Оглавление
- 1 Ракетный двигатель
- 1.1 Ракетный двигатель
- 1.2 Типы ракетных двигателей
- 1.3 Принцип действия
- 1.4 Топливо и камера сгорания
- 1.5 Инъекция и сопло
- 1.6 Влияние атмосферы
- 1.7 Соотношение давления и высоты
- 1.8 Экзотические конструкции сопел
- 1.9 Проблемы при низком давлении
- 1.10 Эффективность ракетного топлива
- 1.11 Управление вектором тяги
- 1.12 Общая производительность
- 1.13 Чистый толчок
- 1.14 Удельный импульс разрежения
- 1.15 Удушение
- 1.16 Энергоэффективность
- 1.17 Эффективность ракетных сопел
- 1.18 Отношение тяги к массе
- 1.19 Механические проблемы
- 1.20 Трудные старты
- 1.21 Акустические проблемы
- 1.22 Нестабильность горения
- 1.23 Устранение скрипа в ракетных двигателях
- 1.24 Шум выхлопных газов
- 1.25 Разработка ракетного двигателя в США
- 1.26 Разработка ракетного двигателя в СССР
- 1.27 Разработка ракетных двигателей в СССР
- 1.28 Процесс разработки
- 1.29 Проблемы и этические соображения
- 1.30 Тестирование и безопасность
- 1.31 Примеры надежности
- 1.32 Космический челнок
- 1.33 Охлаждение
- 1.34 Методы охлаждения ракетных двигателей
- 1.35 Материалы и конструкции
- 1.36 Химия ракетного топлива
- 1.37 Зажигание и воспламенение
- 1.38 Физика реактивных двигателей
- 1.39 История ракетных двигателей
- 1.40 Современная ракетная техника
- 1.41 Современные технологии
- 1.42 Полный текст статьи:
- 2 Ракетный двигатель – Arc.Ask3.Ru
Ракетный двигатель
-
Ракетный двигатель
- Реактивный двигатель, создающий тягу за счет выброса реактивной массы.
- Использует высокотемпературный газ, образующийся при сгорании топлива.
- Существуют негорючие формы, такие как двигатели на холодном газе и ядерные тепловые ракеты.
-
Типы ракетных двигателей
- Химические ракеты: твердотопливные, жидкостные, гибридные, монотопливные.
- Тепловые ракеты: электротермические, ядерные тепловые.
-
Принцип действия
- Бак для жидкого топлива и окислителя.
- Насосы подают топливо и окислитель под высоким давлением.
- Камера сгорания смешивает и сжигает топливо.
- Выхлопное сопло ускоряет струю газа, создавая тягу.
-
Топливо и камера сгорания
- Ракетное топливо хранится в резервуарах или камере сгорания.
- Химическое топливо подвергается экзотермическим реакциям.
- Камера сгорания имеет цилиндрическую форму и высокие температуры и давления.
-
Инъекция и сопло
- Жидкостные и гибридные ракеты используют инжекторы для подачи топлива.
- Сопло Лаваля используется для создания сверхзвуковой струи.
- Сопло должно быть идеально расширено для оптимальной производительности.
-
Влияние атмосферы
- Атмосферное давление меняется с высотой.
- Давление струи может быть ниже или выше атмосферного.
- Оптимальное расширение достигается при давлении газа на выходе, равном давлению окружающей среды.
-
Соотношение давления и высоты
- Диаметр сопла должен увеличиваться с высотой для поддержания идеального соотношения давления.
- Увеличение длины сопла снижает давление и температуру на выходе.
- Используются облегченные компромиссные сопла, снижающие атмосферные характеристики.
-
Экзотические конструкции сопел
- Штекерное сопло, ступенчатые сопла, расширяющееся сопло и аэрошпайк улучшают адаптацию к изменению давления.
- Аэрошпайк и штекерное сопло минимизируют потери производительности.
-
Проблемы при низком давлении
- Вес форсунки может перевешивать эксплуатационные характеристики.
- Адиабатическое расширение выхлопных газов может привести к образованию “снега” внутри струи.
-
Эффективность ракетного топлива
- Нагрев топлива до высокой температуры, использование газа с низкой удельной плотностью и пропеллентов максимизируют скорость выхлопа.
- Скорость выхлопа является важным показателем эффективности.
-
Управление вектором тяги
- Используются шарнирные подвески, гибкие трубы и поворотные соединения.
- Высокотемпературные лопасти отклоняют струю.
