Motor rachetă
Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită pe 16 mai 2014; verificările necesită 60 de modificări .Un motor rachetă este un motor cu reacție care nu folosește nici energie, nici un fluid de lucru din mediu pentru lucrul său . Astfel, RD este o instalație care are o sursă de energie și o alimentare a fluidului de lucru și este concepută pentru a obține forță prin conversia oricărui tip de energie în energia cinetică a fluidului de lucru. Un motor rachetă este singurul mod practic stăpânit de a pune o sarcină utilă pe orbită în jurul Pământului .
Forța de împingere într-un motor rachetă apare ca urmare a conversiei energiei inițiale în energia cinetică a fluxului de jet al fluidului de lucru. În funcție de tipul de energie convertită în energia cinetică a avionului, există motoarele de rachetă chimice, motoarele de rachetă nucleare și motoarele de rachetă electrice [1] .
O caracteristică a eficienței unui motor rachetă este impulsul specific (o caracteristică ușor diferită este utilizată în construcția motorului - forța specifică ) - raportul dintre cantitatea de mișcare primită de motorul rachetă și masa fluidului de lucru consumat. Impulsul specific are dimensiunea m/s , adică dimensiunea vitezei. Pentru un motor-rachetă care funcționează în modul de proiectare (când presiunea ambientală și presiunea gazului la ieșirea duzei sunt egale), impulsul specific este numeric egal cu viteza curgerii fluidului de lucru din duză .
Motoare de rachete chimice
Cele mai comune sunt motoarele cu rachete chimice în care, ca urmare a unei reacții chimice exoterme a combustibilului și a oxidantului (denumite în mod colectiv combustibil ), produsele de ardere sunt încălzite în camera de ardere la temperaturi ridicate, expansându-se, accelerate într-o duză supersonică . și curge din motor. Combustibilul unui motor de rachetă chimic este o sursă atât de energie termică, cât și de un fluid de lucru gazos , în timpul expansiunii căruia energia sa internă este convertită în energia cinetică a unui curent cu jet.
Într -un motor cu propulsie solidă (RDTT), combustibilul și oxidantul sunt stocate sub formă de amestec de solide, iar rezervorul de combustibil funcționează simultan ca o cameră de ardere. Un motor cu propulsie solidă și o rachetă echipată cu acesta sunt structural mult mai simple decât toate celelalte tipuri de motoare de rachetă și rachete corespunzătoare și, prin urmare, sunt fiabile, ieftine de fabricat, nu necesită multă muncă în timpul depozitării și transportului și timpul de pregătire. pentru lansare este minim. Prin urmare, în prezent înlocuiesc alte tipuri de motoare de rachetă din aplicații militare. În același timp, combustibilul solid este mai puțin eficient din punct de vedere energetic decât combustibilul lichid. Impulsul specific al motoarelor cu combustibil solid este de 2000 - 3000 m/s. Impingere - peste 1300 tf ( amplificator naveta spatiala ).
În motoarele rachete cu propulsie lichidă (LPRE), combustibilul și oxidantul sunt într-o stare lichidă de agregare . Acestea sunt introduse în camera de ardere folosind turbopompe sau sisteme de alimentare cu deplasare. Motoarele rachete cu propulsie lichidă permit controlul tracțiunii pe o gamă largă și pornirea și oprirea multiplă, ceea ce este deosebit de important atunci când manevrezi în spațiul cosmic. Impulsul specific al LRE ajunge la 4500 m/s. Impingere - peste 800 tf ( RD-170 ). Pe baza combinației acestor proprietăți, motoarele de rachetă cu propulsie lichidă sunt de preferat ca motoare principale ale rachetelor de transport spațiale și motoarele de manevră a navelor spațiale .
Diferite componente pot fi folosite ca pereche combustibil + oxidant. Motoarele criogenice moderne folosesc o pereche de oxigen lichid + hidrogen lichid (cele mai eficiente componente pentru LRE). Un alt grup de componente se autoaprinde la contactul unul cu celălalt, un exemplu de astfel de schemă este tetroxidul de azot + dimetilhidrazină nesimetrică. Destul de des, se folosește o pereche de oxigen lichid + kerosen. Raportul componentelor este esențial: 1 parte din combustibil poate fi furnizată de la 1 parte din oxidant (perechea combustibil oxigen + hidrazină ) la 5 și chiar 19 părți din oxidant (perechile combustibil acid azotic + kerosen și fluor + hidrogen [2] ] , respectiv).
