Flying inn i rommet er uten tvil en av de mest fantastiske prestasjonene i vår sivilisasjon. Den berømte Gagarin "gå!" og Armstrongs første skritt på månens overflate - historiske milepæler på vei til fjerne planeter og andre stjernesystemer. Ingenting ville ha skjedd uten en rakettmotor, noe som tillot oss å overvinne gravitasjonskraften på planeten og gjorde det mulig å gå inn i jordens bane.
Enheten til rakettmotoren er på den ene siden så grei at du kan bygge den hjemme selv og tilbringe bokstavelig talt tre kopecks på den. Men på den annen side er utformingen av rom og militære raketter så komplisert at bare noen få stater i verden har sin produksjonsteknologi.
En rakettmotor (RD) er en type jetmotor, arbeidsorganet og energikilden er direkte ombord på flyet. Dette er hovedforskjellen fra jetmotorer. Dermed er ikke rullebanen avhengig av oksygen i atmosfæren, og kan derfor brukes til fly i rommet (luftløs).
Russland er en av verdens ledende innen rakettmotorbygging. Bakgrunnen arvet fra Sovjetunionen er imponerende. Innenriksindustrien er i stand til å produsere de beste rakettmotorer av ulike formål. Bevis for dette er RD-180-rakettmotoren, som brukes i den amerikanske atlasen. Leveranser til USA begynte i 2000 og fortsetter til denne dagen. Det er andre interessante utviklinger, og vi snakker ikke bare om kraftige motorer for rom- eller ballistiske missiler, men også taxiveier for ulike våpensystemer.
Foreløpig er de vanligste såkalte kjemiske rakettmotorer, hvor den spesifikke impulsen dannes på grunn av forbrenning av drivstoff. I tillegg til disse er det også kjernefysiske og elektriske motorer. I denne artikkelen vil vi snakke om hvordan rakettmotoren fungerer, fortell om fordelene og ulempene, og presenter også den nåværende klassifiseringen av rullebaner.
Noen fysikk eller hvordan det fungerer
Ulike typer rakettmotorer har betydelige forskjeller i deres design, men arbeidet til noen av dem er basert på Newtons berømte tredje lov, som sier at "hver handling har samme motstand." RD utsender en stråle av arbeidsfluid i en retning, og i seg selv, i samsvar med det newtonske postulatet, beveger seg i motsatt retning. Produktene av drivstoffforbrenning går gjennom dysen og danner trang - disse er grunnleggende i teorien om rakettmotorer.
Hvis du står i båten, kast en stein fra sternen, så vil skipet seile litt fremover. Dette er den visuelle modellen for funksjonen til alle rakettmotorer. Et annet eksempel ville være arbeidet med en brannslange, hvorfra vann utkastes under høyt trykk. For å holde det må du gjøre litt innsats. Hvis du legger en brannmann på et skateboard og gir ham en slange, vil han bevege seg med en ganske høy fart.
Hovedkarakteristikken som bestemmer effektiviteten av slike systemer, er stødkraft (trykkkraft). Den dannes som et resultat av transformasjonen av den innledende energi inn i arbeidsfluidens kinetiske stråle. I metriske systemet måles raketmotortrykk i newtons, mens amerikanerne teller det i pund.
En annen viktig parameter for rakettmotorer er den spesifikke impulsen. Dette er forholdet mellom trykkraften (eller mengden bevegelse) til drivstofforbruket per tidsenhet. Denne parameteren betraktes som graden av perfeksjon av en bestemt rullebane, og er et mål for effektiviteten.
Kjemiske motorer opererer på grunn av eksoterm reaksjon ved forbrenning av drivstoff og oksidant. Denne typen RD har to komponenter:
- En dyse hvor termisk energi omdannes til kinetisk;
- Forbrenningskammeret, hvor forbrenningsprosessen foregår, det vil si omdannelse av kjemisk energi av brensel til varme.
