Химические ракетные двигатели (ХРД)
Этот тип двигателей на сегодняшний день является единственным, который массово используется для выведения в открытый космос космических аппаратов, кроме того, он нашел применение и в военной промышленности. Химические двигатели делятся на твердо- и жидкотопливные в зависимости от агрегатного состояния ракетного топлива.
Виды химических двигателей
История создания
Первыми ракетными двигателями были твердотопливные, а появились они несколько веков назад в Китае. С космосом их тогда мало что связывало, зато с их помощью можно было запускать военные ракеты. В качестве топлива использовался порошок, по составу напоминающий порох, только процентное соотношение его составляющих было изменено. В результате при окислении порошок не взрывался, а постепенно сгорал, выделяя тепло и создавая реактивную тягу. Такие двигатели с переменным успехом дорабатывались, совершенствовались и улучшались, но их удельный импульс все равно оставался малым, то есть конструкция была неэффективной и неэкономичной. Вскоре появились новые виды твердого топлива, позволяющие получить больший удельный импульс и развивать большую тягу. Над его созданием в первой половине ХХ века трудились ученые СССР, США и Европы. Уже во второй половине 40-х годов был разработан прототип современного топлива, используемого и сейчас.
Ракетный двигатель РД — 170 работает на жидком топливе и окислителе.
Жидкостные ракетные двигатели – это изобретение К.Э. Циолковского, который предложил их в качестве силового агрегата космической ракеты в 1903 году. В 20-х годах работы по созданию ЖРД начали проводиться в США, в 30-хх годах – в СССР. Уже к началу Второй мировой войны были созданы первые экспериментальные образцы, а после ее окончания ЖРД стали выпускаться серийно. Использовались они в военной промышленности для оснащения баллистических ракет. В 1957 году впервые в истории человечества был запущен советский искусственный спутник. Для его запуска использовалась ракета, оснащенная РЖД.
Устройство и принцип работы химических ракетных двигателей
Твердотопливный двигатель вмещает в своем корпусе топливо и окислитель в твердом агрегатном состоянии, причем контейнер с топливом – это одновременно и камера сгорания. Топливо обычно имеет форму стержня с центральным отверстием. В процессе окисления стержень начинает сгорать от центра к периферии, а газы, полученные в результате сгорания, выходят через сопло, образуя тягу. Это самая простая конструкция среди всех ракетных двигателей.
В жидкостных РД топливо и окислитель находятся в жидком агрегатном состоянии в двух раздельных резервуарах. По каналам подачи они попадают в камеру сгорания, где смешиваются и происходит процесс горения. Продукты сгорания выходят через сопло, образуя тягу. В качестве окислителя обычно используется жидкий кислород, а топливо может быть разным: керосин, жидкий водород и т.д.
Недостатки РДТТ:
- ограничение по времени работы: топливо сгорает очень быстро;
- невозможность перезапуска двигателя, его остановки и регулирования тяги;
- небольшой удельный вес в пределах 2000-3000 м/с.
Анализируя плюсы и минусы РДТТ, можно сделать вывод, что их использование оправдано только в тех случаях, когда нужен силовой агрегат средней мощности, достаточно дешевый и простой в исполнении. Сфера их использования – баллистические, метеорологические ракеты, ПЗРК, а также боковые ускорители космических ракет (ими оснащаются американские ракеты, в советских и российских ракетах их не использовали).
Достоинства жидкостных РД:
- высокий показатель удельного импульса (порядка 4500 м/с и выше);
- возможность регулирования тяги, остановки и перезапуска двигателя;
- меньший вес и компактность, что дает возможность выводить на орбиту даже большие многотонные грузы.
Недостатки ЖРД:
- сложная конструкция и пуско-наладочные работы;
- в условиях невесомости жидкости в баках могут хаотично перемещаться. Для их осаждения нужно использовать дополнительные источники энергии.
Сфера применения ЖРД – это в основном космонавтика, так как для военных целей эти двигатели слишком дорогие.
Несмотря на то, что пока химические РД – единственные способные обеспечить вывод ракет в открытый космос, их дальнейшее усовершенствование практически невозможно. Ученые и конструкторы убеждены, что предел их возможностей уже достигнут, а для получения более мощных агрегатов с большим удельным импульсом необходимы другие источники энергии.
