Lentäminen avaruuteen on epäilemättä yksi sivilisaatiomme upeimmista saavutuksista. Kuuluisa Gagarin "mene!" ja Armstrongin ensimmäinen askel kuun pinnalla - historialliset virstanpylväät matkalla kaukaisiin planeetoihin ja muihin tähtijärjestelmiin. Mikään ei olisi tapahtunut ilman rakettimoottoria, jonka ansiosta voimme voittaa planeetan gravitaatiovoiman ja mahdollistanut maapallon kiertoradan.
Rakettimoottorin laite on toisaalta niin suoraviivainen, että voit rakentaa sen kotona itse, kuluttamalla siihen kirjaimellisesti kolme kopikat. Toisaalta avaruus- ja sotilasrakettien suunnittelu on niin monimutkainen, että vain harvat valtiot maailmassa ovat valmistustekniikallaan.
Rakettimoottori (RD) on tyyppinen suihkumoottori, jonka työ- ja energialähde on suoraan ilma-aluksessa. Tämä on sen pääasiallinen ero jet-moottoreista. Täten taksireitti ei riipu ilmakehän hapesta ja siksi sitä voidaan käyttää avaruuteen (ilmaa) sisältäviin lentoihin.
Venäjä on yksi maailman johtavista rakettimoottorien rakentamisen alalla. Neuvostoliitosta perittyjä töitä on vaikuttava. Kotimainen teollisuus pystyy tuottamaan eri tarkoituksiin parhaiten sopivia rakettimoottoreita. Tämä on todiste RD-180-rakettimoottorista, jota käytetään American Atlasissa. Toimitukset Yhdysvaltoihin alkoivat vuonna 2000 ja jatkuvat tähän päivään. On muitakin mielenkiintoisia tapahtumia, ja puhumme paitsi avaruus- tai ballististen ohjusten voimakkaista moottoreista kuin myös eri asejärjestelmien rullauksista.
Tällä hetkellä yleisimpiä ns. Kemiallisia rakettimoottoreita, joissa erityinen impulssi muodostuu polttoaineen palamisen takia. Näiden lisäksi on myös ydin- ja sähkömoottoreita. Tässä artikkelissa puhumme siitä, miten rakettimoottori toimii, kertoa teille sen eduista ja haitoista sekä esitellä myös taksireittien nykyinen luokittelu.
Jotkin fysiikka tai miten se toimii
Erilaisilla rakettimoottoreilla on merkittäviä eroja niiden suunnittelussa, mutta minkä tahansa niistä perustuu Newtonin kuuluisaan kolmanteen lakiin, jossa sanotaan, että "jokaisella toiminnalla on sama vastus." RD säteilee työveden suihkua yhdessä suunnassa, ja itse Newtonin postulaatin mukaisesti se liikkuu vastakkaiseen suuntaan. Polttoaineen palamistuotteet kulkevat suuttimen läpi ja muodostavat himoa - nämä ovat rakettimoottorien teorian perusteet.
Jos seisot veneessä, heitä kivi perästä, niin aluksenne purjehtii hieman eteenpäin. Tämä on kaikkien rakettimoottorien toiminnan visuaalinen malli. Toinen esimerkki voisi olla paloletkun työ, josta vesi poistetaan korkeassa paineessa. Pidä sitä tarpeellisena. Jos laitat palomiehen rullalautaan ja annat hänelle letkun, hän liikkuu melko suurella nopeudella.
Tärkein ominaisuus, joka määrittää tällaisten järjestelmien tehokkuuden, on työntövoima (työntövoima). Se muodostuu alkuperäisen energian muuntamisesta työnesteen kineettiseksi suihkuksi. Metrijärjestelmässä rakettimoottorin työntövoima mitataan newtoneina, kun taas amerikkalaiset laskevat sen kiloina.
