Att flyga in i rymden är utan tvekan en av de mest fantastiska framgångarna i vår civilisation. Den berömda Gagarin "go!" och Armstrongs första steg på månens yta - historiska milstolpar på vägen till avlägsna planeter och andra stjärnsystem. Inget skulle ha hänt utan en raketmotor, som gjorde det möjligt för oss att övervinna planetens gravitationskraft och gjorde det möjligt att gå in i jordens omlopp.
Enheten i raketmotorn är å ena sidan så enkel att du kan bygga den hemma själv och spenderar bokstavligen tre kopecks på den. Men å andra sidan är utformningen av rymd och militära raketer så komplex att endast några få stater i världen har sin tillverkningsteknik.
En raketmotor (RD) är en typ av jetmotor, vars arbetsdel och energikälla är direkt ombord på flygplanet. Detta är dess huvudsakliga skillnad från jetmotorer. Således är taxibanan inte beroende av atmosfärens syre och kan därför användas för flygningar i rymden (luftfritt) utrymme.
Ryssland är en av världens ledande inom området för raketmotorbyggnad. Bakgrunden som ärvt från Sovjetunionen är imponerande. Inhemsk industri kan producera de bästa raketmotorerna i olika syften. Bevis för detta är RD-180-raketmotorn, som används i den amerikanska atlasen. Leveranser till USA började 2000 och fortsätter till denna dag. Det finns andra intressanta utvecklingar, och vi talar inte bara om kraftfulla motorer för rymd- eller ballistiska missiler, utan även för olika vapensystem.
För närvarande är de vanligaste så kallade kemiska raketmotorerna, där den specifika impulsen bildas på grund av förbränning av bränsle. Utöver dessa finns det också kärn- och elmotorer. I denna artikel kommer vi att prata om hur raketmotorn fungerar, berätta om dess fördelar och nackdelar, och presentera även den nuvarande klassificeringen av taxibilar.
Något fysik eller hur det fungerar
Olika typer av raketmotorer har betydande skillnader i sin design, men arbetet hos någon av dem bygger på Newtons berömda tredje lag, som säger att "varje åtgärd har lika motstånd". RD utfärdar en stråle av arbetsvätska i en riktning och i sig, i enlighet med det newtonska postulatet, rör sig i motsatt riktning. Bränsleförbränningsprodukterna går genom munstycket och bildar begär - det här är grunderna för teorin om raketmotorer.
Om du står i båten, kasta en sten från sternen, så kommer ditt skepp att segla lite framåt. Detta är den visuella modellen för alla raketmotorer. Ett annat exempel skulle vara ett eldslangs arbete, från vilket vatten sprutas ut under högt tryck. För att hålla det måste du göra lite ansträngning. Om du lägger en brandman på en skateboard och ger honom en slang, kommer han att flytta i en ganska hög hastighet.
Huvudegenskaperna som bestämmer effektiviteten hos sådana system är tryckkraft (tryckkraft). Den bildas som ett resultat av omvandlingen av den ursprungliga energin till arbetsvätskans kinetiska stråle. I det metriska systemet mäts raketmotortrycket i newtons, medan amerikanerna räknar det i pund.
En annan viktig parameter för raketmotorer är den specifika impulsen. Detta är förhållandet mellan tryckkraften (eller rörelsens mängd) till bränsleförbrukningen per tidsenhet. Denna parameter betraktas som graden av perfektion för en viss taxibana och är ett mått på dess effektivitet.
Kemiska motorer verkar på grund av den exoterma reaktionen vid förbränning av bränsle och oxidant. Denna typ av RD har två komponenter:
- Ett munstycke i vilket termisk energi omvandlas till kinetisk;
- Förbränningskammaren, där förbränningsprocessen äger rum, det vill säga omvandlingen av kemisk energi av bränsle till värme.