Каскадное разрушение
Этот «самодостаточный, самоподдерживающийся каскадный процесс столкновений», как Европейское космическое агентство описывает синдром Кесслера, вероятно, ускорит темпы разрушения спутников осколочными обломками и другими спутниками, но также увеличит и скорость, с которой эти обломки создаются. Большие участки низкой околоземной орбиты, особенно очень полезная полоса между 900 и 1,400 км, в конечном итоге станет недоступным на длительные периоды времени — возможно, на десятилетия.
Еще в 1991 году Кесслер сказал, что «сейчас необходимо начать ограничивать количество израсходованных корпусов ракет и прочей нагрузки на орбите». Двадцать лет спустя это заявление выглядит смехотворно, учитывая лихорадочные темпы запуска ракет в космос. Более того, попытки помешать этому процессу уже могут быть тщетными, поскольку скорость, с которой создается космический мусор, сейчас выше, чем скорость, с которой мусор падает обратно в атмосферу Земли. Кесслер знал об этом еще в 2009 году.
Фраза «синдром Кесслера» была придумана Джоном Габбардом, который отслеживал основные события распада спутников для NORAD, и вошла в употребление, не имея строгого определения. Кесслер уточнил этот термин, заявив, что он «предназначен для описания явления, когда случайные столкновения между объектами, достаточно большими, чтобы их можно было каталогизировать, создавали бы для космического корабля опасность из-за небольших обломков, которые больше, чем естественная среда метеороидов». Он добавил, что «это явление в конечном итоге станет самым важным долгосрочным источником мусора», если мы наконец что-нибудь с ним не сделаем».
«Результаты моделирования подтверждены данными из испытаний, а также ряда независимых ученых, пришли к выводу, что текущая мусорная среда является «нестабильной» или превышает критический порог, так что любая попытка создать среду, в которой отсутствует рост мелкого мусора, путем устранения источников его образования, скорее всего, потерпит неудачу. Все потому, что фрагменты от будущих столкновений будут генерироваться быстрее, чем их удалит атмосферное сопротивление», — писал он.
Европейское космическое агентство соглашается с этим тезисом, заявляя, что «образовавшиеся осколки столкновения начнут преобладать» на полезных участках низкой околоземной орбиты, и это «будет правдой, даже если прямо сейчас полностью превратить все запуски спутников в космос».
Увы, даже намного более высокая геостационарная орбита, которая расположена на высоте около 36 000 км и на которой размещены сотни спутников, также не застрахована от синдрома Кесслера.
Конфигурации твердотопливных ракет
В описаниях твердотопливных ракет можно часто встретить следующее:
«Топливо для ракет состоит из перхлората аммония (окислитель, по весу – 69,6%), полимера (связующая смесь – 12,04%), алюминия (16%), оксида железа (катализатор – 0,4%) и эпоксидный отверждащий агент (1,96%). Перфорация сделана в форме 11-конечной звезды, находящейся в переднем сегменте двигателя и в форме дважды усеченного конуса в каждом из остальных сегментов, в т.ч. и конечном. Благодаря такой конфигурации при розжиге обеспечивается высокая тяга, а затем, через 50 с после старта, она уменьшается приблизительно на треть, предотвращая перенапряжение аппарата в период максимального динамического давления.
В этом плане объясняется не просто состав топлива, но и форма канала, который был пробуренный в центре топлива. Как выглядит перфорация в виде 11-конечной звезды, можете увидеть на фото:
Весь смысл в том, чтобы увеличить площадь поверхности канала, и соответственно, увеличить площадь выгорания, в результате чего увеличиться тяга. По мере сгорания топлива, форма меняется к кругу. Такая форма в случае с космическим шаттлом дает серьезную изначальную тягу, которая в средине полета становится немного послабее.
Твердотопливные двигатели имеют 3 важные преимущества:
- низкая стоимость;
- простота;
- безопасность.
Хотя есть и 2 недостатка:
двигатель нельзя отключать или запускать повторно после зажигания;
невозможность контроля тяги.