Toinen tärkeä rakettimoottorien parametri on erityinen impulssi. Tämä on työntövoiman (tai liikkeen määrän) suhde polttoaineenkulutukseen aikayksikköä kohti. Tätä parametria pidetään tietyn takoradan täydellisyyden asteena ja se on sen tehokkuuden mitta.
Kemialliset moottorit toimivat polttoaineen ja hapettimen eksotermisen reaktion vuoksi. Tämäntyyppisellä RD: llä on kaksi osaa:
- Suutin, jossa lämpöenergia muunnetaan kineettiseksi;
- Polttokammio, jossa polttoprosessi tapahtuu, eli polttoaineen kemiallisen energian muuntaminen lämmöksi.
Tämän asian historiasta
Rakettimoottori on yksi ihmiskunnan tunnetuimmista moottorityypeistä. Emme voi tarkasti vastata kysymykseen, kun juuri ensimmäinen raketti tehtiin. Oletuksena on, että tämän tekivät muinaiset kreikkalaiset (Tarentin arkkitehtuurin puukiekko), mutta useimmat historioitsijat pitävät Kiinaa tämän keksinnön syntymäpaikkana. Tämä tapahtui noin 3. vuosisadan ajan, pian sen jälkeen, kun oli havaittu ruuti. Alun perin raketteja käytettiin ilotulitteisiin ja muihin viihteisiin. Jauherakettimoottori oli melko tehokas ja helppo valmistaa.
Uskotaan, että nämä tekniikat tulivat Eurooppaan jonnekin XIII vuosisadalla, he opiskelivat englantilaisen luonnontieteilijän Roger Baconin.
Konrad Haas kehitti vuonna 1556 ensimmäisen taisteluohjuksen keisarin Ferdinand I: lle keksimiä erilaisia aseita. Tätä keksijää voidaan kutsua rakettimoottorien teorian ensimmäiseksi luojaksi. kahdesta raketista. Kyselyä jatkoi puolalainen Kazimir Semenovich, joka asui 1700-luvun puolivälissä. Kaikki nämä hankkeet jäivät kuitenkin paperille.
Ohjusten käytännön käyttö alkoi vasta XIX-luvulla. Vuonna 1805 Britannian upseeri William Congreve näytti jauheraketteja, joilla oli tuolloin ennennäkemätöntä voimaa. Esitys oli vaikuttunut, ja Britannian armeija hyväksyi Congreve-ohjukset. Niiden pääasiallinen etu verrattuna piipun tykistöön oli suuri liikkuvuus ja suhteellisen alhaiset kustannukset, ja suurin haittapuoli oli palon tarkkuus, joka jätti paljon toivomisen varaa. 1800-luvun loppuun mennessä levitettiin aseistettuja aseita, he ampivat hyvin tarkasti, joten ohjukset poistettiin käytöstä.
Venäjällä asiaa käsitti kenraali Zasyadko. Hän ei ainoastaan parantanut Congrive-ohjuksia, vaan myös ensimmäisenä, joka ehdotti niiden käyttöä lentoon avaruuteen. Vuonna 1881 Venäjän keksijä Kibalchich loi oman rakettimoottorien teorian.
Toinen maanmiehemme Konstantin Tsiolkovsky antoi valtavan panoksen tämän teknologian kehittämiseen. Hänen ideoidensa joukossa on nestemäinen rakettimoottori (LRE), joka työskentelee hapen ja vedyn seoksessa.
Viime vuosisadan alussa monien maailman maiden harrastajat tekivät nestemäisen RD: n luomisen. Ensimmäinen menestys oli amerikkalainen keksijä Robert Goddard. Hänen raketti, joka työskentelee bensiinin ja nestemäisen hapen seoksessa, käynnistyi onnistuneesti vuonna 1926.
