Работа двигателя ракеты: фото, характеристики, видео

Освоение космоса – одно из самых удивительных мероприятий, которое проводилось человечеством. Причем большую часто удивления составляет сложность этого процесса.

 

Ни для кого не секрет, что освоение космоса осложняется многими проблемами, которые необходимо решить и преодолеть. К примеру, безвоздушное пространство, проблема повторного входа в атмосферу, проблема с температурой, орбитальная механика, космически мусор и микрометеориты, солнечная и космическая радиация, логистика в условиях невесомости и т.п. Но, пожалуй, самой сложной задачей является проблема оторвать космический аппарат от земли. Здесь нельзя обойтись без ракетного двигателя, о котором мы и поговорим ниже.

 

Многим может показаться, что двигатели ракеты устроены просто. С другой стороны, ракетные двигатели насколько сложны, что, по сути, доставкой людей на орбиту, занимаются только 3 страны мира.

Когда люди задумываются о моторе или двигатели, он ассоциируется у них с вращением. Например, бензиновый двигатель авто производит энергию вращения, благодаря чему движутся колеса. Электродвигатель осуществляет энергию вращения для движения диска или вентилятора. Паровой двигатель осуществляет то же самое, чтобы вращалась паровая турбина.

 

Стоит отметить, что ракетные двигатели имеют принципиальные отличия. Основной принцип их движения – хорошо знакомый принцип «Ньютона», «на каждое действие существует свое равное противодействие». Двигатель ракеты выбрасывает массу в одном направлении, а движется в противоположном направлении благодаря принципу Ньютона.

 

Понятие «выбрасывания массы и движения по принципу Ньютона» с первого раза понять будет непросто. Кажется, ракетные двигатели, работают с давлением, шумом и огнем, а не «толкают вещи». Теперь рассмотрим несколько примеров, дабы получить полную картину реальности.

 

Если вы хоть раз стреляли из оружия, в идеале, из дробовика двенадцатого калибра, то знаете, что собой представляет отдача. Когда вы стреляете из такого оружия, оно отдает вам в плечо. Такой толчок и есть реакция. Дробовик способен выпуливать около 30 г металла в одном направлению с высокой скоростью (больше 1000 км в час), и отдача в плечо при этом достаточно ощутима. Если бы вы были в роликах или стояли на скейтборде, то выстрел из дробовика сработал бы как реактивный двигатель, в результате чего, вы бы покатились в противоположном направлении.

Если вы когда-то наблюдали, как работает пожарный шланг, то заметили, что его непросто удержать (часто пожарные держат его вдвоем или втроем). Принцип работы шланга схож с реактивным двигателем. Он выбрасывает воду в одном направлении, а люди используют силу, чтобы противостоять этой реакции. Если они вдруг упустят шланг, то он будет повсюду метаться. Если бы пожарные стояли на скейтбордах, то пожарный рукав разогнал бы их до весьма внушительной скорости.

 

Также можно взять в пример воздушный шарик, надув который и отпустив, он сразу же начнет летать по комнате, испуская воздух – такой же принцип работы и у двигателя ракеты. В таком случае вы выпускаете из шара молекулы воздуха. Многие полагают, что молекулы воздуха не имеют никакого веса, но это не так. Как только вы выпустите их из шарика, он будет лететь в противоположном направлении.

 

Еще один сценарий, который бы помог объяснить действие и противодействие, - это космический бейсбол. Например, вы вышли в скафандре в космос рядом со своим космическим кораблем, и у вас в руке находится бейсбольный мяч. Если вы его бросите, то тело среагирует в противоположном направлении от мяча. К примеру, его вес – 450 грамм, а ваше тело со скафандром – 45 килограмм. Вы бросаете мяч весом практически в полкило со скоростью 34 километра в час. Так, вы ускоряете полукилограммовый мяч своей рукой, таким образом, что он набирает скорость 34 километра в час. Как следствие, ваше тело реагирует в противоположном направлении, но его вес в сто раз больше мяча. Так, оно принимает 0,34 км в час (одну сотую ускорения мяча).

Если вы планируете создать большую тягу от бейсбольного мяча, у вас 2 варианта: увеличить ускорение или увеличить его вес. Вы можете бросать один мяч за другим или бросить мячик потяжелее, либо бросить мяч быстрее. Однако это еще не все.

