Огонь, энергия, ракета (о реактивных топливах)

По каким законам механики летают ракеты

Огонь, энергия, ракета (о реактивных топливах)

Ракета — аппарат, предназначенный для полётов в атмосфере и космическом пространстве.

Она сконструирована таким образом, что может перемещаться не только в окружающей воздушной или газовой среде, но и в вакууме.

К этому летательному аппарату приравнивается множество объектов — от праздничных петард до военных беспилотников и космических устройств. А как летают ракеты, может объяснить астродинамика.

Астродинамика как раздел небесной механики

Наука о Вселенной называется астрономией. Она изучает все небесные тела и системы и имеет несколько основных направлений:

  • астрометрия изучает геометрические и кинематические свойства созвездий, небесной сферы и системы координат, а также времени;
  • небесная механика вычисляет движение небесных тел;
  • астрофизика изучает физические процессы в астрономических объектах (звёздах, чёрных дырах и так далее) и их эволюцию;
  • космология исследует свойства и эволюцию Вселенной в целом, предметы изучения — явление красного смещения, реликтовое излучение, модель Большого взрыва, проблема скрытой массы и тёмная энергия;
  • планетология изучает планеты, их системы и спутники.

Движение ракет исследуется в разделе небесной механики, называемом астродинамикой. В сферу её задач входит определение параметров запуска космических аппаратов, расчёт траектории их движения, вычисление её изменений во время орбитальных манёвров и планирование последних.

Главной особенностью астродинамики перед другими разделами небесной механики является то, что она должна решать прикладные задачи управления космическими кораблями с учётом многих факторов, среди которых влияние атмосферы и магнитного поля Земли, гравитационные аномалии, давление солнечного излучения. В других науках эти факторы могут игнорироваться, поскольку не оказывают влияние на движение естественных космических тел, главной для которых остаётся сила тяготения.

Начало движения

В ракете должен быть двигатель, работающий на химическом топливе. Оно может быть твёрдым, жидким или гибридным. Самыми лучшими комбинациями веществ являются следующие:

  • Керосин и кислород. Дешёвое и экологичное топливо, идеально подходящее для многих двигателей.
  • Гептил и тетраоксид диазота. Широко распространено благодаря высокой устойчивости горения, самовоспламеняемости, лёгкости горения, хорошей плотности и энергетическим характеристиками. Однако от этого вида топлива постепенно отказываются из-за высокой токсичности.
  • Водород и кислород. Смесь обладает высокой экологичностью, используется в случаях, когда нужна большая масса и нет приоритета тяги.
  • Перхлорат аммония. Дешёвое твёрдое ракетное топливо, с помощью которого можно легко получить значительную тягу. Недостатком является низкая экологичность и сложность управления двигателями, работающими на нём. Для повышения управляемости дополнительно необходимо использовать небольшие жидкостные двигатели.

Найдена альтернатива пчеле: японцы научили дрона опылять лилии

Задача ракетного топлива — взаимодействие с окислителем, в результате которого образуются горячие газы. Они истекают из камеры сгорания, ускоряются до нескольких тысяч километров в час в сопле и выбрасываются из летательного аппарата. Ускорение газов в двигателе создаёт реактивную тягу. Эта толкающая сила заставляет ракету перемещаться в пространстве.

В качестве движущей силы может использоваться и обыкновенная вода. Она дешёвая и доступная, а применять её просто и безопасно. Принцип работы заключается в том, что вода перегревается, при вытекании через сопло превращается в высокоскоростную паровую струю и создаёт тягу.

Сконструированные таким образом ракеты называют паровыми. Они менее эффективны, чем те, что работают на химическом топливе, но достаточно перспективны. Паровое устройство было успешно проверено в космосе на борту спутника. В дальнейшем его можно будет использовать для межпланетной транспортировки грузов. Нагрев воды при этом планируется осуществлять при помощи ядерной или солнечной энергии.

Законы Ньютона

Во время полёта на ракету действует несколько сил. В первую очередь это тяга двигателя, толкающая аппарат сквозь пространство.

Она должна быть направлена точно к центру масс, чтобы ракета летела носом вперёд, не теряла стабилизацию и не начинала беспорядочно вращаться в пространстве.

Динамическую устойчивость обеспечивают аэродинамические силы — обтекающий ракету воздушный поток.

Во время движения в атмосфере полёту противостоит лобовое сопротивление, складывающееся из сил трения и давления. Преодолеть его можно, если увеличить тягу и ускорение.

Небольшой вклад также делает подъёмная сила и сила тяжести. Последняя была описана ещё в XVII веке в законах великого английского учёного Исаака Ньютона.

Первый закон Ньютона описывает инерцию — свойство тела сохранять свою скорость движения неизменной при отсутствии воздействия на него. Мера проявления инертности выражается массой и связывается с силой движущегося предмета и его ускорением в более важном для ракетостроения втором законе Ньютона.

Японский стартап, обещающий построить лунную базу в 2030-2040 годах
Согласно ему, ускорение вычисляется при делении равнодействующей всех сил, воздействующих на тело, на его массу. Исходя из этого, чем больше двигатель выбросит сгоревшего топлива, тем быстрее полетит ракета, поэтому в баке содержатся миллионы литров выделяющего энергию вещества.

Третий закон Ньютона утверждает, что силы действия и противодействия равны. В приложении к полёту ракеты на практике это означает, что вылетающая из двигателя струя горячих газов или пара вызывает противодействующую силу, толкающую летательный аппарат вперёд.

