канале Everyday Astronaut.
Требования и основные принципы
Пожалуйста, просмотрите нашу предыдущую статью или видео о том, почему ракетные двигатели не плавятся, прежде чем читать эту статью. Мы упоминаем некоторые из тех принципов охлаждения, которые обсуждались в этой статье/видео. Он дает отличные базовые знания о том, как работают ракетные двигатели, что поможет вам лучше понять следующее. В будущем мы будем выпускать еще больше статей и видеороликов о том, как работают ракетные двигатели.
Третий закон Ньютона определяет, как работает ракетный двигатель. На каждое действие есть равное и противоположное противодействие. Итак, двигатель выбрасывает некоторую массу с одного конца. В результате все транспортное средство движется в противоположном направлении. Чем быстрее и больше вещества выбрасывает двигатель, тем больше КПД и выше тяга. Чем больше тяги выдает двигатель, тем большую полезную нагрузку может доставить ракета.
Инженеры называют скорость выхлопа сопла скоростью выхлопных газов. Эта скорость не только коррелирует с тягой, которую создает транспортное средство, но также коррелирует с эффективностью двигателя. Чем быстрее двигатель выталкивает выхлопные газы из сопла, тем эффективнее этот двигатель.
Скорость выхлопных газов
Камера сгорания и сопло ракеты
Мы преобразуем давление и тепло внутри камеры сгорания ракетного двигателя в кинетическую энергию. Это делается с помощью так называемого сопла де Лаваля, или сужающегося-расходящегося сопла. Сопло, преобразующее горячий дозвуковой газ высокого давления в более холодный сверхзвуковой газ низкого давления.
Задача состоит в том, чтобы максимально повысить давление и температуру внутри двигателя. Все это при управлении теплом. Тепло и давление обеспечивают высокую производительность, но их трудно сдерживать и управлять ими. Вообще говоря, чем выше температура внутри камеры сгорания, тем лучше, так как тепло пропорционально энергии.
Здесь мы должны ввести термин энтальпия. Энтальпия – это сумма всей энергии, содержащейся в системе. В частности, энтальпия — это объем, умноженный на давление, плюс его внутренняя энергия. Внутренняя энергия в этом случае состоит из тепла и микроскопической кинетической энергии. Чем выше энтальпия в системе, тем больший потенциал она имеет для совершения работы.
Определение энтальпии
Еще одно важное правило, которое следует знать, заключается в том, что высокое давление всегда течет к низкому давлению. В случае с ракетными двигателями это означает, что цель состоит в том, чтобы иметь высокое давление в камере сгорания. Это делается для того, чтобы как можно быстрее вывести выхлопные газы.
Двигатели с холодным газом
Простейшая форма ракетного двигателя просто хранит какое-то топливо в баке под высоким давлением. Затем откройте клапан и дайте этому высокому давлению выйти через двигатель. Это основа двигателей холодного газа.
Как следует из названия, эти двигатели работают в холодном состоянии, что означает отсутствие химической реакции или возгорания. Простое расширение запасенного газа через сопло обеспечивает тягу в двигателях такого типа. Термин «холодный» в этих двигателях происходит от того факта, что когда газы расширяются, в результате их температура падает. Инженеры называют этот эффект эффектом Джоуля-Томсона.
Двигатель на холодном газе
Самым большим ограничением двигателей на холодном газе является доступное давление в системе и недостаток тепла. Теперь давление всегда течет от высокого к низкому. Поэтому мы хотим хранить топливо при максимально возможном давлении. Мы также хотим хранить как можно больше внутри резервуара. При все более и более высоком давлении стенки резервуаров также должны становиться все толще и толще. Это делает их тяжелее, а это противоположно тому, чего всегда хотят добиться инженеры в ракетостроении.
Цель инженеров — хранить как можно больше топлива при максимально возможном давлении в максимально легком баке. Один из способов сделать это — использовать так называемые COPV или композитные сосуды высокого давления с внешней оболочкой. Эти COPV представляют собой металлические баки, обернутые композитами, такими как углеродное волокно или кевлар. COPV обычно работают при давлении от 300 до 400 бар, а некоторые даже достигают 800 бар.
Давление холодного газового двигателя
Топливные баки для большинства этих типов двигателей хранят топливо в газообразной форме. Закись азота или бутан являются примерами исключений из этого правила. Резервуары могут хранить их в жидком виде под высоким давлением. Поскольку большинство топлив разрежены, баки должны выдерживать еще более высокое давление. Это означает, что танки также должны быть тяжелее, что приводит к плохому эффекту разгона.
В двигателях с холодным газом обычно используется гелий или азот из-за их высокой сжимаемости и относительно низкой молекулярной массы. Такие газы легче разогнать. Можно было бы использовать водород или какое-то другое топливо. До сих пор никто не сделал этого на известном выдающемся примере.
Так как давление и температура в этой системе низкие, то и удельный импульс низкий. Самый простой и самый простой двигатель с подачей под давлением имеет удельный импульс всего около 60 с, или ISP. Однако он уже в три-четыре раза эффективнее.
Есть еще одно ограничение двигателей на холодном газе. Сопло может расширяться только до тех пор, пока газ не превратится в жидкость, оставаясь в сопле. Это в дополнение к общему отсутствию энтальпии в системе. Однако двигатели на холодном газе чрезвычайно просты и надежны. У них есть только одна движущаяся часть – клапан. Это делает эту конструкцию отличным выбором для многих небольших космических аппаратов, таких как небольшие спутники или CubeSat.
Примеры
Другими примерами двигателей с холодным газом могут быть маленькие маневровые двигатели на Falcon 9 компании SpaceX. межстадийный. Они помогают переориентировать и направить ракету для повторного входа в атмосферу и к месту приземления.
Пилотируемый маневренный блок НАСА, или MMU, также использовал двигатели с холодным газом в своих трех миссиях космического корабля «Шаттл». Он имел 24 двигателя холодного газа в паре с двумя баками по 18 кг газообразного азота. Это обеспечило около 40 м / с дельта-V.
Брюс МакКэндлесс летает свободно, используя MMU (Фото: НАСА)
Двигатели с питанием от давления
Цикл двигателя с питанием от давления является следующей по простоте конструкцией двигателя. Подобно двигателям с холодным газом, двигатели с подачей под давлением почти не имеют движущихся частей. В то же время они предлагают гораздо более высокую производительность, чем двигатели с холодным газом.
Существует два типа двигателей с принудительной подачей топлива: однотопливные двигатели с подачей под давлением и двухкомпонентные двигатели с подачей под давлением. Они различаются количеством используемого топлива. Как следует из названий, в однотопливных двигателях с подачей под давлением используется только одно топливо, в то время как в двухкомпонентных двигателях с подачей под давлением используются два разных топлива.
Однотопливные двигатели с подачей под давлением
Однотопливный двигатель с подачей под давлением или (для краткости) одновинтовой двигатель с подачей под давлением очень похож на двигатель на холодном газе. Двигатель по-прежнему имеет один бак, заполненный инертным газом высокого давления. Однако помимо этого имеется еще и бак низкого давления с метательным топливом, часто гидразином.
Моновинтовые двигатели открывают клапан от топливного бака к двигателю, сохраняя при этом давление внутри топливного бака. Они также модулируют другой клапан между баком высокого давления и топливным баком. Этот резервуар высокого давления содержит инертный газ, такой как азот или гелий.
Моновинтовой двигатель с подачей под давлением
Моновинтовые двигатели более эффективны, чем двигатели на холодном газе. Это связано с тем, что они используют некоторую химическую энергию использованного топлива, пропуская его через слой катализатора. Гидразин является одним из наиболее распространенных монотопливов. Он протекает через насыщенный иридием слой глинозема, который является сильным восстановителем. В результате реакции химическая энергия гидразина преобразуется в тепло и давление. Затем сопло двигателя выбрасывает это давление в виде горячего газа.
Композитные герметичные сосуды под давлением
COPV поддерживают достаточно высокое давление в топливном баке. COPV постоянно заполняют опорожняющийся топливный бак. Это выталкивает топливо в слой катализатора (поскольку высокое давление перетекает в низкое). Это позволяет хранить более плотные жидкости, которые не требуют хранения при экстремальных давлениях. Резервуары могут вместить большие массы таких жидкостей.
Использование более плотного жидкого топлива приводит к более высокой эффективности по сравнению с разреженными газами от двигателей с холодным газом. Это приводит к гораздо меньшим бакам для той же массы топлива. В результате удельный импульс примерно в три раза выше, чем у двигателей с холодным газом. Таким образом, одновинтовые двигатели с подачей под давлением являются отличным выбором для реактивных двигателей с управляемой скоростью (RCS). Космические корабли используют RCS для управления ориентацией и точного перевода. Такие двигатели также хороши, когда важнее всего простота и надежность.
Яркими примерами таких моновинтовых двигателей являются реактивные двигатели на многих спутниках. Кроме того, реактивные двигатели управления на космическом корабле «Союз» используют в качестве топлива H 2 O 2 .
Двухкомпонентные двигатели с подачей под давлением
Двухкомпонентные двигатели с подачей под давлением (или, для краткости, двухвинтовые) с подачей под давлением в основном аналогичны одновинтовым двигателям. Разница, как уже следует из названия, состоит в паре топливных баков и баков под давлением. В одном наборе хранится топливо, а в другом – окислитель.
Они по-прежнему работают по тому же принципу, что и моновинтовые двигатели и двигатели на холодном газе. Это то, что единственными движущимися частями являются простые клапаны. Отличие от моновинтовых двигателей состоит в том, что эти двигатели могут использовать более энергичное и эффективное топливо. Примерами таких являются RP-1 и LOx или даже CH 4 и LOx. В большинстве двухкомпонентных систем будет использоваться гиперголическое топливо из-за их простоты. Гиперголические пропелленты — это пропелленты, которые самопроизвольно воспламеняются при контакте друг с другом. Любая система с использованием гиперголиков чрезвычайно проста и надежна, так как не требует источника зажигания. Такая система по-прежнему предлагает достойную производительность.
Двухкомпонентный топливный цикл с подачей под давлением
Проблема здесь заключается в общем давлении в системе, а это означает, что ограничивающим фактором по-прежнему являются баки с наддувом. Это похоже на то, что мы видели с двигателями на холодном газе и однотопливными двигателями с принудительной подачей топлива. Существует компромисс, когда увеличение давления в системе увеличивает вес. Слишком большой дополнительный вес в конечном итоге снижает грузоподъемность больше, чем увеличение производительности добавило бы к ней.
Это помогает объяснить, почему мы никогда не видели орбитальную ракету, работающую только под давлением. Под этим мы подразумеваем, что все ступени будут приводиться в движение двигателями, работающими под давлением. Практически невозможно выйти на орбиту только с двигателями, работающими под давлением, из-за их ограниченных общих характеристик. Это верно даже для новейших и современных технологий, таких как резервуары из углеродного композита.
Примеры
Мы обычно видим двигатели с принудительной подачей на верхних ступенях ракет. Некоторые известные примеры включают:
- Разгонный блок SpaceX Falcon 1 с двигателем Kestrel
- Второй этап Astra с двигателем Aether
- или система орбитального маневрирования космического корабля (OMS), в которой использовался двигатель AJ10-190.
Таким образом, ракеты-носители обычно не используют двигатели с подачей под давлением. Однако почти каждый американский космический корабль использует их. Примеры включают орбитальный аппарат Space Shuttle, капсулу SpaceX Crew Dragon, командно-служебный модуль Apollo и капсулы Gemini.
Цикл двигателя с питанием от электрического насоса
До сих пор в этой статье естественное давление в баках выталкивало топливо в камеру сгорания. Это накладывает естественный предел на давление в камере. Газы и жидкости могут течь только сами по себе от высокого давления к более низкому давлению.
Предположим, мы хотим получить более высокое давление в камере без увеличения давления в топливном баке. Тогда наша ракета должна использовать какой-то активный механизм для подачи топлива (вопреки природе). Это могло позволить более высокое давление в камере сгорания, чем в баках.
Цикл работы насоса с питанием от аккумулятора
Здесь на помощь приходят насосы. Мы можем использовать насос для увеличения давления после насоса, не влияя на давление перед насосом. Это хорошая новость для ракет. Таким образом, двигателю с подачей под давлением может потребоваться давление в баке 30 бар. Эквивалентному двигателю с насосным питанием может потребоваться только давление в баке всего 3 бара. Это значительно экономит массу танка. Мы почти наверняка сэкономим больше массы, чем приобретем для помпы и сопутствующих товаров. В принципе, мы можем приводить в действие насосы, используя любой источник энергии. Давайте сначала рассмотрим электродвигатели, приводимые в действие аккумуляторной батареей.