Fra historien til dette problemet
Rakettmotoren er en av de eldste motortypene som er kjent for menneskeheten. Vi kan ikke nøyaktig svare på spørsmålet når akkurat det første raketten ble laget. Det er en antagelse at dette ble gjort av de gamle grekene (tærduken av Taritens Archite), men de fleste historikere anser Kina for å være fødestedet for denne oppfinnelsen. Dette skjedde rundt 3. århundre e.Kr., kort tid etter oppdagelsen av krypesko. Opprinnelig ble raketter brukt til fyrverkeri og annen underholdning. Pulver-rakettmotor var ganske effektiv og enkel å produsere.
Det antas at disse teknologiene kom til Europa et eller annet sted i det XIII århundre, de studerte den engelske naturforskeren Roger Bacon.
Den første kampraketten ble utviklet i 1556 av Konrad Haas, som oppfant ulike typer våpen til keiser Ferdinand I. Denne oppfinneren kan kalles den første skaperen av teorien om rakettmotorer, han forfattet også ideen om et flerstadietraket - operasjonsmekanismen for et fly som består av fra to raketter. Undersøkelsen ble videreført av en pol, Kazimir Semenovich, som bodde i midten av 1700-tallet. Men alle disse prosjektene ble igjen på papir.
Den praktiske bruken av missiler begynte bare i XIX århundre. I 1805 viste britisk offiser William Congreve pulverraketter, som hadde enestående makten på den tiden. Presentasjonen ble imponert, og Congreves missiler ble vedtatt av den britiske hæren. Deres største fordel, sammenlignet med tønneartilleriet, var høy mobilitet og relativt lav kostnad, og den største ulempen var nøyaktigheten av brannen, som igjen etterlot mye å være ønsket. Ved slutten av 1800-tallet ble riflede våpen spredt mye, de sparket veldig nøyaktig, slik at missilene ble fjernet fra tjeneste.
I Russland ble dette problemet behandlet av General Zasyadko. Han forbedret ikke bare Congrive-missiler, men også den første til å foreslå å bruke dem til å fly inn i rommet. I 1881 opprettet den russiske oppfinneren Kibalchich sin egen teori om rakettmotorer.
En annen vår landsmann, Konstantin Tsiolkovsky, bidro sterkt til utviklingen av denne teknologien. Blant hans ideer er den flytende rakettmotor (LRE), som arbeider med en blanding av oksygen og hydrogen.
I begynnelsen av forrige århundre var entusiaster i mange land i verden engasjert i etableringen av en flytende RD, den første til å lykkes var amerikansk oppfinner Robert Goddard. Hans rakett, som arbeidet med en blanding av bensin og flytende oksygen, ble lansert i 1926.
Andre verdenskrig var en periode for retur av rakettvåpen. I 1941 ble installasjonen av BM-13 volleybrann, den berømte Katyusha, vedtatt av Røde Hæren, og i 1943 begynte tyskerne å bruke ballistisk V-2 med en væskedrivende rakettmotor. Den ble utviklet under ledelse av Werner von Braun, som senere ledet det amerikanske romprogrammet. Tyskland har også mestret produksjonen av KR V-1 med en direkteflytende jetmotor.
Etter slutten av krigen mellom Sovjetunionen og USA, begynte et ekte "rakett" -løp. Sovjetprogrammet ble ledet av Sergey Korolev, en fremragende designer av rakettmotorer. Det var under hans ledelse at den innenlandske ICBM R-7 ble opprettet, og senere ble den første kunstige satellitten lansert og en bemannet romflyging ble utført.
Gjennom årene har man forsøkt å skape rakettmotorer som opererer på bekostning av energien av atomvåpen (syntese), men det kom aldri til praktisk bruk av slike kraftverk. På 70-tallet begynte bruken av elektriske rakettmotorer i Sovjetunionen og USA. I dag er de vant til å korrigere banebrytene og banen. På 70- og 80-tallet var det eksperimenter med plasma-XRD, som antas å ha godt potensial. Høye forhåpninger tilskrives jon rakettmotorer, hvor bruk av som teoretisk kan øke fartfartøyet betydelig.