Недостатки означают, что тип твердотопливных ракет подходит только для непродолжительных задач или систем ускорения. Если вам нужно управлять двигателем, то придется прибегнуть к системе жидкого топлива.
РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ — Юнциклопедия
Движение ракете сообщают ее двигатели. Тяга ракетных двигателей создается, как и у авиационных реактивных двигателей, выбрасыванием наружу газовой струи. При этом ракета, как и самолет, движется в сторону, обратную направлению газового потока. Однако между авиационными реактивными двигателями и ракетными есть существенная разница. Так как авиационные реактивные двигатели работают в атмосфере, то в них окислителем горючего служит кислород воздуха (горение, как известно, — это бурно идущее окисление) . Ракетные же двигатели работают в разреженных слоях атмосферы, где кислорода очень мало, и в космическом пространстве, где его практически нет. Поэтому на борту ракеты или космического корабля обязательно имеется окислитель. Чаще всего окислителем для мощных ракетных двигателей служат жидкий кислород, тетраоксид азота, пероксид водорода. Горючее и окислитель смешиваются и воспламеняются в камере сгорания, и оттуда газы через реактивное сопло с большой скоростью выбрасываются наружу. Наиболее широко применяют жидкостные ракетные двигатели (ЖРД), хотя существуют двигатели, работающие на твердом топливе (РДТТ). Основные части жидкостного ракетного двигателя — камера сгорания, в которой смешиваются и воспламеняются компоненты топлива, насосы, подающие в камеру горючее и окислитель, газовая турбина, вращающая эти насосы. Твердотопливные ракетные двигатели использовали еще до начала космической эры. Они поднимали в воздух сигнальные и фейерверочные ракеты, снаряды реактивной артиллерии, например легендарной «Катюши». Сейчас РДТТ выводят на трассы некоторые межконтинентальные баллистические ракеты, они применяются в качестве ускорителей при старте ракет, в качестве двигателей мягкой посадки космических кораблей и т. д. Наряду с мощными силовыми установками, поднимающими ракеты в космос, широко используют в космической технике двигатели малой тяги. Некоторые из них могут уместиться на ладони. Тяга таких двигателей невелика, но обычно ее вполне достаточно, чтобы сориентировать искусственный спутник Земли или космический корабль. Большой интерес проявляется сейчас к электрическим ракетным двигателям (ЭРД). Их достоинства — высокая скорость истечения газовой струи и возможность получать прямо в космосе энергию для ее разгона. В отличие от ЖРД; где топливо одновременно рождает и газовую струю, и энергию для ее ускорения, в ЭРД молекулы газа или заряженные частицы (ионы и электроны) ускоряются электрическим полем. Естественно, ЭРД требуют для своей работы много электроэнергии, а мощные электростанции, как известно, должны обладать большой массой. Поэтому ЭРД не могут выводить ракеты в космос, они работают лишь на космических аппаратах, уже доставленных на орбиту. Здесь большая тяга не нужна, и двигатели с большой скоростью истечения имеют неоспоримые преимущества. Тем более что они могут питаться от тех же солнечных батарей, которые снабжают электроэнергией всю бортовую аппаратуру. Первый ЭРД был создан в Советском Союзе. Сейчас эти двигатели делают и в других странах. Существуют индивидуальные РД — двигатели малой тяги для передвижения и маневрирования космонавтов в свободном полете вне корабля или станции. Такой двигатель можно держать в руках или укрепить на скафандре. Кроме химической и электрической энергии в перспективе РД могут использовать и ядерную энергию. В ядерных ракетных двигателях (ЯРД) вещества, образующие реактивную газовую струю, нагреваются в ядерном реакторе. Внедрение ЯРД в практику космонавтики сдерживается пока большой массой реактора и устройств, защищающих космонавтов и аппаратуру от радиоактивных излучений.
Жидкотопливные ракеты
Роберт Годдард в 1925 году испытал первый двигатель, работающий на жидком топливе. Его двигатель использовал для работы жидкий кислород и бензин. Также он стремился решить многие фундаментальные проблемы в конструкции двигателя ракеты, включая стратегии охлаждения, механизмы накачки и рулевые механизмы. Такие проблемы делают ракеты с жидким топливом столь сложными. Все это ему успешно удалось.