Från historien om denna fråga
Rakettmotorn är en av de äldsta motortyper som är kända för mänskligheten. Vi kan inte exakt svara på frågan när exakt den första raketen gjordes. Det antas att detta gjordes av de antika grekerna (Tarentens träduva), men de flesta historiker anser att Kina är födelseplatsen för denna uppfinning. Detta hände runt 3: e talet e.Kr., strax efter upptäckten av krut. Ursprungligen användes raketer för fyrverkerier och annan underhållning. Pulverraketmotorn var ganska effektiv och lätt att tillverka.
Man tror att dessa teknologier kom till Europa någonstans under XIII-talet, de studerade den engelska naturisten Roger Bacon.
Den första stridsmissilen utvecklades år 1556 av Konrad Haas, som uppfann olika typer av vapen för kejsaren Ferdinand I. Denna uppfinnare kan kallas den första skaparen av teorin om raketmotorer, han författade också idén om en flerstegsraket - mekanismen för driften av ett flygplan som består av från två raketer. Undersökningen fortsatte av en pol, Kazimir Semenovich, som bodde i mitten av 1700-talet. Alla dessa projekt var dock kvar på papper.
Den praktiska användningen av missiler började bara under XIX-talet. I 1805 visade brittisk officer William Congreve pulverraketer, som hade en aldrig tidigare skådad makt vid den tiden. Presentationen var imponerad, och Congreves missiler antogs av den brittiska armén. Deras största fördel, jämfört med fat artilleri, var hög rörlighet och relativt låg kostnad, och den största nackdelen var eldens noggrannhet, vilket lämnade mycket att önska. Vid slutet av 1800-talet var riflade vapen brett spridda, de avfyrade mycket exakt, så missilerna avlägsnades från tjänst.
I Ryssland hanterades denna fråga av general Zasyadko. Han förbättrade inte bara Congrive-missilerna, utan också den första som föreslog att de skulle använda sig för ett flyg till rymden. År 1881 skapade den ryska uppfinnaren Kibalchich sin egen teori om raketmotorer.
En annan vår landsmän, Konstantin Tsiolkovsky, gjorde ett stort bidrag till utvecklingen av denna teknik. Bland hans idéer är den flytande raketmotorn (LRE), som arbetar med en blandning av syre och väte.
I början av förra seklet var entusiaster i många länder i världen engagerade i skapandet av en flytande RD, den första som lyckades var amerikansk uppfinnare Robert Goddard. Hans raket, som arbetade på en blandning av bensin och flytande syre, lanserades framgångsrikt år 1926.
Andra världskriget var en period för återkomsten av raketvapen. I 1941 antogs installationen av BM-13 volleybrand, den berömda Katyusha, av Röda armén, och 1943 började tyskarna använda ballistiska V-2 med en vätskedrivande raketmotor. Det utvecklades under ledning av Werner von Braun, som senare ledde det amerikanska rymdprogrammet. Tyskland behärskar också produktionen av KR V-1 med en direktflödesmotor.
Efter krigets slut mellan Sovjetunionen och USA började en riktig "raket" -race. Sovjetprogrammet leddes av Sergey Korolev, en enastående designer av raketmotorer, under sitt ledarskap var den inhemska ICBM R-7 skapad och senare lanserades den första artificiella satelliten och en bemannad rymdflygning utfördes.
Under åren har försök gjorts för att skapa raketmotorer som verkar på bekostnad av energin av kärnkrabbning (syntes), men det kom aldrig till praktisk användning av sådana kraftverk. På 70-talet började användningen av elektriska raketmotorer i Sovjetunionen och USA. Idag används de för att korrigera banans banor och räckvidd. På 70- och 80-talet fanns experiment med plasma-XRD, som tros ha bra potential. Höga förhoppningar är hänförliga till jonraketmotorer, vars användning teoretiskt kan avsevärt påskynda rymdfarkoster.
