Мощность двигателя ракетного: какими характеристиками будет обладать новый российский ракетный двигатель РД-171МВ — РТ на русском

Помогите решить / разобраться (Ф)

Модераторы: photon, whiterussian, profrotter, Jnrty, Aer, Парджеттер, Eule_A, Супермодераторы

АО ГНЦ «Центр Келдыша»

ЖРД

Жидкостные ракетные двигатели

Жидкостные ракетные двигатели – надежность, экономичность, экологичность, многоразовость

ЖРД будущего

Снижение стоимости

Энергомассовое совершенство

Новые материалы (включая УУКМ)

Высокая надёжность

Оптимальные параметры

Новые технологии (НАНО-, 3D)

В Центре Келдыша впервые была обоснована и экспериментально продемонстрирована высокая эффективность ЖРД, работающего по схеме с дожиганием генераторного газа, не имеющего аналога в мире.

Перспективные направления

• Освоение новых компонентов топлива в ЖРД
• 
  Разработка крупных элементов и составных частей ЖРД из композиционных материалов
• 
  Исследования устойчивости работы ЖРДУ в составе ракеты
• 
  Исследования теплообмена в ЖРД
• Лазерное зажигание
• 
  Управление вектором тяги
• 
  Разработка предложений по созданию перспективных многоразовых двигательных установок для нового поколения ракет-носителей
• 
  Вопросы экологии и безопасности
• 
  Внедрение современных методов математического моделирования на основе комплексных многодисциплинарных моделей двигателя и его агрегатов, разработка цифровых двойников изделий

Подробнее о цифровых технологиях

• Физическое моделирование отдельных агрегатов ЖРД и процессов в них с использованием современных систем измерений и управления на испытательном комплексе, включая огневые испытания, на штатных и модельных компонентах топлива

Подробнее об испытательном комплексе

Центр Келдыша стоял у истоков жидкостного ракетного двигателестроения.

Здесь созданы несколько поколений высоконадежных ЖРД.

/

Расчеты и проектирование

Экспериментальная двигательная установка на стенде

Летная эксплуатация

ЭРД

Электроракетные двигатели

Центр Келдыша обладает многолетним опытом создания электроракетных двигателей, которые успешно применяются в составе новейших космических аппаратов. Основные направления наших исследований сосредоточены на двух типах двигателей – холловских и ионных. При их разработке Центр Келдыша опирается на математические модели и расчетные пакеты собственной разработки, а также на собственные средства диагностики плазмы. Стендовая база предприятия позволяет проводить полный цикл экспериментальной отработки, в том числе испытаний на функционирование, воздействие механических, климатических и термоциклических нагрузок, измерения вектора тяги и параметров струи двигателя.

Для распределения и регулировки расхода рабочего тела в магистрали электроракетных двигателей в Центре Келдыша разрабатываются блоки управления расходом. Кропотливая работа по миниатюризации, проделанная в последние годы, позволила достичь уникальных массово-габаритных характеристик, не имеющих аналогов в мире.

Холловские двигатели

Центр Келдыша первым в мире создал летные образцы холловских двигателей с высоким, более 2000 с, удельным импульсом тяги. Разработано семейство холловских двигателей мощностью от 200 Вт до 10,5 кВт и тягой от 10 до 580 мН.

Стадия разработки: летная модель 

Стадия разработки: летная модель 

Блок управления расходом

Стадия разработки: летная модель

Стадия разработки: подготовка к летным испытаниям

Блок управления расходом

Стадия разработки: летная модель 

Стадия разработки: квалификационная модель (прошел полный цикл наземной отработки)

Блок управления расходом и Модуль

Ионные двигатели

Центр Келдыша разрабатывает ионные двигатели для применения на перспективных геостационарных аппаратах, транспортных модулях и межорбитальных буксирах. Самый большой из них ИД-500 мощностью 35 кВт и удельным импульсом 7000 с на сегодняшний день является самым мощным ионным двигателем в мире.