Многоступенчатые ракеты

В открытом космическом пространстве скорость движения возрастает благодаря тому, что выбрасываемые частицы сгоревшего топлива не ограничиваются трением воздуха, они быстро распространяются, а полёт ничто не тормозит. Чем дальше ракета от родной планеты, тем меньше её масса, и вскоре слабого толчка двигателя становится достаточно для того, чтобы сдвинуть массивный аппарат с места.

Из-за этого некоторые космические корабли для выхода на околоземную орбиту используют сразу две ракеты. Запуск одной обеспечивает полёт в атмосфере. Когда аппарат переходит в космическое пространство, ракета-носитель и израсходованные топливные баки отсоединяются и на парашютах спускаются на Землю.

Чтобы можно было периодически сбрасывать лишний груз, двигатели и топливные ёмкости располагаются на различных ступенях ракеты. Они могут быть разделены следующим образом:

  • в поперечном направлении (ступени отсоединяются последовательно, начиная с нижней);
  • в продольном (ступени вокруг корпуса расположены на одном уровне и сбрасываются одновременно);
  • по комбинированной схеме.

На практике применяются разные конструкции ступеней. Иногда отделяемая ракета после выполнения своей функции по выводу корабля в космос не просто возвращается на Землю, а выполняет ещё какую-либо задачу, например, обеспечивает автоматические и пилотируемые экспедиции к небесным объектам.

Корабль тем временем также выполняет свои задачи, например, выводит на орбиту метеорологические и астрономические спутники или проводит различные научные эксперименты, по завершении которых он планирует и приземляется как обычный самолёт.

Почему у человека текут слезы: научное объяснение

Разгонный блок

На одной из ступеней ракеты может располагаться разгонный блок, оснащённый особыми двигателями. Он нужен для вывода летательного аппарата на целевую орбиту, если она расположена значительно выше линии космоса, начинающейся уже через 100 км от поверхности Земли.

Такая ситуация не является редкой, даже телекоммуникационные спутники находятся почти в 36 тысячах км от уровня моря. Чтобы не только достичь их, но ещё и доставить находящийся в верхнем отсеке полезный груз, масса которого может превышать 3 тонны, ракета-носитель с разгонным блоком осуществляет вывод на опорную орбиту, расположенную всего в 200 км от Земли.

Затем на блоке включаются двигатели, при помощи которых выполняются манёвры по изменению траектории и скорости полёта. Способность устройств многократно включаться и выключаться отличает их от большинства двигателей, расположенных на других ступенях.

Система аварийного спасения

Ракеты могут выводить в космос не только грузовые корабли и аппараты, но и экипажи специалистов. В последнем случае предусмотрена система аварийного спасения (САС), которая поможет людям выжить в непредвиденных ситуациях.

САС представляет собой небольшую ракету в форме башенки, расположенную в головной части корабля. В экстренной ситуации, случившейся до достижения большой высоты (например, при взрыве ракеты на старте), её двигатели вытянут отсек с экипажем и уведут его от места аварии. Затем будет осуществлён парашютный спуск.

При благополучном достижении определённых высот корабль отделяется от ракеты, и система становится не нужна. Тогда она самостоятельно возвращается на Землю.

Военная и научная область применения

В настоящее время ракета является единственным способом вывода кораблей на орбиты. Однако, помимо исследования космоса, у неё есть и другие области применения, например, в военном деле.

Ракетное оружие малоуязвимо благодаря небольшим размерам и высокой скорости перемещения, а современные системы самонаведения и навигации дают ему большую точность и манёвренность. Ракета может без пилота доносить к цели самые мощные средства поражения, в том числе и ядерные заряды.

Лекарство, убивающее вирус гриппа за 1 день, изобрели японские ученые

Но практически те же самые аппараты могут быть использованы и в мирных научных целях. К таким относятся следующие типы ракет:

  • Геофизическая. Совершает полёт на расстояние от 100 до 1500 км от Земли без пилота. Запускается с целью сбора физических, химических и медико-биологических данных о верхних слоях атмосферы и близлежащем космосе. Сведения могут передаваться по радио, но чаще записываются локально, поэтому главными элементами конструкции, помимо разгонных блоков, является контейнер с аппаратурой, обычно опускающийся на парашюте.
  • Метеорологическая. Она лёгкая, поэтому может поднять только один комплекс приборов, и её высота полёта ограничивается 40−100 км. Остальные характеристики сходны с геофизическим типом. В СССР со специальных станций ракетного зондирования в атмосферу ежегодно запускалось около 600 аппаратов, собиравших данные высотных профилей температуры, давления, плотности, ветров.
  • Противоградовая. Этот тип, как и следует из названия, предотвращает выпадение града путём поднятия аппарата на 6−12 км ввысь и распыления из головной части йодистого серебра или другого реагента, ускоряющего осадкообразование и выпадение дождей. Это позволяет не допустить потери виноградников, чайных плантаций, посевов табака, хлопка, зерновых и других сельскохозяйственных культур.

Простые примеры

Увидеть действие реактивной тяги можно даже дома. Для этого достаточно надуть воздушный шарик, зажать горловину, а затем отпустить. Вырывающийся воздух заставит шарик летать по комнате.

Более сложный пример — пушка, колёса которой стоят на железной дороге. Когда из неё будет произведён выстрел, возникнет отдача, которая сместит пушку по рельсам в направлении, обратном траектории полёта снаряда. При учащении выстрелов, движение по дороге ускорится.