Hittills är nästan alla dessa tekniker i sin spädbarn, och rymdforskareens främsta fordon är fortfarande den goda gamla "kemiska" raketen. För närvarande konkurrerar amerikanska F-1, som deltog i månprojektet och Sovjet RD-170/171, som användes i programmet "Energy-Buran", titeln "den kraftfullaste raketmotorn i världen".
Vad är de som?
Klassificeringen av raketmotorer bygger på metoden för att erhålla energi för att avvisa arbetsfluiden. Baserat på denna parameter är taxibilar:
- kemikalie;
- kärnämne (termonukleär);
- elektrisk (elektrisk raket);
- gas.
Var och en av ovanstående typer kan delas in i mindre kategorier. Kemiska motorer (HDR), till exempel beroende på aggregeringsförhållandet för bränslet, är fastbränsle och flytande bränsle. Det finns också en kemisk hybridraketmotor (GRD). HDR innehåller också en kil-raketmotor med en annan form och munstycksdesign. Det finns gasfas och fastfas kärnvägar RD. Det finns flera typer av elkraftverk.
Kemisk RD: fördelar och nackdelar
Denna typ av raketmotor är den vanligaste och mest mesterliga. Vi kan säga att det var HRD som gav utrymme för mänskligheten. Det fungerar på grund av en exoterm kemisk reaktion, och både bränsle och oxidator finns ombord på flygplanet och bildar tillsammans bränslet. Det fungerar också som en energikälla och grunden för arbetsvätskan.
Hårddiskar har en relativt liten specifik impuls (jämfört med elektriska), men de tillåter dem att utveckla större dragkraft. Detta är särskilt viktigt för att starta raketmotorer och när man tar bort nyttolast i omloppsbana.
I flytande motorer är oxidationsmedlet och bränslet i vätskefasen. Med hjälp av bränslesystemet matas de in i kammaren, där de brinner och strömmar genom munstycket.
I ett fast bränsle RD placeras en blandning av bränsle och oxidationsmedel direkt i förbränningskammaren. Typiskt har bränslet formen av en stång med en central kanal. Förbränningsprocessen går från mitten till periferin, gaserna som kommer ut genom munstycket bildar ett tryck. Dessa motorer har flera fördelar: de är relativt enkla, billiga, miljövänliga och tillförlitliga.
Nackdelarna med en kemisk motor med fast drivmedel inkluderar den begränsade varaktigheten av dess funktion, en liten indikator för den specifika impulsen (jämfört med flytande XRD) och omöjligheten att starta om igen - efter starten kan den inte längre stoppas. Ovanstående egenskaper bestämmer användningsområdet för fasta drivvägar, det vill säga ballistiska och meteorologiska raketer, missiler, missiler, missiler, raketprojektiler för volleybrandsystem. Fasta bränslen används också för att starta raketmotorer.
Flytande taxibilar har en högre specifik impuls, de kan stoppas och startas om igen, och drivkraft - för att reglera. Dessutom, jämfört med fast bränsle, är de lättare och kompaktare. Men det finns också en fluga i salvan: Vätskemotorer har en komplex struktur och höga kostnader, så huvudområdet för deras användning är astronautik.
Som komponenter i bränsle för flytande XRD användes olika kombinationer. Till exempel syre + väte eller kväve tetraoxid + asymmetrisk dimetylhydrazin. Under de senaste åren har syre- och fotogenraketter blivit mycket populära. Bränsle kan bestå av fem eller flera delar. Metan-raketmotorer anses vara mycket lovande, idag är de engagerade i sin skapelse i flera länder i världen på en gång. Bland andra intressanta utvecklingar inom detta område kan vi nämna den så kallade detonationsraketmotorn, vars bränsle inte brinner, men exploderar.
Arbetet med att förbättra HDR stoppar inte, men det är troligt att dess gränser redan har uppnåtts - designerna har "klämt" allt de kunde från det kemiska bränslet. Ett allvarligt problem med HDR är den enorma massan av bränsle som flygplanet måste lyfta. Och det här är väldigt ineffektivt. Schemat med avtagbara steg förbättrade situationen något, men blev helt klart inte ett paradis.