Требования к мощности насоса
Насосам может потребоваться много энергии для работы по желанию, иногда порядка 1000 лошадиных сил. Например, насосы РД-170 требуют мощности 230 000 л.с.
Для сравнения, двигатель Lucid Air может производить около 500 кВт. Для этого требуется масса около 74 кг. Рассмотрите возможность использования этих двигателей для привода насосов на РД-170. Нам потребуется около 340 таких моторов. При массе 74 кг на единицу это составляет более 25 000 кг только для двигателей. Это более чем в два с половиной раза тяжелее самого двигателя РД-170.
Это показывает, что аккумуляторные батареи и электродвигатели, как общий привод насоса, плохо масштабируются. Однако он может быть эффективен для гораздо меньших насосов.
Фактически, Rocket Lab использовала электродвигатели на своей ракете Electron для закачки топлива в двигатели Rutherford. С тех пор Astra также решила использовать электродвигатели для питания своих двигателей Delphin. Другие небольшие стартапы, занимающиеся пусковыми установками, также стремятся использовать тот же подход. Однако на момент написания ни один из них не достиг стартовой площадки.
Мы можем счесть необходимым выбросить все разряженные батарейные модули. При этом мы можем перейти на свежие неиспользованные батареи. Это может сэкономить массу, которая нам больше не нужна. Это помогает показать, почему в промышленности не используются двигатели с электрическим насосом более широко.
Открытый цикл (газогенератор)
Ранее мы упоминали, что насосам обычно требуется много энергии. Насосы должны работать достаточно быстро, чтобы подавать топливо в камеру сгорания под требуемым давлением.
Плотность энергии батареи ниже, чем плотность энергии углеводорода, для правильного типа топлива. Таким образом, можно сжечь часть топлива в камере сгорания меньшего размера с образованием выхлопных газов. Мы можем пропускать эти выхлопные газы через турбину, которая вращает насос, для выработки необходимой мощности.
Это основа открытого цикла, также известного как цикл газогенератора. Ранним примером этого была ракета V-2 немецкой разработки с двигателем A4. Для привода насосов двигателя не использовали топливо в основных баках. Вместо этого они использовали высокую концентрацию перекиси водорода, H 2 O 2 (который богат кислородом). Они пропускали это через катализатор из гранул перманганата калия. Это вызвало химическую реакцию, которая произвела тепло и пар под высоким давлением. Энергии этого пара было достаточно, чтобы вращать турбину, которая приводила насосы в движение с нужной скоростью.
Открытый цикл (или цикл газогенератора)
Ракета Mercury Redstone также использовала этот метод. Он до сих пор используется на ракете «Союз» с двигателями РД-107А и РД-108А. Однако здесь есть неэффективность. У нас отдельные топливные системы для газогенератора, чем для главных двигателей.
Открытый цикл с использованием обычного топлива
Лучше брать небольшое количество топлива из основных баков. Затем пропустите эти топлива в газогенератор. Это создает выхлоп высокого давления, который приводит в действие турбину для питания насосов. На практике для этого требуется больше топлива, чем идеальное количество окислителя. (То есть идеально подходит для того, чтобы химическая реакция была наиболее эффективной.) Это сжигание с высоким содержанием топлива, и это снижает температуру в газогенераторе. Такое снижение температуры чрезвычайно полезно для обеспечения того, чтобы турбина не расплавилась.
Газогенератор питается от насосов – но тут возникает вопрос. Бензогенератор питает насосы – ОК. Но теперь мы утверждаем, что насосы питают газогенератор. Как мы можем начать этот процесс в первую очередь?
Как запустить ракетный двигатель тема для будущего видео. В настоящее время при запуске газогенератора принято наводить на турбину отдельный двигатель с холодным газом. Этому двигателю нужно поработать очень недолго, прежде чем работа газогенератора станет самоподдерживающейся. Обычно двигатели используют гелий в качестве холодного газа. Этот метод известен как «старт вращения гелия».
Выхлопные газы газогенератора
Выхлопные газы цикла газогенератора сначала проходят через турбину. Затем они выбрасываются в атмосферу или вакуум, в зависимости от того, какой режим полета активен. Основная камера сгорания не использует эти продукты и фактически не отвечает им. Этим и объясняется название открытого цикла.
У открытого цикла есть существенный недостаток. Он оставляет много несгоревшего топлива в выхлопном шлейфе газогенератора. Мы можем видеть это на многих ракетных двигателях, особенно на Falcon 9. . Инженеры обычно считают эти потери приемлемыми, поскольку обмен на простоту открытого цикла довольно прост. Любое количество израсходованного топлива мало по сравнению с общим количеством топлива в основном баке.
Несколько примеров газогенераторных двигателей включают:
- только что упомянутый двигатель Merlin 1D на Falcon 9
- двигатели F-1 и J-2, используемые на ракете Saturn V
- двигатели RD-107A и RD- Двигатели 108А на «Союзах», тоже как уже упоминалось
- и двигатель РД-68 на Delta IV Heavy.
Помимо этого короткого списка есть много других циклов, но нам нужно перейти к обсуждению других циклов.
Предположим, что производительности цикла газогенератора недостаточно для достижения желаемых результатов. Это было бы связано с тем небольшим количеством потраченного впустую топлива, о котором упоминалось ранее. Можем ли мы сделать лучше?
Замкнутый (ступенчатое сгорание) цикл двигателя
Замкнутый, или ступенчатое сгорание, цикл представляет собой более продвинутый подход к использованию продуктов сгорания, которые выбрасываются за борт в открытом цикле.
Это не так просто, как просто присоединить выхлоп от газогенератора к основной камере сгорания и направить все продукты сгорания газогенератора в основную камеру. У этого было бы несколько недостатков, которые были бы очень проблематичными очень скоро в полете.
Давление, приводящее в действие турбину, обычно поддерживается на как можно более низком уровне, а давление после турбины ниже, чем перед турбиной. В результате давление в выхлопной трубе будет ниже, чем в основной камере сгорания. Это приведет к тому, что газы камеры сгорания будут течь обратно в выхлопную трубу. Это будет противоположно тому, что задумано.
Кроме того, если в двигателе используется топливо РП-1 (или любое подобное топливо на основе длинноцепочечных углеводородов), выхлоп газогенератора содержит достаточно сажи, которая может повредить двигатель, забивая форсунки. Двигатель вообще долго не протянет.
Предотвращение повреждений от сажи
Вместо того, чтобы пропускать весь этот выхлоп из газогенератора в камеру сгорания, нам нужно внести некоторые изменения. Первое изменение заключается в том, что вместо использования небольшого количества топлива и окислителя для питания газогенератора двигатель будет прокачивать либо ВСЕ топливо, либо окислитель через газогенератор и турбину.
Из-за этого изменения маршрута подачи топлива терминология также меняется. Мы больше не называем начальную камеру сгорания газогенератором; вместо этого мы называем его предварительным сжиганием. Это связано с тем, что теперь мы реагируем только на небольшое количество того, что проходит мимо турбины.
То, какое топливо полностью проходит через камеру предварительного сгорания и мимо турбины, определяет тип конструкции с замкнутым циклом. Другими словами, конструкция либо богата топливом, либо богата окислителем.
Ступенчатый цикл двигателя внутреннего сгорания с обогащением кислородом
Исторически замкнутый цикл с обогащением окислителем был разработан первым. Возможно, вы уже знаете об этом, если смотрели полное руководство по истории советских ракетных двигателей или читали статью. Поскольку это было разработано первым, мы сначала обсудим его здесь.
Советским ракетостроителям и инженерам удалось решить проблемы ступенчатого сжигания окислителя еще в 1950-х годах. Этого удалось достичь с помощью S1.5400, разгонного двигателя на R7, и это было большим достижением. Фактически, Соединенные Штаты до сих пор никогда не строили и не использовали двигатель с таким циклом.
Замкнутый цикл с высоким содержанием кислорода
Советы выбрали путь с высоким содержанием кислорода, потому что в противном случае при работе на углеводородном топливе, таком как RG-1 или RP-1, проблемы закоксовывания и накопления сажи быстро вызовут проблемы, как упоминалось ранее. Таким образом, в богатом кислородом маршруте весь кислород проходит через турбину и попадает в основную камеру сгорания.
Наряду с кислородом в камеру предварительного сгорания поступает минимальное количество пропеллента – ровно столько, чтобы насосы вращались достаточно быстро, чтобы создать достаточное давление и тепло. Выход из камеры предварительного сжигания будет терять давление при прохождении через турбину. Турбина преобразует тепловую энергию в механическую работу, вращая насосы.
Теперь давайте сделаем наблюдение. Газ после падения давления на турбине поступает в основную камеру сгорания. Если мы вспомним, что мы говорили ранее о давлении и потоке, жидкости всегда будут естественным образом перетекать из области высокого давления в область низкого давления.
Давление в камере сгорания
Это означает, что давление в камере сгорания должно быть значительно выше, чем в основной камере сгорания. Это необходимо для того, чтобы давление после турбины, а потом снова после форсунки было все же выше, чем давление в камере сгорания, с некоторым запасом прочности.
Приемлемое «эмпирическое правило» для работы состоит в том, чтобы давление в камере форсажа в два раза превышало давление в основной камере сгорания, а давление в задней части форсунки было на 20 % выше, чем в основной камере сгорания. камера. Однако разные двигатели, разработанные разными инженерами, будут различать точные передаточные числа в зависимости от зрелости и сложности конструкции, а также уверенности в надежности конкретной конструкции.
Это приводит к следующему вопросу о том, как можно получить давление в предкамере, которое намного выше, чем в основной камере сгорания.
В обогащенном кислородом цикле ступенчатого сгорания весь окислитель должен быть сжат до самого высокого давления в двигателе (по крайней мере, для топлива), т.е. значительно выше, чем давление в основной камере сгорания.
Но этого нельзя сказать о топливе. Большая часть топлива поступает непосредственно в камеру сгорания, поэтому его необходимо сжимать только до 20% более высокого давления, чем в камере сгорания. Однако небольшое количество топлива необходимо будет дополнительно сжать, чтобы оно попало в камеру предварительного сжигания.
Ступени насоса
Другими словами, есть ступени топливного насоса. Большая часть топлива проходит через первую ступень, в которой оно достигает достаточно высокого давления, чтобы попасть в камеру сгорания. Между тем только минимальное количество, необходимое для предварительного сжигания, проходит через другую стадию сжатия, которая увеличивает давление до достаточно высокого уровня, чтобы поступать в камеру предварительного сгорания.
Ступени насоса, обогащенные кислородом
На этом этапе вы можете задаться вопросом, почему, если окислитель уже прошел через камеру предварительного сгорания, как мы можем сжечь его во второй раз в основной камере сгорания? Помните, что в камеру предварительного сжигания поступает лишь небольшое количество топлива. Поэтому только небольшое количество окислителя могло прореагировать с горючим. Любой оставшийся окислитель оставляет камеру предварительного сжигания несгоревшей. Однако он повысил свою температуру и изменился с жидкой фазы на газообразную.
Большая часть окислителя еще ни с чем не прореагировала. Таким образом, он по-прежнему сохраняет всю свою химическую энергию, когда попадает в основную камеру сгорания, где затем может реагировать с топливом. Именно здесь происходит основное сгорание, высвобождающее энергию оставшихся непрореагировавших порохов.
К сожалению, цикл ступенчатого сжигания с высоким содержанием окислителя чрезвычайно сложно реализовать. Это результат создания очень горячего газообразного кислорода. Такой горячий кислород имеет тенденцию вступать в реакцию практически со всем, что его окружает. Для этого требуются очень специфические металлические сплавы, способные выжить в такой агрессивной среде.
Примеры цикла двигателя с обогащением кислородом
Как упоминалось ранее, советские инженеры освоили этот цикл, так как большинство их двигателей использовали цикл ступенчатого сгорания с обогащением окислителем, включая НК-15 и НК-33 для N- 1, РД-170 на Энергии, РД-180 на Атласе V и РД-276 на Протоне.
Как упоминалось ранее, разработать эту технологию было очень сложно, и это то, чего Соединенные Штаты не достигли для орбитальной ракеты-носителя. Однако это не означает, что США полностью отказались от ступенчатого цикла сжигания.
Вместо того, чтобы пытаться использовать цикл с высоким содержанием окислителя, они использовали цикл ступенчатого сгорания с высоким содержанием топлива для конкретного двигателя, который использовался на культовом транспортном средстве. Это RS-25, который летал на космической транспортной системе, более известной как «Спейс шаттл».
