Flyvning i rummet er uden tvivl en af de mest fantastiske præstationer i vores civilisation. Den berømte Gagarin "gå!" og Armstrongs første skridt på månens overflade - historiske milepæle på vej til fjerne planeter og andre stjernesystemer. Intet ville være sket uden en raketmotor, som tillod os at overvinde planetens tyngdekraft og gjorde det muligt at gå ind i jordens kredsløb.
Enheden af raketmotoren er på den ene side så ligetil at du kan opbygge den i hjemmet selv og bruge bogstaveligt tre kopecks på den. Men på den anden side er udformningen af rum og militære raketter så kompleks, at kun nogle få stater i verden har deres produktionsteknologi.
En raketmotor (RD) er en type jetmotor, hvor arbejdsstyrken og energikilden er direkte ombord på flyet. Dette er hovedforskellen fra jetmotorer. Således er taxavejen ikke afhængig af atmosfærens ilt og kan derfor bruges til fly i rummet (luftfri) rum.
Rusland er en af verdens førende inden for raketmotorbygning. Baggrunden arvet fra Sovjetunionen er imponerende. Den indenlandske industri er i stand til at producere de bedste raketmotorer af forskellige formål. Bevis for dette er RD-180 raketmotor, som bruges i den amerikanske atlas. Leverancer til USA begyndte i 2000 og fortsætter til i dag. Der er andre interessante udviklinger, og vi snakker ikke kun om kraftfulde motorer til rum- eller ballistiske missiler, men også til taxaer til forskellige våbensystemer.
I øjeblikket er de mest almindelige såkaldte kemiske raketmotorer, hvor den specifikke impuls dannes på grund af forbrænding af brændstof. Derudover er der også nukleare og elektriske motorer. I denne artikel vil vi tale om, hvordan raketmotoren fungerer, fortælle om fordelene og ulemperne og også præsentere den nuværende klassifikation af taxaer.
Nogle fysik eller hvordan det virker
Forskellige typer af raketmotorer har betydelige forskelle i deres design, men deres arbejde er baseret på Newtons berømte tredje lov, der siger at "hver handling har samme modstand." RD udsender en stråle af arbejdsfluid i en retning, og i sig selv, i overensstemmelse med det newtonske postulat, bevæger sig i modsat retning. Brændstofforbrændingsprodukterne går gennem dysen og danner trang - disse er grundlæggende i teorien om raketmotorer.
Hvis du står i båden, kast en sten fra agteren, så vil dit skib sejle lidt fremad. Dette er den visuelle model for funktionen af alle raketmotorer. Et andet eksempel ville være arbejdet i en brandslange, hvorfra vand udstødes under højt tryk. For at holde det skal du gøre en indsats. Hvis du sætter en brandmand på et skateboard og giver ham en slange, vil han bevæge sig med en ret høj hastighed.
Hovedkarakteristika, der bestemmer effektiviteten af sådanne systemer, er trykkraft (stødkraften). Den er dannet som et resultat af transformationen af den oprindelige energi i arbejdsvæskens kinetiske stråle. I det metriske system måles raketmotortryk i newtons, mens amerikanerne tæller det i pund.
En anden vigtig parameter for raketmotorer er den specifikke impuls. Dette er forholdet mellem trykkraften (eller bevægelsesmængden) til brændstofforbruget pr. Tidsenhed. Denne parameter betragtes som graden af perfektion af en bestemt taxa, og er et mål for dets effektivitet.
Kemiske motorer opererer på grund af den eksoterme reaktion ved forbrænding af brændstof og oxidant. Denne type RD har to komponenter:
- En dyse, hvori termisk energi omdannes til kinetisk;
- Forbrændingskammeret, hvor forbrændingsprocessen finder sted, det vil sige omdannelsen af brændsels kemisk energi til varme.