ИД-500

Стадия разработки: Квалификационная модель

Блок управления расходом БУР-500

ИД-200

Стадия разработки:
Квалификационная модель

Блок управления расходом БУР-200

ИД-200КР

Стадия разработки:
Квалификационная модель

Блок управления расходом БУР-200КР

Подробнее о цифровых технологиях

РДТТ

Ракетные двигатели твердого топлива 

Основными направлениями научно-технической деятельности Центра Келдыша в области ракетных двигателей твердого топлива (РДТТ) являются:

• разработка опережающего научно-технического задела по перспективным схемам и конструкциям РДТТ различного назначения, организация работ по формированию программы развития РДТТ;
• 
  разработка программно-методического обеспечения для моделирования рабочих процессов в РДТТ, оптимизации их конструкции и анализа результатов экспериментальной отработки;
• 
  проведение комплексных испытаний штатных и перспективных теплозащитных и конструкционных материалов и наполнителей;
• 
  исследования свойств продуктов сгорания различных топливных композиций, включая дисперсный анализ конденсированных продуктов сгорания;
• 
  проведение расчетно-экспериментальных исследований РДТТ перспективной системы аварийного спасения РБАС ППТС.

Для проведения экспериментальных исследований создано специализированное испытательное и диагностическое оборудование, методическое обеспечение и программно-аналитические комплексы.

Rocket Physics, the Hard Way: Rocket Engine Engineering

Изображение заголовка: Испытательный запуск SpaceX Raptor (источник изображения: SpaceX.)

«Любой, кто сидит на вершине крупнейшей в мире водородно-кислородной топливной системы; зная, что они собираются зажечь дно, и ни капельки не волнуется, не до конца понимает ситуацию».

– Астронавт Джон Янг, командир первого космического челнока

Какое обсуждение ракетной физики будет полным без обзора ракетных двигателей?

В первой части мы узнали о тирании ракетного уравнения и о том, как оно влияет на проектирование всех ракет. В частности, мы узнали о важности удельного импульса , меры эффективности ракетного двигателя. Вы, возможно, задавались вопросом, как мы можем максимизировать это?

На этой неделе мы углубимся в внутреннюю работу жидкостных химических ракетных двигателей, рабочих лошадок для исследования космоса, а также наиболее вероятную двигательную установку, которая будет использоваться для первой человеческой экспедиции на Марс. Хотя средний ракетный двигатель менее сложен, чем средний автомобильный двигатель, сложность его проектирования заключается в экстремальных условиях, в которых он должен работать, оставаясь при этом легким.

SpaceX Raptor предназначен для снабжения своего космического корабля кинетической энергией мощностью 11 миллионов лошадиных сил. ¹ – эквивалент четырех плотин Гувера, генерируемых двигателем весом около 1,5 тонны. Для сравнения, один из самых мощных когда-либо созданных спортивных автомобилей, Bugatti Veyron, имеет двигатель весом 0,5 тонны (втрое меньше), но может генерировать всего лишь жалкие 1200 лошадиных сил.

В камере сгорания Raptor метан и кислород горят при температурах, достаточно высоких, чтобы расплавить его стенки (если бы не регенеративное охлаждение) ² , при давлении, превышающем давление в баллонах акваланга. Выхлоп выбрасывается со скоростью более чем в десять раз превышающей скорость звука. Зачем нужны такие экстремальные условия?

Испытание вакуумной версии двигателя SpaceX Raptor (источник изображения: SpaceX. )

Полный горячего воздуха

В основе всех химических — или, в более общем смысле, всех тепловых — ракетных двигателей лежит простой и знакомый термодинамический принцип: когда газ нагревается, он расширяется. Химические ракеты сжигают топливо и окислитель внутри камеры сгорания. Это сообщает газам огромное количество тепла, заставляя их быстро расширяться — другими словами, происходит взрыв. В ракетном двигателе этот взрыв происходит непрерывно по мере закачки топлива и окислителя.

Давление горячих газов, воздействующих на внутреннюю часть камеры сгорания и сопла, создает тягу (источник изображения: Wikimedia Commons.)

Затем горячие газы проталкиваются через сужение (при этом сходятся), разгоняя их до скорости звука. Затем они попадают в сопло, которое расширяет его (тем самым расходится), разгоняя их до гиперзвуковых скоростей ³ . Когда он расширяется и толкает ракету вперед, давление и температура газа падают. Взамен его скорость увеличивается. Давление выходящих газов, давит на стенки двигателя, толкает ракету вперед. Это сужающееся-расширяющееся сопло известно как 9.0003 сопло де Лаваля , которое можно найти во всех ракетных двигателях, от моделей ракет до мощных двигателей Saturn V F-1.