Главная идея максимально проста. В большинстве жидкотопливных ракетных двигателях окислитель и топливо (к примеру, жидкий кислород и бензин закачиваются в камеру сгорания). Там они сгорают, создавая поток горячих газов с высоким давлением и скоростью. Эти газы проходят через специальное сопло, которое делают их скорость еще большей (от 8 тыс. до 16 тыс. километров в час), а затем выходят. Ниже приведена простая схема, демонстрирующая этот процесс наглядно.
На схеме видно сложности обычного ракетного двигателя. Например, нормальное топливо – это холодный жидкий газ по типу жидкого кислорода или жидкого водорода. Но одной из серьезных проблем подобного двигателя является охлаждение сопла и камеры сгорания, поэтому сначала холодная жидкость циркулирует вокруг перегретых частей, дабы их охладить. Насосы должны генерировать высокое давление, чтобы преодолеть давление в камере сгорания, сжигаемой топливом. Это охлаждение и подкачка делает ракетный двигатель схожим на неудачную попытку сантехнической самореализации. Теперь рассмотрим все варианты комбинации топлива, которые применяется в жидкотопливных двигателях ракет:
- жидкий кислород и жидкий водород (главные двигатели космических шаттлов);
- жидкий кислород и бензин (первые ракеты Годдарда);
- жидкий кислород и керосин (применялись в программе «Аполлон» в 1 ступени «Сатурна-5»);
- жидкий кислород и спирт (применялись ракетах V2 немецкого производства);
- четырехокись азота/монометилгидразин (применялись в двигателях «Кассини»).
Устройство РД-107/108
Двигатель РД-107/108 состоит из четырех камер сгорания, турбонасосного агрегата, газогенератора, испарителя азота для наддува баков ракеты и комплекта агрегатов автоматики. Для управления полетом ракеты на двигателях имеются рулевые камеры: два на РД-107 и четыре на РД-108.
Несоизмеримые с возможностями существующих металлов температуры горения и продуктов сгорания, большое количество выделяемого тепла требуют охлаждения стенок камеры сгорания и сопла. В РД-107/108 эта инженерная задача решается двухстеночной конструкцией камеры сгорания и сопла и организацией охлаждения стенки со стороны горячего тракта подачей горючего (керосина) в камеру сгорания через межстеночные пространства.
Вторая особенность РД-107/108 − открытая схема сброса генераторного газа. Окислитель и горючее хранятся в отдельных баках и подаются в систему с помощью турбонасосного агрегата (ТНА). Для привода насосов горючего и окислителя используется турбина, в качестве рабочего тела для которой используется парогаз – продукт каталитического разложения пероксида водорода. Выхлопы турбины выбрасываются за срез сопла.
«Тестатика» Пауля Бауманна
Тестатика больше религиозный культ, нежели физическая машина
Часовщик Пауль Бауманн основал духовное общество Meternitha в 1950-х годах. В дополнение к воздержанию от алкоголя, наркотиков и табака, члены этой религиозной секты живут в самодостаточной, экологически сознательной атмосфере. Чтобы достичь этого, они полагаются на чудесный вечный двигатель, созданный их основателем.
Машина под названием «Тестатика» (Testatika) может использовать якобы неиспользуемую электрическую энергию и превращать ее в энергию для сообщества. По причине закрытости, «Тестатику» не удалось целиком и полностью исследовать ученым, хотя машина и стала объектом короткого документального фильма в 1999 году. Было показано немного, но достаточно, чтобы понять, что секта почти боготворит эту сакральную машину.
Планы и особенности «Тестатики» были ниспосланы Бауманну напрямую Богом, пока он отбывал тюремное наказание за совращение молоденькой девушки. Согласно официальной легенде, он был опечален темнотой своей камеры и нехваткой света для чтения. Затем его посетило загадочное мистичное видение, которое открыло ему секрет вечного движения и бесконечной энергии, которую можно черпать прямо из воздуха. Члены секты подтверждают, что «Тестатика» была послана им Богом, отмечая также, что несколько попыток сфотографировать машину выявили разноцветный ореол вокруг нее.