Таким образом, в основе движения ракеты лежат довольно простые для понимания процессы. Они используются не только в космонавтике или военном деле, но и в хобби или развлечениях, например, праздничных фейерверках.

Кроме того, существует ракетомодельный спорт, под которым подразумевается конструирование, изготовление, запуск и пилотирование моделей. В нём предусмотрены различные соревнования, участники которых пытаются добиться максимальной высоты и продолжительности полёта.

Источник: https://rocca.ru/nauka-i-obrazovanie/po-kakim-zakonam-letayut-rakety

На чем летают «Тополя»

Огонь, энергия, ракета (о реактивных топливах)

23.11.2007 00:00:00

Есть в российской оборонке предприятия, о которых практически невозможно прочитать в открытой печати. Но без них самые знаменитые ракетные системы – «Тополь-М», «Булава», «Тайфун», «Искандер», «Печора», С-200, да и многие другие – просто не смогли бы существовать.

Одно из таких предприятий – Федеральный центр двойных технологий (ФЦДТ) «Союз».

Именно здесь создаются твердые ракетные топлива и уникальные артиллерийские пороха, проектируются и отрабатываются энергетические установки для ракетных комплексов самого разного назначения.

Не только боевых, но и космических систем – в частности, «Протон», «Молния», «Зенит» и «Морской старт». Также выпускаются «Союзом» установки прямого преобразования энергий, разрабатываются высокоэффективные технологии двойного назначения, в том числе и для медицины.

УНИКАЛЬНАЯ ПРОДУКЦИЯ

«Союз» ведет свою историю с 1947 года. Будущий ФЦДТ был создан на базе опытно-исследовательского завода № 512, расположенного под стенами Николо-Угрешского монастыря, что в подмосковном Дзержинске.

Советская власть сначала превратила монашескую обитель в коммуну для беспризорников, а затем – в колонию для малолетних преступников.

В Великую Отечественную войну тут выпускались пороховые заряды для легендарных «катюш», а после размещалось Особое техническое бюро (ОТБ), куда собрали ученых-химиков, заложивших основу современной «твердотопливной» науки.

ОТБ вскоре преобразовали в НИИ-125, а в 1975 году – в Люберецкое научно-производственное объединение «Союз». С 1994 года, после посещения предприятия первым президентом России, когда выяснилось, что кроме уникальных ракетных топлив здесь делают и уникальные образцы гражданской продукции, НПО стал Федеральным центром двойных технологий «Союз».

За прошедшие 60 лет на предприятии создано более 50 номенклатур смесевых твердых ракетных топлив, в том числе высоконаполненных, содержащих в своем составе взрывчатые вещества и высокодисперсные компоненты, скорость горения которых может регулироваться от долей миллиметра до нескольких десятков миллиметров в секунду, с низкой и высокой зависимостью скорости горения от давления, высокоэнергетического и высокоплотного, с низкой температурой горения и с экологически чистыми продуктами сгорания. Разработано свыше 30 рецептур баллиститных ракетных топлив (баллиститы – нитроглицериновые бездымные пороха). Беспламенных и бездымных, быстро и медленно горящих. Стойких к действию ионизирующего излучения и факторов космического пространства. Плазменных с высокой электропроводностью и других.

Твердые топлива – это многокомпонентные энергетические системы, представляющие собой высоконаполненную термореактивную или термопластическую полимерную композицию, содержащую до 50 разнообразных компонентов.

В их числе горючее, окислители, катализаторы и ингибиторы горения, стабилизаторы химической стойкости, технологические добавки и целый ряд других структур, включая и термолабильные, и химически не совместимые между собой.

Но при этом обеспечивается требуемая пожаро- и взрывобезопасность топлив и систем на их основе.

Если перевести эту информацию на обычный язык, то станет ясно, что в твердотопливных зарядах ракетных двигателей «Союза» заключены несовместимые в обычной жизни взрывчатые вещества, которые расположены там каким-то невообразимым образом…

И в результате могут безопасно храниться в корпусе ракеты несколько десятков лет без дополнительного обслуживания и проверок.

Но при этом в случае необходимости они готовы создать ракете столь высокие энергетические мощности, которые позволят доставить самый увесистый «груз» в заданную точку планеты в самое кратчайшее время.

Например, ракеты комплекса «Тайфун», которыми пока еще вооружены отечественные атомные подводные лодки стратегического назначения, до сих пор имеют твердотопливный заряд, разработанный «Союзом», превышающий по уровню энергетики все мировые аналоги. Даже по сравнению с американскими «Трайдентами».

Как это достигается – очень большой секрет. Только для «Тополя-М» в ФЦДТ «Союз» было создано 17 твердотопливных зарядов, в том числе для всех маршевых ступеней и уникального двигателя с регулируемой тягой. Подобная работа была проделана и для морской «Булавы».

ТОПЛИВА ДЛЯ НЕПОБЕДИМОГО

В целом ФЦДТ «Союз» разработано и сдано в эксплуатацию около 500 номенклатур твердотопливных зарядов, в том числе свыше 150 зарядов и корпусов маршевых и специальных двигателей для стратегических ракетных комплексов шахтного и мобильного базирования РВСН и ВМФ. В числе таких систем недавно ликвидированные ракеты БЖРК 15Ж60 и их шахтный «собрат» 15Ж61, уже упомянутый комплекс «Тайфун», уничтоженные по Договору РСМД комплексы «Темп-С» и «Пионер», продолжающие существовать сегодня и развиваться все виды «Тополей».