Dispunând de un impuls specific relativ scăzut (comparativ cu motoarele de rachete electrice), motoarele de rachete chimice fac posibilă dezvoltarea unei tracțiuni mari, care este deosebit de importantă atunci când se creează mijloace pentru lansarea unei sarcini utile pe orbită sau pentru zboruri interplanetare într-un timp relativ scurt.
La sfârşitul celui de-al doilea deceniu al secolului XXI. toate, fără excepție, motoarele de rachete utilizate în rachetele militare și toate, fără excepție, motoarele vehiculelor de lansare a navelor spațiale sunt chimice.
De remarcat, de asemenea, că în 2013, pentru motoarele cu rachete chimice, practic a fost atinsă limita capacităților energetice ale combustibilului și, prin urmare, teoretic, nu este prevăzută posibilitatea unei creșteri semnificative a impulsului lor specific [3] , iar acest lucru limitează capacitățile tehnologiei rachetelor bazate pe utilizarea motoarelor chimice, deja stăpânite în două direcții:
- Zboruri spațiale în spațiul apropiat Pământului (atât cu echipaj, cât și fără pilot).
- Explorarea spațiului în cadrul sistemului solar cu ajutorul vehiculelor automate (nave spațiale din seria Venus și Marte , Voyager , Galileo , Cassini-Huygens , Ulysses ).
Dacă o expediție pe termen scurt cu echipaj pe Marte sau Venus folosind propulsie chimică încă pare posibilă (deși există îndoieli cu privire la fezabilitatea unor astfel de zboruri [4] ), atunci pentru călătoria către obiecte mai îndepărtate ale Sistemului Solar , dimensiunea rachetei necesare pentru aceasta și durata zborului par nerealist.
Pentru o serie de cazuri, este avantajos să se utilizeze motoare de rachetă hibride , în care o componentă propulsor este stocată în stare solidă, iar cealaltă (de obicei un oxidant) este stocată în stare lichidă. Astfel de motoare sunt mai puțin costisitoare decât cele lichide și sunt mai fiabile. Spre deosebire de combustibilul solid, acestea permit pornirile multiple. Când încărcarea este stocată pentru o perioadă lungă de timp, caracteristicile sale se deteriorează ușor.
Motoare de rachete nucleare
Un motor de rachetă nucleară este un motor cu reacție în care fluidul de lucru (de exemplu, hidrogen, amoniac etc.) este încălzit de energia eliberată în timpul reacțiilor nucleare ( descompunere sau fuziune termonucleară ). Există motoare de rachete cu radioizotopi, nucleare și termonucleare . Combustibilul nuclear este folosit numai la rachetele de croazieră .
Motoarele cu rachete nucleare fac posibilă atingerea unei valori semnificativ mai mari (comparativ cu motoarele cu rachete chimice) a impulsului specific datorită vitezei mari de expirare a fluidului de lucru (de la 8.000 m/s la 50 km/s sau mai mult). În același timp, forța totală a NRE-urilor poate fi comparabilă cu cea a motoarelor cu rachete chimice, ceea ce creează condiții prealabile pentru înlocuirea motoarelor cu rachete chimice cu cele nucleare în viitor. Principala problemă în utilizarea NRE-urilor este contaminarea radioactivă a mediului înconjurător de către gazele de evacuare a motorului, ceea ce face dificilă utilizarea NRE-urilor (cu excepția, poate, a celor în fază gazoasă - vezi mai jos) pe etapele vehiculelor de lansare care funcționează în cadrul atmosfera pământului. Cu toate acestea, un GFYARD perfect structural, bazat pe caracteristicile sale de tracțiune calculate, poate rezolva cu ușurință problema creării unui vehicul de lansare într-o singură etapă complet reutilizabil .