Det bör noteras att kemiska raketmotorer används inte bara för utforskning av rymden. De fann sin användning på jorden, men i princip endast i militära angelägenheter. Alla stridsmissiler, som börjar med små flygplan eller antitankar, och slutar med stora ICBM, är utrustade med HRA. Överväldigande har de enklare och mer pålitliga bränslemotorer. Ett exempel på fredlig användning av HRD är geofysiska och meteorologiska raketer.
På atomfartyget till stjärnorna!
Flytande raketmotor gav man utrymme och hjälpte till att komma till närmsta planeter. Hastigheten på jetstråleutsläpp på flytande bränsle överstiger inte 4,5-5 m / s vilket gör det olämpligt för avlägsna uppdrag - det kräver tiotals meter per sekund. Romfartyg med HRD kan fortfarande leverera en person till närmaste planeter - som Mars eller Venus - men för att resa till avlägsna föremål för solsystemet måste vi komma på något nytt. Ett av vägarna ur denna dödläge verkar vara användningen av energi som är dold i atomkärnan.
En nukleär raketmotor (YARD) är en typ av kraftverk där arbetsfluiden uppvärms av kärnfission eller syntesenergi. Beroende på bränsletillståndet kan det vara fast, flytande eller gasfas. Väte eller ammoniak används vanligen som arbetsmedium. Traction YARD är ganska jämförbar med kemiska motorer, medan de har en hög specifik impuls. Men det finns ett problem - förorening av atmosfären med radioaktivt avgasutsläpp.
Historien om kärnmotorer började på mitten av 50-talet, två länder i världen - USA och Sovjetunionen - var engagerade i deras praktiska skapande. Redan 1958 satte amerikanerna uppgiften att skapa en YARD för flyg till månen och Mars (NERVA-programmet). Ungefär samma gång handlade sovjetiska designers också om liknande problem. Vid slutet av 70-talet skapades RD-0410-nukleärraketmotorn, men passerade inte fullständiga test.
För närvarande är de mest lovande gasfaskärnmotorerna, där bränslet är i gasformigt tillstånd i en speciell försluten kolv. Detta eliminerar sin kontakt med arbetsfluiden och minskar sannolikheten för radioaktiv kontaminering betydligt. Trots det faktum att de viktigaste tekniska problemen med att skapa NREs länge har lösts har hittills ingen av dem funnit sin tillämpning i praktiken. Även om denna särskilda YARD ser mest lovande ur synvinkel av verklig användning.
Elektriska raketmotorer, deras egenskaper, fördelar och nackdelar
En annan möjlig konkurrent, som har möjlighet att ersätta HRD, är en elektrisk raketmotor (ERE) som använder elektrisk energi för att sprida arbetsvätskan.
Idén att skapa en sådan kraftverk föddes i början av 1900-talet, på 1930-talet genomförde sovjetforskare Glushko det i praktiken. Aktivt arbete med elektrisk framdrivning började i USA och Sovjetunionen på 1960-talet, och på 1970-talet var de första raketmotorerna av denna typ redan installerade på rymdfarkoster.
Det finns flera typer av ERD: er:
- elektrotermisk;
- elektrostatisk;
- elektromagnetiska;
- plasma.
Elektriska raketmotorer har en hög specifik impuls, vilket gör det möjligt för dem att ekonomiskt konsumera arbetsvätskan, men de behöver också mycket energi, vilket är ett allvarligt problem. Hittills är den enda verkliga källan för elektrisk framdrivning solpaneler. De har låg drivkraft, vilket inte tillåter dem att användas inom jordens atmosfär - lanseringsraketmotorn från framdrivningsmotorn kommer definitivt inte att fungera. För närvarande används de som shunting - för korrigering av rymdfarkostens banor.