Цикл ступенчатого двигателя внутреннего сгорания с обогащением топливом
Теперь давайте рассмотрим альтернативу циклу с обогащением кислородом, цикл с обогащением топливом. В этом случае, где в целом соотношение между окислителем и горючим противоположно тому, что мы рассматривали ранее. В этом случае все топливо проходит через предкамеру, и только минимальное количество кислорода проходит через предкамеру.
Если бы это было предпринято на двигателе, работающем на углеводородах с длинной цепью, таком как RP-1, то такой двигатель быстро пострадал бы от накопления сажи и закоксовывания, как обсуждалось ранее. Однако можно использовать топливо, не богатое углеродом. Это подход, изначально принятый Соединенными Штатами.
Замкнутый цикл с высоким содержанием топлива
При проектировании главной двигательной установки для космической транспортной системы (или, как упоминалось ранее, более известной как космический шаттл) инженеры выбрали жидкий водород в качестве топлива, поскольку они могли работать на обычном водородном топливе. -обогащенный через камеру предварительного сжигания. Так как водород является такой легкой молекулой и имеет нулевое содержание углерода, он не приводит к накоплению сажи, и двигатель вполне комфортно работает на горячем газообразном водороде.
Это может показаться очевидным решением, однако ступенчатое сжигание с высоким содержанием топлива по-прежнему имеет свои проблемы, особенно при использовании водорода в качестве топлива. Это потому, что водород чрезвычайно легкий и летучий. Для достижения необходимого высокого давления требуются большие насосы с несколькими ступенями.
Один довольно распространенный и простой механизм соединения насосов с турбиной состоит в том, чтобы иметь один вал с установленной на нем турбиной и оба насоса с непосредственным приводом от него. Это нормально, если все три элемента могут работать с одинаковой скоростью вращения.
Двойные форсажные камеры
Несмотря на то, что были построены одновальные двигатели замкнутого цикла с высоким содержанием топлива Hydrolox, одним из примеров которых является советский РД-0120 в основе ракеты-носителя «Энергия», США выбрали другое решение для двигателей «Шаттла». Это породило собственный набор проблем, которые необходимо было преодолеть.
В конструкции RS-25 использовались двойные форсажные камеры, каждая со своим валом, каждая из которых была обогащена топливом. Одна камера предварительного сгорания питает ступени топливного насоса, а другая питает кислородный насос.
Предварительные горелки с двумя валами
К сожалению, наличие горячего газообразного водорода под высоким давлением в предварительной горелке, которая находится на том же валу, что и жидкий кислород под высоким давлением, является верным путем к катастрофе. Если какая-либо часть этого горячего газообразного топлива просочится через уплотнения на валу и встретится с кислородом, для двигателя игра будет очень быстро «окончена».
Продувочные уплотнения
Это означало, что американским инженерам пришлось разработать чрезвычайно сложное так называемое продувочное уплотнение. Это предотвращает движение топлива вверх или вниз по валу, поскольку в середине находится инертный газ с еще более высоким давлением. На эту роль был выбран гелий. Цель этого гелия состоит в том, чтобы гарантировать, что в случае любой утечки в уплотнении гелий течет к топливу, и топливо остается хорошо разделенным.
На приведенной ниже диаграмме показаны две отдельные турбины, каждая со своей камерой предварительного сгорания, на двухвальном двигателе замкнутого цикла, богатом топливом.
Как и следовало ожидать, одна камера предварительного сгорания питает насосы окислителя, а другая питает топливные насосы. Поскольку обе камеры форсажа богаты топливом, все топливо будет проходить через одну из форкамер и турбины, прежде чем попасть в основную камеру сгорания. Таким образом, примерно половина топлива проходит через каждую камеру форсажа и турбину.
В полной противоположности двигателю с замкнутым циклом, обогащенному окислителем, который обсуждался ранее, только минимальное количество окислителя подается через форсажные камеры — ровно столько, сколько достаточно для извлечения достаточной энергии сгорания для вращения насосов. В частности, чтобы раскрутить насосы до необходимых скоростей, чтобы прогнать топливо через предкамеры в камеру сгорания.
В соответствии с моделью, обсуждаемой для замкнутого цикла с высоким содержанием окислителя, в этом случае большая часть окислителя проходит через одноступенчатый насос, которому нужно только создать достаточное давление, чтобы заставить окислитель течь в основную камеру сгорания. Между тем, небольшое количество окислителя, которое направляется через камеры предварительного сжигания, затем проходит через вторую ступень насосов для достижения гораздо более высоких давлений, как обсуждалось ранее.
Примеры цикла двигателя с обогащенным топливом
RS-25 был первым двигателем с замкнутым циклом, произведенным в США, однако это был не единственный разработанный двигатель с обогащенным топливом. Советский Союз также производил двигатели РД-56 и РД-57, которые представляли собой гидролоксные двигатели ступенчатого сгорания с высоким содержанием топлива, которые были разработаны для варианта лунной ракеты Н1.
В Советском Союзе также производился упомянутый ранее РД-0120. Этот двигатель был в основе ракеты-носителя «Энергия». Это и по сей день самый мощный однокамерный ракетный двигатель, который когда-либо летал в Советском Союзе.
Итак, мы показали, что в цикле сжигания с высоким содержанием топлива один набор сложностей заменяется другим по сравнению с циклом с высоким содержанием кислорода. Прежде чем мы двинемся дальше, интересно рассмотреть, есть ли веская причина, по которой метановое топливо еще не использовалось в двигателе с циклом сгорания с высоким содержанием топлива. В рамках данной статьи мы не можем ответить на этот вопрос.
Существует один цикл сжигания, который сочетает в себе преимущества как циклов с высоким содержанием топлива, так и циклов с высоким содержанием кислорода, который также сочетает в себе некоторые недостатки каждого из них, но есть одно конкретное преимущество, которое делает его достойным изучения. Однако немногие организации пытались это сделать.
Полнопоточный ступенчатый цикл двигателя внутреннего сгорания
Полнопоточный ступенчатый цикл сгорания назван в честь потока топлива через предкамеры сгорания. И топливо, и окислитель полностью проходят через камеру предварительного сгорания и турбину. Это означает, что конструкция цикла включает в себя как камеру предварительного сгорания, обогащенную топливом, так и камеру предварительного сгорания, обогащенную окислителем.
На схеме показан поток топлива при его прохождении через насосы и турбины. Топливо и окислитель поступают на соответствующие впускные отверстия насосов под давлением в баках, затем насосы сжимают каждый из них до полного давления в камере сгорания.
Полнопоточный цикл ступенчатого сжигания
Почти весь окислитель проходит через камеру предварительного сжигания с высоким содержанием окислителя и турбину, при этом минимальное количество окислителя направляется через камеру предварительного сжигания с высоким содержанием топлива. Параллельно почти все топливо проходит через камеру предварительной сгорания с высоким содержанием топлива и турбину, при этом минимальное количество топлива направляется через камеру предварительной сгорания с высоким содержанием окислителя.
Это означает, что оба топлива попадают в камеру сгорания уже полностью в газообразной форме. Это огромное преимущество перед другими циклами, рассмотренными ранее. Взаимодействие газ-газ чрезвычайно эффективно, приводит к улучшенному смешиванию газообразных продуктов перед сгоранием, что приводит к более быстрому сгоранию с меньшим количеством несгоревших остатков, чем взаимодействие жидкость-жидкость или жидкость-газ.
Или, как сказал нам Илон Маск:
youtube.com/embed/cIQ36Kt7UVg?version=3&rel=1&showsearch=0&showinfo=1&iv_load_policy=1&fs=1&hl=en-US&autohide=2&start=476&wmode=transparent» allowfullscreen=»true» sandbox=»allow-scripts allow-same-origin allow-popups allow-presentation»> Илон Маск рассказывает Everyday Astronaut о химической эффективности Raptor.
Полнопоточные задачи
По-прежнему существует проблема ступенчатого сжигания с обогащением окислителем, а это означает, что необходимо управлять горячим газообразным кислородом, как обсуждалось для цикла с обогащением окислителем.
Тем не менее, эта проблема по крайней мере смягчается за счет возможности соединения турбины и вала, богатой окислителем, с насосом окислителя, а также соединения турбины, богатой топливом, и вала с топливным насосом.
Это позволяет избежать проблемы, упомянутой для цикла с обогащением топлива, т. е. нет необходимости в сложных механизмах уплотнения, чтобы гарантировать, что топливо и окислитель остаются хорошо разделенными. Это устраняет необходимость в тщательном осмотре и техническом обслуживании между последовательными полетами.
Возможно, самым значительным преимуществом полнопоточного ступенчатого сжигания является не преимущество взаимодействия газ-газ или сравнительно простые задействованные уплотнения, а температуры, при которых работают камеры предварительного сжигания.
Рассмотрение энтальпии
Рассмотрим приведенное ниже уравнение. Мы стараемся избегать уравнений в этих статьях в обычных обстоятельствах. Однако это может быть полезно для иллюстрации энтальпии, которая обсуждалась ранее в этой статье.
Уравнение энтальпии
Чем выше энтальпия, тем больше работы можно совершить. К сожалению, более высокая энтальпия приводит к более высоким температурам. Тем не менее, в случае с форсажными камерами у нас есть количество энтальпии, необходимое для запуска насосов, которое можно рассчитать.
При фиксированном значении тяги и давления в камере можно получить количество энергии, необходимое насосам для достижения этих значений. В приведенном выше уравнении изменение энтальпии равно изменению температуры, умноженному на удельную теплоемкость, а затем все это делится на массу в секунду.
Поскольку полнопоточному двигателю и другим двигателям с замкнутым циклом потребуется примерно одинаковое количество энтальпии для питания насосов, на самом деле существует только одна другая переменная, которая изменяется между полным потоком и другими циклами.
Эта переменная — масса. В частности, масса топлива, протекающего через систему, если быть точным, через форсажные камеры. Поскольку топливо и окислитель протекают через предкамеры сгорания, это примерно удваивает массовый расход по сравнению с другими ступенчатыми циклами.
Преимущества полного потока
Теперь в уравнении энтальпии, если мы удвоим массовый расход, а требуемая энтальпия не изменится, изменяющейся переменной будет температура. Именно здесь полнопоточный цикл имеет наибольшее преимущество.
Энтальпия, удельная теплоемкость и изменение температуры
При прочих равных условиях полнопоточный двигатель испытывает примерно половину температуры внутри своих предкамер и, следовательно, половину температуры на турбине. Это представляет собой «сбывшуюся мечту» для инженеров-ракетчиков, поскольку тепловая нагрузка и ее рассеивание часто являются одним из самых больших ограничений для любого двигателя.
Какими бы привлекательными ни были преимущества полнопоточного цикла для инженеров, этот цикл часто считался не стоящим усилий из-за его кажущейся сложности. Поскольку кажется, что все связано со всем остальным, любое небольшое изменение в одной части движка может иметь волновой эффект для всего остального.
Это приводит к тому, что управление фазами газораспределения, запуском и даже дросселированием становится очень сложным в освоении и требует больших инвестиций для совершенствования. Вот почему так мало полнопоточных двигателей было разработано.
Примеры полнопоточного двигателя
Как обычно, Советский Союз был первым, кто разработал полнопоточный двигатель с ступенчатым циклом сгорания. Это был невероятный РД-270. Он работал на гиперголическом топливе и был огромен. Он был всего на 15% менее мощным, чем двигатель F-1, который приводил в действие первую ступень Saturn V, и все же был гораздо более эффективным. 9Двигатель 0007 РД-270 (с человеком для масштаба). (Фото: EnglishRussia.com)
К сожалению, он так и не поднялся в воздух, так как массивным ракетам УР-700 и УР-900, для которых он был разработан, так и не дали зеленый свет.
В 1990-х годах Соединенные Штаты также разработали турбонасосы для полнопоточного двигателя с ступенчатым циклом сгорания. Это было известно как демонстратор интегрированной силовой головки. Компаниям Aerojet и Rocketdyne (теперь Aerojet-Rocketdyne) удалось достичь полной мощности силового агрегата, однако он так и не был преобразован в полноценный двигатель.
Сегодня SpaceX использует полнопоточный цикл ступенчатого сгорания в своих двигателях Raptor, которые питают верхнюю ступень Starship и ускоритель SuperHeavy.
Прототип космического корабля с тремя двигателями Raptor v1.0
Все это звучит очень сложно. Предположим, можно было бы полностью отказаться от форсажных форсунок и установить более простой двигатель с насосным питанием? Что ж, осталось обсудить два оставшихся цикла.