NRE în funcție de starea de agregare a combustibilului nuclear în ele sunt împărțite în fază solidă, lichidă și gazoasă. În NRE-urile în fază solidă, materialul fisionabil, ca și în reactoarele nucleare convenționale , este plasat în ansambluri de tije ( TTEL ) de formă complexă cu o suprafață dezvoltată, ceea ce face posibilă încălzirea eficientă (energia radiantă în acest caz poate fi neglijată) fluid de lucru gazos (RT) (de obicei hidrogen , mai rar - amoniac ), care este, de asemenea, un lichid de răcire , răcind elementele structurale și ansamblurile în sine. Temperatura RT este limitată de temperatura maximă admisă a elementelor structurale (nu mai mult de 3.000 °K), ceea ce limitează debitul de ieșire. Impulsul specific al unui NRE în fază solidă, conform estimărilor moderne, va fi de 8000-9000 m/s, care este de peste două ori mai mare decât cele mai avansate motoare de rachete chimice. Astfel de motoare de rachete nucleare au fost create și testate cu succes pe bancuri de testare (programul NERVA în SUA, motorul de rachetă nucleară RD-0410 în URSS). NRE-urile în fază lichidă sunt mai eficiente: combustibilul nuclear din miezul lor este sub formă de topitură și, în consecință, parametrii de tracțiune ai unor astfel de motoare sunt mai mari (impulsul specific poate atinge valori de ordinul a 15.000 m/). s).
În NRE-urile în fază gazoasă ( GFNREs ), materialul fisionabil (de exemplu, uraniul), precum și fluidul de lucru, se află în stare gazoasă și este reținut în zona de lucru de un câmp electromagnetic (una dintre numeroasele opțiuni de proiectare propuse). ). Există și un design GFYARD, în care combustibilul nuclear (gaz de uraniu fierbinte sau plasmă) este închis într-o capsulă transparentă optic rezistentă la căldură, așa-numita. lampă nucleară ( bec ) și astfel complet izolată de fluxul fluidului de lucru care spăla „lampii”, drept urmare încălzirea acesteia din urmă are loc datorită radiației „lampii”. În unele dezvoltări, safir artificial sau materiale similare au fost propuse pentru materialul lămpii nucleare. În cazul izolării plasmei nucleare de către un câmp electromagnetic, există o mică scurgere de material fisionabil în mediul extern, iar proiectarea prevede furnizarea de combustibil nuclear la miez pentru a-și umple cantitatea.
Strict vorbind, în cazul unui NRE în fază gazoasă, numai o parte a miezului ar trebui să fie în stare gazoasă, deoarece părțile periferice ale miezului pot, datorită încălzirii prealabile a contactului cu hidrogen, să elibereze până la 25% din puterea neutronilor și oferă o configurație critică a miezului cu o cantitate relativ mică de TVEL gazos. Utilizarea, de exemplu, a unui dislocator de neutroni cu beriliu, de asemenea răcit, face posibilă creșterea concentrației de neutroni într-un element de combustibil în fază gazoasă cu deficit de neutroni cu un factor de 2-2,5 în comparație cu cifra pentru partea în fază solidă a zonei. Fără un astfel de „truc”, dimensiunile NRE în fază gazoasă ar deveni inacceptabil de mari, deoarece pentru a atinge criticitatea, elementul de combustibil în fază gazoasă trebuie să aibă o dimensiune foarte mare, datorită densității scăzute a temperaturii ridicate. gaz.
Fluidul de lucru (hidrogen) conține particule de carbon pentru o încălzire eficientă datorită absorbției de energie radiantă. Stabilitatea termică a elementelor structurale în acest tip de NRE nu este un factor limitativ; prin urmare, viteza de scurgere a fluidului de lucru poate depăși 30.000 m/s (impuls specific de ordinul a 3.000 s) la o temperatură a fluidului de lucru la ieșirea duzei din până la 12.000 K. Uraniul-233 , în special, este propus ca combustibil nuclear pentru GFNR . Există variante ale GFYARD închise (inclusiv cu o „lampă nucleară”) și circuit deschis (cu amestecare parțială a combustibilului nuclear și a fluidului de lucru). Se crede că NRE-urile în fază gazoasă pot fi utilizate ca motoare de primă etapă, în ciuda scurgerii de material fisionabil. În cazul utilizării unei scheme GFYARD închise cu o „lampă nucleară”, flacăra de forță a motorului poate avea o radioactivitate relativ scăzută.