Fra historien om dette problem
Raketmotoren er en af de ældste motortyper, der er kendt for menneskeheden. Vi kan ikke præcist besvare spørgsmålet, når nøjagtigt den første raket blev lavet. Der er en antagelse om, at dette blev gjort af de antikke grækere (tærduvens trædue), men de fleste historikere anser Kina for at være fødestedet for denne opfindelse. Dette skete omkring 3. århundrede e.Kr., kort efter opdagelsen af krydderier. Oprindeligt blev raketter brugt til fyrværkeri og anden underholdning. Pulverraketmotor var ret effektiv og nem at fremstille.
Det antages, at disse teknologier kom til Europa et eller andet sted i XIII århundrede, de studerede den engelske naturforsker Roger Bacon.
Den første kamp missil blev udviklet i 1556 af Konrad Haas, der opfandt forskellige typer våben til kejser Ferdinand I. Denne opfinder kan kaldes den første skaber af teorien om raketmotorer, han forfattede også ideen om en flerstadie raket - mekanismen for driften af et fly bestående af fra to raketter. Undersøgelsen blev videreført af en pol, Kazimir Semenovich, der boede midt på 1700-tallet. Alle disse projekter forblev imidlertid på papir.
Den praktiske brug af missiler begyndte kun i XIX århundrede. I 1805 viste britiske officer William Congreve pulverraketter, som på den tid havde hidtil uset kraft. Præsentationen blev imponeret, og Congreves missiler blev vedtaget af den britiske hær. Deres største fordel sammenlignet med tøndeartilleriet var høj mobilitet og relativt lave omkostninger, og den største ulempe var nøjagtigheden af ilden, som efterlod meget at ønske. I slutningen af 1800-tallet blev riflede våben bredt spredt, de fyrede meget præcist, så missilerne blev fjernet fra drift.
I Rusland blev dette spørgsmål behandlet af General Zasyadko. Han forbedrede ikke kun Congrive-missilerne, men også de første til at foreslå at bruge dem til en flyvning i rummet. I 1881 skabte den russiske opfinder Kibalchich sin egen teori om raketmotorer.
En anden vores landsmand, Konstantin Tsiolkovsky, yder et stort bidrag til udviklingen af denne teknologi. Blandt hans ideer er den flydende raketmotor (LRE), der arbejder på en blanding af ilt og hydrogen.
I begyndelsen af forrige århundrede var entusiaster i mange lande i verden involveret i oprettelsen af en flydende RD, den første til at lykkes var amerikansk opfinder Robert Goddard. Hans raket, der arbejdede på en blanding af benzin og flydende ilt, blev lanceret succesfuldt i 1926.
Anden Verdenskrig var en periode med tilbagevenden af raketvåben. I 1941 blev installationen af BM-13 volley ilden, den berømte Katyusha, vedtaget af Den Røde Hær, og i 1943 begyndte tyskerne at bruge ballistiske V-2 med en flydende drivmotor raketmotor. Den blev udviklet under ledelse af Werner von Braun, som senere ledede det amerikanske rumprogram. Tyskland styrede også produktionen af KR V-1 med en direkteflydende jetmotor.
Efter krigens afslutning mellem Sovjetunionen og USA begyndte et ægte "raket" løb. Sovjetprogrammet blev ledet af Sergey Korolev, en fremragende designer af raketmotorer. Det var under hans ledelse, at den indenlandske ICBM R-7 blev oprettet, og senere blev den første kunstige satellit lanceret, og der blev udført en bemandet rumflyvning.
I årenes løb er der blevet forsøgt at skabe raketmotorer, der opererer på bekostning af kernekraftenergiens energi (syntese), men det kom aldrig til praktisk brug af sådanne kraftværker. I 70'erne begyndte brugen af elektriske raketmotorer i USSR og USA. I dag er de vant til at korrigere banen og banen af rumfartøjer. I 70'erne og 80'erne var der eksperimenter med plasma-XRD'er, som menes at have et godt potentiale. Høje forhåbninger tilskrives ionraketmotorer, hvor anvendelsen af som teoretisk kunne betydeligt fremskynde rumfartøjer.
