Letenje v vesolje je nedvomno eden najbolj neverjetnih dosežkov naše civilizacije. Slavni Gagarin "pojdi!" in prvi korak Armstronga na lunarni površini - zgodovinski mejniki na poti do oddaljenih planetov in drugih zvezdnih sistemov. Nič se ne bi zgodilo brez raketnega motorja, ki bi nam omogočil premagati gravitacijsko silo planeta in omogočil, da gremo v orbito Zemlje.
Naprava raketnega motorja je po eni strani tako enostavna, da jo lahko zgradite doma, porabite dobesedno tri kopeke. Po drugi strani pa je načrtovanje vesoljskih in vojaških raket tako zapleteno, da ima le nekaj držav na svetu svojo proizvodno tehnologijo.
Raketni motor (RD) je vrsta reaktivnega motorja, katerega delovno telo in vir energije sta neposredno na letalu. To je njegova glavna razlika od reaktivnih motorjev. Tako vozna steza ni odvisna od kisika atmosfere in se zato lahko uporablja za lete v vesolju (brezzračni).
Rusija je ena od svetovnih voditeljev na področju gradnje raketnih motorjev. Zaostanki, ki so bili podedovani od Sovjetske zveze, so impresivni. Domača industrija lahko proizvaja najboljše raketne motorje različnih namenov. Dokaz za to je raketni motor RD-180, ki se uporablja v ameriškem atlasu. Dobave v ZDA so se začele leta 2000 in se nadaljujejo do danes. Obstajajo še drugi zanimivi dogodki in govorimo ne le o močnih motorjih za vesoljske ali balistične rakete, ampak tudi o voznih stezah za različne orožne sisteme.
Trenutno so najpogostejši tako imenovani kemični raketni motorji, v katerih se specifični impulz oblikuje zaradi izgorevanja goriva. Poleg tega obstajajo tudi jedrski in električni motorji. V tem članku bomo govorili o tem, kako deluje raketni motor, vam povem o njegovih prednostih in slabostih ter predstavite trenutno klasifikacijo voznih stez.
Nekaj fizike ali kako deluje
Različni tipi raketnih motorjev imajo precejšnje razlike v svoji zasnovi, vendar delo katerega koli od njih temelji na Newtonovem znanem tretjem zakonu, ki pravi, da ima vsak ukrep enako upornost. RD oddaja curek delovne tekočine v eno smer in se v skladu z Newtonovim postulatom premika v nasprotno smer. Izdelki zgorevanja goriva gredo skozi šobo, pri čemer nastajajo hrepenenja - to so osnove teorije raketnih motorjev.
Če stojite v čolnu, vrzite kamen s krme, potem bo vaša ladja odplula malo naprej. To je vizualni model delovanja vseh raketnih motorjev. Drug primer bi lahko bilo delo požarne cevi, iz katere se voda izloča pod visokim tlakom. Da bi jo držali, morate narediti nekaj truda. Če postavite gasilca na rolko in mu daste cev, se bo premikal s precej visoko hitrostjo.
Glavna značilnost, ki določa učinkovitost takih sistemov, je potisk (potisna sila). Nastane kot posledica preoblikovanja začetne energije v kinetični curek delovne tekočine. V metričnem sistemu se potisk raketnega motorja meri v newtonih, medtem ko ga Američani preštejejo v funtih.
Drug pomemben parameter raketnih motorjev je specifični impulz. To je razmerje med potisno silo (ali količino gibanja) in porabo goriva na enoto časa. Ta parameter se obravnava kot stopnja popolnosti določene vozne steze in je merilo njegove učinkovitosti.
Kemični motorji delujejo zaradi eksotermne reakcije izgorevanja goriva in oksidanta. Ta vrsta RD ima dve komponenti:
- Šoba, v kateri se toplotna energija pretvori v kinetično;
- Zgorevalna komora, kjer poteka proces zgorevanja, to je pretvorba kemične energije goriva v toploto.