Цикл отводного двигателя
Следующий цикл может показаться нелепым, но давайте представим себе пробивание отверстия сбоку основной камеры сгорания. Это привело бы к утечке очень горячего газа под высоким давлением. Можем ли мы каким-то образом направить этот выходящий газ, чтобы он мог вращать турбину, приводящую в движение насосы?
Ну, это суть того, что такое отводной или отводной цикл ракетного двигателя внутреннего сгорания. Разработчики двигателей убрали усложнения и вес форсажной камеры или газогенератора и вместо этого просто использовали основное давление сгорания.
Цикл отводного двигателя
Если некоторые газообразные продукты выходят из камеры сгорания сбоку, а не из сопла, производительность немного снижается. Однако это экономит много сложности, что является преимуществом.
Интересным аспектом отводного цикла является то, что он может быть в некоторой степени саморегулирующимся, поскольку можно ограничить величину давления, которому подвергается турбина с дросселем, или тем, насколько сильно горловина ведет к турбина уменьшена в диаметре.
Недостатки цикла отводного двигателя
Недостатком этого цикла является то, что основная камера сгорания сильно нагревается. Конструкция цикла не имеет движущихся частей и обычно использует регенеративное охлаждение с прохождением топлива через стенки. Таким образом, температура основной камеры сгорания может достигать 3500 К. Это слишком высокая температура для любой турбины.
Чтобы обойти эту проблему, инженеры иногда разбавляют отводной газ до того, как он попадет в турбину. Обычно они делают это, добавляя немного топлива, которое помогает снизить температуру, делая выхлоп более богатым топливом. Это похоже на то, как работает обычный газогенератор.
После запуска турбины двигатель может либо просто сбросить выхлоп за борт. Или он может повторно ввести выхлоп в сопло в наиболее подходящей точке. Здесь давление выше, чем на выходе из сопла, а температура ниже, чем при основном сгорании, поэтому камера может охлаждаться пленкой.
Примеры отводного цикла
На момент написания ни один двигатель с отводным циклом не выходил на орбиту, но он использовался на нескольких известных двигателях.
В 1960-х годах НАСА разработало продолжение двигателя J-2, использовавшегося на Saturn V 2 , и третьих ступенях. Он был известен как «J-2, упрощенный», или сокращенно J-2S. Как следует из названия, он должен был быть более простым и иметь более высокую производительность за счет использования цикла ответвления.
Это полностью разработанный двигатель, который никогда не летал.
Сегодня Blue Origin использует отводной цикл на своем двигателе BE-3, который питает их суборбитальную ракету New Shepard, а Firefly может стать первым, кто достигнет орбиты с отводным циклом двигателей Reaver и Lightning на своей Alpha ракета.
Однако есть еще одна система, которая имеет насосы, но не требует ни газогенератора, ни дожигателя, и это цикл детандера.
Цикл двигателя Expander
Мы уже объясняли, что тепло в ракетных двигателях одновременно и друг, и враг. Высокие температуры могут разблокировать новые количества полезной энергии в системе, но они также могут нанести ущерб, если они возникают не в том месте.
Теперь есть одна полезная вещь, которую двигатель может делать с собственным теплом, а именно запустить двигатель. Является ли это формой рекурсии?
Это описание цикла расширения. При тепловом расширении топлива или окислителя выделяется энергия. (Топливо используется чаще всего.) Циклы детандера используют эту энергию для охлаждения двигателя.
Цикл детандера
Если вы видели «почему ракетные двигатели не плавятся?» видео или прочитать статью, возможно вы помните, что очень распространенный и чрезвычайно эффективный метод охлаждения ракетного двигателя заключается в прокачке топлива через стенки стенок камеры сгорания и сопла, чтобы они оставались холодными.
В процессе охлаждения стенок часть тепла из камеры сгорания переходит к топливу, так что топливо поглощает часть этой тепловой энергии. Некоторые виды топлива обладают большей способностью поглощать такое тепло, чем другие. В частности, водород очень хорош для этой роли из-за его огромной теплоемкости.
Во всех других циклах двигателя они закачиваются в камеру сгорания в виде горячего газа, который затем должен вступить в реакцию с жидким окислителем. Однако в случае детандерного цикла мы можем взять тепловую энергию, отводимую топливом при регенеративном охлаждении, и использовать ее для раскрутки турбины.
Проблемы «Курица против Яйца»
У подхода есть некоторые проблемы. Во-первых, у нас очередная ситуация «курица против яйца». Если двигатель не горячий до зажигания, как он может также питать насосы? Это относится к нескольким циклам ракетного двигателя в этой статье.
Похоже, нам нужно будущее видео и статья о том, как запускать ракетные двигатели. Двигателям довольно часто требуется второй источник энергии, чтобы разогнать насосы до скорости, а затем довести все до нормальной рабочей температуры, прежде чем они смогут работать самостоятельно на самоподдерживающейся основе.
Другая проблема с этим циклом заключается в том, что он имеет ограниченную мощность тяги, основанную на общем количестве тепла, доступного в системе. Чтобы попытаться объяснить это, обратите внимание, что по мере увеличения размеров двигателя количество топлива, протекающего через систему, также увеличивается.
Увеличение расхода топлива через стенки камеры сгорания и форсунки увеличивает охлаждающую способность – и обычно это хорошо. Следующее наблюдение заключается в том, что когда мы увеличиваем размер камеры, площадь поверхности стен увеличивается на квадрат радиуса камеры, тогда как объем увеличивается на куб радиуса.
Это означает, что охладить большой ракетный двигатель легче, чем маленький. Это одна из основных проблем с аэрошипами, как обсуждалось в предыдущем видео и статье.
Однако эта же ситуация ограничивает количество доступной энергии, которая может вращать насосы. Большому двигателю требуется больше энергии для вращения насосов, однако эта дополнительная энергия не выпаривает тот же процент топлива, который проходит через него, тем самым устанавливая предел его мощности.
Ограничения цикла детандера
Подобно двигателям с замкнутым циклом, давление газообразного топлива должно быть достаточно высоким, прежде чем оно достигнет турбины. Оно должно быть достаточно высоким, чтобы оно могло проходить через турбину (что приводит к падению давления) и при этом иметь достаточный запас по давлению по сравнению с основной камерой сгорания.
Это означает, что топливный насос должен проделать большую работу, чтобы сжать топливо до необходимого давления. В случае с жидким водородом насос должен быть огромным, с несколькими ступенями, чтобы получить требуемое давление.
В случае двигателя, работающего на водороде, с одной турбиной, инженерам может потребоваться использовать редуктор внутри турбонасоса, чтобы они могли направить требуемую скорость и энергию на топливные насосы, посылая меньше энергии на кислородный насос, который не так уж и нужен.
Опять же, у нас есть цикл, который меняет одну форму простоты и эффективности на новое усложнение и большее количество движущихся частей. Мы можем рассматривать это как свободную энергию, доступную в системе для питания насосов. Это очень эффективно.
Некоторыми примерами двигателей, использующих цикл детандера, являются двигатель Vinci, который будет питать верхнюю ступень будущего Ariane 6, двигатель RL-10, который приводит в действие верхнюю ступень Atlas V, и вариант, который приводит в движение Delta IV Heavy и будет питать верхнюю ступень SLS.
Варианты цикла расширителя
Существует вариант типа цикла двигателя расширителя, цикл прокачки расширителя. В этом варианте система немного проще за счет исключения возврата топлива в камеру сгорания после того, как оно раскрутило турбину.
Это означает, что большее давление может раскручивать насосы. Поэтому давление после турбины больше не должно быть выше давления в камере сгорания. Двигатель использует только небольшое количество расширенного горячего газа для привода насосов, а затем выбрасывает его за борт. Таким образом, он тратит небольшое количество несгоревшего топлива, но в целом он по-прежнему очень эффективен.
Цикл выпуска расширителя
Этот вариант помогает преодолеть ограничения доступной тяги, поскольку можно использовать большее ограниченное давление, доступное для питания насосов. Другими словами, он обменивает небольшую потерю эффективности на возможность увеличения тяги и снижения сложности.
Есть несколько примеров этого варианта, например, BE-3U, который будет питать верхнюю ступень будущей орбитальной ракеты Blue Origin New Glenn, а также LE-5A и LE-5B на японских H-I, H-II и готовящихся H -III ракеты.
Существует еще один вариант цикла расширения, известный как двойной цикл расширения. При этом используется как топливо, так и окислитель для каждого набора насосов. Это может быть полезно для некоторых двигателей меньшего размера, которые склонны к перегреву, таких как, например, будущие двигатели с аэродинамическими шипами.
Резюме
Из множества доступных циклов ракетных двигателей нет единственного «наилучшего» типа цикла. Каждая система имеет свой особый метод питания ракетного двигателя. С каждым из них неизбежно будут некоторые компромиссы и компромиссы, которые необходимо учитывать.
Имеет ли значение, насколько высока производительность двигателя, если этот двигатель ненадежен в эксплуатации? С другой стороны, двигатели с подачей под давлением элегантны и просты в использовании, но имеют ограниченную производительность.
В то же время цикл с питанием от электрического насоса находит все более широкое применение, поскольку плотность энергии литиевых батарей увеличивается благодаря достижениям в области материаловедения.
Цикл газогенератора до сих пор является одним из самых распространенных типов. Он имеет эффективный компромисс между производительностью и относительной простотой.
Типы с замкнутым циклом всегда пользовались большим спросом, и инженеры Советского Союза упростили этот процесс. Мы должны ожидать увеличения производительности по сравнению с двигателями с открытым циклом — за счет дополнительной сложности.
Полнопоточная ступенчатая система сгорания здесь является наиболее сложной системой, однако она может привести к созданию самых холодных турбин и самой горячей камеры сгорания. Это может безопасно достигать огромных уровней давления и тяги.
Удивительно, что не было больше разработок ответвительного цикла. Опять же, он относительно прост и надежен, но при этом обладает высокой производительностью.
Цикл детандера также является очень жизнеспособным вариантом, и он оказался отличным выбором для двигателя RL-10. Однако у него есть ограничения по уровням выходной тяги, и в результате он вряд ли найдет широкое применение на двигателе уровня моря.
В будущем мы рассмотрим более экзотические типы двигателей, такие как ионный двигатель или ядерный двигатель. А пока мы надеемся, что вам понравилось это обсуждение циклов ракетных двигателей.
Нравится:
Нравится Загрузка…
ракета | Характеристики, двигатель, разработка и факты
ракета
Посмотреть все СМИ
- Ключевые люди:
- Теодор фон Карман
Вернер фон Браун
Роберт Годдард
Герман Оберт
Сергей Королев
- Связанные темы:
- ракета-носитель
Ариана
зондирующая ракета
ступенчатая ракета
управление вектором тяги
Просмотреть весь связанный контент →
Резюме
Прочтите краткий обзор этой темы
ракета , реактивный двигатель любого типа, несущий твердое или жидкое топливо, которое обеспечивает как топливо, так и окислитель, необходимые для сгорания. Этот термин обычно применяется к любому из различных транспортных средств, включая ракеты-фейерверки, управляемые ракеты и ракеты-носители, используемые в космических полетах, приводимые в движение любым двигательным устройством, не зависящим от атмосферы.
Ракета отличается от турбореактивных и других «воздушно-реактивных» двигателей тем, что вся выхлопная струя состоит из газообразных продуктов сгорания «топлива», перевозимого на борту. Подобно турбореактивному двигателю, ракета развивает тягу за счет выброса массы назад с очень большой скоростью.
Фундаментальный физический принцип ракетного движения был сформулирован сэром Исааком Ньютоном. Согласно его третьему закону движения, импульс ракеты увеличивается пропорционально импульсу, уносимому в выхлопе, где M — масса ракеты, Δ v R — прирост скорости ракеты за короткий промежуток времени, Δ t , м ° — скорость сброса массы в выхлоп, v e — эффективная скорость истечения (почти равна скорости струи и взята относительно ракеты), F — сила. Величина m ° v e есть движущая сила, или тяга, создаваемая ракетой при исчерпании топлива,
Очевидно, что тяга может быть увеличена за счет использования высокой скорости выброса массы или высокой скорости истечения. Использование высоких м ° быстро расходует запас топлива (или требует большого запаса), поэтому предпочтительнее искать высокие значения v e . Значение v e ограничено практическими соображениями, определяемыми тем, как разгоняется выхлоп в сверхзвуковом сопле и какой запас энергии имеется для нагрева топлива.
Викторина «Британника»
Космос: правда или вымысел?
Марс и Млечный Путь больше, чем просто шоколадные батончики! Узнайте, насколько больше вы знаете о космосе, с помощью этого теста.