Men hidtil er næsten alle disse teknologier i deres barndom, og rumforskerne er den vigtigste gamle "kemiske" raket. I øjeblikket konkurrerer den amerikanske F-1, som deltog i måneprojektet, og den sovjetiske RD-170/171, som blev brugt i programmet "Energy-Buran", titlen "den mest magtfulde raketmotor i verden".
Hvad kan de lide?
Klassificeringen af raketmotorer er baseret på metoden til at opnå energi til afvisning af arbejdsfluidet. Baseret på denne parameter er taxierne:
- kemisk;
- nukleare (termonukleære)
- elektrisk (elektrisk raket);
- gas.
Hver af ovennævnte typer kan opdeles i mindre kategorier. Kemiske motorer (HDR), for eksempel afhængigt af brændstofets tilstand, er fastbrændstof og flydende brændstof. Der er også en kemisk hybrid raketmotor (GRD). HDR'en indeholder også en kile luft raket motor, som har en anden form og dyse design. Der er gasfase og atomfrekvens i fast fase. Der er flere typer elværker.
Kemisk RD: fordele og ulemper
Denne type raketmotor er den mest almindelige og godt mester. Vi kan sige, at det var HRD, der gav plads til menneskeheden. Det virker på grund af en eksoterm kemisk reaktion, og både brændstoffet og oxidatoren er ombord på flyet og danner sammen brændstoffet. Det tjener også som energikilde og grundlaget for arbejdsfluidet.
HDD'er har en relativt lille specifik impuls (sammenlignet med elektriske), men de giver dem mulighed for at udvikle større trækkraft. Dette er især vigtigt for lancering af raketmotorer og ved fjernelse af nyttelast i kredsløb.
I flydende motorer er oxidationsmidlet og brændstoffet i væskefasen. Ved hjælp af brændstofsystemet ledes de ind i kammeret, hvor de brændes og strømmer gennem dysen.
I et fast brændsel RD placeres en blanding af brændstof og oxidationsmiddel direkte i forbrændingskammeret. Som regel har brændstoffet form af en stang med en central kanal. Forbrændingsprocessen går fra midten til periferien, og gasserne, der kommer ud gennem dysen, danner et tryk. Disse motorer har flere fordele: de er relativt enkle, billige, miljøvenlige og pålidelige.
Ulemperne ved en kemisk motor med fast drivmiddel inkluderer den begrænsede driftstid, en lille indikator for den specifikke impuls (sammenlignet med flydende XRD'er) og umuligheden af genstart - efter starten kan den ikke længere stoppes. Ovennævnte egenskaber bestemmer anvendelsesområdet for fastdrevne taxaveje - det drejer sig om ballistiske og meteorologiske raketter, missiler, missiler, missiler, raketprojektiler til volleybrandsystemer. Faste brændstoffer bruges også til start af raketmotorer.
Flydende taxaways har en højere specifik impuls, de kan stoppes og genstartes igen, og stød - for at regulere. Desuden er de lettere og mere kompakte i forhold til fast brændsel. Men der er også en flyve i salven: Væskemotorer har en kompleks struktur og høje omkostninger, så deres hovedområde er astronautik.
Som komponenter af brændstof til flydende XRD anvendes forskellige kombinationer. For eksempel ilt + hydrogen eller nitrogentetraoxid + asymmetrisk dimethylhydrazin. I de senere år er ilt og parafin raketter blevet meget populære. Brændstoffet kan bestå af fem eller flere dele. Metan-raketmotorer anses for at være meget lovende, i dag er de engageret i deres oprettelse i flere lande i verden på én gang. Blandt andre interessante udviklinger på dette område kan nævnes den såkaldte detonationsraketmotor, hvis brændstof ikke brænder, men eksploderer.
Arbejdet med at forbedre HDR stopper ikke, men det er sandsynligt, at dets grænser allerede er nået - designerne har "presset" alt, hvad de kunne fra det kemiske brændstof. Et alvorligt problem med HDR er den enorme masse brændstof, som flyet skal løfte. Og det er vildt ineffektivt. Ordningen med aftagelige trin forbedrede situationen noget, men det blev tydeligvis ikke et middel.
