Как в космосе работает двигатель: Как работает реактивный двигатель?

Как работает реактивный двигатель?

Автор: Игорь Вильховский. Дата публикации: 26 апреля 2021. Категория: Новости.

Наш технопарк превращает детей в настоящих инженеров. Здесь они проектируют и создают различные механизмы, приборы и системы. Инженеры всех времён создавали этот Мир и улучшали его, и мы надеемся, что наши кванторианцы продолжат это дело.

У инженерного ремесла множество направлений, но сегодня хочется вспомнить инженеров космической индустрии, так как совсем недавно был праздник День Космонавтики, в который мы отметили юбилей первого полёта человека в космос.

Огромным прорывом, поспособствовавшему этому событию стало создание первого реактивного двигателя – главной части космической ракеты. Он был изобретен инженерами Гансом фон Охайном и Фрэнком Уиттлом в 1930 году.

Главный советский инженер-конструктор Сергей Павлович Королёв успешно продолжил изучение реактивного движения и создал ракету «Восток-1», которая и отправила в космос первого человека – Юрия Алексеевича Гагарина.

А как же работает реактивный двигатель? Как ему удаётся двигать ракету даже в безвоздушном космическом пространстве? В этой статье ответы на эти вопросы!

Попробуйте поднять самого себя, взявшись за шнурки своих кроссовок. Получилось? Если Вы не нарушили законы физики, то вряд ли! Мы не сможем оторвать себя от земли, как бы не старались. Подлететь вверх мы можем только оттолкнувшись от пола и совершив прыжок. Но как же тогда ракета двигается в космосе? Космос – это пустота, вакуум. Там нет предметов, от которых можно оттолкнуться, чтобы получить импульс для движения. Получается, что ракета двигает сама себя, но как это получается?

Двигаться в вакууме ракете позволяет реактивный двигатель. И нет, ракета не двигает сама себя. Она всё-таки отталкивается. От чего? От собственного топлива!Чтобы понять, как это происходит, давайте вспомним третий закон Ньютона – «Действию всегда есть равное и противоположное противодействие».

Представьте, что Вы сидите на очень скользком льду. Встать и уйти невозможно. Оттолкнуться тоже никак. Вы сидите в одном положении и никак не можете двинуться с места. Что делать в такой ситуации? Нужно получить толчок извне. Да, можно позвонить другу и попросить, чтобы он кинул в Вас что-то тяжелое. Но этот способ травмоопасный и крайне неприятный. Правильнее будет вспомнить всё тот же третий закон Ньютона и получить импульс от противоположного импульса. А если по-простому – снимаем ботинок и кидаем его в сторону со всей силы. Таким образом, мы сообщаем ботинку импульс, с которым он полетит. При этом, ботинок тоже сообщает Вам импульс, направленный в противоположную сторону. Иными словами – мы толкаем ботинок, а ботинок толкает нас. Конечно, из-за разной массы, ботинок и Вы будете двигаться с разными скоростями, но всё-таки Вы начнете движение. Если бы Вы смогли метнуть ботинок с большей скоростью или если бы Вы метнули в сторону целый ящик ботинок, то Ваше движение было бы быстрее.

Именно этот закон реализуется в реактивном двигателе. Но там в сторону летят не ботинки, а поток газа.

Скорость молекул в воздухе – 1800 км/ч. А при нагревании до 2800 ̊С (такова температура газа в жидком реактивном двигателе), их скорость увеличивается в 3 раза. Выбрасывая вниз молекулы газа с такой скоростью, ракета получает и обратный импульс, направленный вверх.

Вот так и работает реактивный двигатель – в результате химической реакции топливо превращается в сильно разогретый газ, который струёй попадает в сопло двигателя. Сопло направляет эту струю в нужную сторону, и ракета начинает движение в противоположном направлении.

Реактивный двигатель был создан гениальными инженерами. А другой гениальный инженер использовал реактивное движение, чтобы открыть человечеству дорогу в космос.

В ДТ «Кванториум» много юных инженеров, и мы уверены, что кто-то из них обязательно создаст что-то не менее важное и гениальное!

——————————————————————————————————————————————————————
Парков Павел Андреевич — педагог Хай-Тек-квантума

Взгляд: Россия создает новые двигатели для перемещения в космосе

Какое место сегодня, спустя 61 год после запуска человека в космос, занимает Россия с точки зрения космических достижений? На фоне успехов Илона Маска может показаться, что уже не настолько значительное. Однако одна не замеченная новость последних дней доказывает обратное. О чем идет речь и какие преимущества это даст российским космическим спутникам?

Какое место сегодня, спустя 61 год после запуска человека в космос, занимает Россия с точки зрения космических достижений? На фоне успехов Илона Маска может показаться, что уже не настолько значительное. Однако одна не замеченная новость последних дней доказывает обратное. О чем идет речь и какие преимущества это даст российским космическим спутникам?

Сухая новость звучит так – российские ученые намерены к 2024 году завершить разработку плазменных ракетных двигателей (БПРД) для освоения космического пространства. Разработками занимается сразу несколько исследовательских групп, среди которых ГНЦ РФ ТРИНИТИ, ГНЦ «Центр Келдыша» и НИЦ «Курчатовский институт». Предполагается создание ионных и плазменных двигателей разной мощности, вплоть до 100 киловатт.

Такие новости почему-то всегда проходят без внимания. Иное дело химические ракетные двигатели для ракет-носителей – грохот, мощь, считанные минуты работы на пути от Земли до космоса. А плазменные ракетные двигатели с их незначительной мощностью вообще не впечатляют. Да и вообще не совсем понятно, где они применяются и зачем?

