Содержание
Британцы занялись разработкой гибридного ракетного двигателя
Британская компания Reaction Engines занялась разработкой относительно компактного гиперзвукового реактивного двигателя для ракет, который будет эффективно работать как в атмосфере, так и в вакууме. При этом, как пишет Aviation Week, силовая установка сможет функционировать без сбоев во всех диапазонах скоростей, начиная дозвуковым и заканчивая гиперзвуковым. Новая установка будет собираться по гибридной схеме, совмещая в себе преимущества атмосферного реактивного и ракетного двигателей, и ее можно будет использовать повторно.
Сегодня ракеты-носители в зависимости от класса имеют несколько ступеней, двигатели каждой из которых работают на строго определенном участке полета. При этом все двигатели являются ракетными, то есть и горючее, и окислитель для их работы подаются из баков в самих ступенях ракеты. Такая конструкция проверена десятилетиями, однако имеет несколько недостатков. В их числе, например, — относительно небольшой забрасываемый вес ракеты-носителя при ее существенных габаритах.
Новый гибридный гиперзвуковой реактивный двигатель позволит сделать ракеты-носители компактнее. Установка получила название SABRE (Synergistic Air-Breathing Rocket Engine, синергичный атмосферный ракетный двигатель). Общие ее габариты будут соответствовать габаритам турбореактивного двухконтурного двигателя с форсажной камерой F135, устанавливаемого на американские истребители F-35 Lightning II. Его длина составляет 5,6 метра, а диаметр — 1,2 метра.
Предполагается, что двигатель получит универсальные камеру сгорания и сопло, по конструкции во многом схожие с подобными элементами обычного ракетного двигателя. На старте и при разгоне SABRE будет работать как обычный прямоточный реактивный двигатель, используя для сжигания топлива воздух. Этот воздух будет подаваться в газогенератор по обводным воздухозаборникам, идущим вокруг системы подачи топлива и окислителя. При достижении скорости в пять чисел Маха (6,2 тысячи километров в час) двигатель будет переходить в ракетный режим.
В ракетном режиме полета воздухозаборники силовой установки будут перекрываться, а в воздуховоды будет небольшими порциями подаваться жидкий кислород. В качестве топлива для двигателя планируется использовать жидкий водород. Для эффективной работы двигателя на скоростях до пяти чисел Маха потребуется охлаждение поступающего воздуха с более чем одной тысячи градусов Цельсия до -150 градусов Цельсия. Дело в том, что по мере увеличения скорости полета воздушный поток в воздухозаборнике начнет резко тормозиться, сжиматься и нагреваться.
Для охлаждения поступающего воздуха Reaction Engines уже разработали соответствующую систему. Она представляет собой сеть трубок диаметром один миллиметр и общей протяженностью около двух тысяч километров. Толщина стенки одной трубки составляет 20 микрон. Сеть этих трубок будет покрывать внешнюю стенку воздуховодов. В сами трубки под давлением в 200 бар (197 атмосфер) будет подаваться гелий, выполняющий роль теплоносителя. По расчетам разработчиков, система позволит охлаждать поступающий воздух за 1/100 секунды.
На первом этапе разработки британская компания планирует создать гибридный двигатель — демонстратор технологий. В атмосферном режиме он сможет развивать тягу до 196 килоньютонов. При этом полноценная силовая установка в этом режиме будет выдавать уже 667 килоньютонов. Для сравнения, двигатель F135 способен развивать тягу в 191 килоньютон в режиме форсажа. Первые испытания демонстратора технологий планируется провести через 12–15 месяцев, а полноценной силовой установки — в 2020–2021 годах.
SABRE позволит создавать одноступенчатые ракеты-носители, причем силовую установку, в отличие от обычных ракетных двигателей, можно будет использовать повторно. По оценке британской компании, гибридный гиперзвуковой двигатель будет иметь несколько преимуществ. Во-первых, он упростит конструкцию ракет-носителей. Во-вторых, повторное его использование позволит сделать запуски грузов в космос дешевле. Наконец, потребление топлива новой силовой установкой будет значительно меньше, чем у обычных ракетных двигателей.