Men så langt er nesten alle disse teknologiene i sin barndom, og det største kjøretøyet til romforskerne forblir den gode gamle "kjemiske" raketten. For tiden konkurrerer den amerikanske F-1 som deltok i måneprosjektet, og Sovjet RD-170/171, som ble brukt i programmet "Energy-Buran", tittelen "den mektigste rakettmotoren i verden".
Hva er de som?
Klassifiseringen av rakettmotorer er basert på metoden for å skaffe energi for å avvise arbeidsfluidet. Basert på denne parameteren er rullebaner:
- kjemisk;
- kjernefysisk (termonukleær);
- elektrisk (elektrisk rakett);
- gass.
Hver av de ovennevnte typer kan deles inn i mindre kategorier. Kjemiske motorer (HDR), for eksempel, avhengig av tilstanden av aggregering av drivstoffet, er faststoff og flytende brensel. Det er også en kjemisk hybrid rakettmotor (GRD). HDR inkluderer også en kile luft rakett motor, som har en annen form og dyse design. Det er gassfase og solid-fase atom-RD. Det finnes flere typer kraftverk.
Kjemisk RD: fordeler og ulemper
Denne typen rakettmotor er den vanligste og mest beherske. Vi kan si at det var HRD som ga plass til menneskeheten. Det virker på grunn av en eksoterm kjemisk reaksjon, og både drivstoff og oksidasjonsmiddel er ombord på flyet og danner sammen drivstoffet. Det tjener også som en energikilde, og grunnlaget for arbeidsfluidet.
HDD har en relativt liten spesifikk impuls (sammenlignet med elektriske), men de tillater dem å utvikle større trekkraft. Dette er spesielt viktig for lansering av rakettmotorer og når man fjerner nyttelastene i bane.
I flytende motorer er oksidasjonsmidlet og brennstoffet i væskefasen. Ved hjelp av drivstoffsystemet mates de inn i kammeret, hvor de blir brent og strømmer gjennom dysen.
I et fast brensel RD blir en blanding av brensel og oksidasjonsmiddel plassert direkte i forbrenningskammeret. Drivstoffet har som regel en stang med en sentral kanal. Forbrenningsprosessen går fra sentrum til periferien, gassene som kommer ut gjennom dysen, danner et trykk. Disse motorene har flere fordeler: de er relativt enkle, billige, miljøvennlige og pålitelige.
Ulempene med en kjemisk motor med fast drivmiddel inkluderer den begrensede varigheten av operasjonen, en liten indikator for den spesifikke impulsen (sammenlignet med flytende XRD) og umuligheten av å starte om igjen - etter starten kan den ikke lenger stoppes. Ovennevnte funksjoner bestemmer omfanget av bruk av fastdrevne drosjer - disse er ballistiske og meteorologiske raketter, missiler, missiler, missiler, rakettprosjektiler for volleybrannsystemer. Faste brennstoffer brukes også til å starte rakettmotorer.
Flytende rullebaner har en høyere spesifikk impuls, de kan stoppes og startes på nytt, og trykk - for å regulere. I tillegg, sammenlignet med fast brensel, er de lettere og mer kompakte. Men det er også en fly i salven: Væskemotorer har en kompleks struktur og høye kostnader, så hovedområdet for deres bruk er astronautikk.
Som komponenter av drivstoff til flytende XRD bruker ulike kombinasjoner. For eksempel oksygen + hydrogen eller nitrogentetraoksyd + asymmetrisk dimetylhydrazin. I de senere årene har oksygen- og parafin-raketter blitt svært populære. Drivstoff kan bestå av fem eller flere deler. Metan rakettmotorer anses å være svært lovende, i dag er de engasjert i sin opprettelse i flere land i verden samtidig. Blant annet interessant utvikling på dette området, kan vi nevne den såkalte detonasjonsraketmotoren, hvis drivstoff ikke brenner, men eksploderer.
Arbeidet med å forbedre HDR stopper ikke, men det er sannsynlig at grensene allerede er nådd - designerne har "klemmet" alt de kunne fra det kjemiske drivstoffet. Et alvorlig problem med HDR er den enorme massen av drivstoff som flyet må løfte. Og dette er utrolig ineffektivt. Ordningen med avtakbare trinn forbedret noe, men ble tydeligvis ikke et paradis.