Primele cercetări în domeniul NRE au fost începute în anii 1950. În Uniunea Sovietică și Statele Unite, NRE-urile în fază solidă au fost testate activ în anii 1970 . Astfel, reactorul NERVA era gata de utilizare ca motor al celei de-a treia etape a vehiculului de lansare Saturn V (vezi Saturn C-5N ), cu toate acestea, programul lunar era închis până la acel moment și nu existau alte sarcini pentru aceste lansări. vehicule. În URSS, până la sfârșitul anilor 70, un motor de rachetă nucleară RD- 0410 a fost creat și testat activ la o bază de banc din regiunea Semipalatinsk . Baza acestui motor cu o tracțiune de 3,6 tone a fost reactorul nuclear IR-100 cu elemente de combustibil dintr-o soluție solidă de carbură de uraniu și carbură de zirconiu. Temperatura hidrogenului a atins 3000 K la o putere a reactorului de ~170 MW.
NRE-urile în fază gazoasă sunt în prezent în stadiul de dezvoltare teoretică , cu toate acestea, studii experimentale au fost efectuate și în URSS și SUA. Așteptat[ de cine? ] că un nou impuls de a lucra la motoarele în fază gazoasă va da rezultatele experimentului „ Cristal de plasmă ”, desfășurat pe stațiile spațiale orbitale „ Mir ” și ISS .
La sfârşitul celui de-al doilea deceniu al secolului XXI. nu există un singur caz de aplicare practică a motoarelor de rachete nucleare, în ciuda faptului că principalele probleme tehnice ale creării unui astfel de motor au fost rezolvate cu o jumătate de secol în urmă. Principalul obstacol în calea aplicării practice a NRE-urilor sunt temerile justificate că un accident cu o aeronavă cu NRE poate crea o poluare radiativă semnificativă a atmosferei și a unei părți a suprafeței Pământului, provocând atât vătămări directe, cât și complicând situația geopolitică. În același timp, este evident că dezvoltarea ulterioară a astronauticii , după ce a asumat o natură pe scară largă, nu poate face fără utilizarea schemelor cu motoare cu rachete nucleare, deoarece motoarele cu rachete chimice au atins deja limita practică a eficacității și a lor. potențialul de dezvoltare este foarte limitat, iar pentru a crea un transport interplanetar de mare viteză, funcționare pe termen lung și justificat economic, motoarele chimice sunt nepotrivite din mai multe motive.
Motoare electrice cu rachete
Motoarele electrice cu rachete ( EPM ) folosesc energia electrică ca sursă de energie pentru a crea tracțiune. Impulsul specific al motoarelor electrice cu rachete poate ajunge la 10–210 km/s.
În funcție de metoda de conversie a energiei electrice în energia cinetică a unui curent cu jet, există motoare rachete electrotermale, motoare rachete electrostatice (ioni) și motoare rachete electromagnetice.
Valorile ridicate ale impulsului specific al ERE îi permit să consume (în comparație cu motoarele chimice) o cantitate mică de fluid de lucru pe unitatea de forță, dar acest lucru ridică problema unei cantități mari de energie electrică necesară pentru a crea tracțiune. . Puterea necesară pentru a crea o unitate de forță a unui motor de rachetă (fără a lua în considerare pierderile) este determinată de formula:
Aici - putere specifică (watt / newton de tracțiune); — impuls specific (m/s).
Astfel, cu cât impulsul specific este mai mare, cu atât este necesară mai puțină substanță și cu atât este necesară mai multă energie pentru a crea o unitate de forță. Deoarece puterea surselor de energie electrică de pe navele spațiale este foarte limitată, acest lucru limitează, de asemenea, forța pe care o poate dezvolta EJE. Cea mai acceptabilă sursă de energie electrică pentru propulsia electrică în spațiu sunt în prezent panourile solare care nu consumă combustibil și au o putere specifică suficient de mare (comparativ cu alte surse de energie electrică).
Forța redusă (care nu depășește câțiva Newtoni pentru cele mai puternice dintre motoarele electrice cu rachete moderne) și inoperabilitatea în atmosferă, la altitudini mai mici de 100 km, îngustează domeniul de aplicare al motoarelor electrice cu rachete.