В настоящее время многие страны занимаются разработкой новых силовых установок для ракет-носителей. Так, в конце августа текущего года индийская Организация космических исследований провела первые успешные испытания гиперзвуковых прямоточных воздушно-реактивных двигателей. Такие силовые установки индийцы планируют устанавливать на ракеты-носители, что позволит отказаться от части запаса жидкого окислителя, а значит, сделать массу ракеты меньше. Это в свою очередь позволит несколько увеличить забрасываемый вес.
Василий Сычёв
Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.
Какой ракетный двигатель самый лучший? / Хабр
Ракетные двигатели — одна из вершин технического прогресса. Работающие на пределе материалы, сотни атмосфер, тысячи градусов и сотни тонн тяги — это не может не восхищать. Но разных двигателей много, какие же из них самые лучшие? Чьи инженеры поднимутся на пьедестал почета? Пришло, наконец, время со всей прямотой ответить на этот вопрос.
К сожалению, по внешнему виду двигателя нельзя сказать, насколько он замечательный. Приходится закапываться в скучные цифры характеристик каждого двигателя. Но их много, какую выбрать?
Мощнее
Ну, наверное, чем мощнее двигатель, тем он лучше? Больше ракета, больше грузоподъемность, быстрее начинает двигаться освоение космоса, разве не так? Но если мы посмотрим на лидера в этой области, нас ждет некоторое разочарование. Самая большая тяга из всех двигателей, 1400 тонн, у бокового ускорителя Спейс Шаттла.
Несмотря на всю мощь, твердотопливные ускорители сложно назвать символом технического прогресса, потому что конструктивно они являются всего лишь стальным (или композитным, но это неважно) цилиндром с топливом. Во-вторых, эти ускорители вымерли вместе с шаттлами в 2011 году, что подрывает впечатление их успешности. Да, те, кто следят за новостями о новой американской сверхтяжелой ракете SLS скажут мне, что для нее разрабатываются новые твердотопливные ускорители, тяга которых составит уже 1600 тонн, но, во-первых, полетит эта ракета еще не скоро, не раньше конца 2018 года.
А во-вторых, концепция «возьмем больше сегментов с топливом, чтобы тяга была еще больше» является экстенсивным путем развития, при желании, можно поставить еще больше сегментов и получить еще большую тягу, предел тут пока не достигнут, и незаметно, чтобы этот путь вел к техническому совершенству.
Второе место по тяге держит отечественный жидкостной двигатель РД-171М — 793 тонны.
Четыре камеры сгорания — это один двигатель. И человек для масштаба
Казалось бы — вот он, наш герой. Но, если это лучший двигатель, где его успех? Ладно, ракета «Энергия» погибла под обломками развалившегося Советского Союза, а «Зенит» прикончила политика отношений России и Украины. Но почему США покупают у нас не этот замечательный двигатель, а вдвое меньший РД-180? Почему РД-180, начинавшийся как «половинка» РД-170, сейчас выдает больше, чем половину тяги РД-170 — целых 416 тонн? Странно. Непонятно.
Третье и четвертое места по тяге занимают двигатели с ракет, которые больше не летают.
Твердотопливному UA1207 (714 тонн), стоявшему на Титане IV, и звезде лунной программы двигателю F-1 (679 тонн) почему-то не помогли дожить до сегодняшнего дня выдающиеся показатели по мощности. Может быть, какой-нибудь другой параметр важнее?
Эффективнее
Какой показатель определяет эффективность двигателя? Если ракетный двигатель сжигает топливо, чтобы разгонять ракету, то, чем эффективнее он это делает, тем меньше топлива нам нужно потратить для того, чтобы долететь до орбиты/Луны/Марса/Альфы Центавра. В баллистике для оценки такой эффективности есть специальный параметр — удельный импульс.