Большинство ракет получают энергию в виде тепла за счет сгорания топлива в конденсированной фазе при повышенном давлении. Газообразные продукты сгорания выбрасываются через сопло, преобразующее большую часть тепловой энергии в кинетическую энергию. Максимальное количество доступной энергии ограничено энергией, обеспечиваемой сгоранием, или практическими соображениями, обусловленными высокой температурой. Более высокие энергии возможны, если другие источники энергии (например, электрический или микроволновый нагрев) используются в сочетании с химическим топливом на борту ракет, и чрезвычайно высокие энергии достижимы, когда выхлоп ускоряется электромагнитными средствами.
Эффективная скорость истечения — это показатель качества ракетного двигателя, поскольку он является мерой тяги на единицу массы израсходованного топлива, т. е.
Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту.
Подпишитесь сейчас
Значения v e находятся в диапазоне 2 000–5 000 метров (6 500–16 400 футов) в секунду для химических ракетных топлив, в то время как значения в два или три раза выше заявленных для топлив с электрическим нагревом. Значения свыше 40 000 метров (131 000 футов) в секунду прогнозируются для систем, использующих электромагнитное ускорение. В инженерных кругах, особенно в Соединенных Штатах, эффективная скорость выхлопа широко выражается в секундах, что называется удельным импульсом. Значения в секундах получаются путем деления эффективной скорости выхлопа на постоянный коэффициент 9.0,81 метра в секунду в квадрате (32,2 фута в секунду в квадрате).
В типичном полете с химической ракетой от 50 до 95 или более процентов взлетной массы составляет топливо. Это можно представить в виде уравнения для скорости выгорания (при условии полета без силы тяжести и сопротивления):
массы двигательной установки и конструкции к массе топлива с типичным значением 0,09(символ ln представляет собой натуральный логарифм). M p / M o – отношение массы топлива к полной взлетной массе, типичное значение 0,90. Типичное значение для v e для водородно-кислородной системы составляет 3536 метров (11 601 фут) в секунду. Из приведенного выше уравнения можно рассчитать отношение массы полезной нагрузки к взлетной массе ( M pay / M o ). Для низкой околоземной орбиты v b составляет около 7 544 метров (24 751 фут) в секунду, что потребует M оплаты / M o 3, чтобы получить 4,00843. Другими словами, потребуется взлетная система весом 1 337 000 кг (2 948 000 фунтов), чтобы вывести 50 000 кг (110 000 фунтов) на низкую орбиту вокруг Земли. Это оптимистичный расчет, поскольку уравнение (4) не учитывает влияние гравитации, сопротивления или поправок на направление во время набора высоты, которые заметно увеличили бы взлетную массу. Из уравнения (4) видно, что существует прямой компромисс между M s and M pay , so that every effort is made to design for low structural mass, and M s / M p is a second показатель качества двигательной установки. Хотя различные выбранные соотношения масс сильно зависят от миссии, полезная нагрузка ракеты обычно составляет небольшую часть взлетной массы.
Во многих миссиях используется техника, называемая множественной стадией, чтобы минимизировать размер взлетной машины. Ракета-носитель несет вторую ракету в качестве полезной нагрузки, которая будет запущена после выгорания первой ступени (которая осталась позади). Таким образом, инертные компоненты первой ступени не разгоняются до конечной скорости, а тяга второй ступени более эффективно воздействует на полезную нагрузку. В большинстве космических полетов используется как минимум две ступени. Стратегия распространяется на большее количество этапов миссий, требующих очень высоких скоростей. Американские пилотируемые лунные миссии «Аполлон» использовали в общей сложности шесть ступеней.
Уникальные особенности ракет, делающие их полезными, включают следующее:
1. Ракеты могут работать как в космосе, так и в атмосфере Земли.
2. Они могут быть построены для обеспечения очень высокой тяги (современный тяжелый космический ускоритель имеет взлетную тягу 3800 кН (850 000 фунтов).
3. Двигательная установка может быть относительно простой.
4. Двигательная установка может храниться в боеготовом состоянии (важно в военных системах).
5. Небольшие ракеты можно запускать с различных пусковых платформ, начиная от упаковочных ящиков и заканчивая плечевыми пусковыми установками и самолетами (отдача отсутствует).
Эти особенности объясняют не только то, почему все рекорды скорости и дальности устанавливаются ракетными системами (воздух, земля, космос), но и то, почему ракеты являются исключительным выбором для космических полетов. Они также привели к трансформации ведения войны, как стратегической, так и тактической. Действительно, появление и развитие современных ракетных технологий можно отнести к разработкам оружия во время и после Второй мировой войны, при этом значительная часть средств финансировалась за счет инициатив «космического агентства», таких как программы «Ариан», «Аполлон» и космические челноки.
Простой экономичный ракетный двигатель позволит создать более дешевый и легкий космический корабль
Инжиниринг | Пресс-релизы | Исследования | Наука | Технологии
18 февраля 2020 г.
Запуск космического корабля «Союз» с космодрома Байконур в Казахстане в 2017 году с использованием обычного топливоемкого двигателя. Исследователи Университета Вашингтона разработали математическую модель, которая описывает, как работает двигатель нового типа, который обещает сделать ракеты более экономичными, легкими и менее сложными в конструкции. NASA/Bill Ingalls/Flickr
Чтобы запустить что-то в космос, нужно много топлива. Для отправки космического корабля НАСА на орбиту потребовалось более 3,5 миллионов фунтов топлива, что примерно в 15 раз тяжелее синего кита.
Но новый тип двигателя, называемый вращающимся детонационным двигателем, обещает сделать ракеты не только более экономичными, но и более легкими и менее сложными в конструкции. Есть только одна проблема: сейчас этот двигатель слишком непредсказуем, чтобы его можно было использовать в реальной ракете.
Исследователи из Вашингтонского университета разработали математическую модель, описывающую работу этих двигателей. С помощью этой информации инженеры могут впервые разработать тесты для улучшения этих двигателей и сделать их более стабильными. Команда опубликовала эти выводы 10 января в журнале Physical Review E.
: «Поле вращающегося детонационного двигателя все еще находится в зачаточном состоянии. У нас есть тонны данных об этих двигателях, но мы не понимаем, что происходит», — сказал ведущий автор Джеймс Кох, докторант Университета Вашингтона в области аэронавтики и астронавтики. «Я попытался переработать наши результаты, изучив закономерности вместо того, чтобы задавать инженерные вопросы, например, как получить двигатель с самой высокой производительностью, а затем, бум, оказалось, что это работает».
Обычный ракетный двигатель работает, сжигая топливо, а затем выталкивая его из задней части двигателя для создания тяги.
«Вращающийся детонационный двигатель использует другой подход к сжиганию топлива», — сказал Кох. «Он сделан из концентрических цилиндров. Топливо течет в зазоре между цилиндрами, и после воспламенения быстрое тепловыделение образует ударную волну, сильный импульс газа со значительно более высоким давлением и температурой, который движется быстрее скорости звука.
«Этот процесс горения буквально представляет собой детонацию — взрыв — но за этой начальной фазой запуска мы видим ряд стабильных импульсов горения, которые продолжают потреблять доступное топливо. Это создает высокое давление и температуру, которые выталкивают выхлопные газы из задней части двигателя на высоких оборотах, что может создавать тягу».
Для начала реакции топливо поступает в зазор между цилиндрами, и после воспламенения быстрое тепловыделение образует ударную волну (начало 11 секунд). После этой фазы запуска формируется ряд стабильных импульсов горения, которые продолжают потреблять доступное топливо. Авторы и права: Джеймс Кох/Вашингтонский университет
В обычных двигателях используется множество механизмов для направления и управления реакцией сгорания, которая производит работу, необходимую для приведения двигателя в движение. Но во вращающемся детонационном двигателе ударная волна, естественно, все делает, не нуждаясь в дополнительной помощи деталей двигателя.
«Удары, вызванные сгоранием, естественным образом сжимают поток, когда он движется вокруг камеры сгорания», — сказал Кох. «Обратной стороной этого является то, что у этих взрывов есть собственный разум. Как только вы что-то взрываете, оно просто исчезает. Это так жестоко».
Чтобы попытаться описать, как работают эти двигатели, исследователи сначала разработали экспериментальный двигатель с вращающейся детонацией, в котором они могли контролировать различные параметры, такие как размер зазора между цилиндрами. Затем они зафиксировали процессы горения высокоскоростной камерой. Каждый эксперимент занимал всего 0,5 секунды, но исследователи записывали эти эксперименты со скоростью 240 000 кадров в секунду, чтобы они могли видеть, что происходит в замедленном режиме.
Исследователи разработали экспериментальный вращающийся детонационный двигатель (показан здесь), в котором можно было контролировать различные параметры, например размер зазора между цилиндрами. Линии подачи (справа) направляют поток топлива в двигатель. Внутри есть еще один цилиндр, концентричный внешней части. Датчики, торчащие из верхней части двигателя (слева), измеряют давление по длине цилиндра. Камера будет с левой стороны, если смотреть с задней части двигателя. Джеймс Кох/Вашингтонский университет
После этого исследователи разработали математическую модель, имитирующую то, что они видели на видео.
«В настоящее время это единственная модель в литературе, способная описать разнообразную и сложную динамику этих вращающихся детонационных двигателей, которую мы наблюдаем в экспериментах», — сказал соавтор Дж. Натан Куц, профессор прикладной математики Университета Вашингтона.
Модель позволила исследователям впервые определить, будет ли двигатель этого типа стабильным или нестабильным. Это также позволило им оценить, насколько хорошо работает конкретный двигатель.
«Этот новый подход отличается от общепринятых представлений в этой области, а его широкое применение и новые идеи стали для меня полной неожиданностью», — сказал соавтор Карл Ноулен, доцент-исследователь UW в области аэронавтики и астронавтики.
После начальной ударной волны устойчивые импульсы горения продолжают потреблять доступное топливо. Ранее исследователи не понимали, как формируется определенное количество импульсов и почему иногда они могут сливаться в один импульс, но эта математическая модель может помочь объяснить лежащую в основе физику. Авторы и права: Koch et al./Physical Review E
Прямо сейчас модель не совсем готова для использования инженерами.
«Моя цель состояла исключительно в том, чтобы воспроизвести поведение импульсов, которые мы видели, чтобы убедиться, что выходные данные модели аналогичны нашим экспериментальным результатам», — сказал Кох. «Я определил доминирующую физику и то, как они взаимодействуют. Теперь я могу взять то, что я сделал здесь, и сделать это количественным. Оттуда мы можем говорить о том, как сделать двигатель лучше».
Мицуру Куросака, профессор аэронавтики и астронавтики UW, также является соавтором этой статьи. Это исследование финансировалось Управлением научных исследований ВВС США и Управлением военно-морских исследований.
За дополнительной информацией обращайтесь к Коху по адресу [email protected].
Номера грантов: FA 9550-18-1-9-007, N0001417MP00398, FA 9550-17-1-0329
Теги: Карл Ноулен • Колледж искусств и наук • Инженерный колледж • Факультет аэронавтики & Астронавтика • Кафедра прикладной математики • Дж. Натан Куц
Ракетный двигатель будущего дышит воздухом, как реактивный двигатель
Даниэль Оберхаус
Наука
Этот теоретический двигатель может значительно снизить стоимость полета в космос. Теперь две компании пытаются воплотить это в жизнь.
В то время как обычный ракетный двигатель должен нести гигантские баки с топливом и окислителем на пути в космос, воздушно-реактивный ракетный двигатель вытягивает большую часть своего окислителя прямо из атмосферы. час езды к северу от Лос-Анджелеса, который находится на краю бескрайней пустыни и привлекает аэрокосмических индивидуалистов, как мотыльков на пламя. Воздушно-космический порт Мохаве является домом для таких компаний, как Scaled Composites, первой отправившей частного астронавта в космос, и Masten Space Systems, которая занимается строительством лунных посадочных модулей. Это испытательный полигон для самых смелых космических проектов Америки, и когда в июле прошлого года Аарон Дэвис и Скотт Стегман прибыли на священную взлетно-посадочную полосу, они поняли, что оказались в правильном месте.
Двое мужчин прибыли на аэродром перед рассветом, чтобы установить испытательный стенд для прототипа их воздушно-реактивного ракетного двигателя, нового типа силовой установки, представляющей собой нечто среднее между ракетным двигателем и реактивным двигателем. Они называют свое нечестивое творение Фенрисом, и Дэвис считает, что это единственный способ сделать полет в космос достаточно дешевым для всех нас. В то время как обычный ракетный двигатель должен нести гигантские баки с топливом и окислителем на пути в космос, воздушно-реактивный ракетный двигатель вытягивает большую часть своего окислителя непосредственно из атмосферы. Это означает, что ракета с воздушным дыханием может поднять больше груза с меньшим количеством топлива и значительно снизить стоимость выхода в космос — по крайней мере, в теории.