Toisen maailmansodan aikana raketti aseita palasi. Vuonna 1941 puna-armeija otti käyttöön kuuluisan Katyushan, BM-13-volley-tulipalon, ja vuonna 1943 saksalaiset alkoivat käyttää ballistista V-2: ta nestemäistä polttoainetta käyttävällä rakettimoottorilla. Se kehitettiin Werner von Braunin johdolla, joka johti myöhemmin amerikkalaista avaruusohjelmaa. Saksa hallitsi myös KR V-1: n tuotantoa suoravirtaussuihkukoneella.
Neuvostoliiton ja USA: n välisen sodan päätyttyä alkoi todellinen "raketti" -rotu. Neuvostoliiton ohjelmaa johti rakettimoottorien erinomainen suunnittelija Sergei Korolev. Hänen johdollaan luotiin kotimainen ICBM R-7 ja myöhemmin ensimmäinen keinotekoinen satelliitti käynnistettiin ja miehitetty avaruuslento tehtiin.
Vuosien varrella on pyritty luomaan rakettimoottoreita, jotka toimivat ydinvoimalaitoksen energian kustannuksella (synteesi), mutta tällaisia voimalaitoksia ei koskaan käyty käytännössä. 70-luvulla sähkönrakettimoottoreiden käyttö alkoi Neuvostoliitossa ja Yhdysvalloissa. Nykyään niitä käytetään korjaamaan avaruusalusten kiertoradat ja kulku. 70- ja 80-luvuilla oli kokeita plasman XRD-soluilla, joiden uskotaan olevan hyvät. Suuret toiveet johtuvat ionirakettimoottoreista, joiden käyttö teoriassa voisi nopeuttaa merkittävästi avaruusaluksia.
Kuitenkin toistaiseksi lähes kaikki nämä tekniikat ovat lapsenkengissään, ja avaruustutkijoiden pääajoneuvo on edelleen hyvä vanha "kemiallinen" raketti. Tällä hetkellä kuun projektiin osallistunut amerikkalainen F-1 ja "Energy-Buran" -ohjelmassa käytetty Neuvostoliiton RD-170/171 kilpailevat "maailman tehokkaimman rakettimoottorin" nimestä.
Mitä he haluavat?
Rakettimoottorien luokittelu perustuu menetelmään, jolla saadaan energiaa työväliaineen hylkäämiseksi. Tämän parametrin perusteella taksit ovat:
- kemialliset;
- ydinenergia (lämpöydin);
- sähköinen (sähköinen raketti);
- kaasua.
Kaikki edellä mainitut tyypit voidaan jakaa pienempiin luokkiin. Kemialliset moottorit (HDR), esimerkiksi polttoaineen aggregaatiosta riippuen, ovat kiinteitä polttoaineita ja nestemäisiä polttoaineita. On olemassa myös kemiallinen hybridirakettimoottori (GRD). HDR: ssä on myös kiilaisilmapuhallusmoottori, jolla on erilainen muoto ja suutinsuunnittelu. On olemassa kaasufaasi- ja kiinteän faasin ydinalan RD. Sähkövoimalaitoksia on useita.
Chemical RD: edut ja haitat
Tällainen rakettimoottori on yleisin ja hyvin hallittu. Voimme sanoa, että se oli HRD, joka antoi tilaa ihmiskunnalle. Se toimii eksotermisen kemiallisen reaktion vuoksi, ja sekä polttoaine että hapetin ovat lentokoneessa ja muodostavat yhdessä polttoaineen. Se toimii myös energialähteenä ja työvälineen perustana.
Kiintolevyillä on suhteellisen pieni spesifinen impulssi (verrattuna sähköisiin), mutta ne mahdollistavat suuremman vetovoiman. Tämä on erityisen tärkeää rakettimoottorien käynnistämisessä ja hyötykuorman poistamisessa kiertoradalle.
Nestemäisissä moottoreissa hapetin ja polttoaine ovat nestefaasissa. Polttoainejärjestelmän avulla ne syötetään kammioon, jossa ne poltetaan ja virtaavat suuttimen läpi.