Iz zgodovine tega vprašanja
Raketni motor je eden najstarejših tipov motorjev, ki so znani človeštvu. Ne moremo natančno odgovoriti na vprašanje, kdaj je bila izdelana prva raketa. Obstaja predpostavka, da so to storili stari Grki (leseni golob arhitekta Tarenta), vendar večina zgodovinarjev meni, da je Kitajska rojstni kraj tega izuma. To se je zgodilo okoli 3. stoletja našega štetja, kmalu po odkritju smodnika. Prvotno so se rakete uporabljale za ognjemet in drugo zabavo. Praškasti raketni motor je bil zelo učinkovit in enostaven za izdelavo.
Menijo, da te tehnologije prišel v Evropo nekje v XIII stoletju, so študirali angleški naravoslovec Roger Bacon.
Prvi bojni projektil je leta 1556 razvil Konrad Haas, ki je izumil različne vrste orožja za cesarja Ferdinanda I. Ta izumitelj se lahko imenuje prvi ustvarjalec teorije raketnih motorjev, avtor pa je tudi zamisel o večstopenjski raketi - mehanizmu delovanja letala, sestavljenega iz iz dveh raket. Raziskavo je nadaljeval Poljak Kazimir Semenovič, ki je živel sredi 17. stoletja. Vendar so vsi ti projekti ostali na papirju.
Praktična uporaba raket se je začela šele v XIX. Stoletju. Leta 1805 je britanski častnik William Congreve pokazal prašne rakete, ki so imele takrat izjemno moč. Predstavitev je bila navdušena, rakete Congreve pa je sprejela britanska vojska. Njihova glavna prednost v primerjavi s topniškim sodom je bila visoka mobilnost in razmeroma nizki stroški, glavna pomanjkljivost pa je bila natančnost požara, ki je pustil veliko za željo. Do konca 19. stoletja so bile orožne puške zelo razširjene, zelo natančno so streljali, zato so bile izstreljene rakete.
V Rusiji je to vprašanje obravnaval general Zasyadko. Ne samo, da je izboljšal rakete Congrive, ampak je tudi prvi predlagal njihovo uporabo za let v vesolje. Leta 1881 je ruski izumitelj Kibalchich ustvaril lastno teorijo raketnih motorjev.
Še en naš rojak Konstantin Tsiolkovsky je veliko prispeval k razvoju te tehnologije. Med njegovimi zamislimi je tudi tekočinski raketni motor (LRE), ki deluje na mešanico kisika in vodika.
V začetku prejšnjega stoletja so se ljudje v številnih državah sveta ukvarjali z ustvarjanjem tekočega RD, ki je prvi uspel ameriški izumitelj Robert Goddard. Njegova raketa, ki je delala na mešanici bencina in tekočega kisika, je bila uspešno lansirana leta 1926.
Druga svetovna vojna je bila obdobje vračanja raketnega orožja. Leta 1941 je Rdeča armada prevzela namestitev odbojnega ognja BM-13, znane Katjuše, leta 1943 pa so Nemci začeli uporabljati balistični V-2 z raketnim motorjem s tekočim gorivom. Razvita je bila pod vodstvom Wernerja von Brauna, ki je kasneje vodil ameriški vesoljski program. Nemčija je obvladovala tudi proizvodnjo KR V-1 z reaktivnim motorjem z direktnim tokom.
Po koncu vojne med ZSSR in ZDA se je začela prava »raketna« dirka. Sovjetski program je vodil Sergej Korolev, izjemni oblikovalec raketnih motorjev, pod njegovim vodstvom je nastal domači ICBM R-7, kasneje pa je bil lansiran prvi umetni satelit in izveden je bil vesoljski polet s posadko.
V preteklih letih so bili poskušani ustvariti raketne motorje, ki delujejo na račun energije jedrskega razpada (sinteze), vendar nikoli ni prišlo do praktične uporabe takšnih elektrarn. V 70. letih se je začela uporaba električnih raketnih motorjev v ZSSR in ZDA. Danes se uporabljajo za popravljanje orbit in poteka vesoljskih plovil. V sedemdesetih in osemdesetih letih prejšnjega stoletja so potekali poskusi s plazemskimi XRD, ki naj bi imeli dober potencial. Velika upanja se pripisujejo ionskim raketnim motorjem, katerih uporaba bi teoretično lahko znatno pospešila vesoljska plovila.