Как правило, ракетный двигатель выбрасывает вес в форме глаза под воздействием высокого давления. Двигатель выбрасывает массу газа в одном направлении, дабы получить реактивное движение в противоположном. Масса идет от веса топлива, сгорающего в двигателе ракеты. Процесс горения ускоряет вес топлива таким образом, что они выходят на высокой скорости из сопла ракеты. Тот факт, что топливо переходит из жидкости или твердого тела в процессе горения, никак не влияет на его массу. Если вы сожжете 1 кг ракетного топлива, то получите 1 кг выхлопа в виде горячих газов на высокой скорости. В результате процесс сжигания ускорит массу.

 

Тяга

 

Понятием тяга обозначается «сила» ракетного двигателя. Тяга измеряется в «фунтах тяги» (США, 4,45 ньютона = 1 фунт тяги) и в ньютонах в метрической схеме. Фунт тяги – это количество тяги, которое требуется для удержания одного фунтового объекта (0,454 кг) неподвижным относительно силы тяжести планеты Земля. Ускорение земной гравитации – 9,8 метров в секунд.

 

Одна из проблем ракет заключается в том, что топливный вес, обычно, в 36 раз больше полезной нагрузки. Потому что, кроме того, что двигателю необходимо поднимать вес, этот же вес и способствует собственному подъему. Получается, чтобы вывести в космос крошечного человека, потребуется ракета огромных размеров и много-много топлива.

Скорость химических ракет – от 8 до 16 тыс. километров в час. Топливо горит около 2 минут и вырабатывает на старте около 3,3 млн фунтов тяги. Три главных двигателя космического шатлла, к примеру, сжигают топливо на протяжении 8 мин и вырабатывают приблизительно 375 фунтов тяжи каждый во время горения.

 

Дальше мы поговорим о топливных смесях для твердотопливных ракет.

 

Двигатели ракеты на твердом топливе – это самые первые модификации, созданные человеком. Впервые они были изобретены в Китае сотни лет назад и их успешно применяют по сегодняшний день. О красных бликах ракет поется даже в национальном гимне, который был написан в начале 1800-х годов). Речь идет о небольших боевых ракетах, работающих на твердом топливе. Они применяются для доставки зажигательных устройств или бомб. Как видите, эти ракеты существуют уже довольно давно.

 

Идея ракеты на твердом топливе достаточно простая. Вам необходимо создать нечто, чтобы могло быстро гореть, но в то же время не взрываться. В таком случае, порох не подходит (он состоит на 75% из нитрата, 10% серы и 15% угля). В двигателе ракеты взрывы не нужны – необходимо, чтобы горело топливо. Можно изменить смесь до 24% угля, 72% нитрата и 4% серы. Вместо пороха у вас получится ракетное топливо. Такая смесь будет быстро гореть, но она не взрывоопасна, если, конечно, ее правильно загрузить. Приведем классическую схему:

Слева – ракета до зажигания. Твердое топливо показано зеленым цветом. Оно выполнено в виде цилиндра с трубой, которая просверлена по центру. При зажигании горюче начинает сгорать вдоль стенки трубы. Постепенно, по мере сгорания, оно выгорает к корпуса, пока полностью не сгорит. В крошечной ракете или в небольшом ракетном двигателе процесс горения может продолжаться около секунды или даже меньше. В большой ракете топливо будет гореть не меньше двух минут.

 

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.

 

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»).

 

Перспективы развития ракетных двигателей

 

Помимо привычных для нас химических ракетных двигателей, сжигающих топливо с целью производства тяги, есть многие другие способы ее получить. Любая система, способная толкать массу. Если вы планируете ускорить бейсбольный мячик до огромной скорости, вам требуется жизнеспособный ракетный двигатель. При таком подходе единственная проблема – это выхлоп, который тянется через пространство. Именно столь небольшая проблема приводит к тому, что инженеры предпочитают газы горящим продуктам.

 

Большинство ракетных двигателей имеют крайне малые двигатели. Например, двигатели ориентации на спутниках не создают большую тягу. Иногда на них почти не применяется топливо – под давлением газообразный азот через сопло выбрасывается из резервуара.