По сути, ракета — это эффективный способ преобразования химической энергии топлива в кинетическую энергию. Когда топливо сгорает, энергия топлива преобразуется в тепловую энергию. Поскольку двигатель сопротивляется взрыву, газ достигает высокого давления. Когда газ проходит через сопло, он обменивает тепловую энергию и энергию давления на кинетическую энергию.

Другими словами, взрыв отталкивает камеру сгорания и сопло, толкая ракету вперед.

Для увеличения тяги ракеты можно добавить больше двигателей или увеличить скорость расхода топлива. Однако это не улучшит характеристики ракеты Delta-V. В двух словах, дельта-V — это способность ракеты изменять свою скорость, что, в свою очередь, определяет, насколько сложна миссия, которую она может выполнить.

На самом деле, добавление двигателей фактически уменьшает дельта-V из-за их дополнительной массы. Вспомните из нашей предыдущей статьи об уравнении ракеты, что есть только два способа улучшить дельта-V: нести больше топлива или улучшить удельный импульс. Удельный импульс — это то, насколько эффективно каждый килограмм топлива толкает ракету вперед; чтобы повысить эту эффективность, нам необходимо тщательно проектировать и оптимизировать наши двигатели.

Вот четыре наиболее распространенных стратегии повышения производительности:

Во-первых, мы можем выбрать комбинацию топлива и окислителя, которая приведет к получению выхлопных газов с легкими молекулами. Чем легче молекулы выхлопа, тем быстрее они будут двигаться при заданной температуре, увеличивая скорость выхлопа двигателя — а следовательно, и его удельный импульс. Соответственно, высокоэффективные химические топлива, как правило, содержат большое количество водорода, поскольку водород является самым легким из известных элементов.

Сравнение, показывающее, что скорость выхлопа с легкими молекулами выше, чем с тяжелыми (изображение автора, CC BY 4.0.) . При сжигании более тяжелого углеводородного топлива, такого как метан или керосин, образуется не только пар, но также углекислый газ и некоторые другие грязные соединения. Большая масса молекул углекислого газа снижает скорость выхлопа двигателя, снижая его удельный импульс.

Учитывая эти предостережения, почему ракеты используют любое топливо, кроме водорода и кислорода?

Обладая превосходными характеристиками, жидкий водород создает множество проблем при хранении. Это связано с тем, что он должен храниться при чрезвычайно низкой температуре -253 ° C, он вызывает хрупкость металлов, он легко протекает через мельчайшие швы и трещины, а утечки трудно обнаружить (и это лишь некоторые из них). Кроме того, его плотность составляет всего 7% от плотности воды, а это означает, что для его хранения требуются большие и тяжелые резервуары (что частично сводит на нет прирост эффективности) 9. 0005

Чрезвычайно низкая температура кипения водорода, пожалуй, самая серьезная из этих проблем. -253 °C — это всего лишь двадцать градусов выше абсолютного нуля, а гелий — единственное известное вещество с более низкой температурой кипения. Стенки внешнего топливного бака космического челнока имели толщину чуть более шести миллиметров, и их нужно было изолировать от перепада температур более 270 градусов. Это очень сложно сделать, мягко говоря.

Требуемая хрупкая изоляционная пена часто отрывалась в полете, повреждая теплозащитный экран орбитального корабля. Это повреждение привело к почти полному уничтожению STS-27 Атлантида во время входа в атмосферу. НАСА явно не усвоило урок; STS-107 Columbia был фактически уничтожен при входе в атмосферу по той же причине пятнадцать лет спустя. Выживших не было.

Несмотря на то, что керосин обладает худшими эксплуатационными характеристиками и имеет тенденцию оставлять грязный нагар в двигателе, он намного плотнее и его легче хранить. Вот почему керосин и другие менее эффективные виды топлива используются чаще, чем водород.