В 1990-х годах болгарский физик проник в секту, чтобы выведать проект машины, надеясь открыть секрет этого волшебного энергетического устройства миру. Но ему не удалось убедить сектантов. Покончив с собой в 1997 году, выпрыгнув из окна, он оставил предсмертную записку: «Я сделал то, что мог, пусть те, кто смогут, сделают лучше».
Теория ТТРД
Что такое реактивное движение, (для тех, кто, вдруг, не в курсе) много говорить не будем: если в двух словах, то это движение за счет отброса массы в противоположную сторону от направления движения. Про всякие экзотические конструкции двигателей типа ядерных, ионных и иже с ними говорить не будем — одна не предназначены для работы в атмосфере, другие слишком сложны и не воспроизводимы в любительских условиях и т.д., поэтому остановимся на простых, но доступных простому обывателю конструкциях, которые при желании можно повторить практически в домашних условиях, а именно — химических. В таких двигателях реактивная струя получается за счет химической реакции топлива и окислителя (в некоторых случаях роль окислителя может играть атмосферный кислород).
Итак, химические двигатели (ХРД), по агрегатному состоянию топлива классифицируются на жидкостные (ЖРД) и твердотопливные (ТТРД), так что выбирать будем из них. ЖРД весьма удобны, так как позволяют управлять тягой, однако требуют применения в своей конструкции сложных систем форсунок в камере сгорания и не менее сложных систем подачи топлива. Одно только проектирование ЖРД, даже самого примитивного, займет у нас месяцы, а, следовательно, это не наш вариант. Альтернативой могут стать ТТРД за счет простоты своей конструкции и значительно меньшими требованиями к топливу. Да, у нас не выйдет точно дозировать тягу. Точнее, мы ее совсем не сможем дозировать. Однако, есть некоторые аспекты, на которых мы можем сыграть, об этом и пойдет речь дальше.
Водяной винт Роберта Фладда — вечный двигатель?
Многие ученые брали воду за основу своих потенциальных вечных двигателей
Роберт Фладд был своего рода символом, который мог появиться лишь в определенное время в истории. Наполовину ученый, наполовину алхимик, Фладд описывал и изобретал разные вещи на рубеже 17 века. У него были довольно странные идеи: он считал, что молнии были земным воплощением гнева Божьего, который поражает их, если те не бегут. При этом Фладд верил в ряд принципов, принятых нами сегодня, даже если большинство людей в те времена их не принимало.
Его версией вечного двигателя было водяное колесо, которое может молоть зерно, постоянно вращаясь под действием рециркулирующей воды. Фладд назвал его «водяным винтом». В 1660 году появились первые гравюры по дереву с изображением такой идеи (появление которой приписывают 1618 году).
Стоит ли говорить, что устройство не работало. Тем не менее Фладд не только пытался сломать законы физики своей машины. Он также искал способ помочь фермерам. В то время обработка огромных объемов зерна зависела от потоков. Те, кто жил далеко от подходящего источника текущей воды, были вынуждены загружать свои посевы, тащить их на мельницу, а затем обратно на ферму. Если бы эта машина с вечным двигателем заработала, она существенно упростила жизнь бы бесчисленным фермерам.
Надежда на завтра
К счастью, у нас есть способы уменьшить объем космического мусора. К ним относятся ограничение его количества, вызываемого повседневными космическими операциями (например, техническое обслуживание и ремонт спутников на орбите) и предотвращение столкновений в космосе (например, обеспечение маневренности всех спутников и запрещение испытаний противоспутникового оружия).
Также ученые отмечают важность обеспечения спутников повышенной ударопрочностью (например, через экранирование) и снижение рисков за счет утилизации списанных спутников (например, разработка спутников, которые могут сбрасываться с орбиты и сгорать в атмосфере). Также очень важно найти новые и эффективные способы удаления космического мусора в ближайшие десятилетия — иначе человечество рискует вернуться на зарю XX века
Что такое батарейка Карпена
Батарейка Карпена пусть и не стала вечным двигателем, но все равно способна проработать 60 лет
В 1950-х годах румынский инженер Николае Василеску-Карпен изобрел батарею. Ныне расположенная (хотя и не на стендах) в Национальном техническом музее Румынии, эта батарея по-прежнему работает, хотя ученые до сих пор не сошлись во мнении, как и почему она вообще продолжает работать.