Новые конструкции должны ускорить атомные частицы или ионы до высокой скорости, чтобы тяга стала максимально эффективной. Но пока будем делать электромагнитные двигатели и ждать того, что там еще придумает Элон Маск со своим SpaceX.

 

Какой ракетный двигатель считается самым лучшим на сегодняшний день?

По внешнему виду двигателя сложно сказать, насколько он хороший. Приходится заглядывать в скучные цифры показателей каждого двигателя. Но на какие показатели обращать внимание, ведь их так много?

 

Мощнее

 

Вероятней всего, чем мощнее двигатель, тем он лучше. Большая ракета обеспечивает большую грузоподъемность, быстрее происходит освоение космоса. Но если посмотреть на лидера в этой сфере, то нас ждут некие разочарования. Самая высокая тяга среди всех двигателей, 1400 тонн, имеет звуковой ускоритель Спейс Шатлл.

Невзирая на всю свою мощь, твердотопливные ускорители можно смело назвать символом технического прогресса, так как конструктивно они являются только стальным (или композитным) цилиндром с топливом. Кроме того, такие ускорители стали неактуальными еще в 2011 году, что подрывает впечатления об их успешности.

 

Те, кто следят за новой сверхтяжелой ракете SLS, знают, что для нее разработали новые более совершенные твердотопливные ускорители, показатель тяги которых составляет 1600 тонн, но пока неизвестно когда запустят эту ракету. Кроме того, концепция «возьмем больше сегментов с топливом, чтобы тяга стала большей» является экстенсивным путем развития, и при необходимости, можно поставить больше сегментов и, соответственно, получить большую тягу, передел здесь пока не достигнут, и пока нет никаких предпосылок того, что такой путь приведет к техническому совершенству.

 

Вторым по тяге в 793 тонны является жидкостный двигатель РД-171М отечественного производства.

Многим может показаться, что он действительно лучший. Но где же его успех? Ладно, ракета «Энергия» завершила свое существование в период разваливавшегося Советского Союза, а «Зенит» погибла в результате политических отношений между Россией и Украиной. Но почему тогда США покупают у нас не этот, казалось бы, замечательный двигатель, а отдают предпочтение вдвое меньшим РД-180? Почему РД-180, который начинался как «половинка» РД-170, сейчас выдает больше, чем половину тяги РД-170, а именно 416 тонн? Непонятно.

 

Третье и четвертое место по показателю тяги занимают двигатели с ракет, которые уже не летают. Речь идет о твердотопливном двигателе UA1207, установленном на Титане IV (тяга - 714 тонн) и двигателю F-1 (тяга - 679 тонн). Даже с такими выдающимися показателями мощности они не смогли дожить до сегодняшних дней. Может быть важнее какой-то другой показатель?

 

Эффективнее

 

Какой показатель отвечает за эффективность двигателя? Если двигатель ракеты сжигает топливо, чтобы разгонять ракету, то от того насколько эффективно он это делает, зависит количества затрат топлива, которое понадобится, чтобы добраться до орбиты/Марса/Луны, Альфы Центавра. Для оценки этой эффективности в баллистике применяется специальный показатель – удельный импульс.

 

Удаленный импульс демонстрирует, сколько секунд двигатель сможет развивать тягу в 1 Ньютон на 1 км топлива.

 

В лучшем случае, рекордсменами по тяге оказываются, в средине списка, если отсортировать его по удельному импульсу, a F-1 с твердотопливными ускорителями оказываются далеко позади. Но и это не самая важная характеристика, как оказалось. В этом вы убедитесь, познакомившись с лидерами списка. С показателем 9620 секунд на 1 месте находится малоизвестный электрореактивный двигатель HiPEP.

Сразу стоит отметить, что двигатель HiPEP создавался для закрытого проекта зонда, предназначенного для исследования лун Юпитера а работы по нему осуществлялись в 2005 году. По официальным источникам, на испытаниях прототип этого двигателя, развил удельный импульс в 9620 с, потребляя при этом 40 кВТ энергии.

 

На втором и третьем месте – электрореактивные двигатели VASIMR (5000 с) и NEXT (4100 с), которые продемонстрировали свои характеристики на испытательных стендах (они еще ни разу не летали). А двигатели, летавшие в космос (к примеру, серия отечественных двигателей СПД от ОКБ «Факел») имеют показатели до 3 тыс. секунд.