Vendar so doslej skoraj vse te tehnologije v povojih in glavno sredstvo raziskovalcev vesolja ostaja dobra stara "kemična" raketa. Trenutno je ameriški F-1, ki je sodeloval v lunarnem projektu, in sovjetski RD-170/171, ki je bil uporabljen v programu "Energija-Buran", tekmujejo za naziv "najmočnejšega raketnega motorja na svetu".
Kakšni so?
Klasifikacija raketnih motorjev temelji na metodi pridobivanja energije za zavračanje delovne tekočine. Na podlagi tega parametra so vozne steze:
- kemična;
- jedrski (termonuklearni);
- električna (električna raketa);
- plina.
Vsako od zgoraj navedenih vrst lahko razdelimo v manjše kategorije. Kemični motorji (HDR), na primer, odvisno od agregatnega stanja goriva, so trdna goriva in tekoča goriva. Obstaja tudi kemični hibridni raketni motor (GRD). HDR vključuje tudi klinasti raketni motor, ki ima drugačno obliko in obliko šobe. Obstajajo plinska in trdna faza jedra RD. Obstaja več vrst elektrarn.
Kemična RD: prednosti in slabosti
Ta vrsta raketnega motorja je najbolj pogosta in dobro obvladana. Lahko rečemo, da je bil človeški razvoj prav tako človek. Deluje zaradi eksotermne kemijske reakcije, gorivo in oksidant pa sta v zrakoplovu in skupaj tvorita gorivo. Prav tako služi kot vir energije in osnova za delovno tekočino.
Trdi diski imajo relativno majhen specifični impulz (v primerjavi z električnimi), vendar jim omogočajo, da razvijejo večji oprijem. To je še posebej pomembno pri zagonu raketnih motorjev in pri odstranjevanju tovora v orbito.
V tekočih motorjih sta oksidant in gorivo v tekoči fazi. S pomočjo sistema za dovajanje goriva se napajajo v komoro, kjer se zažgejo in tečejo skozi šobo.
V trdem gorivu RD je mešanica goriva in oksidanta nameščena neposredno v zgorevalno komoro. Praviloma ima gorivo obliko palice z osrednjim kanalom. Proces zgorevanja poteka od središča do periferije, plini, ki prihajajo skozi šobo, tvorijo potisk. Ti motorji imajo več prednosti: so relativno preprosti, poceni, okolju prijazni in zanesljivi.
Slabosti kemičnega motorja s trdnim pogonom so omejeno trajanje njegovega delovanja, majhen indikator specifičnega impulza (v primerjavi s tekočimi XRD) in nezmožnost ponovnega zagona - po zagonu ni več mogoče ustaviti. Zgornje značilnosti določajo obseg uporabe trdnih pogonskih stez - to so balistične in meteorološke rakete, rakete, rakete, rakete, raketni projektili za sisteme požarnega požara. Trdna goriva se uporabljajo tudi pri zagonu raketnih motorjev.
Tekoče vozne steze imajo višji specifični impulz, jih je mogoče ustaviti in ponovno zagnati, ter potiskati - regulirati. Poleg tega so v primerjavi s trdnim gorivom lažji in kompaktnejši. Vendar pa obstaja tudi muha v mazilu: fluidni motorji imajo kompleksno strukturo in visoke stroške, zato je glavno področje njihove uporabe astronavtika.
Kot sestavine goriva za tekoče XRD uporabite različne kombinacije. Na primer, kisik + vodik ali dušikov tetraoksid + asimetrični dimetil hidrazin. V zadnjih letih so rakete s kisikom in kerozinom postale zelo priljubljene. Gorivo je lahko sestavljeno iz petih ali več delov. Za metanske raketne motorje velja, da so zelo obetavne, danes pa se ukvarjajo z njihovim ustvarjanjem v več državah sveta naenkrat. Med drugimi zanimivimi dogodki na tem področju lahko omenimo tako imenovani detonacijski raketni motor, katerega gorivo ne gori, ampak eksplodira.
Delo na izboljšanju HDR se ne ustavi, vendar je verjetno, da so njegove meje že dosežene - oblikovalci so iz kemičnega goriva »stisnili« vse, kar so lahko. Resen problem HDR je ogromna količina goriva, ki jo mora zrakoplov dvigniti. In to je divje neučinkovito. Shema z ločljivimi koraki je nekoliko izboljšala stanje, vendar očitno ni postala rešitev.