Идея объединить эффективность реактивного двигателя с мощностью ракетного двигателя не нова, но исторически эти системы объединялись только поэтапно. Например, Virgin Galactic и Virgin Orbit используют реактивные самолеты для доставки обычных ракет на несколько миль в атмосферу, прежде чем выпустить их для последнего этапа полета в космос. В остальных случаях порядок обратный. В самом быстром самолете, когда-либо летавшем, NASA X-43, использовался ракетный двигатель для обеспечения начального разгона, прежде чем воздушно-реактивный гиперзвуковой двигатель, известный как ГПВРД, разогнал аппарат до 7300 миль в час, что почти в 10 раз превышает скорость звук.
Но если бы эти поэтапные системы можно было объединить в один двигатель, огромный прирост эффективности значительно снизил бы стоимость полета в космос. «Святой Грааль — это одноступенчатый космический корабль, в котором вы просто взлетаете со взлетно-посадочной полосы, летите в космос, а затем возвращаетесь и повторно используете систему», — говорит Кристофер Гойн, директор Лаборатории аэрокосмических исследований Университета Вирджинии. специалист по гиперзвуковым полетам.
Большая проблема с одноступенчатой ракетой, или SSTO, заключается в том, что для достижения скорости, необходимой для орбиты — около 17 000 миль в час — требуется лот топлива. Но добавление большего количества топлива делает ракету тяжелее, что затрудняет достижение орбитальной скорости. Этот порочный круг известен как «тирания ракетного уравнения», и именно поэтому для запуска спутника размером с автомобиль требуется двухступенчатая ракета размером с офисное здание. Установка ракеты помогает, потому что она может сбросить мертвый вес после того, как топливо первой ступени израсходовано, но сжигать все это топливо в первую очередь все еще довольно неэффективно. Именно здесь ракета SSTO с воздушно-реактивными двигателями могла бы обеспечить огромный прирост эффективности.
«Идея состоит в том, чтобы использовать воздушно-реактивные двигатели на более ранних этапах запуска, чтобы воспользоваться преимуществами повышения эффективности двигателей, которым не нужно нести собственный окислитель», — говорит Гойн. «Как только вы подниметесь достаточно высоко в атмосферу, у вас начнет заканчиваться воздух для воздушно-дыхательной системы, и вы сможете использовать ракету для последнего вывода на орбиту».
Самые популярные
Когда Дэвис основал компанию Mountain Aerospace Research Solutions в 2018 году, никто еще не делал работающих воздушно-реактивных ракетных двигателей. НАСА и аэрокосмические гиганты, такие как Rolls-Royce, пытались, но все проекты провалились из-за стремительного роста затрат и серьезных технологических проблем. Но у Дэвиса, бывшего техника по авиационному оружию в морской пехоте, возникла собственная идея воздушно-реактивного двигателя, и он не мог отказаться от этой идеи. «Я нанял Скотта Стегмана, чтобы тот доказал мне, что это не сработает, — говорит Дэвис. Но Стегман, ранее работавший инженером-механиком в Northrop Grumman, подсчитал цифры и не нашел ничего особенного. Что касается физики, казалось, что двигатель Дэвиса должен работать.
Согласно расчетам Стегмана, полномасштабный двигатель «Фенрис» может уменьшить количество окислителя, которое необходимо нести ракете, примерно на 20 процентов. Это огромный прирост эффективности, но сначала им нужно было продемонстрировать, что конструкция Дэвиса будет работать. У Дэвиса не было средств, необходимых для проведения подробных гидродинамических симуляций для моделирования двигателя на компьютере, поэтому дуэт решил вместо этого построить физический двигатель. «В конце концов, вы можете создавать действительно красивые симуляции, и никто вам не поверит», — говорит Дэвис. «Было дешевле просто выйти и проверить, верна ли моя идея или нет».
К тому времени, когда Дэвис начал обратный отсчет в воздушно-космическом порту Мохаве в июле прошлого года, он и Стегман уже почти полтора года работали над прототипом «Фенриса». Дэвис говорит, что полностью оплатил разработку двигателя из своего кармана, и, по его оценкам, на данный момент он потратил на проект около 500 000 долларов. Двигатель в форме песочных часов ненамного больше тостера и предназначен для пассивного втягивания воздуха с одного конца, смешивания воздуха с керосином и некоторым количеством газообразного кислорода в камере сгорания и выброса пламени с другого конца. И когда в прошлом году Дэвис включил зажигание, двигатель Fenris заработал.
Дэвис утверждает, что испытание является первым и единственным случаем успешного запуска воздушно-реактивного ракетного двигателя. Это серьезное утверждение, и оно сопровождается важной оговоркой: двигатель Fenris даже близко не был достаточно мощным, чтобы отправить что-либо в космос. Дуэт не опубликовал никаких данных о характеристиках двигателя, но на видео работы двигателя видно, что выхлопу не хватает упорядоченной структуры, которую вы ожидаете увидеть в высокопроизводительном ракетном двигателе. Справедливости ради, Дэвис и Стегман не пытались добраться до последнего рубежа. Они просто хотели посмотреть, сможет ли их двигатель втягивать воздух с одной стороны и извергать пламя с другой, не взрываясь. «Это буквально ракетный двигатель с отверстиями на обоих концах», — говорит Стегман. «Это ненормально, и именно поэтому мы были очень консервативны в первом тесте».
Позже в этом году Дэвис и Стегман проведут дополнительные испытания двигателя в выведенной из эксплуатации ракетной шахте в Вайоминге. В отличие от первого тестового прогона, все они будут направлены на то, чтобы довести Fenris до предела и извлечь как можно больше энергии из экспериментального двигателя. Основываясь на своих компьютерных моделях, Дэвис говорит, что рассчитывает достичь более 600 секунд удельного импульса во время испытаний, что является мерой того, насколько эффективно ракетный двигатель использует свое топливо. Это было бы монументальным достижением, учитывая, что мировой рекорд удельного импульса, установленный НАСА, составляет 542 секунды, а удельный импульс большинства действующих орбитальных ракет составляет около 300 секунд. Если демонстрации в Вайоминге пройдут успешно, следующим важным шагом станет демонстрация двигателя в полете. По словам Дэвиса, если он найдет партнера по запуску, двигатель Fenris сможет взлететь уже в 2022 году9.0007
Самые популярные
Воздухозаборник двигателя Fenris компании Mountain Aerospace Research Solution после первого возгорания в июле прошлого года. Линии вокруг конуса подают керосин и газообразный кислород в камеру сгорания, где они смешиваются с воздухом и воспламеняются.
Фотография: Аарон Дэвис/Mountain Aerospace Research Solutions
Исторически сложилось так, что Дэвис и Стегман находятся в хорошей компании. Рождение современных ракет на жидком топливе было вызвано такими любителями, как Роберт Годдард, Джек Парсонс и Вернер фон Браун, которые расчистили путь для последующих масштабных государственных ракетных программ. Но не все убеждены, что Фенрис меняет правила игры.
«Я скептически отношусь ко всей концепции, — говорит Дэн Эрвин, профессор аэрокосмической техники Университета Южной Калифорнии и специалист по двигателям. Одна из проблем заключается в том, что атмосфера в основном состоит из инертного азота, а в ракетном двигателе азот действует как влажное одеяло. Он нагревается за счет реакции горения между кислородом и керосином, не внося в нее вклад, что снижает температуру сгорания и уменьшает тягу. И хотя азот может способствовать увеличению тяги двигателя — поскольку он нагревается в камере сгорания и выбрасывается через сопло, — скорость выхлопа должна быть больше, чем скорость космического корабля. В противном случае, говорит Эрвин, воздух движется вперед относительно стационарной атмосферы, когда он выходит из двигателя, и это уменьшит поступательный импульс ракеты. Хотя такой двигатель не является невозможным, он должен обладать невероятно высокой производительностью.
Адониос Карпетис, аэрокосмический инженер из Техасского университета A&M и эксперт в области высокоскоростного сгорания топлива, также сомневается в осуществимости двигателя Фенрис. Он отмечает, что, хотя ракеты проводят большую часть своего времени в движении со сверхзвуковой или гиперзвуковой скоростью, сама камера сгорания не испытывает таких условий. Это не относится к гиперзвуковым воздушно-реактивным двигателям, которые испытывают гиперзвуковой поток воздуха в самом двигателе. Это было серьезной технической проблемой для компаний, производящих гиперзвуковые ГПВРД, и с ней также столкнутся воздушно-реактивные двигатели, такие как Fenris, во время полета. «Одно статическое огневое испытание устройства Fenris было проведено на нулевой скорости, — говорит Карпетис. «Что произойдет, когда устройство «Фенрис» станет действительно сверхзвуковым и воздух будет устремляться в него через входное отверстие на высоких скоростях? Простая догадка предсказала бы уменьшение поведения, быстрое уменьшение удельного импульса в 600 секунд до некоторого меньшего значения».
Самые популярные
Существует долгая история организаций с большим количеством денег и большим опытом, которые боролись за то, чтобы воплотить в жизнь воздушно-реактивные ракетные двигатели. В 1980-х годах НАСА и партнерство британских аэрокосмических компаний разрабатывали концепции воздушно-реактивных космических самолетов SSTO, которые могли бы заменить космические челноки. Транспортное средство НАСА, известное как Национальный аэрокосмический самолет, было разработано с использованием воздушно-реактивного ГПВРД для ускорения до 25-кратной скорости звука и выхода на орбиту без ракетного двигателя. Британский аппарат, получивший название Horizontal Take-Off and Landing (или Hotol), должен был иметь гибридный двигатель, сочетающий в себе аспекты реактивного двигателя и ракетного двигателя.
Бюджетные ограничения убили обе программы создания космических самолетов еще до того, как они были построены, но Алан Бонд, один из ведущих инженеров Hotol, не мог отказаться от этой идеи. В 1989 году Бонд основал Reaction Engines для создания нового ракетного двигателя с воздушным дыханием на основе разработок Хотол. Он предполагал использовать двигатель на концептуальном космическом самолете, который он назвал Skylon, который выглядит как ракета, оснащенная воздушно-реактивным двигателем на концах двух узких крыльев. Двигатель Skylon известен как Synergetic Air Breathing Rocket Engine или Sabre, и хотя космический самолет все еще не более чем концепт, двигатель вполне реален.
Идея Sabre заключается в том, чтобы использовать воздушно-реактивный режим двигателя, чтобы разогнать космический корабль до гиперзвуковых скоростей в нижних слоях атмосферы, а затем переключиться на полный ракетный режим на краю космоса. Концептуально все просто, но дьявол кроется в деталях. Например, когда двигатель разгоняет самолет до гиперзвуковых скоростей на малых высотах, температура воздуха приближается к 1800 градусам по Фаренгейту, что достаточно для того, чтобы расплавить компоненты двигателя. Чтобы преодолеть эту проблему, Sabre использует предварительный охладитель для снижения температуры воздуха за счет циркуляции водородного топлива через двигатель. Это снижает температуру воздуха до температуры окружающей среды на высоте, которая составляет около -200 градусов по Фаренгейту. «По сути, основной двигатель не знает, что он летит на гиперзвуке», — говорит Шон Дрисколл, программный директор Reaction Engines. «Предварительный охладитель позаботится об этом».
Как только воздух опускается до приемлемой температуры, он подается в компрессор для повышения давления газа, как в обычном реактивном двигателе. Затем он направляется в камеру сгорания ракеты, где смешивается с жидким водородным топливом и воспламеняется для создания тяги. К тому времени, когда транспортное средство достигает гиперзвуковой скорости, атмосфера становится слишком тонкой для воздушно-реактивного двигателя, и система переключается на бортовой бак с окислителем для последнего этапа путешествия в космос.
Бонд ушел из Reaction Engines в 2017 году, но работа над двигателем Sabre продолжается. За последние четыре года компания привлекла более 100 миллионов долларов на разработку Sabre, и вскоре после того, как Бонд ушел из компании, Reaction Engines заключила контракт с Darpa на разработку испытательного стенда для предварительного охлаждения двигателя в Колорадо. В конце прошлого года компания продемонстрировала, что ее предварительный охладитель может выдерживать экстремальное тепло, выделяемое в гиперзвуковых условиях, что стало важной вехой на пути к полной демонстрации двигателя. Примерно в то же время Европейское космическое агентство завершило проверку конструкции двигателя и дало компании зеленый свет на начало испытаний ядра двигателя.