ФЦДТ «Союз» отработал заряды для тактических и оперативно-тактических ракет Сухопутных войск «Луна» и «Луна-М», «Точка» и «Точка-У», «Ока» и «Искандер», активно-реактивных снарядов для артиллерийских установок «Б-4М», «Пион», «Гиацинт», «2С3М», высокоточных артиллерийских и минометных систем «Смельчак», «Сантиметр», «Китолов», «Краснополь», для ПТУРов «Малютка», «Штурм», «Атака», «Хризантема», реактивных систем залпового огня «Град», «Ураган» и «Смерч».

Для войск ПВО здесь созданы заряды к ЗРК «Печора» и «Печора-2», «Куб», «Шторм», уже упомянутые С-200, «Волга». Для ВМФ заряды к 35 ракетным системам, в том числе «Удав», «Ливень», «Гранит», «Малахит», «Базальт» и многим другим. Не остались в стороне и ВВС.

Для них разработаны заряды к 35 ракетным системам. К Х-59, РС-2У, К-98, к авиационной бомбе «БЕТАБ-500» и прочим комплексам. Нет возможности перечислить другие системы и комплексы.

Главный вывод – нет такого вида и рода войск, в системах вооружения которых не использованы твердые топлива и заряды разработки ФЦДТ «Союз».

Необходимо отметить, что «Союз» сотрудничает со всеми ведущими отечественными организациями генеральных и главных конструкторов, занимающихся высокоэнергетическими твердотопливными ракетными комплексами.

В частности, знаменитый конструктор 18 видов боевой техники, создавший «Оку» и заложивший основы нынешнего «Искандера», Сергей Павлович Непобедимый отмечал, что именно высокоэнергетические топлива ФЦДТ «Союз» позволили его ракетным системам приобрести те уникальные боевые свойства, которые сделали их лучшими в мире.

Но, рассказывая о твердотопливных зарядах для ракет и снарядов, нельзя не упомянуть об уникальных изделиях общегражданского назначения, которые тоже созданы в «Союзе».

Здесь, к примеру, на основе малопламенных порохов и баллиститных топлив для авиационных двигателей разработаны аэрозолеобразующие составы, обеспечивающие самый эффективный из известных ныне объемных способов тушения пожаров, в том числе и для применения в нефтяной и газовой промышленности, на транспорте, да и в быту тоже. Нужно сказать и о принципиально новом направлении в импульсной электроэнергетике – созданном здесь совместно с Институтом атомной энергии и рядом других промышленных организаций МГД-генераторе на твердом плазменном топливе мощностью 550 мегаватт в одном импульсе. С его помощью можно исследовать строение земной коры, вести разведку нефтегазовых месторождений, в том числе и на морском шельфе, и даже предупреждать землетрясения, воздействуя на их нарождающийся очаг┘

Таким организациям, соединяющим в себе уникальные военные технологии для производства вооружений и технологии для создания крайне необходимых внутреннему и международному рынку высокоинтеллектуальных инновационных технических средств, видимо, и принадлежит будущее российской оборонки.

Первые 60 лет Федерального центра двойных технологий «Союз» это наглядно доказывают. Юрий Милёхин, генеральный директор ФЦДТ «Союз», резюмирует: «Главное здесь, как и в нашей работе, соблюсти гармонию пропорций и ингредиентов, чтобы не пострадали безопасность и обороноспособность страны».

Источник: http://nvo.ng.ru/armament/2007-11-23/4_topolia.html

Как устроены ракетные двигатели (3 минуты чтения и все понятно)

Огонь, энергия, ракета (о реактивных топливах)

Двигатели космических ракет тема широко обсуждаемая. Но не все читатели и комментаторы, в общем-то, представляют, как они устроены. Небольшой и короткий ликбез, да еще и с примерами.

РН Atlas и устройство РД-180

Отличие от авиационных, автомобильных и других…

Их много. Но для целей этой статьи важно одно. Ракетным двигателям для работы нужно не только горючее, но и окислитель.

Нам кажется привычным – залил бензин (горючее) в бензобак и поехал. С ракетой так не получится. Автомобильные, авиационные, судовые и другие двигатели работают в условиях плотной кислородсодержащей (окислитель) атмосферы Земли.

Кислород, как известно, необходим для поддержания горения. Ракета плотные слои атмосферы преодолевает в течение короткой стадии полета, сразу же после старта. Поэтому, взять кислород для работы своих двигателей из атмосферы ракета она не может. И поэтому ее заправляют не только горючим, но и окислителем, как правило, кислородом.

Итак, ракетное топливо двухкомпонентное.

Само горючее, как правило это:

— керосин,

— метан (сжиженный),

— водород (сжиженный).

Окислитель:

— кислород (сжиженный).

Почему «окислитель»? Потому что горение, это и есть химическая реакция окисления, сопровождающаяся высокой скоростью реакций и выделением теплоты и света. (Кстати, образование ржавчины, тление и многие другие процессы также являются окислением, только не столь быстрым)

Есть топливные пары без кислорода. Например, гептил (горючее) – тетраоксид диазота (окислитель). Такая пара используется в двигателях ракет семейства «Протон». Гептил очень токсичен.

Идем дальше.

Виды движения в атмосфере

Может показаться, что с этого следовало начать статью. Может быть.