Удельный импульс показывает, сколько секунд двигатель может развивать тягу в 1 Ньютон на одном килограмме топлива
Рекордсмены по тяге оказываются, в лучшем случае, в середине списка, если отсортировать его по удельному импульсу, а F-1 с твердотопливными ускорителями оказываются глубоко в хвосте. Казалось бы, вот она, важнейшая характеристика.
Но посмотрим на лидеров списка. С показателем 9620 секунд на первом месте располагается малоизвестный электрореактивный двигатель HiPEP
Это не пожар в микроволновке, а настоящий ракетный двигатель. Правда, микроволновка ему все-таки приходится очень отдаленным родственником…
Двигатель HiPEP разрабатывался для закрытого проекта зонда для исследования лун Юпитера, и работы по нему были остановлены в 2005 году. На испытаниях прототип двигателя, как говорит официальный отчет NASA, развил удельный импульс 9620 секунд, потребляя 40 кВт энергии.
Второе и третье места занимают еще не летавшие электрореактивные двигатели VASIMR (5000 секунд) и NEXT (4100 секунд), показавшие свои характеристики на испытательных стендах. А летавшие в космос двигатели (например, серия отечественных двигателей СПД от ОКБ «Факел») имеют показатели до 3000 секунд.
Двигатели серии СПД. Кто сказал «классные колонки с подсветкой»?
Почему же эти двигатели еще не вытеснили все остальные? Ответ прост, если мы посмотрим на другие их параметры.
Тяга электрореактивных двигателей измеряется, увы, в граммах, а в атмосфере они вообще не могут работать. Поэтому собрать на таких двигателях сверхэффективную ракету-носитель не получится. А в космосе они требуют киловатты энергии, что не всякие спутники могут себе позволить. Поэтому электрореактивные двигатели используются, в основном, только на межпланетных станциях и геостационарных коммуникационных спутниках.
Ну, хорошо, скажет читатель, отбросим электрореактивные двигатели. Кто будет рекордсменом по удельному импульсу среди химических двигателей?
С показателем 462 секунды в лидерах среди химических двигателей окажутся отечественный КВД1 и американский RL-10. И если КВД1 летал всего шесть раз в составе индийской ракеты GSLV, то RL-10 — успешный и уважаемый двигатель для верхних ступеней и разгонных блоков, прекрасно работающий уже много лет. В теории, можно собрать ракету-носитель целиком из таких двигателей, но тяга одного двигателя в 11 тонн означает, что на первую и вторую ступень их придется ставить десятками, и желающих так делать нет.
Можно ли совместить большую тягу и высокий удельный импульс? Химические двигатели уперлись в законы нашего мира (ну не горит водород с кислородом с удельным импульсом больше ~460, физика запрещает). Были проекты атомных двигателей (раз, два), но дальше проектов это пока не ушло. Но, в целом, если человечество сможет скрестить высокую тягу с высоким удельным импульсом, это сделает космос доступней. Есть ли еще показатели, по которым можно оценить двигатель?
Напряженней
Ракетный двигатель выбрасывает массу (продукты сгорания или рабочее тело), создавая тягу. Чем больше давление давление в камере сгорания, тем больше тяга и, главным образом в атмосфере, удельный импульс. Двигатель с более высоким давлением в камере сгорания будет эффективнее двигателя с низким давлением на том же топливе. И если мы отсортируем список двигателей по давлению в камере сгорания, то пьедестал будет оккупирован Россией/СССР — в нашей конструкторской школе всячески старались делать эффективные двигатели с высокими параметрами.
Первые три места занимает семейство кислородно-керосиновых двигателей на базе РД-170: РД-191 (259 атм), РД-180 (258 атм), РД-171М (246 атм).
Камера сгорания РД-180 в музее. Обратите внимание на количество шпилек, удерживающих крышку камеры сгорания, и расстояние между ними. Хорошо видно, как тяжело удержать стремящиеся сорвать крышку 258 атмосфер давления
Четвертое место у советского РД-0120 (216 атм), который держит первенство среди водородно-кислородных двигателей и летал два раза на РН «Энергия». Пятое место тоже у нашего двигателя — РД-264 на топливной паре несимметричный диметилгидразин/азотный тетраоксид на РН «Днепр» работает с давлением в 207 атм. И только на шестом месте будет американский двигатель Спейс Шаттла RS-25 с двумястами тремя атмосферами.