Батарея в устройстве остается той же одновольтной батарейкой, которую Карпен установил в 50-х годах. Долгое время машина была забытой, пока музей не был в состоянии качественно выставлять ее и обеспечивать безопасность такой странной штуковине. Недавно обнаружили, что батарея работает и по-прежнему выдает стабильное напряжение — спустя уже 60 лет.
Успешно защитив докторскую степень на тему магнитных эффектов в движущихся телах в 1904 году, Карпен наверняка мог создать что-то из ряда вон выходящее. К 1909 году он занялся исследованием высокочастотных токов и передачи телефонных сигналов на большие расстояния. Строил телеграфные станции, исследовал тепло окружающей среды и продвинутые технологии топливных элементов. Однако современные ученые до сих пор не пришли к единым выводам о принципах работы его странной батареи.
Было выдвинуто множество догадок, от преобразования тепловой энергии в механическую в процессе цикла, термодинамический принцип которого мы пока не обнаружили. Математический аппарат его изобретения кажется невероятно сложным, потенциально включая понятия вроде термосифонного эффекта и температурных уравнений скалярного поля. Хотя мы не смогли создать вечный двигатель, способный вырабатывать бесконечную и бесплатную энергию в огромных количествах, ничто не мешает нам радоваться батарейке, непрерывно работающей в течение 60 лет.
Изготовление топливных шашек
Первым топливом у нас будет карамельное, готовить будем из сорбита и калиевой селитры. Сорбит можно купить в аптеке, он используется как сахарозаменитель. Калиевую селитру можно найти в садово-огородном отделе, но там она довольно грязная, поэтому купили ч/чда в Русхиме.
Простейший способ — измельчить компоненты до состояния мелкодисперсного порошка и смешать, но тогда топливо остается сыпучим и не будет держать форму. Решено сплавить компоненты вместе. Некоторые бесстрашные любители делают это в сковородках, на открытом огне, даже, бывает на костре, но нам дороги наши пальцы и глаза. Придется делать нагреватель с контролем температуры и песчаная баня, для которого нам понадобятся:
Meteor заботливо подсчитал массу топлива, которая составила 838г, возьмем с запасом, еще пригодится. Решено было сделать топливный заряд из нескольких шашек для простоты их изготовления. Потом можно будет их просто склеить между собой и вставить в корпус двигателя.
Не забываем про технику безопасности: вблизи топлива не должно быть никаких источников открытого огня, раскаленных предметов и чего-либо, что может вызвать возгорание.
Возьмем по массе 65% калиевой селитры и 35% сорбита, аккуратно засыпаем в чашу и добавляем немного воды. Это и нервы успокоит, и избавит от необходимости измельчать компоненты в пыль, так как в воде они и без того хорошо растворятся и смешаются. Ставим на огонь, выставляем температуру и ждем, постоянно помешивая. Постепенно полученная каша расплавится и станет похожа на овсянку. Надо дождаться выпаривания всей лишней воды (это можно будет понять по прекратившемуся выходу кипящих пузырьков).
Дальше надо действовать решительно: в заранее подготовленную водопроводную ПВХ-трубу, зафиксированную в держателе с внутренним креплением под круглую ось будем запрессовывать топливо.
После извлечения оси у нас как раз останется канал запала по всей длине шашки. Запрессовывать удобно при помощи держателя для дрели, такой очень удачно нашелся в студии
Важно запрессовать топливо таким образом, чтобы внутри шашки не оказалось пузырей и полостей, иначе это потом негативно скажется на горении
Трубу с топливом откладываем и оставляем до остывания. Затем ее можно будет распилить и достать шашку. Мы сделали несколько штук, одну из них сожжем в целях эксперимента.
В следующем выпуске займемся корпусом двигателя, соплом и испытательным стендом. А пока мы его готовим, рекомендую почитать следующую книжку про проектирование ЗУРов. Из нее была почерпнута бОльшая часть информации.