Чтобы добраться до космоса, «нужно пролететь атмосферу». Итак, есть несколько видов движения в атмосфере:

Баллистическое движение

Это движение тела в пространстве под действием внешних сил. Снаряды и пушечные ядра, боеголовки баллистических ракет и так далее – все это баллистическое движение. «Вагон-снаряд» отправленный на Луну французским писателем Жюлем Верном в научно-фантастическом романе «Из пушки на Луну», также.

Аэростатическое движение

Для создания подъемной силы используется заключенный в оболочке газ (или нагретый воздух) с плотностью меньшей, чем плотность окружающего воздуха.

Воздушные шары, аэростаты, дирижабли — все это летательные аппараты легче воздуха. Американская компания World View собиралась отправлять таким образом туристов в «ближний космос» (какой хороший маркетинговый термин), то есть на высоту 30 километров.

Аэродинамическое движение

Подъемная сила создается крылом самолета благодаря поступательному движению летательного аппарата, которое сообщает ему силовая установка — авиационный двигатель.

И наконец, Реактивное движение

Ракетные двигатели — это реактивные двигатели.

Под реактивным движением тела понимают такое движение, которое возникает при отделении от тела (ракеты) некоторой его части (горячие газы из сопла двигателя под высоким давлением) с определенной скоростью относительно него.

Таким образом, ракетный двигатель выбрасывает массу (горящее топливо) в одном направлении, а сам движется в противоположном. Процесс горения ускоряет массы топлива так, что они выходят из сопла ракеты на высокой скорости.

Это были принципы, теперь к устройству.

Начнем с простого

В жидкостных ракетных двигателях топливо и окислитель находятся в жидком состоянии в двух раздельных резервуарах. По трубопроводам они попадают в камеру сгорания. Здесь они перемешиваются и сгорают, создавая поток горячих газов с высокой скоростью и давлением. Эти газы проходят через сопло, которое еще больше их ускоряет, а после выходят, образуя реактивную тягу.

Кажется все просто? На самом деле нет!

Первая инженерная задача

Здесь и далее последовательность задач дана только для упрощения объяснения.

Ввиду высокой температуры горения, и значительного количества выделяемого тепла, даже малой его части достаточно для термического разрушения двигателя. Стенки камеры двигателя и сопло нужно охлаждать.

Но чем? Нужно максимально простое решение, чтобы не усложнять двигатель и не увеличивать его вес.

Самое распространенное: охлаждать одним из компонентов топлива, как правило, это горючее.

В стенке камеры сгорания и верхней, наиболее нагреваемой части сопла создаются полости («рубашка охлаждения»), через которые перед поступлением в форсуночную головку камеры сгорания проходит горючее.

Таким образом, холодная жидкость сначала циркулирует вокруг перегретых частей двигателя, чтобы охладить их, а затем попадает в камеру сгорания.

Компоненты топлива во многих случаях охлаждаются до более низких температур. Это позволяет повысить их плотность и поместить большее количество топлива в топливные баки. Даже керосин. Например, в Falcon 9 керосин охлаждается с 21 °C до −7 °C. Пр этом его плотность увеличивается на 2,5 %.

Вторая инженерная задача

Компоненты топлива сами в камеру сгорания не будут поступать. Нужны насосы. Они будут создавать высокое давление, чтобы преодолеть давление, которое создает в камере сгорания сжигаемое топливо.

Но нам снова, нужно чтобы двигатель и ракета были максимально простыми и легкими (насколько это можно). Решение нашлось. Часть топлива используется для работы насосов. Оно подается в небольшую камеру «предварительного» сгорания – газогенератор. Горячий газ из нее приводит в действие турбину, она – приводит в действие топливные насосы. Турбина одна. Насосов два – на одном валу.

Что дальше?

Что делать с топливом, которое прошло через газогенератор. Его после раскручивания турбины можно сбрасывать наружу. Именно так устроен двигатель Merlin (кислородно-керосиновый), используемый SpaceX на ракетах Falcon 9. Это, так называемая открытая схема.

Двигатель Merlin и его «выхлопная труба» – отводной патрубок для газов газогенератора / © SpaceX

Схема проста, но недостаточно эффективна. В создании тяги ракетного двигателя топливо, прошедшее через газогенератор, напрямую не участвует, а место в ракете занимает.

Можно его дожигать в камере сгорания. Как, например, в РД-180 (кислородно-керосиновый), который покупают у нас американцы для установки на первую ступень ракет семейства «Атлас» начиная с Atlas III.

Двигатель РД-180 это практически все самые известные космические миссии, которыми так гордится NASA: миссия к Плутону «Новые горизонты», миссия к Луне LRO и Марсу MRO, миссия к Юпитеру «Юнона», «Обсерватория солнечной динамики», «Марсианская научная лаборатория» (Curiosity), марсианский геолог и InSight, полетза грунтом астероида Бенну (OSIRIS-REx) аппарат для исследования атмосферы Марса MAVEN и многое другое.Это схема называется закрытой. Горячий газ вначале вращает турбину турбонасосного агрегата, а затем подается в камеру сгорания, эффективно участвуя в создании тяги ракетного двигателя. Топливо не пропадает и полностью участвует в создании тяги.

Такой двигатель гораздо сложнее. В двигателе закрытой схемы можно пропустить больше газа через турбонасосный агрегат, а значит, больше поднять давление в камере сгорания. Чем больше давление в камере сгорания, тем больше тяга.

Высокое давление – большая эффективность двигателя.