Надежней
Каким бы ни был многообещающим по характеристикам двигатель, если он взрывается через раз, пользы от него немного. Сравнительно недавно, например, компания Orbital была вынуждена отказаться от использования хранившихся десятилетиями двигателей НК-33 с очень высокими характеристиками, потому что авария на испытательном стенде и феерический по красоте ночной взрыв двигателя на РН Antares поставили под сомнение целесообразность использования этих двигателей дальше.
Теперь Antares будут пересаживать на российский же РД-181.
Большая фотография по ссылке
Верно и обратное — двигатель, который не отличается выдающимися значениями тяги или удельного импульса, но надежен, будет популярен. Чем длиннее история использования двигателя, тем больше статистика, и тем больше багов в нем успели отловить на уже случившихся авариях. Двигатели РД-107/108, стоящие на «Союзе», ведут свою родословную от тех самых двигателей, которые запускали первый спутник и Гагарина, и, несмотря на модернизации, имеют достаточно невысокие на сегодняшний день параметры. Но высочайшая надежность во многом окупает это.
Доступней
Двигатель, который ты не можешь построить или купить, не имеет для тебя никакой ценности. Этот параметр не выразить в числах, но он не становится от этого менее важным. Частные компании часто не могут купить готовые двигатели задорого, и вынуждены делать свои, пусть и попроще. Несмотря на то, что те не блещут характеристиками, это лучшие двигатели для их разработчиков.
Например, давление в камере сгорания двигателя Merlin-1D компании SpaceX составляет всего 95 атмосфер, рубеж, который инженеры СССР перешли в 1960-х, а США — в 1980-х. Но Маск может делать эти двигатели на своих производственных мощностях и получать по себестоимости в нужных количествах, десятками в год, и это круто.
Двигатель Merlin-1D. Выхлоп из газогенератора как на «Атласах» шестьдесят лет назад, зато доступно
TWR
Раз уж зашла речь о спейсэксовских «Мерлинах», нельзя не упомянуть характеристику, которую всячески форсили пиарщики и фанаты SpaceX — тяговооруженность. Тяговооруженность (она же удельная тяга или TWR) — это отношение тяги двигателя к его весу. По этому параметру двигатели Merlin с большим отрывом впереди, у них он выше 150. На сайте SpaceX пишут, что это делает двигатель «самым эффективным из всех когда-либо построенных», и эта информация разносится пиарщиками и фанатами по другим ресурсам. В английской Википедии даже шла тихая война, когда этот параметр запихивался, куда только можно, что привело к тому, что в таблице сравнения двигателей этот столбец вообще убрали.
Увы, в таком заявлении гораздо больше пиара, нежели правды. В чистом виде тяговооруженность двигателя можно получить только на стенде, а при старте настоящей ракеты двигатели будут составлять меньше процента от ее массы, и разница в массе двигателей ни на что не повлияет. Несмотря на то, что двигатель с высоким TWR будет более технологичным, чем с низким, это скорее мера технической простоты и ненапряженности двигателя. Например, по параметру тяговооруженности двигатель F-1 (94) превосходит РД-180 (78), но по удельному импульсу и давлению в камере сгорания F-1 будет заметно уступать. И возносить тяговооруженность на пьедестал как самую важную для ракетного двигателя характеристику, по меньшей мере наивно.
Цена
Этот параметр во многом связан с доступностью. Если вы делаете двигатель сами, то себестоимость вполне можно подсчитать. Если же покупаете, то этот параметр будет указан явно. К сожалению, по этому параметру не построить красивую таблицу, потому что себестоимость известна только производителям, а стоимость продажи двигателя тоже публикуется далеко не всегда.
Также на цену влияет время, если в 2009 году РД-180 оценивался в $9 млн, то сейчас его оценивают в $11-15 млн.