Kiinteässä polttoaineessa RD polttoaineen ja hapettimen seos sijoitetaan suoraan polttokammioon. Polttoaineella on pääsääntöisesti sauvan muotoinen keskikanava. Palamisprosessi kulkee keskeltä kehään, kaasut, jotka tulevat suuttimen läpi, muodostavat työntövoiman. Näillä moottoreilla on useita etuja: ne ovat suhteellisen yksinkertaisia, halpoja, ympäristöystävällisiä ja luotettavia.
Kiinteän ponneaineen kemiallisen moottorin haittapuolena on sen toiminnan rajoitettu kesto, pieni indikaattori spesifisestä impulssista (verrattuna nestemäisiin XRD: eihin) ja uudelleenkäynnistyksen mahdottomuus - käynnistämisen jälkeen sitä ei voi enää pysäyttää. Edellä mainitut piirteet määrittävät kiinteiden ponneaineiden rullaustien käytön laajuuden - nämä ovat ballistisia ja meteorologisia raketteja, ohjuksia, ohjuksia, ohjuksia, rakettiheittimiä volley-palo-järjestelmille. Kiinteitä polttoaineita käytetään myös rakettimoottorien käynnistämisessä.
Nestemäisillä ajoradoilla on korkeampi spesifinen impulssi, ne voidaan pysäyttää ja käynnistää uudelleen ja työntövoima säätää. Lisäksi kiinteät polttoaineet ovat kevyempiä ja pienempiä. Mutta myös voiteessa on lentää: nestemäisillä moottoreilla on monimutkainen rakenne ja korkeat kustannukset, joten niiden pääasiallinen käyttöalue on astronautika.
Nestemäisen XRD: n polttoaineen komponentteina käytetään erilaisia yhdistelmiä. Esimerkiksi happi + vety tai typen tetraoksidi + asymmetrinen dimetyylihydratsiini. Viime vuosina happi- ja kerosiiniraketit ovat tulleet erittäin suosituiksi. Polttoaine voi koostua viidestä tai useammasta osasta. Metaaniraketimoottoreita pidetään erittäin lupaavina, ja nykyään ne ovat tekemisissä useiden maailman maiden kanssa. Muita mielenkiintoisia tapahtumia tällä alalla voidaan mainita niin sanotulla räjähdysrakettimoottorilla, jonka polttoaine ei pala, mutta räjähtää.
Työ HDR: n parantamiseksi ei lopu, mutta on todennäköistä, että sen rajat on jo saavutettu - suunnittelijat ovat "puristaneet" kaiken, mitä he voisivat saada kemiallisesta polttoaineesta. Vakava ongelma HDR: ssä on suuri polttoaineen massa, jonka ilma-alus on nostettava. Ja tämä on villisti tehotonta. Järjestelmä, jossa on irrotettavia vaiheita, parani jonkin verran tilannetta, mutta se ei selvästikään tullut ihmelääke.
On huomattava, että kemiallisia rakettimoottoreita käytetään paitsi avaruustutkimukseen. He löysivät niiden käytön maapallolla, periaatteessa vain sotilaallisissa asioissa. Kaikki taistelevat ohjukset, jotka alkavat pienistä ilma-aluksista tai säiliönestoaineista ja päättyvät valtaviin ICBM-laitteisiin, on varustettu HRA: lla. Ylivoimaisesti niillä on yksinkertaisempia ja luotettavampia kiinteän polttoaineen moottoreita. Eräs esimerkki HRD: n rauhanomaisesta käytöstä on geofysikaalisia ja meteorologisia raketteja.
Atomilaivalla tähdet!