Почему же тогда эти двигатели не смогли вытеснить остальные? Для этого нужно рассмотреть их другие показатели. Тяга электрореактивных двигателей измеряется в граммах, поэтому в атмосфере они не могут работать. Собрать сверхэффективную РН на таких двигателях не получится. Они требуют в космосе киловатты энергии, что могут позволить себе далеко не все спутники. Поэтому электрореактивные двигатели применяются, как правило, только на геостационарных коммуникационных спутниках и межпланетных станциях.

 

Но, если отбросить электрореактивные двигатели, тогда кто будет лидером по удельному импульсу среди числа химических двигателей?

 

С показателем 462 с в лидерами будут КВД1 отечественного производства и американский RL-10. И если КВД1 летал только 6 раз в составе индийской ракеты GSLV, то RL-10 – эффективный и уважаемый двигатель для разгонных блоков и верхних ступеней, прекрасно работающий в течение многих лет. В теории, из таких двигателей можно собрать РН целиком, но тяга 1 двигателя в одиннадцать тонн значит, что на 1 и 2 ступень их придется ставить десятками, и не найдется желающих так делать.

 

Можно ли совместить высокий удельный импульс и большую тягу? Химические двигатели уперлись в законы нашего мира (физика запрещает горение водорода с кислородом, имеющим удельный импульс больше 460). Были проекты атомных двигателей, но дальше проектов дело не дошло. Однако, в целом, если человечество смогло скрестить высокий удельный импульс и высокую тягу, то космос стал бы доступнее. Какие еще характеристики могут дать оценку двигателю?

 

Напряженней

 

Ракетный двигатель выбрасывает вес (рабочее тело или продукты сгорания), создавая тягу. Чем больше давления в камеры сгорания, тем, соответственно, больше тяга, главным образом в атмосфере, и больше удельный импульс. Двигатель, который имеет более высокое давление в камере сгорания, будет эффективнее двигателя с низким давлением на таком же топливе.

 

Отсортировав список двигателей по этому показателю, то первое место займет СССР/Россия – у нас всячески стремились сделать эффективные двигатели с максимально высокими характеристиками. Первые три места разделило между собой семейство кислородно-керосиновых двигателей на базе РД-170: РД-191 (259 атм), РД-180 (258 атм), РД-171М (246 атм).

На четвертом месте находится советский РД-0120 (216 атм), который занимает лидирующие позиции среди водородно-кислородных двигателей и летел 2 раза на РН «Энергия». Пятое место тоже занимает наш отечественный двигатель – РД-264, работающий на топливной паре несимметричный диметилгидразин/азотный тетраоксид на ракете-носителе «Днепр» работает с давлением 207 атм. Шестое место занимает еще один двигатель американского производства Спейс Шатлл RS-25 (203 атм).

 

Надежней

 

Насколько бы многообещающим по характеристикам был двигатель, если он взрывается через раз, никакой пользы от него нет. Относительно недавно компания Orbital решила отказаться от использования двигателей НК-33, хранившимися десятилетиями. Они отличались высокими характеристиками, потому как авария на испытательном стенде и невероятный по красоте взрыв двигателя на РН Antares ночью поставили под сомнения целесообразность эксплуатации этих двигателей в будущем. Теперь РН Antares пересядут на РД-181 российского производства.

Верно и обратное – двигатель, не отличающийся выдающимися показателями тяги или удельного импульса, но зато характеризующийся высокой надежностью, будет популярен. Чем больше история эксплуатации двигателя, тем больше статистика, и тем соответственно больше багов на нем отловили на уже случившихся авариях. Стоящие на «Союзе» двигатели РД-107/108, ведут свою родословную от тех двигателей, которые еще запускали первый спутник и Ю.Гагарина, и, несмотря на модификации, имеют довольно высокие показатели на сегодняшний день. Но во многом это окупает высокая надежность.

 

Доступней

 

Двигатель, который ты не в состоянии купить или построить, не представляет для тебя высокой ценности. Такой показатель нельзя выразить в числах, но от этого он не станет менее важным. Часто частные компании не могут позволить себе покупку дорогих двигателей, и вынуждены делать свои, пусть и проще. Невзирая на то, что те не блещут своими показателями, это лучшие для разработчиков двигатели. К примеру, двигатель Merlin-1D предприятия SpaceX имеет давление в камеры сгорания всего 95 амт, рубеж, который советские инженеры перешли в 1960-х годах, а в США – в 1980-х. Но зато Макс может производить эти двигатели на собственных производственных мощностях и получать по себестоимости в необходимых количества, десятками в год, что очень даже прилично.