Вывод
Как вы уже, наверное, догадались, введение было написано несколько провокационно (простите). На самом деле, у ракетных двигателей нет одного параметра, по которому их можно выстроить и четко сказать, какой самый лучший. Если же пытаться вывести формулу лучшего двигателя, то получится примерно следующее:
Самый лучший ракетный двигатель — это такой двигатель, который вы можете произвести/купить, при этом он будет обладать тягой в требуемом вам диапазоне (не слишком большой или маленькой) и будет эффективным настолько(удельный импульс, давление в камере сгорания), что его цена не станет неподъемной для вас.
Скучно? Зато ближе всего к истине.
И, в заключение, небольшой хит-парад двигателей, которые лично я считаю лучшими:
Семейство РД-170/180/190.
Если вы из России или можете купить российские двигатели и вам нужны мощные двигатели на первую ступень, то отличным вариантом будет семейство РД-170/180/190. Эффективные, с высокими характеристиками и отличной статистикой надежности, эти двигатели находятся на острие технологического прогресса.
Be-3 и RocketMotorTwo. Двигатели частных компаний, занимающихся суборбитальным туризмом, будут в космосе всего несколько минут, но это не мешает восхищаться красотой использованных технических решений. Водородный двигатель BE-3, перезапускаемый и дросселируемый в широком диапазоне, с тягой до 50 тонн и оригинальной схемой с открытым фазовым переходом, разработанный сравнительно небольшой командой — это круто. Что же касается RocketMotorTwo, то при всем скептицизме по отношению к Брэнсону и SpaceShipTwo, я не могу не восхищаться красотой и простотой схемы гибридного двигателя с твердым топливом и газообразным окислителем.
F-1 и J-2 В 1960-х это были самые мощные двигатели в своих классах.
Да и нельзя не любить двигатели, подарившие нам такую красоту:
РД-107/108. Парадоксально? Невысокие параметры? Всего 90 тонн тяги? 60 атмосфер в камере? Привод турбонасоса от перекиси водорода, что устарело лет на 70? Это все неважно, если двигатель имеет высочайшую надежность, а по стоимости приближается к «большому глупому носителю». Да, конечно, когда-нибудь и его время пройдет, но эти двигатели будут жить еще лет десять минимум, и, похоже, поставят рекорд по долголетию. Не получится найти более успешный двигатель с более славной историей.
Использованные источники
- Материал во многом базируется на вот этой сводной таблице из английской вики, там стараются на каждую цифру дать ссылку и держать материал актуальным.
- Полная картинка КДПВ с копирайтами, которые пришлось отрезать при кадрировании — тут.
Похожие материалы по тегу «незаметные сложности».
снаряд — Как реактивный двигатель работает в вакууме
спросил
Изменено
5 лет, 10 месяцев назад
Просмотрено
1к раз
$\begingroup$
Дело не в наличии кислорода для сжигания газов.
Я хочу знать, поскольку в вакууме нет ни воздуха, ни трения, как сила, прикладываемая реактивным двигателем, может создавать тягу для движения машины
- снаряд
- движитель
$\endgroup$
2
$\begingroup$
Подумайте об отдаче оружия. Пистолет стреляет массой (снарядом) с очень большим импульсом в отрицательном направлении. Из-за баланса импульса пистолет получает импульс в положительном направлении.
Реактивный двигатель делает то же самое с сильно ускоренным газом, который также имеет массу и, следовательно, большой импульс на высокой скорости.
$\endgroup$
1
$\begingroup$
Каждое действие имеет равное и противоположное противодействие.
Итак, чтобы двигаться «вперед», мы должны продвигать что-то еще назад.
В наземной технике упираемся в землю. Поскольку земля является практически неподвижным объектом, это очень эффективно.
В самолетах мы продвигаемся вперед, отталкивая воздух (и небольшое количество продуктов сгорания) назад. Обычно мы называем самолеты, в которых все вращающиеся компоненты находятся внутри воздуховода и выталкивают воздух из отверстия, «струями». Поскольку реактивная масса в основном свободна, а энергия в большом почете, существует тенденция к созданию двигателей, которые перемещают больше воздуха с меньшей скоростью.