Самый популярный
Фотография: NASA
. мерцающий сквозь тьму.
Генеральный директор Reaction Engines Марк Томас говорит, что компания планирует начать эти испытания в следующем году. Сердцевина двигателя Sabre — это воздушное сердце силовой установки, лишенное выхлопного сопла и предохладителя. «Эти испытания пройдут в течение следующего года и станут важным шагом на пути к первому в мире воздушно-реактивному двигателю, способному разгоняться с нуля до 5 Маха», — говорит Томас. Если эти испытания пройдут успешно, Томас говорит, что следующим большим шагом будет интеграция всех компонентов двигателя и демонстрация высокоскоростного полета с нестандартным планером. Томас говорит, что ожидает, что первый демонстрационный полет состоится к середине 2020-х годов.
«В последние годы коммерческие стартовые компании добились значительных успехов в повторном использовании и снижении стоимости запуска, однако их подход в основном основан на использовании существующей химической ракетной технологии, которая используется уже более 70 лет», — говорит Томас. «Только воздушно-реактивная система обеспечит дальнейшее значительное снижение стоимости запуска и надежности».
Sabre является кульминацией более чем 40-летних исследований и разработок, подкрепленных миллионами долларов государственного и отраслевого финансирования. Это примерно то, что вы можете получить от двух парней, разжигающих небольшой прототип ракетного двигателя в пустыне, но Дэвиса не смущают большие шансы. «Это важнее всего», — говорит он. «Только 600 человек когда-либо были в космосе, и я не собираюсь уходить, пока не осознаю эту способность для всех».
Другие замечательные истории WIRED
- Мы можем защитить экономику от пандемий. Почему нет?
- Ретро-хакеры создают лучший Nintendo Game Boy
- Страна вновь открывается. Я все еще на карантине
- Как очистить свои старые сообщения в социальных сетях
- Сотрудники Walmart хотят показать, что его противоугонный ИИ не работает
- 👁 Является ли мозг полезной моделью для ИИ? Плюс: получайте последние новости об искусственном интеллекте
- 🏃🏽♀️ Хотите лучшие инструменты для здоровья? Ознакомьтесь с подборкой нашей командой Gear лучших фитнес-трекеров, беговой экипировки (включая обувь и носки) и лучших наушников 9.0106
Дэниел Оберхаус — штатный автор WIRED, где он освещает исследования космоса и будущее энергетики. Он является автором книги Extraterrestrial Languages (MIT Press, 2019) и ранее был редактором новостей в Motherboard.
ТемыракетыреактивныедвигателиКосмический корабльАвиация
Еще из WIRED
Газообразный кислородный и пропановый ракетный двигатель, обработка и испытания
Ричарда Гарсии, директора по исследованиям Общества исследования реакций
, опубликовано на RRS. ORG, 20 января 2019 г.
(*) Следующий отчет был первоначально написан в начале 2014 года, а статическое испытание ракеты в декабре 2013 года обсуждается здесь. Первоначально я предназначал его для будущего информационного бюллетеня RRS, который так и не появился. Итак, я просто размещаю его здесь (на веб-сайте RRS.ORG). Лучше поздно, чем никогда. (*)
Просто, быстро, легко и дешево — это не те слова, которыми можно описать жидкостные ракетные двигатели (ЖРД). И, работая над некоторыми ЖРД, я жаждал проекта двухкомпонентной ракеты, который был бы проще, дешевле, легче и, самое главное, материализовался бы быстрее, чем проекты, над которыми я уже работал. Я придумал газообразный кислородно-пропановый двигатель с использованием деталей от горелки для пайки. (На самом деле это скорее воспламенитель, чем сам двигатель.)
У меня была одна из тех маленьких паяльных горелок, которые вы видите в хозяйственных магазинах, где используются портативные баллоны с пропаном и кислородом. Я давно думал использовать его в качестве основы для ракеты, но колебался по двум причинам: не хотелось порезаться и потерять фонарь, а во-вторых, не мог найти адаптер для кислородный баллон, который не будет (чрезмерно) ограничивать поток. Создание одного не звучало так, как будто это соответствовало бы моим критериям. Необходимость в штифте для нажатия на выпускной клапан на баке в адаптере заставила его пройти мимо того, что, я думаю, я мог бы легко обработать, кроме того, мой токарный станок не может сделать требуемую обратную резьбу.
Пример горелки для пайки Bernzomatic WK5500, доступной в Home Depot. Поставляется с пропановым баллоном и кислородным баллоном с горелкой для смешивания топливного газа и газа-окислителя и выпуска их через наконечник. Горелка зажигается с помощью сварочного искрового устройства, показанного внизу справа.
После дальнейших задержек с еще одним из моих ракетных проектов я подумывал о том, чтобы снова создать двигатель на основе факела. Я понял, что если бы я мог жить с ограничениями потока, я мог бы использовать клапаны, уже установленные на горелке. Я мог бы обрезать трубки линии подачи и поставить фитинги с обеих сторон. Таким образом, я мог бы использовать баки и клапаны для ракеты и при этом снова собрать факел. Итак, я пошел на работу.
КОНСТРУКЦИЯ РАКЕТЫ
Приступая к проектированию, я сразу столкнулся с той сложностью, что у меня нет возможности измерить расходы газов. Поэтому я решил работать с математикой в обратном порядке от обычного способа. (Поэтому я опускаю детали, чтобы не давать никому плохих идей.) Вместо того, чтобы выбирать тягу и использовать ее для определения необходимого расхода и соответствующих размеров сопла, я начал с размера горловины. Недавно я обнаружил сайт, на котором продаются те же сопла, которые используются в мощных ракетных двигателях, таких как AeroTech.
www.rocketmotorparts.com (сайт больше не доступен)
www.aerotech-rocketry.com
Эти форсунки изготовлены из формованного стекловолоконного композита на основе фенольной смолы. Я выбрал тип, для которого было бы проще выточить стопорное кольцо, и размер, который подходил бы для хроммолибденовых трубок, которые у меня были под рукой и которые я хотел использовать для патронника. После этих критериев у меня осталось около трех размеров горловины сопла. Насадки стоили всего несколько долларов каждая, поэтому я выбрал размер, который показался мне подходящим, зная, что будет легко переключить его и попробовать другие размеры насадок, если мне не понравятся результаты. Для определения размера патронника я использовал значение L-звезды (L*) 75 дюймов.
За все это время меня особо не волновали рабочие характеристики, такие как тяга или удельный импульс. Я работал с низким расходом и низким давлением. Баллон с пропаном доставлял около 100 фунтов на квадратный дюйм, а баллон с кислородом — только 10 фунтов на квадратный дюйм. Поэтому я использовал регулятор для снижения давления пропана до давления кислорода и установил давление в камере 10 фунтов на квадратный дюйм.
Я хотел прямой метод зажигания. Я никогда не делал никаких пиротехнических воспламенителей, которые часто использовались с любительскими жидкостными ракетными двигателями. Поэтому вместо этого я решил попробовать свечу накаливания, которую используют в поршневых двигателях с радиоуправлением (RC). Я не был уверен, что он будет работать в условиях моей ракеты, поэтому я взял один и проверил его, посмотрев, зажжет ли он ручной пропановый фонарик. Так и было. Так что я пошел вперед со свечой накаливания. Меня не особо беспокоили тяжелые старты. Из-за низкого давления и низкой скорости потока я знал, что камера может выдержать наихудшую нестабильность горения или жесткий запуск, что будет скорее хлопком, чем любым видом взрыва. (Камера могла выдерживать около 4500 фунтов на квадратный дюйм, прежде чем лопнуть, а рабочее давление составляло 10 фунтов на квадратный дюйм.)
Пример воспламенителя размером со свечу накаливания модели радиоуправляемого (RC) двигателя показан с уплотнительным кольцом. По сути, очень маленькая версия свечи зажигания автомобиля, газонокосилки или мотоцикла. Положительный электрический разъем представляет собой штуцер с зазубринами, основной корпус и то, во что он ввинчивается, является электрическим заземлением. При подаче электроэнергии тонкая платиновая проволока нагревается.
Я хотел какой-то абляционный вкладыш для камеры сгорания. Композитная камера из фенольной смолы и стекловолокна. Композит из фенольной смолы и стекловолокна был бы моим первым выбором. Я подумал, что для этого двигателя это будет перебор. Я также хотел что-то, что я мог бы сделать быстро. Приняв к сведению, что ПВХ используется в качестве топлива в некоторых гибридных ракетных двигателях, я подумал, что из него можно сделать подходящую облицовку камеры сгорания для такой ракеты, а возможно, и для других небольших ракет.
После того, как мой проект был закончен, и я наносил последние штрихи на сборку ракеты, я отправлял информацию о ракете Джиму Гроссу, ответственному за предстоящее испытание, пирооператору RRS. Естественно, он хотел знать ожидаемую тягу. Несколько смущенный, я не удосужился вычислить его. Я не особо задумывался об этом проекте, так как тяга и производительность не имели значения. Я знал, что в лучшем случае это будет несколько фунтов тяги, и я не беспокоился об этом. Итак, я сел и сделал расчеты. Я знал, что это будет мало, но оказалось, что это всего лишь грамм тяги. Что ж, в ближайшее время этот двигатель ничего не поднимет с земли, но, по крайней мере, он может стать основой бортовой перезапускаемой системы зажигания для более крупного ракетного двигателя. Кроме того, это был забавный практический проект по проектированию и строительству небольшой толкающей камеры.
Рисунок 1: Покомпонентный вид ракеты GOX-пропан. Свеча накаливания не показана в сборке. Рисунок 2: Вид поперечного сечения ракеты GOX-пропан.
На рис. 1 показан вид в разобранном виде всего узла, кроме воспламенителя свечи накаливания. На рис. 2 показана установка болтов крепления сопла в сопло. Эта функция потребовала бы модификации сопла, и я исключил ее из окончательного проекта. Я беспокоился о том, чтобы протолкнуть сопло в камеру, но это оказалось лишь незначительным неудобством при обращении.
СБОРКА РАКЕТЫ
Я использовал электромагнитный клапан и обратный клапан, которые уже были у меня под рукой, и заказал подходящую пару через Интернет. Я использовал алюминиевые трубки размером 1/4 дюйма, которые у меня были, и 45-градусные фитинги от клапанов до форсунки. Я выточил инжектор из куска медного лома, который подобрал, когда учился в колледже. Между прочим, это была моя первая обработка латуни, и я был впечатлен тем, насколько легко ее обрабатывать, я должен был попробовать латунь намного раньше.
Завершение работы инжектора и изготовление камеры — вот где этот проект стал интересным. Обычно, чтобы сделать отверстия инжектора под нужными углами, вам нужно было бы либо проделать какую-то сложную работу, удерживая заготовку инжектора, например, синусоидальные тиски (которых у меня не было) и поворотный стол, либо использовать фрезу, например мостового типа, с наклонной головкой (которой на моей мельнице не было) и поворотным столом. У меня не было подходящих инструментов, и я хотел что-то попроще, что-то, что можно было бы сделать с помощью простого сверлильного станка.
Я придумал систему крепления, в которой используются преимущества универсальности 3D-печати. Недавно я приобрел пластиковый 3D-принтер Ultimaker, поэтому печатать детали приспособлений стало быстрее, проще и дешевле. Основная идея заключается в создании наклонного приспособления, удерживающего инжектор под таким углом к горизонтальной плоскости, чтобы просверливаемое отверстие для инжектора было вертикальным. Фиксатор ориентируется либо на отмеченную деталь на инжекторе, либо на вторую часть фиксатора, которая будет удерживать инжектор и обеспечивает функции поворотной индексации, необходимые для размещения всех отверстий инжектора. Такое приспособление способно удерживать инжектор в нескольких повернутых положениях. Это устраняет необходимость в других инструментах для настройки. Для нескольких углов отверстий в инжекторе можно сделать несколько оснований. Это позволяет масштабировать прозы до более сложных конструкций инжекторов без особых дополнительных усилий.
Этот метод крепления выгоден только в том случае, если вы можете использовать 3D-печать. Если бы вам пришлось обрабатывать приспособления, это, вероятно, было бы сложнее, чем при использовании обычных методов. Хотя этот метод добавит дизайн приспособления в список задач, он должен сделать обработку более гладкой. Изготовление деталей на 3D-принтере очень просто. Однако реальное преимущество заключается в уменьшении количества необходимых станков. Все, что вам нужно, это токарный станок и сверлильный станок, хотя никогда не помешает иметь больше инструментов. Потенциальные недостатки включают в себя меньшую жесткость (если вы не потратите дополнительные расходы на их печать на металле) и снижение достижимой точности, хотя я думаю, что точность, которую вы получите, подойдет для любительских проектов.