 

TWR

Раз уже мы заговорили о спейсэксовских «Мерлинах», то нельзя не отметить такой показатель, который всячески форсили фанаты и пиарщики SpaceX — тяговооруженность. Это показатель отношения тяги двигателя к его весу. По нему двигатели Merlin опередили всех (у них он больше 150). На сайте SpaceX указано, что это делает двигатель «наиболее эффективным среди всех созданных ранее», и эта информация стремительно разносится фанатами и пиарщиками по другим сайтам. К тому же, в английской Википедии даже шла небольшая война, когда этот показатель размещали куда только можно. В результате такого ажиотажа в таблице сравнения двигателя такой столбец и вовсе убрали. К сожалению, в таком заявлении больше пиара, чем правды. Тяговооруженность двигателя в чистом виде можно получить разве на стенде, а при старте ракеты двигатели будут составлять менее 1% от ее веса, и разница в весе двигателя абсолютно ни на что не повлияет. Невзирая на то, что двигатель с высоким TWR будет более технологичным, чем с низким, это скорее мета ненапряженности и технической простоты двигателя. К примеру, по показателю тяговооруженности двигатель F-1 (94) существенно превосходит РД-180 (78), но по давлению в камере сгорания и удельному импульсу F-1 будет существенно уступать. Поэтому возносить показатель тяговооруженности на пьедестал, как важнейшую характеристику для ракетного двигателя, просто наивно.

Стоимость

 

Этот показатель связан во многом с доступностью. Если вы делаете двигатель своими руками, то вполне возможно посчитать его себестоимость. Если же покупаете, то такой показатель будет указан явно. Но, к сожалению, по такому показателю нельзя построить красивую таблицу, так как себестоимость известна исключительно производителям, а стоимость продажи тоже публикуется не часто. Кроме того на цене сказывается время, если РД-180 в 2009 году оценивали в 9 млн. $, то сегодня эта стоимость увеличилась до 11-15 млн. $.

 

Вывод

 

На само деле, у двигателей ракеты нет одного показателя, по которому бы можно было четко понять, какой из них самый лучший. Если стараться вывести формулу лучшего давления, то получится следующее:

 

Лучший ракетный двигатель – это такой показатель, который вы можете купить/произвести, при этом он будет иметь тягу в необходимом диапазоне (не слишком маленькой или не слишком большой) и будет настолько эффективным (давление в камере сгорания, удельный импульс), что его стоимость не станет для вас неподъемной.

Напоследок стоит привести примеры двигателей, которые, по мнению экспертов, относятся к лучшим:

• Серия РД-170/180/190. Если вы из РФ или можете купить российские двигатели, и вам требуются двигатели высокой мощности на 1 ступень, то это семейство станет прекрасным вариантом. Эффективные, с прекрасными характеристиками и отличным показателем надежности, такие двигатели находятся на пике технологического прогресса.

• Be-3 и RocketMotorTwo. Это двигатели частных компаний, которые занимаются суборбитальным туризмом и находятся в космосе всего несколько минут. Но это не мешает им восхищаться красотой последних технологических решений. Водородный двигатель BE-3, дросселируемый в широком диапазоне и перезапускаемый, с тягой до 50 т и необычной схемой с открытым фазовым переходом, созданный относительно небольшой командой – это заслуживает на уважение. Эксперты восхищаются простотой и красотой схемы гибридного двигателя RocketMotorTwo с газообразным окислителем и твердым топливом.

• F-1 и J-2. Самые мощные двигатели в своих классах были в 1960-х годах. Да не любить двигатели, которые придают им такую красоту просто нельзя:
• РД-107/108. Несмотря на свои невысокие показатели – 60 атмосфер в камере и 90 тонн тяги, а также устаревший привод, двигатель отличается высокой надежность, а по стоимости он приближен к «большому глупому носителю. Эти двигатели, без всяких сомнений прослужат еще лет 10, и поставят рекорд по долголетию. Вряд ли вы найдете двигатель, который будет иметь столь славную историю.