-
Общая производительность
- Ракетная техника сочетает высокую тягу, скорость выхлопа и соотношение тяги и веса.
- Удельный импульс является важным показателем эффективности.
-
Чистый толчок
- Суммарная тяга ракетного двигателя равна суммарной тяге без учета статического противодавления.
- Удельный импульс изменяется с высотой из-за изменения давления.
-
Удельный импульс разрежения
- Давление на выходе пропорционально расходу топлива.
- Уравнение для определения вакуумного провайдера.
-
Удушение
- Ракеты регулируются изменением скорости горения топлива.
- Большинство ракет можно регулировать в 2 раза без особых трудностей.
-
Энергоэффективность
- Современные конструкции жидкостных ракетных двигателей могут быть увеличены до 18-20% от номинальной тяги.
- Твердотопливные ракеты регулируются изменением площади поверхности частиц.
-
Эффективность ракетных сопел
- Высокая температура сгорания и степень сжатия обеспечивают высокую эффективность.
- Эффективность близка к эффективности цикла Карно.
- Химические ракеты могут достигать эффективности более 60%.
-
Отношение тяги к массе
- Ракетные двигатели имеют высокое отношение тяги к массе.
- Жидкостные ракетные двигатели особенно эффективны благодаря компактности и плотности топлива.
- Водород имеет самый высокий удельный импульс, но требует крупных турбонасосов.
-
Механические проблемы
- Камеры сгорания работают при высоком давлении, что создает кольцевые нагрузки.
- Высокие температуры и температурные градиенты вызывают внутренние напряжения.
-
Трудные старты
- Жесткий пуск может привести к взрыву.
- Необходимо тщательно рассчитывать время зажигания и соотношение компонентов смеси.
- Взрывы при резком запуске обычно не происходят при использовании газообразного топлива.
-
Акустические проблемы
- Экстремальная вибрация и акустическая среда создают пиковые напряжения.
- Нестабильность горения может привести к колебаниям давления и повреждению двигателя.
-
Нестабильность горения
- Нестабильность может быть вызвана различными факторами, включая остатки растворителей и отраженную ударную волну.
- Возникают три типа нестабильности: пыхтящий, жужжащий и визжащий.
- Визжащий тип является самым разрушительным и трудно контролируемым.
-
Устранение скрипа в ракетных двигателях
- Замена форсунок, изменение химического состава топлива, испарение топлива перед впрыском
- Использование демпферов Гельмгольца для изменения резонансных режимов камеры
-
Шум выхлопных газов
- Выхлоп ракеты очень шумный из-за ударных волн
- Система подавления звука на мобильной пусковой платформе снижает уровень шума до 142 дБ
- Интенсивность звука зависит от размера ракеты и скорости выхлопа
-
Разработка ракетного двигателя в США
- С 1940 по 2000 год 14 компаний участвовали в разработке и производстве ЖРД
- Частные компании конкурируют за контракты, университеты и лаборатории играют важную роль
- Правительственные лаборатории проводят испытания и исследования
-
Разработка ракетного двигателя в СССР
- СССР был ведущей страной по разработке ЖРД с 1950 по 1998 год
- Разработано около 500 различных ЖРД, запущено 2573 спутника
- В СССР было создано множество специализированных конструкторских бюро для разработки передовых технологий
-
Разработка ракетных двигателей в СССР
- В 1960-х годах усилия СССР по разработке ЖРД значительно возросли.
- В 1970-х годах разработка достигла пика.
- В разработке участвовали от 14 до 17 конструкторских бюро и НИИ.
- Финансирование и поддержка были стабильными благодаря высоким военным и космическим приоритетам.
-
Процесс разработки
- Разработка начиналась с создания миссии и передачи её в конструкторское бюро.
- Если ранее разработанный двигатель не подходил, заключался контракт с другой компанией.
- Разработка была направлена на конкретное применение.
-
Проблемы и этические соображения
- Использование конструкторских бюро приводило к дублированию и отмене программ.
- Некоторые программы были отменены, что привело к утилизации двигателей.
- СССР столкнулся с многочисленными авариями, что поставило под сомнение этические аспекты разработки.
-
Тестирование и безопасность
- Ракетные двигатели проходят статические испытания перед серийным производством.
- Для высотных двигателей используются короткие сопла или вакуумные камеры.
- Ракетные аппараты имеют репутацию ненадежных, но тщательно спроектированные ракеты могут быть надежными.