Рисунок 3: Наклонное приспособление с зажимом для сверления под углом (45 градусов) отверстий для инжектора
На рисунке 3 показано распечатанное на 3D-принтере угловое приспособление, которое я изготовил для сверления инжектора.
На рис. 4 показана типовая конструкция такого приспособления с типовым инжектором, взятым из более крупного ракетного двигателя Скотта Клафлина мощностью 1670 фунтов-силы LOX/этанола.
Рисунок 4: Приспособление Скотта Клафлина для сверления отверстий инжектора (угол 30 градусов)Рисунок 5: Плоское приспособление для сверления отверстий окислителя
Возможным улучшением по сравнению с показанными конструкциями является включение буровых втулок в верхней части инжектора, чтобы облегчить размещение сверла и уменьшить блуждание, которое может быть большой проблемой при сверлении на наклонных поверхностях. Кроме того, втулки можно обрезать под углом, соответствующим углу поверхности форсунки, чтобы устранить зазор между втулкой и поверхностью форсунки.
Существуют и другие способы облегчить сверление поверхности инжектора. Вы могли бы обработать угловую поверхность инжектора, пока его обтачивали на токарном станке, чтобы получить поверхность, перпендикулярную сверлу. Эту особенность можно было либо оставить, либо удалить после сверления отверстий. Кроме того, инжектор может быть оставлен с очень толстой поверхностью, а плоская поверхность может быть сделана с помощью концевой фрезы, опять же, элемент может быть оставлен или поверхность может быть обработана плоской. Хотя оба метода могут усложнить поиск отверстий в нужном месте.
По сравнению с приведенными рисунками приспособление, которое я использовал, было более грубым и нуждалось в некоторых улучшениях. Я также использовал аналогичные приспособления, чтобы просверлить отверстия под болты в камере сгорания, фиксаторе форсунки и форсунке. Эта концепция крепления с помощью 3D-печати не будет работать для всего, но она может либо снизить сложность сложных операций обработки, либо расширить возможности, которые вы можете делать с помощью более простых станков. К сожалению, фото самого процесса обработки я не делал.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ
Я провел статическое тестирование 7 декабря 2013 г. в испытательном полигоне Мохаве (MTA) Общества исследования реакций (RRS). День стрельбы был захватывающим опытом. Это был первый раз, когда я запустил сконструированный мною ракетный двигатель. Все прошло довольно гладко, учитывая все, что могло пойти не так во время тестовых стрельб. Сама стрельба тоже прошла хорошо, за исключением нескольких моментов.
Рисунок 6: Статическое горячее пламя ракетного двигателя GOX/пропан от культовой двутавровой балки на RRS MTA
Видеозапись огневых испытаний 7 декабря 2013 г. на РРП МТА на YouTube. Мой тест последний в серии.
Жужжащий звук, который можно услышать на видео, был вызван обратными клапанами. У них не было достаточно потока, чтобы держать их полностью открытыми. Это также можно увидеть на видео, влияющем на поток выхлопных газов. Я знал об этой проблеме заранее из проведенных мною испытаний на холодную текучесть. На более крупной ракете эта проблема может стать серьезной проблемой, способствуя нестабильности горения и всем сопутствующим проблемам. Я знал, что при таких малых скоростях потока и низком давлении в камере это не будет проблемой для этого двигателя. Меня больше беспокоило попадание пропана в кислородную систему из-за большой разницы давлений между баллонами. С приближением даты запуска у меня не было времени искать лучшие обратные клапаны для такого низкого расхода, поэтому я продолжил работу с клапанами, несмотря на недостаток.
Вторая проблема, обнаруженная во время горячего обжига, заключалась в значительном количестве мусора, образовавшегося из абляционного вкладыша, частично загораживающего сопло и наклоняющего шлейф в одну сторону. Это хорошо видно на видео и постепенно ухудшается по мере ожога. Итак, получается, что материал ПВХ плохо работает в этих условиях, создавая слишком много твердых частиц. Было также очевидно, что вкладыш из ПВХ издавал заметный запах. Самое близкое, с чем я бы сравнил это, это сгоревшая электроника. Сопло само по себе имело очень низкую абляцию и выглядит пригодным для выстрела еще несколько раз после того, как мусор будет очищен. Если я когда-нибудь снова запущу эту ракету, я попробую без абляционного вкладыша. Я не думаю, что это вызовет прогорание, если время горения не слишком велико.
Рисунок 7: Сужающаяся сторона сопла, показывающая асимметричную частичную закупорку твердыми частицами от повторного осаждения абляционного вкладыша. Рисунок 8: Глядя внутрь камеры, расплавленный абляционный вкладыш образует много мусора в этом небольшом двигателе
Я также заметил, что цвет пламени отличался от типичных кислородно-пропановых двигателей, которые я видел. Это, вероятно, связано с нетипичным соотношением топливной смеси, вероятно, из-за того, что фактические скорости потока отличаются от ожидаемых при расчетах в обратном направлении и невозможности измерить фактические скорости потока. Соотношение смеси можно улучшить, либо изменив размеры отверстия инжектора, либо отрегулировав клапаны горелки на баках. Для этого огневого испытания у меня были полностью открыты оба клапана. Судя по тестовым кадрам, степень расширения шлейфа сопла выглядит нормально, но если бы я снова попытался запустить двигатель, я хотел бы попробовать другие доступные размеры горловины сопла и посмотреть, будут ли они лучше.
После запуска двигателя на внешней стороне фиксатора осталась заметная пленка. Имеет медно-латунный цвет. Сначала подумал, что отложения от эрозии форсунки. Но после разборки форсунка оказалась в отличном состоянии, без заметной эрозии.
Рисунок 9. Фиксатор сопла. Обратите внимание, насколько велики головки винтов 6–32 на этом изображении.
Рисунок 10: Инжектор пропана GOX после горячего зажигания с уплотнениями коллектора и присоединенными линиями подачи. Если я снова запущу двигатель, я сделаю это с более подходящими обратными клапанами, другим размером сопла и запущу его без абляционного вкладыша из ПВХ. Эта конструкция имеет некоторый потенциал в качестве основы для бортовой перезапускаемой системы зажигания для более крупного ЖРД, но ее необходимо будет переработать, вероятно, до неузнаваемости. Но настоящим преимуществом проекта, помимо увлекательного обучения, является метод крепления, который может упростить сборку инжекторов, сталкивающихся со столкновением. Я намерен попробовать эту систему крепления в будущих проектах.
По вопросам обращайтесь к Ричарду: [email protected]
Проблемы с ракетным двигателем вынуждают НАСА отложить запуск ракеты на Луну
Ракета системы космического запуска НАСА стоит на стартовой площадке во Флориде. (НАСА через YouTube)
Проблемы с сантехникой в ракетном двигателе вынудили отложить первый запуск самой мощной ракеты НАСА во время исторического полета вокруг Луны.
Ракета системы космического запуска НАСА ушла далеко вперед в процессе заправки для сегодняшнего старта беспилотной миссии Artemis 1, которая предназначена для проверки всех систем, которые будут задействованы во время пилотируемых миссий на Луну.
Во время обратного отсчета инженеры обнаружили проблему с одним из четырех двигателей основной ступени РС-25. Ракета спроектирована таким образом, чтобы «сбрасывать» часть своего переохлажденного топлива для подготовки своих двигателей — в основном, для поддержания двигателей при надлежащей температуре для запуска. Но процедура стравливания водорода не работала должным образом для двигателя № 3.
Инженеры испробовали различные методы, чтобы освободить водопроводную загвоздку, и НАСА вызвало незапланированную задержку в Т-минус 40 минут, чтобы дать им больше времени для подъема. с исправлением. Но в конце концов руководители миссии решили отложить запуск на сегодня.
Следующая возможность запуска появится в пятницу, когда в 12:48 откроется двухчасовое окно. ET (9:48 утра по тихоокеанскому времени). «Однако мы подождем определения плана действий по устранению прокачки двигателя, а затем начнем с этого», — сказал комментатор запуска Деррол Нейл.
На ранних стадиях процесса заправки команде запуска пришлось решить проблему, связанную с утечкой водорода. Еще одна проблема связана с трещиной в пенопластовой изоляции, покрывающей ракету. В конце концов инженеры определили, что трещина и потоки холодного воздуха, исходящие из трещины, были похожи на то, что наблюдалось во время обратного отсчета космических челноков. НАСА заявило, что это конкретное явление не станет помехой.
Такие сбои нередко возникают во время подготовки к первому запуску ракеты, а система космического запуска, возможно, является самой сложной и дорогостоящей ракетой, которую НАСА и его коммерческие партнеры (во главе с Boeing) разработали со времен программы космических челноков. . Проблемы с системой заправки выявились во время генеральных репетиций, которые проводились в течение последних нескольких месяцев.
«Мы не запускаем, пока это не будет правильно», — сказал администратор НАСА Билл Нельсон после сегодняшней уборки. «Это просто иллюстрация того, что это очень сложная машина, очень сложная система, и все эти вещи должны работать. И вы не хотите зажигать свечу, пока она не будет готова к работе».
Нельсон отметил, что его собственный запуск космического челнока, который состоялся в 1986 году, когда он был членом Конгресса, столкнулся с четырьмя скрабами. «Если бы мы запустили любой из этих кустов, это был бы плохой день», — сказал он.
План миссии Artemis 1 предусматривает, что ракета SLS, которая на 15% мощнее, чем ракета Saturn V эпохи Аполлона, должна поднять неуправляемую капсулу Orion в 42-дневном полете, который простирается на расстояние до 40 000 миль от Земли. луна. «Орион» выйдет на циклическую лунную орбиту, а затем вернется к приводнению в Тихом океане. Одно из ключевых испытаний произойдет, когда теплозащитный экран Ориона столкнется с повышением температуры почти до 5000 градусов по Фаренгейту во время входа в атмосферу.
Три манекена с датчиками внутри капсулы «Орион» будут собирать данные об условиях окружающей среды, в том числе о радиационном воздействии, во время полета.
НАСА также планирует протестировать голосового помощника в стиле Alexa, разработанного Amazon в сотрудничестве с Cisco и Lockheed Martin. Голосовая система искусственного интеллекта на Орионе, получившая прозвище Каллисто, может предоставлять информацию в режиме реального времени и помощь будущим космическим экипажам, направляющимся на Луну или Марс.
Данные, собранные во время миссии Artemis 1, помогут НАСА подготовиться к Artemis 2, целью которой является отправка экипажа астронавтов вокруг Луны в 2024 году; и для Artemis 3, целью которого является доставить астронавтов на поверхность Луны в 2025 или 2026 году. Это будет первая высадка на Луну с экипажем после Аполлона-17 в 1972.
Обновление на 11:20 по тихоокеанскому времени, 29 августа: руководитель миссии Artemis Майк Сарафин сказал, что его команде потребуется как минимум день, чтобы устранить проблему утечки водорода, а также другие проблемы, возникшие во время обратного отсчета. План состоит в том, чтобы изучить системы охлаждения для двигателя № 3, а также для трех других двигателей основной ступени SLS.
Планы следующей попытки запуска будут объявлены не ранее вторника.
По словам Сарафина, помимо проблемы с процедурой прокачки, инженерам пришлось столкнуться с негерметичным выпускным клапаном в межбаковой секции активной зоны SLS. Он также отметил, что в начале сегодняшнего двухчасового окна запуска погода была бы «неблагоприятной» из-за осадков и что угроза молнии создала бы неблагоприятные условия на более поздних этапах окна.
Вице-президент Камала Харрис присутствовала на обратном отсчете, и, хотя она не смогла увидеть запуск, Нельсон сказала, что ее визит был «очень продуктивным». После очистки Харрис написала в Твиттере о своей поддержке лунной программы Artemis:
Хотя мы надеялись увидеть запуск Artemis I сегодня, попытка предоставила ценные данные, поскольку мы испытываем самую мощную ракету в истории. Наша приверженность программе «Артемида» остается твердой, и мы вернемся на Луну.
— Вице-президент Камала Харрис (@VP) 29 августа, 2022
Джим Фри, заместитель администратора НАСА по разработке исследовательских систем, сказал, что подготовка к запуску дала ему новую оценку тому, что члены команды «Аполлон» сделали более полувека назад.
«Они не знали, что это можно сделать, что еще более впечатляет», — сказал Фри журналистам. «Мы видели, как это делается. Мы пробуем это с новым транспортным средством, поэтому меня действительно впечатляет мысль, что они даже не знали, что это можно сделать. Вы не представляете, как это тяжело из-за того, что лежит перед вами».