Мотор для ракеты
Несомненно, двигатель - самая важная часть ракеты и одна из самых сложных. Задача двигателя - смешивать компоненты топлива, обеспечивать их сгорание и с большой скоростью выбрасывать получающиеся в процессе горения газы в заданном направлении, создавая реактивную тягу. В этой статье мы рассмотрим только используемые сейчас в ракетной технике химические двигатели. Существует несколько их видов: твердотопливные, жидкостные, гибридные и жидкостные однокомпонентные.
Любой ракетный двигатель состоит из двух основных частей: камера сгорания и сопло. С камерой сгорания, думаю, все понятно - это некий замкнутый объем, в котором происходит горение топлива. А сопло предназначено для разгона получающихся в процессе горения топлива газов до сверхзвуковой скорости в одном заданном направлении. Сопло состоит из конфузора, канала критики и диффузора.
Конфузор - это воронка, которая собирает газы из камеры сгорания и направляет их в канал критики.
Критика - самая узкая часть сопла. В ней газ разгоняется до скорости звука за счет высокого давления со стороны конфузора.
Диффузор - расширяющаяся часть сопла после критики. В ней происходит падение давления и температуры газа, за счет чего газ получает дополнительный разгон до сверхзвуковой скорости.
А теперь пройдемся по всем основным типам двигателей.
Начнем с простого. Самым простым по своей конструкции является РДТТ - ракетный двигатель на твердом топливе. Фактически это бочка, загруженная твердой топливно-окислительной смесью, имеющая сопло.
Камерой сгорания в таком двигателе является канал в топливном заряде, а горение происходит по всей площади поверхности этого канала. Нередко для упрощения заправки двигателя заряд делают составным из топливных шашек. Тогда горение происходит также и на поверхности торцов шашек.
Для получения разной зависимости тяги от времени применяют разные поперечные сечения канала:
РДТТ - самый древний вид ракетного двигателя. Его придумали еще в древнем Китае, но по сей день он находит применение как в боевых ракетах, так и в космической технике. Также этот двигатель ввиду своей простоты активно используется в любительском ракетостроении.
Первый американский космический корабль Меркурий был оборудован шестью РДТТ:
Три маленьких отводят корабль от ракеты-носителя после отделения от нее, а три больших - тормозят его для схода с орбиты.
Самый мощный РДТТ (и вообще самый мощный ракетный двигатель в истории) - это боковой ускоритель системы Спейс шаттл, развивавший максимальную тягу 1400 тонн. Именно два этих ускорителя давали столь эффектный столб огня при старте челноков. Это хорошо видно, например, на видеозаписи старта челнока Атлантис 11 мая 2009 года (миссия STS-125):
Эти же ускорители будут использованы в новой ракете SLS, которая будет выводить на орбиту новый американский корабль Орион. Сейчас можно увидеть записи с наземных испытаний ускорителя:
Также РДТТ установлены в системах аварийного спасения, предназначенных для увода космического корабля от ракеты в случае аварии. Вот, например, испытания САС корабля Меркурий 9 мая 1960 года:
На космических кораблях Союз кроме САС установлены двигатели мягкой посадки. Это тоже РДТТ, которые работают доли секунды, выдавая мощный импульс, гасящий скорость снижения корабля почти до нуля перед самым касанием поверхности Земли. Срабатывание этих двигателей видно на записи посадки корабля Союз ТМА-11М 14 мая 2014 года:
Главным недостатком РДТТ является невозможность управления тягой и невозможность повторного запуска двигателя после его останова. Да и останов двигателя в случае с РДТТ по факту остановом не является: двигатель либо прекращает работу по причине окончания топлива либо, в случае необходимости остановить его раньше, производится отсечка тяги: специальным пиропатроном отстреливается верхняя крышка двигателя и газы начинают выходить с обоих его торцов, обнуляя тягу.
Следующим мы рассмотрим гибридный двигатель. Его особенность в том, что используемые компоненты топлива находятся в разных агрегатных состояниях. Чаще всего используется твердое горючее и жидкий или газообразный окислитель.
Вот, как выглядит стендовое испытание такого двигателя:
Именно такой тип двигателя применен на первом частном космическом челноке SpaceShipOne.
В отличие от РДТТ ГРД можно повторно запускать и регулировать его тягу. Однако, не обошлось и без недостатков. Из-за большой камеры сгорания ГРД невыгодно ставить на большие ракеты. Также ГРД склонен к «жёсткому старту», когда в камере сгорания накопилось много окислителя, и при зажигании двигатель даёт за короткое время большой импульс тяги.
Ну а теперь рассмотрим самый широко применяемый в космонавтике тип ракетных двигателей. Это ЖРД - жидкостные ракетные двигатели.
В камере сгорания ЖРД смешиваются и сгорают две жидкости: горючее и окислитель. В космических ракетах применяются три топливно-окислительные пары: жидкий кислород + керосин (ракеты Союз), жидкий водород + жидкий кислород (вторая и третья ступени ракеты Сатурн-5, вторая ступень Чанчжэн-2, Спейс шаттл) и несимметричный диметилгидразин + тетраоксид азота (ракеты Протон и первая ступень Чанчжэн-2). Сейчас также проводятся испытания нового вида топлива - жидкого метана.