În prezent, motoarele de rachete electrice sunt folosite ca motoare pentru orientarea și corectarea orbitei navelor spațiale automate (în principal sateliți de comunicații ) folosind panouri solare ca surse de energie. Datorită impulsului specific ridicat (viteza de evacuare), consumul de fluid de lucru este mic, ceea ce face posibilă asigurarea unei perioade lungi de existență activă a navei spațiale. [5]
Motoare cu rachete cu plasmă
Motor cu plasmă - un motor rachetă electric, al cărui fluid de lucru dobândește accelerație în starea de plasmă .
Motoarele cu plasmă de diferite modele au fost construite și testate încă din anii 60, cu toate acestea, la începutul secolului al XXI-lea, există un singur proiect de motor cu plasmă - VASIMR , care este implementat pe bază comercială: în timp ce motorul a trecut doar de banc. teste, dezvoltarea continuă. Alte tipuri de propulsoare cu plasmă, în special SPT și ASL (impulsoare cu strat anodic), sunt foarte apropiate de acestea, au principii de funcționare complet diferite.
Potențialul motoarelor cu plasmă este mare, totuși, în viitorul apropiat singura sa aplicație va fi corectarea orbitei ISS și a altor sateliți din apropierea Pământului [6] .
Motoare de rachete fotonice
Acest motor este ipotetic . Principiul de funcționare al unui astfel de motor este următorul: fotonii au un impuls , ceea ce înseamnă că atunci când lumina curge din duza motorului , care este o sursă de energie într-un astfel de motor, creează tracțiune a jetului . O navă spațială echipată cu un astfel de motor ar putea accelera până la viteze apropiate de lumina (lumina are fenomenul „vântului solar”, a cărui impuls depinde de dimensiunea „umbrelei”) pentru a zbura către stelele îndepărtate. Cu toate acestea, crearea unor astfel de motoare este o chestiune de viitor îndepărtat. Ele nu pot fi proiectate și construite, deoarece multe dintre probleme sunt în prezent de nerezolvat chiar și teoretic.
Tot ceea ce s-a spus în mod specific despre motoarele de rachetă poate fi redus la un singur scop - de a da caracterului haotic al energiei cinetice direcția generală necesară.
Vezi și
- Combustibil pentru racheta
- Jet de propulsie
- Motor de rachetă cu fuziune
- Motor de rachetă hibrid
- Comparația motoarelor de rachete orbitale
- prima viteză cosmică
- viteza supersonică
- Viteza hipersonică
- vehicul de lansare
- velă solară
Note
- ↑ BDT, 2017 .
- ↑ Fluorul are o greutate atomică de 18,99 - aproape 19, iar în combinație cu hidrogenul dă acid fluorhidric - HF, prin urmare, în masă, o parte de hidrogen reprezintă 19 părți de fluor. Impulsul specific maxim se realizează, totuși, într-un raport de 1:10-1:12, adică cu un exces de hidrogen de una și jumătate până la dublu față de stoichiometrie.
- ↑ Vadim Ponomarev. Ieși din fundătură . „Expert online” (31 ianuarie 2013). Consultat la 17 februarie 2013. Arhivat din original pe 26 februarie 2013.
- ↑ V. Surdin Are nevoie o persoană să zboare pe Marte? Copie de arhivă din 13 octombrie 2012 la Wayback Machine // „ Știință și viață ”, 2006, nr. 4
- ↑ [1] Arhivat 6 iunie 2011 la Wayback Machine // Cosmonautics News
- ↑ Racheta revoluționară care ar putea transporta oamenii pe Marte . Preluat la 4 august 2015. Arhivat din original la 6 august 2015.
Link -uri
- Motor de rachetă // Marea Enciclopedie Rusă : [în 35 de volume] [Resursă electronică] / cap. ed. Yu. S. Osipov . — 2017.
- Motoarele spațiale ale mileniului trei // „Știință și tehnologie”, 29 august 2003
Literatură
- Teoria motoarelor de rachete: manual pentru studenții instituțiilor de învățământ superior / Alemasov V.E., Dregalin A.F., Tishin A.P.; Ed. Glushko V.P. - M .: Mashinostroenie , 1989. - 464 p.
 Dicționare și enciclopedii | |
|---|---|
| În cataloagele bibliografice |
|