-
Примеры надежности
- Двигатель Rocketdyne H-1 не имел катастрофических отказов за 152 полета.
- Двигатель Pratt and Whitney RL10 не имел отказов за 36 полетов.
- Двигатель Rocketdyne F-1 не имел отказов за 65 полетов.
- Двигатель Rocketdyne J-2 не имел отказов за 86 полетов.
-
Космический челнок
- Твердотопливный ракетный ускоритель “Спейс шаттл” имел один катастрофический отказ за 270 полетов.
- RS-25 летал на 46 отремонтированных двигателях без катастрофических отказов.
- Единственный отказ двигателя RS-25 не повлиял на цели полета.
-
Охлаждение
- Ракеты работают при высоких температурах, что требует систем охлаждения.
- Температуры горения могут превышать температуру плавления материалов сопла и камеры сгорания.
- Обычные материалы должны оснащаться системами охлаждения для ограничения температуры.
-
Методы охлаждения ракетных двигателей
- Регенеративное охлаждение: топливо проходит через сопло перед подачей в камеру сгорания.
- Пленочное охлаждение: дополнительное топливо впрыскивается через отверстия в стенках камеры.
- Абляционное охлаждение: внутренние стенки камеры облицованы материалом, улавливающим тепло.
- Радиационное охлаждение: двигатель изготовлен из огнеупорных материалов, поглощающих тепло.
- Охлаждение при сбросе: криогенное топливо пропускается через сопло и сбрасывается.
-
Материалы и конструкции
- Углерод-углеродные материалы и рений поддерживают температуру горения.
- Другие тугоплавкие сплавы, такие как оксид алюминия, молибден, тантал или вольфрам, не используются из-за проблем.
- Тепловые потоки в ракетах достигают 0,8-80 МВт/м2, особенно в горловине.
-
Химия ракетного топлива
- Ракетное топливо требует высокой удельной энергии, но склонно к самопроизвольному взрыву.
- Водород и кислород являются наиболее эффективными топливами, но экзотические комбинации могут быть лучше.
- Удельная энергия реакции учитывает массу компонентов топлива.
-
Зажигание и воспламенение
- В жидкостных и гибридных ракетах важно немедленное воспламенение топлива.
- Воспламенение может быть достигнуто пиротехническим зарядом, плазменной горелкой или электрическим искровым зажиганием.
- Твердое топливо воспламеняется с помощью пиротехнических устройств.
-
Физика реактивных двигателей
- Выхлопные газы различаются в зависимости от типа топлива и условий горения.
- Богатые углеродом газы имеют оранжевый цвет, пероксидные окислители и водородные двигатели почти невидимы, твердотопливные ракеты имеют оранжево-белое пламя.
- Жидкий водород и кислород имеют почти прозрачный выхлоп.
-
История ракетных двигателей
- Первые примеры реактивного движения появились в X веке.
- В 400 году до н.э. Архит создал деревянную птицу, приводимую в движение паром.
- В первом веке до н.э. эолипил состоял из паровых ракетных сопел.
- В IX веке китайские даосские алхимики открыли черный порох, что привело к созданию огненных стрел.
- В XIII веке появилась “Книга огня”, описывающая рецепты создания зажигательного оружия.
- В XVI веке Конрад Хаас описал конструкцию многоступенчатых ракет.
- В XVII веке Типпу Султан использовал ракеты, начиненные черным порохом.
-
Современная ракетная техника
- В конце XIX века Константин Циолковский разработал уравнение ракеты.
- В начале XX века Роберт Годдард применил сопло Де Лаваля и жидкое топливо.
- В конце 1930-х годов немецкие ученые исследовали ракеты на жидком топливе.
- В 1949 году Алексей Исаев предложил ступенчатое сжигание.
- В 1959 году Николай Кузнецов начал работу над двигателем замкнутого цикла НК-9.
- В 1963 году Людвиг Бельков создал первый лабораторный двигатель для испытаний с поэтапным сгоранием топлива.
- В 1962 году двигатель RL-10 впервые поднялся в воздух.
- В 2016 году НАСА установило рекорд по количеству двигателей для одного полета ракеты.
-
Современные технологии
- В 2003 году НАСА начало проект “Прометей” для длительных космических полетов.
- В 2016 году на “Блэк Бранте” было установлено 44 двигателя.
- В 2023 году планируется запуск проекта NERVA для создания ядерных тепловых ракет.