В следующий раз, когда будете наблюдать за запуском ракеты, обратите внимание на цвета выхлопных труб двигателей. Возможно, вы сможете определить топливо. Например, керосиновые двигатели имеют тенденцию выделять сажу. Раскаленное свечение этой сажи — вот почему первая ступень «Сатурн-5», работающая на керосине и кислороде, имела яркое огненное пламя выхлопа. С другой стороны, двигатели шаттла RS-25, работающие на водороде и кислороде, имели почти прозрачный выхлоп.

Сравнение пламени выхлопных газов. Раскаленное керосин-кислородное пламя двигателя Saturn V F-1 (слева) и прозрачное водородно-кислородное пламя двигателя Space Shuttle RS-25 (справа) (изображение предоставлено НАСА). также может производить прозрачные выхлопные шлейфы. Эта комбинация использовалась, например, модулями восхождения на Луну Аполлона, поэтому пламя невидимо:

Во-вторых, мы можем увеличить температуру горения. Это увеличит количество энергии, доступной газам, заставляя их молекулы двигаться быстрее, улучшая скорость выхлопа двигателя (и, соответственно, удельный импульс). Высоких температур обычно можно достичь, используя более энергичную комбинацию топлива и окислителя. Однако высокие температуры также требуют более прочных материалов и более мощных систем охлаждения, чтобы двигатель не сгорел.

Сравнение, показывающее, что скорость выхлопа выше при более высоких температурах камеры сгорания (изображение автора, CC BY 4.0.)

Как правило, более высокие температуры приводят к более высокой эффективности, а максимально возможная температура обычно возникает, когда топливо и окислитель смешиваются в идеальном соотношении, известном в химии как стехиометрическое соотношение .

Однако соотношение топлива и окислителя, обеспечивающее максимально возможный удельный импульс, может фактически немного отличаться от стехиометрического соотношения. Напомним, что снижение массы молекул в выхлопе , а также , , способствует улучшению характеристик двигателя. Топливо, как правило, имеет более низкую молекулярную массу, чем окислители, поэтому добавление избытка топлива может фактически улучшают характеристики до определенного уровня за счет снижения средней массы молекул выхлопных газов. Это известно как «сгорание с высоким содержанием топлива» или «сгорание с высоким содержанием топлива».

Например, водородно-кислородная комбинация обладает высокой эффективностью благодаря энергичному сгоранию и легким молекулам выхлопных газов. Молекула водорода составляет всего одну шестнадцатую массы молекулы кислорода, а это означает, что избыток несгоревшего водорода в выхлопных газах может значительно улучшить производительность.

Есть еще одна причина, по которой можно сгореть: коррозия. Адские температуры (более 3000 °C) и давление (сотни атмосфер) внутри ракетного двигателя делают горючие газы гораздо более реактивными, чем в нормальных условиях.

Коррозия является особенно серьезной проблемой при работе с кислородом. Кислород уже обладает высокой реакционной способностью в нормальных условиях (если вы мне не верите, попробуйте поджечь волосы). При температурах и давлениях внутри ракетного двигателя он с энтузиазмом воспламеняется почти со всем, включая самые разные металлы. . Избыток топлива способствует снижению концентрации кислорода, защищая двигатель от коррозии. Вот почему большинство ракетных двигателей, за некоторыми заметными исключениями, горят богато.

Если горючая смесь имеет избыток кислорода (преднамеренно или случайно), это называется «сгорание с высоким содержанием окислителя» или «сгорание бедной смеси». Если сплавы двигателя не предназначены для сопротивления последующему окислению, кислород начнет гореть вместе с самим двигателем.

Это произошло во время испытаний Starship SN8 — из-за низкого давления в головном топливном баке (небольшой вспомогательный топливный бак, предназначенный исключительно для посадки) в камерах сгорания не хватало топлива. Это означало, что в двигателе было слишком много кислорода. Горячие, богатые кислородом газы начали вступать в реакцию с медью в сплавах двигателя, порождая ярко-зеленое пламя, которое наблюдалось во время горения при посадке:

Зеленое пламя выхлопа двигателей Raptor Starship SN8, указывающее на то, что богатая кислородом горючая смесь сжигала внутреннюю часть двигателя (изображение предоставлено SpaceX). горение».

Понятно, что оптимизация ракетного двигателя — сложная задача. Высокие температуры сгорания обеспечивают высокую производительность, но добавление избытка топлива может помочь улучшить ее еще больше, с дополнительным преимуществом защиты двигателя от коррозии.