Преимуществами ЖРД являются малый вес, возможность регулирования тяги в широких пределах (дросселирование), возможность многократных запусков и больший удельный импульс по сравнению с двигателями других типов.
Главным недостатком таких двигателей является умопомрачительная сложность конструкции. Это у меня на схеме все просто выглядит, а на самом деле при конструировании ЖРД приходится сталкиваться с целым рядом проблем: необходимость хорошего перемешивания компонентов топлива, сложность поддержания высокого давления в камере сгорания, неравномерность горения топлива, сильный нагрев стенок камеры сгорания и сопла, сложности с зажиганием, коррозионное воздействие окислителя на стенки камеры сгорания.
Для решения всех этих проблем применяется множество сложных и не очень инженерных решений, отчего ЖРД зачастую выглядит как кошмарный сон пьяного сантехника, например, этот РД-108:
Камеры сгорания и сопла хорошо видны, но обратите внимание, сколько там всяких трубок, агрегатов и проводов! И все это нужно для стабильной и надежной работы двигателя. Там есть турбонасосный агрегат для подачи топлива и окислителя в камеры сгорания, газогенератор для привода турбонасосного агрегата, рубашки охлаждения камер сгорания и сопел, кольцевые трубки на соплах для создания охлаждающей завесы из топлива, патрубок для сброса отработанного генераторного газа и дренажные трубки.
Более подробно работу ЖРД мы рассмотрим в одной из следующих статей, а пока переходим к последнему типу двигателей: однокомпонентному.
Работа такого двигателя основана на каталитическом разложении пероксида водорода. Наверняка многие из вас помнят школьный опыт:
В школе используется аптечная трехпроцентная перекись, а вот реакция с использованием 37% перекиси:
Видно, как из горлышка колбы с силой вырывается струя пара (в смеси с кислородом, разумеется). Чем не реактивный двигатель?
Двигатели на перекиси водорода используют в системах ориентации космических аппаратов, когда большое значение тяги не нужно, а простота конструкции двигателя и его малая масса очень важны. Разумеется, используемая концентрация перекиси водорода далеко не 3% и даже не 30%. Стопроцентная концентрированная перекись дает в ходе реакции смесь кислорода с водяным паром, нагретую до полутора тысяч градусов, что создает высокое давление в камере сгорания и высокую скорость истечения газа из сопла.
Простота конструкции однокомпонентного двигателя не могла не привлечь к себе внимание ракетчиков-любителей. Вот пример любительского однокомпонентного двигателя: http://mosgird.ru/102/01/401.htm.
Работу однокомпонентных ЖРД можно увидеть на примере двигателей причаливания и ориентации космического корабля Союз ТМА-18М (съемка с борта МКС):
Любой ракетный двигатель состоит из двух основных частей: камера сгорания и сопло. С камерой сгорания, думаю, все понятно - это некий замкнутый объем, в котором происходит горение топлива. А сопло предназначено для разгона получающихся в процессе горения топлива газов до сверхзвуковой скорости в одном заданном направлении. Сопло состоит из конфузора, канала критики и диффузора.
Конфузор - это воронка, которая собирает газы из камеры сгорания и направляет их в канал критики.
Критика - самая узкая часть сопла. В ней газ разгоняется до скорости звука за счет высокого давления со стороны конфузора.
Диффузор - расширяющаяся часть сопла после критики. В ней происходит падение давления и температуры газа, за счет чего газ получает дополнительный разгон до сверхзвуковой скорости.
А теперь пройдемся по всем основным типам двигателей.
Начнем с простого. Самым простым по своей конструкции является РДТТ - ракетный двигатель на твердом топливе. Фактически это бочка, загруженная твердой топливно-окислительной смесью, имеющая сопло.
Камерой сгорания в таком двигателе является канал в топливном заряде, а горение происходит по всей площади поверхности этого канала. Нередко для упрощения заправки двигателя заряд делают составным из топливных шашек. Тогда горение происходит также и на поверхности торцов шашек.
Для получения разной зависимости тяги от времени применяют разные поперечные сечения канала:
РДТТ - самый древний вид ракетного двигателя. Его придумали еще в древнем Китае, но по сей день он находит применение как в боевых ракетах, так и в космической технике. Также этот двигатель ввиду своей простоты активно используется в любительском ракетостроении.
Первый американский космический корабль Меркурий был оборудован шестью РДТТ:
Три маленьких отводят корабль от ракеты-носителя после отделения от нее, а три больших - тормозят его для схода с орбиты.