В космосе нет воздуха. Поэтому мы не можем использовать его в качестве окислителя и, что более важно, мы не можем использовать его в качестве реакционной массы. Так что всю нашу реакционную массу мы должны нести с собой. Здесь масса топлива обычно является ограничивающим фактором, поэтому мы пытаемся максимизировать скорость истечения.
$\endgroup$
Зарегистрируйтесь или войдите
Зарегистрироваться через Google
Зарегистрироваться через Facebook
Зарегистрируйтесь, используя электронную почту и пароль
Опубликовать как гость
Электронная почта
Требуется, но никогда не отображается
Опубликовать как гость
Электронная почта
Требуется, но не отображается
Нажимая «Опубликовать свой ответ», вы соглашаетесь с нашими условиями обслуживания, политикой конфиденциальности и политикой использования файлов cookie
.
Ракетный двигатель
Ракетный двигатель
Тяга – это сила, которая перемещает
самолетов по воздуху. Тяга создается двигателем
система самолета. Разные типы двигателей развивают тягу в
различными способами, хотя тяга обычно создается за счет некоторых
применение третьего закона Ньютона — действие
<-> реакция. Газ ускоряется двигательной установкой и
реакция на это ускорение создает силу на двигателе. А
общий вывод уравнения тяги
показывает, что количество создаваемой тяги зависит от массового расхода
через двигатель и скорость газа на выходе.
Во время и после Второй мировой войны было выпущено несколько ракет
Самолет с двигателем, созданный для изучения высокоскоростного полета. X-1 раньше
преодолевали «звуковой барьер» и Х-15 были
реактивные самолеты. В ракетном двигателе хранится топливо и
хранящийся окислитель смешиваются и взрываются при горении
камера.
Затем горячий выхлоп проходит через
сопло
что ускоряет течение.
Для ракеты ускоренный газ или
рабочая жидкость, — горячий выхлоп; окружающая атмосфера
не используется. Поэтому ракета будет работать в космосе, где есть
без окружающего воздуха и реактивного двигателя или
пропеллер работать не будет. Джеты и
гребные винты полагаются на атмосферу в качестве рабочего тела.
Есть две основные категории ракетных двигателей; жидкостные ракеты и
твердотопливные ракеты. В
жидкая ракета,
топливо и источник
кислород (окислитель), необходимый для
горение
хранятся отдельно и закачиваются в камеру сгорания форсунки
где происходит горение.
В
твердотопливная ракета,
горючее и окислитель смешиваются вместе
и упакован в прочный цилиндр. В нормальных температурных условиях,
топливо и окислитель не будут гореть; но они сгорают при воздействии
источник тепла. Для инициирования горения используется какой-либо тип воспламенителя.
РДТТ на конце пороха, обращенном к соплу.
Как только топливо начинает гореть, горячие выхлопные газы
производится, который используется для приведения в движение ракеты, и
Образуется «фронт пламени», который перемещается в порох.
Как только начнется горение,
это будет продолжаться до тех пор, пока не сгорит все топливо.
С жидкостной ракетой можно остановить тягу, отключив поток
топливо; а вот с твердотопливной ракетой пришлось бы разрушить обшивку, чтобы остановить
двигатель. Жидкостные ракеты, как правило, тяжелее и больше
сложный из-за насосов, а горючее в ракету обычно заливаешь просто
перед запуском. Твердотопливная ракета намного проще в обращении и может простоять годами
перед стрельбой.
На этом слайде мы показываем изображение ракеты Х-15 с двигателем
самолет в левом верхнем углу и фотография испытания ракетного двигателя в
нижний правый. На картинке справа мы видим только
вне сопла ракеты, при этом горячий газ выходит из
нижний. Х-15 нес одноместный
пилот поднялся на высоту более 60 миль над землей и пролетел еще
чем в шесть раз больше скорости звука почти 30 лет назад.