Однако у него есть недостатки — высокая нагрузка на турбину двигателя, относительно высокие сложность и стоимость.

Зато двигатели Merlin имеющие низкое давление в камере сгорания достаточно просты в производстве и дешевы. Именно на них Илон Маск потеснил «Роскосмос» на рынке космических запусков и запустил в космос родстер Tesla.

Усложняем дальше

А еще можно все топливо пропускать через газогенератор . Такая схема называется полнопоточная закрытая. Мы делали такой двигатель в 60-х (РД-270), но в таких двигателях нужно два газогенератора и два турбонасосных агрегата, которые ведут в одну камеру сгорания и работают параллельно.

Однако вРД-270наблюдались низкочастотные пульсации в газогенераторе и камере. Возникла проблема в синхронизации совместной работы двух турбонасосных агрегатов. Они пытались пересилить друг друга и стабилизировать их без помощи быстродействующего бортового компьютера не удалось. Но такого в то время еще не было.

В феврале этого года Илон Маск объявил результаты тестирования двигателя Raptor (кислородно-метановый). Его получат ракета Super Heavy и корабль Starship. По заявлениям Маска его характеристики лучше, чем у РД-180. Высокое давление в камере сгорания обеспечено именно полнопроточной закрытой схемой.

Открытая, закрытая, полнопоточная закрытая схема / © Википедия/Познавательная копилка

Можно ли лучше?

Если проект Маска будет успешен, нам нужно будет делать что-то еще лучшее. Возможно, развивать трехкомпонентные двигатели многократного использования. При запуске такой двигатель работал бы на паре кислород/керосин, а на больших высотах керосин заменялся бы водородом.

Использование в одном двигателе комбинации двух горючих – углеводородного, обладающего высокой плотностью, и водорода, обеспечивающего высокие значения удельного импульса, может расширить возможности ракет-носителей.

Такой подход, позволит создать одноступенчатую возвращаемую ракету-носитель и заметно удешевить космические запуски и в будущем.

Несколько пояснений

Здесь, как видно из примеров, раскрыта самая популярная классическая схема, которая массово используется для выведения в открытый космос космических аппаратов: жидкостный ракетный двигатель. Но это все, что можно рассказать за три минуты.

А в целом ракетные двигатели делятся на:

— химические,

— электрические,

— ядерные.

Химические ракетные двигатели бывают жидкостными и твердотопливными (ускорители космического челнока Space Shuttle, например).

Но есть еще и гибридные двигатели использующий компоненты ракетного топлива в разных агрегатных состояниях — жидком и твердом. Например, двигатель космического челнока SpaceShipOne работающий на полибутадиене (твердый) и закиси азота (жидкость).

Пока мы пишем новые статьи, почитайте что-нибудь еще здесь.

Источник: https://zen.yandex.ru/media/id/5c34c948cffc6400aaed02e7/5ca27664b59e2e00b3fcce85

Как устроена ракета и почему она летит Фрагмент книги американского физика Луиса Блумфилда «Как все работает» — Meduza

Огонь, энергия, ракета (о реактивных топливах)

В конце октября издательство Corpus при поддержке Политехнического музея и «Книжных проектов Дмитрия Зимина» выпустит книгу физика Луиса Блумфилда «Как все работает. Законы физики в нашей жизни».

Профессор Виргинского университета просто и ясно объясняет, почему горят лампочки и катится велосипед, как правильно поливать сад и как работают кухонные плиты. В начале декабря Луис Блумфилд приедет в Москву на книжную ярмарку Non/fiction, чтобы представить свою книгу.

С разрешения издательства «Медуза» публикует фрагмент издания, объясняющий, почему летит ракета.

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.

Ракеты используются в исследованиях космоса, в вооружениях, в спасательных операциях и развлечениях.

Реактивный двигатель

Среди самых впечатляющих свойств ракеты — ее способность обеспечивать собственное движение даже в полной пустоте космического пространства, а также достигать за счет этой реактивной силы потрясающе высоких скоростей. Каким-то образом ракета толкает сама себя без помощи внешних сил, и создается впечатление, будто этот толчок может сообщить ей сколь угодно большое ускорение.

Разумеется, на самом деле ракета не может сама себя сдвинуть с места, так же как и вы не можете приподнять себя над землей за шнурки собственных ботинок, и ускорение ее имеет предел.

В действительности ракета получает движущую реактивную силу, отталкиваясь от собственного топлива, а когда запас топлива иссякает, она перестает набирать скорость.

Чтобы понять, как ракета извлекает реактивную силу из запаса топлива, давайте посмотрим, как работает третий закон Ньютона (тот самый, что описывает действие и противодействие) применительно к ракетам.

Представьте себе, что вы сидите на льду посреди замерзшего пруда и ваши скорость и импульс равны нулю. Солнышко пригревает, и влажный лед очень скользкий. Похоже, как ни старайся, вам не удастся сдвинуться с места. Как же вам добраться до берега? 

Поскольку вы обладаете инерцией, то единственная надежда сдвинуться — это получить какой-нибудь толчок извне. Конечно, можно заказать по телефону пиццу, а когда ее доставят, оттолкнуться от разносчика.

А можно вспомнить физические принципы, которые мы обсуждали на с. 68: снимайте кроссовку и бросайте ее изо всех сил в сторону восточного берега пруда. Бросая кроссовку, вы своей рукой прикладываете к ней силу.

Кроссовка получает ускорение и летит надо льдом.