Treba je opozoriti, da se kemični raketni motorji ne uporabljajo samo za raziskovanje vesolja. Svojo uporabo so našli na Zemlji, čeprav le v vojaških zadevah. Vse bojne rakete, ki se začnejo z majhnimi zrakoplovi ali protitankovskimi napravami in končajo z velikimi ICBM, so opremljene s HRA. Pretežno imajo preprostejše in zanesljivejše motorje na trda goriva. Primer miroljubne uporabe HRD so geofizikalne in meteorološke rakete.
Na atomski ladji do zvezd!
Tekoči raketni motor je dal človeku prostor in pomagal priti do najbližjih planetov. Hitrost izpušnih plinov na tekoče gorivo ne presega 4,5-5 m / s, zaradi česar je neprimerna za oddaljene misije - to zahteva desetine metrov na sekundo. Vesoljska plovila s človeškimi viri so še vedno sposobna dostaviti osebo do najbližjih planetov - kot sta Mars ali Venera - vendar za potovanje v oddaljene objekte sončnega sistema bomo morali pripraviti nekaj novega. Zdi se, da je eden od izhodov iz te slepe ulice uporaba energije, skrite v atomskem jedru.
Jedrski raketni motor (YARD) je vrsta elektrarne, v kateri se delovna tekočina segreva z jedrsko fisijo ali sintezno energijo. Odvisno od stanja goriva je lahko trdna, tekoča ali plinska. Kot delovni medij se običajno uporablja vodik ali amonijak. Vlečna YARD je povsem primerljiva s kemičnimi motorji, medtem ko imajo visok specifični impulz. Vendar pa obstaja ena težava - onesnaževanje ozračja z radioaktivnim izpušnim plinom.
Zgodovina jedrskih motorjev se je začela sredi 50. let, dve državi na svetu - Združene države in Sovjetska zveza - sta se ukvarjali s praktičnim oblikovanjem. Američani so že leta 1958 postavili nalogo, da oblikujejo YARD za lete na Luno in Mars (program NERVA). Približno v istem času so sovjetski oblikovalci obravnavali tudi podobna vprašanja. Do konca sedemdesetih let prejšnjega stoletja je nastal jedrski raketni motor RD-0410, ki pa ni opravil popolnih testov.
Trenutno najbolj obetavni so plinski fazni jedrski motorji, v katerih je gorivo v plinastem stanju v posebni zaprti bučki. To odpravlja stik z delovno tekočino in bistveno zmanjšuje verjetnost radioaktivnega onesnaženja. Kljub temu, da so glavni tehnični problemi oblikovanja NRE že dolgo rešeni, doslej nobena od njih ni našla svoje uporabe v praksi. Čeprav je ta poseben YARD z vidika resnične uporabe najbolj obetaven.
Električni raketni motorji, njihove značilnosti, prednosti in slabosti
Drugi možni konkurent, ki ima možnost zamenjati HRD, je električni raketni motor (ERE), ki uporablja električno energijo za razpršitev delovne tekočine.
Zamisel o ustanovitvi takšne elektrarne se je rodila v začetku 20. stoletja, v tridesetih letih prejšnjega stoletja je sovjetski znanstvenik Glushko izvedel v praksi. Aktivno delo na električni pogon se je začelo v Združenih državah in ZSSR v šestdesetih letih in v sedemdesetih letih prejšnjega stoletja so bili prvi raketni motorji tega tipa že nameščeni na vesoljskih plovilih.
Obstaja več vrst ERD:
- elektrotermična;
- elektrostatična;
- elektromagnetno;
- plazme
Električni raketni motorji imajo visoko specifično hitrost impulzov, kar jim omogoča ekonomično porabo delovne tekočine, potrebujejo pa tudi veliko energije, kar je resen problem. Do sedaj je edini pravi vir električnega pogona sončni kolektorji. Imajo nizek potisk, ki ne omogoča, da se uporabljajo v Zemljini atmosferi - raketni motor lansiranja iz pogonskega motorja zagotovo ne bo deloval. Trenutno se uporabljajo kot ranžiranje - za popravljanje orbite vesoljskih plovil.