Det bør bemerkes at kjemiske rakettmotorer ikke bare brukes til romforskning. De fant deres bruk på jorden, men i utgangspunktet bare i militære anliggender. Alle kamp missiler, som starter med små fly eller anti-tank, og slutter med store ICBM, er utstyrt med HRA. Overveldende har de enklere og mer pålitelige drivstoffmotorer. Et eksempel på fredelig bruk av HRD er geofysiske og meteorologiske raketter.
På atomskipet til stjernene!
Flytende rakettmotor ga mann plass og bidro til å komme til nærmeste planeter. Hastigheten på jetstråleutslipp på flytende brensel overstiger ikke 4,5-5 m / s, noe som gjør det uegnet for fjernt oppdrag - dette krever titalls meter per sekund. Romfartøy med HRD-er er fortsatt i stand til å levere en person til nærmeste planeter - som Mars eller Venus - men for å reise til fjerne gjenstander fra Solsystemet må vi komme opp med noe nytt. En av måtene ut av dette uhell ser ut til å være bruk av energi skjult i atomkjernen.
En kjernefysisk rakettmotor (YARD) er en type kraftverk hvor arbeidsfluidet oppvarmes av atomfission eller synteseenergi. Avhengig av drivstofftilstanden kan det være fast, flytende eller gassfase. Hydrogen eller ammoniakk brukes ofte som arbeidsmedium. Traction YARD er ganske sammenlignbar med kjemiske motorer, mens de har en høy spesifikk impuls. Men det er ett problem - forurensing av atmosfæren ved radioaktivt eksos.
Historien om kjernemotorer begynte på midten av 50-tallet, to land i verden - USA og Sovjetunionen - var engasjert i deres praktiske skapelse. Allerede i 1958 satt amerikanerne oppgaven med å skape et YARD for fly til månen og Mars (NERVA-programmet). Omkring samme tid handlet sovjetiske designere også om lignende problemer. Ved slutten av 70-tallet ble RD-0410-kjernevirksomheten opprettet, men den besto ikke full test.
Foreløpig er de mest lovende gassfase-kjernemotorer, der drivstoffet er i gassformet tilstand i en spesiell forseglet kolbe. Dette eliminerer kontakten med arbeidsfluidet og reduserer sannsynligheten for radioaktiv forurensning betydelig. Til tross for at de viktigste tekniske problemene med å skape NREs lenge har blitt løst, har ingen av dem hittil funnet søknaden i praksis. Selv om denne spesielle YARD ser mest lovende ut fra synspunktet for reell bruk.
Elektriske rakettmotorer, deres egenskaper, fordeler og ulemper
En annen mulig konkurrent, som har mulighet til å erstatte HRD, er en elektrisk rakettmotor (ERE), som bruker elektrisk energi til å spre arbeidsfluidet.
Ideen om å skape et slikt kraftverk ble født i begynnelsen av 1900-tallet, i 1930-tallet implementerte sovjetforskeren Glushko det i praksis. Aktivt arbeid med elektrisk fremdrift begynte i USA og Sovjetunionen på 1960-tallet, og på 1970-tallet var de første rakettmotorer av denne typen allerede installert på romfartøy.
Det finnes flere typer ERDer:
- elektro;
- elektro;
- elektromagnetisk;
- plasma.
Elektriske rakettmotorer har en høy spesifikk impulsfrekvens, noe som gjør at de økonomisk kan forbruke arbeidsfluidet, men de trenger også mye energi, noe som er et alvorlig problem. Hittil er den eneste virkelige kilden for elektrisk fremdrift solcellepaneler. De har lav drivkraft, noe som ikke tillater dem å bli brukt i jordens atmosfære - lanseringsraketmotoren fra fremdrivningsmotoren vil definitivt ikke fungere. For tiden blir de brukt som shunting - for korrigering av kretsløpene.