А что происходит с вами? Вы перемещаетесь к западному берегу! Вы двигаетесь, потому что, когда вы толкнули кроссовку в восточном направлении, она с такой же силой толкнула вас к западу.

При этом вы передали импульс кроссовке — и она тоже передала вам импульс, но направленный в противоположную сторону. Импульс не может возникнуть из ниоткуда и исчезнуть в никуда, он может быть лишь перераспределен.

Даже после того, как вы бросили кроссовку, ваш суммарный импульс равен нулю. Величина импульса кроссовки равна величине вашего противоположно направленного импульса.

Естественно, ваша масса намного больше массы кроссовки, поэтому вы двигаетесь гораздо медленнее, чем он. Импульс равен произведению массы на скорость, и чем больше масса тела, тем меньшая скорость ему нужна для получения такого же импульса. Так или иначе вы добились, чего хотели, — вы медленно скользите к западному берегу.

Ваша конечная скорость имеет предел, потому что вам удалось сообщить кроссовке лишь небольшой импульс, и вы также получили от нее небольшой импульс, направленный в другую сторону. Если бы вам удалось метнуть ее с более высокой скоростью или запустить в воздух целый ящик с обувью, ваш импульс был бы куда больше и вы начали бы скользить быстрее.

Однако швыряться кроссовками не слишком эффективно. Куда эффективнее было бы выпустить в сторону восточного берега быстрый поток газа. Даже при комнатной температуре скорость молекул в воздухе равна примерно 1800 км/ч.

Если нагреть газ до 2800 ̊С — именно такова температура газа в жидкостном ракетном двигателе, — его молекулы будут двигаться втрое быстрее.

Бросив что-либо с такой скоростью, вы получите изрядный по величине импульс, направленный в противоположную броску сторону.

Этот процесс и реализуется в классическом ракетном двигателе (см. рис.). В результате химической реакции топливо превращается в сильно разогретый газ реактивной струи.

Энергия, которая поначалу существовала в виде потенциальной энергии химического топлива, в разогретом и воспламенившемся газе превращается в тепловую (это главным образом кинетическая энергия хаотического движения крошечных молекул).

Сопло ракетного двигателя направляет неупорядоченные перемещения молекул в одну сторону, и двигателю сообщается реактивная сила, направленная в противоположную сторону.

Если вам когда-нибудь доводилось наблюдать старт большой ракеты, вы, вероятно, заметили колоколообразные сопла, через которые выбрасываются газы. Каждое сопло направляет реактивную газовую струю назад и в результате позволяет ракете извлечь максимально возможный направленный вперед импульс и набрать максимально возможную скорость.

Как мы увидим в главе 6, сопло позволяет газам преобразовать различные виды внутренней энергии в кинетическую энергию; сопло идеально подходит для того, чтобы направить поток и разогнать молекулы. Оптимальная форма сопла ракетного двигателя — это форма песочных часов.

Такое сопло называется соплом Лаваля в честь его изобретателя — шведа Карла Густава де Лаваля.

Для более полного понимания того, почему для сопла ракетного двигателя требуется столь сложная форма, необходимо изучить физику газовых потоков, скорость которых близка к скорости звука или превышает ее. Позже мы поговорим об этом подробнее, а пока нам достаточно будет кратко коснуться данной темы. 

Внутри ракеты, у входа в сопло Лаваля, горячий газ сильно сжат и находится под огромным давлением. Подобно газу из аэрозольного баллончика, раскаленный газ с ускорением вылетает из сопла в направлении области более низкого давления. Сужение сопла способствует росту ускорения до известного предела.

Самую узкую часть сопла газ проходит со скоростью звука, и его свойства начинают кардинально меняться. Затем сопло расширяется, чтобы разогнать сверхзвуковую реактивную газовую струю еще сильнее.

Здесь, в расширяющейся части колокола, исходный небольшой объем сильно сжатого газа увеличивается, и раскаленный газ уже подготовлен для того, чтобы выйти из сопла в окружающее пространство.

Оптимальный (то есть обеспечивающий максимальную реактивную силу) диаметр внешней половины сопла Лаваля зависит от внешних условий.

На небольшой высоте над уровнем моря струя газа выходит в воздух, находящийся под нормальным атмосферным давлением, и в этом случае лучше всего подходит относительно узкое сопло.

В стратосфере и в космосе газы выходят в разреженную среду или в вакуум, поэтому требуется более широкое сопло. Как правило, конструкторы находят некое компромиссное решение, чтобы сопло подходило и для тех, и для других условий.

К моменту выхода из сопла исходная энергия газа почти полностью переходит в кинетическую, а скорость газового потока направлена прочь от сопла.

Однако поскольку газ продолжает гореть даже после выброса из сопла, его кинетическая энергия и скорость растут до фантастических величин.

Благодаря конструкции сопла Лаваля скорость истечения реактивной газовой струи — то есть скорость направленного назад потока газов, выходящего из двигателя ракеты, — достигает значений от 10 000 до 16 000 км/ч.

Ракета выбрасывает реактивную струю назад и сообщает ей направленный назад импульс. Реактивная газовая струя посылает ракету вперед и тем самым замыкает процесс передачи импульса.

Все, что требуется для получения реактивной движущей силы, — это собственно выброс газов; ракете не нужно отталкиваться от какого-либо другого тела, и она отлично летит даже в полной пустоте.