Nestemäinen rakettimoottori antoi ihmiselle tilaa ja auttoi pääsemään lähimpiin planeettoihin. Suihkun jet-pakokaasun nopeus nestemäisessä polttoaineessa ei ylitä 4,5-5 m / s, mikä tekee siitä sopimattomaksi kaukaisiin lähetyksiin - tämä vaatii kymmeniä metrejä sekunnissa. HRD-laitteilla varustetut avaruusalukset pystyvät edelleen toimittamaan henkilön lähimmille planeeteille - kuten Marsille tai Venukselle - mutta matkustamaan aurinkokunnan kaukaisiin kohteisiin meidän on keksittävä jotain uutta. Yksi keino päästä pois tästä umpikujasta näyttää olevan atomin ytimeen piilotetun energian käyttö.
Ydinrakettimoottori (YARD) on eräänlainen voimalaitos, jossa työnestettä lämmitetään ydinfissiolla tai synteesienergialla. Polttoaineen tilasta riippuen se voi olla kiinteä, nestemäinen tai kaasufaasi. Typpiväliaineena käytetään yleisesti vetyä tai ammoniakkia. Vetovoima on melko vertailukelpoinen kemiallisten moottoreiden kanssa, mutta niillä on korkea spesifinen impulssi. On kuitenkin yksi ongelma - ilmakehän saastuminen radioaktiivisella pakokaasulla.
Ydinvoimaloiden historia alkoi 50-luvun puolivälissä, kaksi maailman maata - Yhdysvallat ja Neuvostoliitto - harjoittivat käytännön luomista. Jo vuonna 1958 amerikkalaiset asettivat tehtävän luoda YARD lennoille Kuu ja Mars (NERVA-ohjelma). Samalla ajankohtana Neuvostoliiton suunnittelijat käsittelivät samankaltaisia asioita. 1970-luvun loppuun mennessä luotiin RD-0410-ydinrakettimoottori, mutta se ei läpäissyt kokoja.
Tällä hetkellä lupaavimmat ovat kaasufaasimoottorit, joissa polttoaine on kaasumaisessa tilassa erityisessä suljetussa pullossa. Tämä eliminoi sen kosketuksen työnesteen kanssa ja vähentää merkittävästi radioaktiivisen kontaminaation todennäköisyyttä. Huolimatta siitä, että NRE: iden luomisen tärkeimmät tekniset ongelmat on jo pitkään ratkaistu, toistaiseksi yksikään niistä ei ole havainnut käytäntöään. Vaikka tämä YARD näyttääkin lupaavimmalta todellisen käytön näkökulmasta.
Sähkökäyttöiset rakettimoottorit, niiden ominaisuudet, edut ja haitat
Toinen mahdollinen kilpailija, jolla on mahdollisuus korvata HRD, on sähkökäyttöinen rakettimoottori (ERE), joka käyttää sähköenergiaa työnesteen hajottamiseen.
Ajatus tällaisen voimalaitoksen luomisesta syntyi 1900-luvun alussa, ja 1930-luvulla neuvostoliiton tutkija Glushko toteutti sen käytännössä. Aktiivinen työ sähkökäyttöön alkoi Yhdysvalloissa ja Neuvostoliitossa 1960-luvulla, ja 1970-luvulla ensimmäiset tämäntyyppiset rakettimoottorit oli jo asennettu avaruusalukseen.
ERD-tyyppejä on useita:
- sähkötermiset;
- sähköstaattiset;
- sähkömagneettinen;
- plasmassa.
Sähkökäyttöisillä rakettimoottoreilla on korkea spesifinen impulssi, jonka ansiosta ne voivat kuluttaa työvoimaa taloudellisesti, mutta tarvitsevat myös paljon energiaa, mikä on vakava ongelma. Toistaiseksi ainoa todellinen sähkökäytön lähde on aurinkopaneelit. Niillä on alhainen työntövoima, joka ei salli niiden käyttöä maapallon ilmakehässä - propulsiomoottorin käynnistävä rakettimoottori ei varmasti toimi. Tällä hetkellä niitä käytetään purkamiseen - avaruusaluksen kiertoradojen korjaamiseen.