Самый мощный РДТТ (и вообще самый мощный ракетный двигатель в истории) - это боковой ускоритель системы Спейс шаттл, развивавший максимальную тягу 1400 тонн. Именно два этих ускорителя давали столь эффектный столб огня при старте челноков. Это хорошо видно, например, на видеозаписи старта челнока Атлантис 11 мая 2009 года (миссия STS-125):
Click to viewЭти же ускорители будут использованы в новой ракете SLS, которая будет выводить на орбиту новый американский корабль Орион. Сейчас можно увидеть записи с наземных испытаний ускорителя:
Также РДТТ установлены в системах аварийного спасения, предназначенных для увода космического корабля от ракеты в случае аварии. Вот, например, испытания САС корабля Меркурий 9 мая 1960 года:
На космических кораблях Союз кроме САС установлены двигатели мягкой посадки. Это тоже РДТТ, которые работают доли секунды, выдавая мощный импульс, гасящий скорость снижения корабля почти до нуля перед самым касанием поверхности Земли. Срабатывание этих двигателей видно на записи посадки корабля Союз ТМА-11М 14 мая 2014 года:
Главным недостатком РДТТ является невозможность управления тягой и невозможность повторного запуска двигателя после его останова. Да и останов двигателя в случае с РДТТ по факту остановом не является: двигатель либо прекращает работу по причине окончания топлива либо, в случае необходимости остановить его раньше, производится отсечка тяги: специальным пиропатроном отстреливается верхняя крышка двигателя и газы начинают выходить с обоих его торцов, обнуляя тягу.
Следующим мы рассмотрим гибридный двигатель. Его особенность в том, что используемые компоненты топлива находятся в разных агрегатных состояниях. Чаще всего используется твердое горючее и жидкий или газообразный окислитель.
Вот, как выглядит стендовое испытание такого двигателя:
Именно такой тип двигателя применен на первом частном космическом челноке SpaceShipOne.
В отличие от РДТТ ГРД можно повторно запускать и регулировать его тягу. Однако, не обошлось и без недостатков. Из-за большой камеры сгорания ГРД невыгодно ставить на большие ракеты. Также ГРД склонен к «жёсткому старту», когда в камере сгорания накопилось много окислителя, и при зажигании двигатель даёт за короткое время большой импульс тяги.
Ну а теперь рассмотрим самый широко применяемый в космонавтике тип ракетных двигателей. Это ЖРД - жидкостные ракетные двигатели.
В камере сгорания ЖРД смешиваются и сгорают две жидкости: горючее и окислитель. В космических ракетах применяются три топливно-окислительные пары: жидкий кислород + керосин (ракеты Союз), жидкий водород + жидкий кислород (вторая и третья ступени ракеты Сатурн-5, вторая ступень Чанчжэн-2, Спейс шаттл) и несимметричный диметилгидразин + тетраоксид азота (ракеты Протон и первая ступень Чанчжэн-2). Сейчас также проводятся испытания нового вида топлива - жидкого метана.
Преимуществами ЖРД являются малый вес, возможность регулирования тяги в широких пределах (дросселирование), возможность многократных запусков и больший удельный импульс по сравнению с двигателями других типов.
Главным недостатком таких двигателей является умопомрачительная сложность конструкции. Это у меня на схеме все просто выглядит, а на самом деле при конструировании ЖРД приходится сталкиваться с целым рядом проблем: необходимость хорошего перемешивания компонентов топлива, сложность поддержания высокого давления в камере сгорания, неравномерность горения топлива, сильный нагрев стенок камеры сгорания и сопла, сложности с зажиганием, коррозионное воздействие окислителя на стенки камеры сгорания.
Для решения всех этих проблем применяется множество сложных и не очень инженерных решений, отчего ЖРД зачастую выглядит как кошмарный сон пьяного сантехника, например, этот РД-108:
Камеры сгорания и сопла хорошо видны, но обратите внимание, сколько там всяких трубок, агрегатов и проводов! И все это нужно для стабильной и надежной работы двигателя. Там есть турбонасосный агрегат для подачи топлива и окислителя в камеры сгорания, газогенератор для привода турбонасосного агрегата, рубашки охлаждения камер сгорания и сопел, кольцевые трубки на соплах для создания охлаждающей завесы из топлива, патрубок для сброса отработанного генераторного газа и дренажные трубки.
Более подробно работу ЖРД мы рассмотрим в одной из следующих статей, а пока переходим к последнему типу двигателей: однокомпонентному.
Работа такого двигателя основана на каталитическом разложении пероксида водорода. Наверняка многие из вас помнят школьный опыт:
В школе используется аптечная трехпроцентная перекись, а вот реакция с использованием 37% перекиси:
Видно, как из горлышка колбы с силой вырывается струя пара (в смеси с кислородом, разумеется). Чем не реактивный двигатель?
Двигатели на перекиси водорода используют в системах ориентации космических аппаратов, когда большое значение тяги не нужно, а простота конструкции двигателя и его малая масса очень важны. Разумеется, используемая концентрация перекиси водорода далеко не 3% и даже не 30%. Стопроцентная концентрированная перекись дает в ходе реакции смесь кислорода с водяным паром, нагретую до полутора тысяч градусов, что создает высокое давление в камере сгорания и высокую скорость истечения газа из сопла.
Простота конструкции однокомпонентного двигателя не могла не привлечь к себе внимание ракетчиков-любителей. Вот пример любительского однокомпонентного двигателя: http://mosgird.ru/102/01/401.htm.
Работу однокомпонентных ЖРД можно увидеть на примере двигателей причаливания и ориентации космического корабля Союз ТМА-18М (съемка с борта МКС):