«Оттолкнувшись» с достаточной силой от собственного выброса, ракета не только компенсирует собственный вес, но и поднимается с ускорением. В момент старта космический челнок вместе с топливным баком весит около 20 000 000 Н, а реактивная сила равна примерно 30 000 000 Н.

Это означает, что шаттл может двигаться вверх с ускорением вдвое меньшим, чем ускорение свободного падения! По мере того как корабль сжигает свое топливо и его вес и масса уменьшаются, он устремляется ввысь все быстрее.

Распространенное заблуждение: действие и противодействие в ракетах

Заблуждение: Чтобы начать движение, ракета должна оказать противодействие некоему постороннему телу.

На самом деле: Поскольку движение ракеты предполагает действие двух равных и противоположно направленных сил — действия и противодействия, ракета выталкивает назад реактивную газовую струю (действие), а реактивная струя толкает ракету (противодействие). Если струя газов и ударяется во что-либо после выхода из сопла, это не имеет отношения к реактивному движению ракеты.

Стабилизация ракеты

Пока ракета рассекает слои атмосферы, ей лучше всего лететь носом вперед. Даже птица, которая вдруг полетит хвостом вперед, будет выглядеть довольно глупо, но потерявшая стабилизацию ракета к тому же чрезвычайно опасна.

Чтобы сохранить правильную ориентацию, ракета должна обладать динамической вращательной устойчивостью.

Немало ракет было дистанционно уничтожено вскоре после запуска, поскольку они потеряли динамическую устойчивость и стали беспорядочно кувыркаться в воздухе.

Ракета динамически устойчива, если суммарный момент приложенных к ней сил относительно ее центра масс равен нулю при ее ориентации носом вперед. При любом отклонении от этого положения она должна возвращаться к нему. Любые моменты сил должны либо вновь и вновь разворачивать ракету носом вперед, либо они должны быть пренебрежимо малы.

Ракетный конструктор обязан принять во внимание две причины возникновения моментов сил. Во-первых, силу тяги двигателя. Расположенный в задней части ракеты двигатель толкает ракету вперед, и потенциально это может иметь неприятные последствия.

В конце концов, даже обычную тележку легче направить в нужную сторону, если тянуть ее спереди, а не толкать сзади. Для того чтобы ракета постоянно была ориентирована носом вперед, двигатель должен создавать силу тяги, направленную точно к центру масс, — тогда на ракету не действует момент силы.

Если один из двигателей не совсем точно ориентирован, его тяга может создать момент силы, который начнет закручивать взлетающую ракету. Моменты сил, возникающие из-за смещения двигателя, — одна из самых распространенных причин крушения современных ракет.

Сбой в работе самого двигателя или его системы управления может привести к тому, что ракета выйдет из-под контроля.

Во-вторых, на ракету, пока она находится в атмосфере, могут действовать моменты аэродинамических сил.

Аэродинамику мы будем изучать в 6-й главе, а пока достаточно сказать, что обтекающий ракету воздушный поток помогает ракете лететь носом вперед при условии, что сопротивление воздуха у ее хвостовой части больше, чем спереди. В этом случае аэродинамические силы приложены к хвосту ракеты позади центра масс и направляют ее носом вперед.

Устойчивость простейшей ракеты обеспечивается исключительно аэродинамикой. Хвостовое оперение ракеты способствует формированию аэродинамических сил, которые удерживают ее хвост сзади. Сопла двигателей тоже тщательно выровнены так, чтобы реактивная газовая струя не создавала момента силы относительно центра масс ракеты. Такая ракета летит по прямой, но ею трудно управлять.

У современных высокотехнологичных ракет хвостового оперения нет, они стабилизируются за счет реактивных сил. Такие ракеты умеют контролировать собственную ориентацию и поворачивать сопла двигателей таким образом, чтобы скорректировать траекторию.

Кроме того, на корпусе таких ракет имеются дополнительные небольшие рулевые двигатели, которые создают моменты сил и поддерживают правильную ориентацию ракеты. Большинство современных ракет-носителей вообще не имеют стабилизаторов.

Их устойчивость и маневренность полностью обеспечивают находящиеся под постоянным контролем двигатели.

То, что коррекция траектории полета осуществляется исключительно с помощью реактивной газовой струи, становится принципиально важным, когда космический аппарат покидает атмосферу Земли.

В безвоздушном пространстве, где не возникают моменты аэродинамических сил, полет корабля направляется лишь специальными рулевыми двигателями, которые короткими выбросами реактивных газовых струй поворачивают корабль в нужном направлении.

Крылья и хвостовое оперение нужны космическому челноку лишь при возвращении на Землю, когда он начинает планировать в атмосфере. На орбите ни крылья, ни хвост не работают, потому что там нет воздуха, от которого они могли бы оттолкнуться.

Однако любой уважающий себя командир космического экипажа хочет, чтобы его корабль выглядел как можно более элегантно — уж не хуже, чем звездолеты, которые нам показывают в блокбастерах.

Космические летательные аппараты в кино почти всегда украшены совершенно бесполезными в космическом пространстве хвостовым оперением и крыльями.

И когда вы в очередной раз увидите на экране межгалактический крейсер с элегантными крыльями и хвостом, не забывайте, что ничуть не менее эффективным будет звездолет, похожий, скажем, на гигантский и неуклюжий школьный автобус.

Перевод с английского языка Е. Валкиной и Ю. Плискиной

Источник: https://meduza.io/feature/2016/10/16/kak-ustroena-raketa-i-pochemu-ona-letit

Поделиться:
Нет комментариев

    Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.