Det skal bemærkes, at kemiske raketmotorer anvendes ikke kun til rumforskning. De fandt deres anvendelse på Jorden, men i grunden kun i militære anliggender. Alle kamp missiler, der starter med små fly eller anti-tank, og slutter med store ICBM'er, er udstyret med HRA. Overvældende har de enklere og mere pålidelige solidbrændstofmotorer. Et eksempel på den fredelige brug af HRD er geofysiske og meteorologiske raketter.
På atomskibet til stjernerne!
Flydende raketmotor gav mand plads og bidrog til at komme til de nærmeste planeter. Hastigheden af jetstråleudstødning på flydende brændstof overstiger ikke 4,5-5 m / s, hvilket gør det uegnet til fjerntliggende missioner - det kræver tønder meter per sekund. Rumfartøjer med HRD'er er stadig i stand til at levere en person til de nærmeste planeter - som Mars eller Venus - men for at rejse til fjerne objekter i solsystemet skal vi komme op med noget nyt. En af måderne ud af dette dødfald synes at være brugen af energi gemt i atomkernen.
En nuklear raketmotor (YARD) er en type kraftværk, hvor arbejdsfluidet opvarmes af nuklear fission eller synteseenergi. Afhængigt af brændstoffets tilstand kan det være fast, flydende eller gasfase. Brint eller ammoniak anvendes almindeligvis som arbejdsmedium. Traction YARD er ret sammenlignelig med kemiske motorer, mens de har en høj specifik impuls. Men der er et problem - forurening af atmosfæren med radioaktive udstødninger.
Historien om atommotorer begyndte i midten af 50'erne, to lande i verden - USA og Sovjetunionen - var involveret i deres praktiske skabelse. Allerede i 1958 satte amerikanerne opgaven med at skabe et YARD for flyvninger til Månen og Mars (NERVA-programmet). Omkring samme tid behandlede sovjetiske designere også lignende problemer. I slutningen af 70'erne blev RD-0410 atomraketmotoren oprettet, men den bestod ikke i fuld test.
I øjeblikket er de mest lovende gasfasens nukleare motorer, hvor brændstoffet er i en gasformig tilstand i en speciel forseglet kolbe. Dette eliminerer sin kontakt med arbejdsfluidet og reducerer sandsynligheden for radioaktiv forurening betydeligt. På trods af at de vigtigste tekniske problemer med oprettelsen af NRE'er længe er løst, har ingen af dem indtil nu fundet deres anvendelse i praksis. Selv om denne særlige YARD ser mest lovende ud fra den egentlige brug.
Elektriske raketmotorer, deres egenskaber, fordele og ulemper
En anden mulig konkurrent, som har en chance for at erstatte HRD, er en elektrisk raketmotor (ERE), der bruger elektrisk energi til at sprede arbejdsfluidet.
Ideen om at skabe et sådant kraftværk blev født i begyndelsen af det 20. århundrede, i 1930'erne implementerede den sovjetiske videnskabsmand Glushko det i praksis. Aktivt arbejde med elektrisk fremdrift begyndte i USA og Sovjetunionen i 1960'erne, og i 1970'erne blev de første raketmotorer af denne type allerede installeret på rumfartøjer.
Der er flere typer ERD'er:
- elektrotermiske;
- elektrostatiske;
- elektromagnetisk;
- plasma.
Elektriske raketmotorer har en høj specifik impulsfrekvens, som giver dem mulighed for økonomisk at forbruge arbejdsvæsken, men de har også brug for en masse energi, hvilket er et alvorligt problem. Indtil videre er den eneste rigtige kilde til elektrisk fremdrift solpaneler. De har lavt tryk, som ikke tillader dem at blive brugt indenfor Jordens atmosfære - Lanceringsraketmotoren fra fremdrivningsmotoren vil helt sikkert ikke fungere. I øjeblikket bruges de som shunting - til korrektion af rumfartøjer.