Другая стратегия, которую мы можем использовать, это увеличение давления в камере сгорания. Это вытеснит газы с еще большей скоростью. В то время как более высокие температуры сгорания могут помочь достичь этого, основная используемая стратегия заключается в впрыскивании топлива и окислителя при более высоких давлениях.

Сравнение, показывающее, что скорость выхлопа выше при более высоком давлении в камере сгорания (изображение автора, CC BY 4.0.)

Ракетные топливные баки находятся под давлением — обычно газообразным гелием или парами топлива — по ряду причин. Во-первых, они должны находиться под давлением, чтобы содержимое оставалось жидким. Во-вторых, поскольку конструкция ракеты должна быть максимально легкой, некоторые конструкции полагаются на это внутреннее давление для сохранения жесткости.

Например, из-за того, что баки межконтинентальной баллистической ракеты «Атлас» (позже переделанной в орбитальную ракету-носитель) имели толщину в доли миллиметра, их нужно было постоянно держать под давлением, иначе они смялись бы под собственным весом. Ускорители SpaceX Falcon используют «стабилизацию давления полета»; это означает, что, хотя их конструкции могут сохранять целостность без герметизации на земле, они полагаются на герметизацию бака во время полета, чтобы избежать разрушения под действием аэродинамических сил и сил тяги.

Третья причина заключается в том, что повышение давления топлива увеличивает давление, которое может быть достигнуто в камере сгорания.

Самый простой метод известен как цикл сжигания под давлением. Топливо подается непосредственно в камеру сгорания, полагаясь на герметизацию бака для поддержания давления. Это делает конструкцию двигателя чрезвычайно простой, так как это не более чем несколько клапанов и сантехника. К сожалению, это также ограничивает максимально достижимое давление до того, которое топливные баки могут выдержать, прежде чем они станут слишком тяжелыми.

Если требуется более высокая производительность, давление можно увеличить с помощью насосов. В двигателях Rocket Lab Rutherford, разработанных для небольших орбитальных ракет, таких как Electron, используются насосы, работающие от литий-ионных аккумуляторов. В более мощных двигателях, таких как двигатели Merlin, RS-25 или F-1, используются более сложные циклы сгорания, которые отводят часть энергии сгорания для питания насосов. Хотя эти конструкции могут достигать гораздо более высоких давлений, они также более сложны и подвержены отказам.

Повышение давления в камере сгорания за счет повышения давления топлива или использования мощных насосов является одним из способов повышения эффективности двигателя, однако высокое давление требует высокой прочности материалов, что ограничивает возможности разработчика двигателя в этом отношении. стратегия.

Вам нравится наш уникальный контент? Подумайте о том, чтобы стать участником и поддержать наши образовательные и информационно-просветительские усилия!

Также можем увеличить размер сопла. Это увеличит площадь, доступную для выталкивания выхлопных газов, увеличивая тягу, создаваемую для заданной массы топлива (т. е. удельный импульс). Форсунки большего размера более эффективно используют энергию выхлопных газов.

Сравнение, показывающее, что скорость выхлопа выше для больших сопел (изображение автора, CC BY 4.0.)

Однако, как и в случае с тремя другими стратегиями, существуют ограничения.

Чем больше сопло, тем оно тяжелее. В конце концов, массовый штраф станет настолько большим, что начнет сводить на нет выигрыш в эффективности.

Бонус: мы можем снизить давление окружающей среды. Существует еще один важный фактор производительности ракетного двигателя, который мы до сих пор игнорировали – давление атмосферы, пытающееся заставить выхлопные газы вернуться в двигатель. В космическом вакууме это не проблема. Однако на уровне моря, где давление воздуха составляет примерно десять тонн на квадратный метр, атмосферное давление вызывает серьезные потери эффективности и даже нестабильность выхлопной струи.

Сравнение, показывающее, что скорость выхлопа выше в вакууме, чем в атмосфере (изображение автора, CC BY 4.0.)

По мере того, как сопло расширяет выхлоп, его температура и давление падают — это происходит потому, что он обменивается давлением и температура для скорости при расширении. Окружающее давление атмосферы сопротивляется этому расширению, уменьшая тягу двигателя.