Однако для современных космических аппаратов выход в открытый космос – только самое начало работы. Даже так, до «места работы» еще придется добираться – в современном мире для уменьшения расходов на запуск космические аппараты запускают пакетами, по несколько штук за один старт. Причем такие пакеты могут достигать нескольких десятков спутников.

Выводятся они при этом не в нужную точку, а на некую «среднюю» орбиту – иначе получается слишком много требуемых орбит. Поэтому каждый аппарат должен самостоятельно добраться до требуемой орбиты. И для этого как раз и нужны особые двигатели, эффективно и долго работающие в открытом космосе.

Химические двигатели для работы в космосе неоптимальны. Во-первых, они слишком быстро расходуют топливо, да и масса топлива и самого двигателя достаточно велика. Во-вторых, их общее время работы обычно не превышает десятков минут. Наконец, использование несимметричного диметилгидразина (гептила) рядом с нежной электроникой требует дополнительной защиты, а это снова увеличение размеров и массы.

Для работы на орбите большинство космических аппаратов использует электрические электростатические ракетные двигатели, ускорение частиц рабочего тела в которых осуществляется в электростатическом поле.

Разберемся по порядку. Ракетными двигателями называются все реактивные двигатели, которые не используют ни энергию, ни рабочее тело из окружающей среды. А электрический ракетный двигатель – это двигатель, принцип работы которого основан на преобразовании электрической энергии в направленную кинетическую энергию частиц. Ну и частным случаем электрических двигателей являются электростатические двигатели.

Их основной принцип работы в создании электростатического поля, которое и ускоряет движение частиц рабочего тела, создавая кинетическую энергию. Есть два основных вида таких двигателя – ионные и плазменные. Оба двигателя схожи по принципу работы – они используют рабочее тело (как правило, на основе ксенона), частицы которого разгоняются электрическим полем или в квазинейтральной плазме. Частицы ксенона при этом набирают очень высокий удельный импульс – до нескольких десятков километров в секунду.

В чем особенность таких двигателей – они очень экономно расходуют рабочее тело. Их масса вместе с запасом рабочего тела составляет от 300 граммов до нескольких килограммов. При этом они могут работать сотни и тысячи часов, в отличие от химических двигателей.

Да, при этом у них очень небольшая тяга, и на Земле такой двигатель просто нельзя было бы использовать. Но в космосе, когда не требуется быстрое ускорение, электростатические двигатели очень удобны. С их помощью можно достичь нужной орбиты, обеспечить точное позиционирование или даже набрать скорость для дальних межпланетных миссий.

С межпланетными полетами лучше справляются ионные двигатели, у них гораздо выше удельный импульс. А плазменные двигатели отлично работают на космических аппаратах на орбите Земли. К слову, все спутники OneWeb используют плазменные двигатели производства ОКБ «Факел» – спутники выводятся пакетом, а чтобы занять свое место на орбите, им требуется использовать как раз подобные двигатели.

Если плазменные двигатели уже работают и используются – зачем тогда создавать новые? Все дело в том, что технология электростатических ракетных двигателей постоянно совершенствуется. Двигатели создаются все более мощные, ведется работа над увеличением КПД, временем безаварийной работы, которое удалось поднять до нескольких тысяч часов.

Создание же мощных двигателей позволит обеспечить движение космических аппаратов и более эффективное изменение орбиты. Как говорит заместитель начальника комплекса НИЦ «Курчатовский институт» Сергей Коробцев: «Обеспечивая длительное крейсирование в околоземном пространстве, мощные БПРД позволят разработать космические системы связи и управления, сделают возможным перехват космического мусора и астероидов, позволят организовать транспортные потоки между космическими объектами».

В первую очередь это полезно для космических аппаратов двойного назначения. Работа спутников-инспекторов или спутников-перехватчиков может быть эффективной, только если космический аппарат обладает достаточными возможностями для смены орбиты, маневрирования в космосе и даже смены орбиты или сведения космического аппарата противника. Для таких аппаратов новые двигатели просто необходимы.

Отдельно можно вспомнить и российский проект межпланетного ядерного буксира «Зевс» с ЯЭДУ – ядерной энергодвигательной установкой мегаваттного класса. Если упрощать, то суть «Зевса» в наличии на борту ядерного реактора для выделения тепла, генераторов для превращения тепловой энергии в электрическую и большого количества электрических электростатических ракетных двигателей, которые и являются движителями в этой конструкции. От их мощности и удельного импульса и будет зависеть эффективность всей системы. А это возможность в будущем совершать многократные полеты с орбиты Земли на Луну и обратно, создание марсианских и других межпланетных миссий.

И это все обеспечивают те самые ионные и плазменные двигатели. Вот в итоге и получается, что за внешне незначительной новостью на самом деле стоят очень серьезные и нужные перспективы развития российской космонавтики. И что Россия не только самостоятельно создает и производит такие двигатели для космических аппаратов, но и постоянно усовершенствует их и во многом занимает лидерские позиции в мире.

Как космические ракеты работают без воздуха?

Живая наука поддерживается своей аудиторией. Когда вы покупаете по ссылкам на нашем сайте, мы можем получать партнерскую комиссию. Вот почему вы можете доверять нам.

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

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

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

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

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

Связанный: Вселенная вращается?

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

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

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

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

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

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

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

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

(открывается в новой вкладке)

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

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

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

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

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

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

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

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

связанные загадки

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

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

Первоначально опубликовано на Live Science.

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

Ракетный двигатель