Сравнение различных коэффициентов расширения сопла ракетного двигателя и их влияния на выхлопную струю. Чем дальше вы опускаетесь, тем полнее раскрывается струя. Второй двигатель сверху — оптимальная конструкция (источник изображения: Wikimedia Commons).

Обычно, чем больше выхлоп расширяется, тем выше эффективность двигателя. Однако есть предел. Если выхлоп расширится настолько, что выйдет из двигателя под значительно более низким давлением, чем давление окружающей среды, эффективность снова начнет снижаться. Если выхлопные газы выходят из двигателя под давлением, намного более низким, чем давление окружающей среды, струя «отделяется» от стенок сопла и может стать нестабильной, вызывая проблемы с управлением или даже повреждение конструкции.

Это показано на схеме слева. Сопло вверху недорасширен , потому что сопло слишком маленькое для количества энергии давления, содержащейся в выхлопе, что позволяет тратить энергию впустую.

Вторая форсунка сверху в самый раз, потому что выхлоп выходит из двигателя под точно таким же давлением, как и атмосферное. Эта расчетная точка редко достигается в реальных двигателях.

Два нижних сопла перерасширены , потому что сопла слишком велики для того количества энергии давления, которое содержит выхлоп. Выхлоп был расширен настолько, что покидает двигатель при давлении ниже атмосферного, из-за чего форсунки выглядят зажатыми; они сжимаются атмосферой.

Поскольку космос представляет собой вакуум, все сопла ракет в космосе недорасширяются; давление выхлопа всегда будет больше, чем окружающее. В результате сопла ракетных двигателей, предназначенные для использования в вакууме, должны быть настолько большими, насколько это практически возможно.

Вот почему ракетные двигатели, предназначенные для работы в атмосфере и в космосе, имеют разные размеры сопла. Например, сравните двигатели уровня моря и вакуумные двигатели SpaceX Raptor:

двигатели SpaceX Raptor для уровня моря и вакуумные двигатели (источник изображения: SpaceX. )

Эти два варианта очень похожи, за исключением того, что вакуумный вариант имеет удлиненную «юбку» сопла, что делает его больше. Эта юбка повышает эффективность в вакууме над уровнем моря. Вот почему ракетные двигатели имеют разные значения удельного импульса и тяги, указанные для условий уровня моря и вакуума.

Следовательно, двигатели, предназначенные для нижних ступеней ракеты, имеют тенденцию к меньшему расширению своего выхлопа, чем двигатели, предназначенные для верхних ступеней ракеты, поскольку они должны работать глубже в атмосфере.

Как и в случае с планированием миссии, такая простая вещь, как выбор размера сопла ракетного двигателя, представляет собой сложную игру компромиссов между несколькими конкурирующими приоритетами проектирования. Проектирование ракетного двигателя — это система дьявольски сложных задач, основанных на таких разных областях, как гидродинамика, машиностроение, термодинамика, химическая инженерия и даже акустика. Тем не менее, они важны для решения. Как подскажет уравнение ракеты, эффективность двигателя решает все.

До недавних достижений частных компаний, таких как SpaceX и Rocket Lab, технология двигателей оставалась относительно застойной с 1960-х годов. Некоторые из упомянутых здесь проблем можно было бы решить с помощью таких технологий, как аэродинамические двигатели, но такие технологии все еще находятся в зачаточном состоянии.

Если вас интересуют эти сложные и важные проблемы, подумайте о карьере в области ракетостроения. Следующее большое продвижение может исходить от вас.

Сноски и дополнительная литература

¹ Рассчитано путем умножения тяги 2 200 000 Н на скорость истечения вакуума 3700 м/с, что дает мощность тяги 8,14 гигаватт.

² Как двигатель может сгореть до температуры плавления без сильного взрыва? Две причины: во-первых, самая горячая часть пламени держится подальше от стенок двигателя за счет умелого управления газовыми потоками. Во-вторых, стены сохраняют прохладу за счет прокачки через них сверххолодного топлива. Для отличного объяснения того, как это работает, посмотрите эпизод Ричарда Хаммонда «9».0003 Инженерные соединения на космическом челноке: