Ракетный двигатель: различия между версиями
| [непроверенная версия] | [непроверенная версия] |
Содержимое удалено Содержимое добавлено
Tpyvvikky (обсуждение | вклад) →См. также: Сравнение орбитальных ракетных двигателей |
Tpyvvikky (обсуждение | вклад) оформление |
||
Строка 7:
== Химические ракетные двигатели ==
{{main|Химический ракетный двигатель}}
[[Файл:Space Shuttle Columbia launching.jpg|thumb|300px|Двигательная установка [[Спейс шаттл]]а сочетает в себе основные типы химических ракетных двигателей: <br />боковые ускорители — [[РДТТ]]; <br /> маршевые двигатели орбитера — [[ЖРД]]
Наиболее распространены [[Химия|химические]] ракетные двигатели, в которых, в результате экзотермической [[Химическая реакция|химической реакции]] [[горючее|горючего]] и [[окислитель|окислителя]] (вместе именуемых [[топливо]]м), продукты сгорания нагреваются в камере сгорания до высоких температур, расширяясь, разгоняются в [[сопло Лаваля|сверхзвуковом сопле]] и истекают из двигателя. Топливо химического ракетного двигателя является источником как тепловой энергии, так и газообразного [[рабочее тело|рабочего тела]], при расширении которого его внутренняя энергия преобразуется в кинетическую энергию реактивной струи.
В [[твердотопливный ракетный двигатель|твердотопливном двигателе]] (РДТТ) горючее и окислитель хранятся в форме смеси твёрдых веществ, а топливная ёмкость одновременно выполняет функции камеры сгорания. Твердотопливный двигатель и ракета, оборудованная им, конструктивно устроены гораздо проще всех других типов ракетных двигателей и соответствующих ракет, а потому они надёжны, дёшевы в производстве, не требуют больших трудозатрат при хранении и транспортировке, время подготовки их к пуску минимально. Поэтому в настоящее время они вытесняют другие типы ракетных двигателей из области военного применения. Вместе с тем, твёрдое топливо энергетически менее эффективно, чем жидкое. Удельный импульс твердотопливных двигателей составляет 2000 — 3000 м/с. Тяга — свыше
В [[жидкостный ракетный двигатель|жидкостных ракетных двигателях]] (ЖРД) горючее и окислитель пребывают в [[жидкость|жидком агрегатном состоянии]]. Они подаются в камеру сгорания с помощью турбонасосной или вытеснительной систем подач. Жидкостные ракетные двигатели допускают регулирование тяги в широких пределах, и многократное включение и выключение, что особенно важно при маневрировании в космическом пространстве. Удельный импульс ЖРД достигает 4500 м/c. Тяга — свыше
В качестве пары горючее + окислитель могут использоваться [[Ракетный двигатель|различные компоненты]]. В современных криогенных двигателях используется пара жидкий кислород + жидкий водород (наиболее эффективные компоненты для ЖРД). Другой группой компонентов являются самовоспламеняющиеся при контакте друг с другом, пример такой схемы — азотный тетраоксид + несимметричный диметилгидразин. Довольно часто применяется пара жидкий кислород + керосин. Существенно соотношение компонентов: на 1 часть горючего может подаваться от 1 части окислителя (топливная пара кислород + [[гидразин]]) до 5 и даже 19 частей окислителя (топливные пары [[азотная кислота]] + [[керосин]] и [[фтор]] + [[водород]]<ref>[[Фтор]] имеет атомный вес 18,99 — почти 19, и в соединении с водородом даёт [[фтороводород]] — HF, следовательно, по массе на одну часть водорода приходится 19 частей фтора. Максимум удельного импульса достигается, однако, при соотношении 1:10-1:12, то есть, при полутора-двукратном избытке водорода по сравнению со стехиометрией.</ref> соответственно).
Обладая сравнительно невысоким удельным импульсом (в сравнении с электрическими ракетными двигателями), химические ракетные двигатели позволяют развивать большую тягу, что особенно важно при создании средств выведения полезной нагрузки на орбиту или для осуществления межпланетных полётов в относительно короткие сроки.
На конец
Следует также отметить, что на 2013 год, для химических ракетных двигателей практически достигнут предел энергетических возможностей топлива, и поэтому теоретически не предвидится возможность существенного увеличения их [[удельный импульс|удельного импульса]]<ref>{{cite web|url=http://expert.ru/2013/01/31/vyijti-iz-tupika/?n=172|title=Выйти из тупика|author=Вадим Пономарев|date=31 января 2013|publisher=«Expert Online»|accessdate=2013-02-17|archiveurl=https://www.webcitation.org/6EiIQuNw4?url=http://expert.ru/2013/01/31/vyijti-iz-tupika/?n=172#|archivedate=2013-02-26|deadlink=no}}</ref>, а это ограничивает возможности ракетной техники, базирующейся на использовании химических двигателей, уже освоенными двумя направлениями:
# Космические полёты в околоземном пространстве (как пилотируемые, так и беспилотные).
# Исследование космоса в пределах [[Солнечная система|Солнечной системы]] с помощью автоматических аппаратов (космические аппараты серий
Если кратковременная пилотируемая экспедиция к [[Марс (планета)|Марсу]] или [[Венера (планета)|Венере]] с использованием химических двигателей ещё представляется возможной (хотя существуют сомнения в целесообразности такого рода полётов<ref>''В. Сурдин'' [http://www.nkj.ru/archive/articles/4234/
Для ряда случаев выгодно применять [[Гибридный ракетный двигатель|гибридные ракетные двигатели]], в котором один компонент ракетного топлива хранится в твёрдом состоянии, а другой (как правило — окислитель) — в жидком. Такие двигатели обладают меньшей стоимостью, чем жидкостные, более надёжны. В отличие от твердотопливных, допускают многократное включение. При длительном хранении заряда его характеристики ухудшаются незначительно.
Строка 30:
== Ядерные ракетные двигатели ==
{{main|Ядерный ракетный двигатель}}
Ядерный ракетный двигатель — реактивный двигатель, рабочее тело в котором (например, водород, аммиак и др.) нагревается за счет энергии, выделяющейся при ядерных реакциях ([[Ядерный распад|распада]] или [[Термоядерный синтез|термоядерного синтеза]]). Различают радиоизотопные, ядерные и [[термоядерные ракетные двигатели]]. Ядерное топливо применяют только в [[Крылатые ракеты|крылатых ракетах]]{{нет АИ|23|12|2018}}.
Ядерные ракетные двигатели позволяют достичь значительно более высокого (по сравнению с химическими ракетными двигателями) значения [[Удельный импульс|удельного импульса]] благодаря большой скорости истечения рабочего тела (от 8 000 м/с до 50 км/с и более). Вместе с тем, общая тяга ЯРД может быть сравнима с тягой химических ракетных двигателей, что создает предпосылки для замены в будущем химических ракетных двигателей ядерными.
Основной проблемой при использовании ЯРД является радиоактивное загрязнение окружающей среды факелом выхлопа двигателя, что затрудняет использование ЯРД (кроме, возможно, газофазных — см. ниже), на ступенях ракет-носителей, работающих в пределах земной атмосферы.
Впрочем, конструктивно совершенный ГФЯРД, исходя из его расчётных тяговых характеристик, может легко решить проблему создания полностью [[Многоразовый космический корабль|многоразовой]] [[Одноступенчатая космическая система|одноступенчатой]] ракеты-носителя.
ЯРД по агрегатному состоянию ядерного топлива в них подразделяются на твёрдо, жидко- и газофазные. В твёрдофазных ЯРД делящееся вещество, как и в обычных [[Ядерный реактор|ядерных реакторах]], размещено в сборках-стержнях ([[ТВЭЛ]]ах) сложной формы с развитой поверхностью, что позволяет эффективно нагревать (лучистой энергией в данном случае можно пренебречь) [[Газ (агрегатное состояние)|газообразное]] [[рабочее тело]] (РТ) (обычно — [[водород]], реже — [[аммиак]]), одновременно являющееся [[Теплоноситель ядерного реактора|теплоносителем]], охлаждающим элементы конструкции и сами сборки. Температура РТ ограничена максимальной допустимой температурой элементов конструкции (не более 3 000 °К), что ограничивает скорость истечения. Удельный импульс твердофазного ЯРД, по современным оценкам, составит 8000—9000 м/с, что более, чем вдвое превышает показатели наиболее совершенных химических ракетных двигателей. Такие ядерные ракетные двигатели были созданы и успешно испытаны на стендах (программа NERVA в США, ядерный ракетный двигатель [[РД-0410]] в СССР).
Жидкофазные ЯРД являются более эффективными: ядерное топливо в их активной зоне находится в виде расплава, и, соответственно, тяговые параметры таких двигателей выше (удельный импульс может достигать величин порядка 15 000 м/с).
[[Файл:NASA-NERVA-diagram.jpg|thumb]]
В газофазных ЯРД ([[Газофазный ядерный реактивный двигатель|ГФЯРД]]) делящееся вещество (например, уран), также как и рабочее тело, находится в газообразном состоянии и удерживается в рабочей зоне электромагнитным полем (один из многих предложенных вариантов конструкции). Существует также конструкция ГФЯРД, в которой ядерное топливо (раскалённый урановый газ или плазма) заключено в термоустойчивую оптически прозрачную капсулу, т. н. ядерную лампу (''light bulb'') и таким образом полностью изолировано от омывающего «лампу» потока рабочего тела, вследствие чего нагрев последнего происходит за счет излучения «лампы». В некоторых разработках для материала ядерной лампы предлагалось использовать искусственный сапфир или подобные материалы. В случае же удержания ядерной плазмы электромагнитным полем существует небольшая утечка делящегося вещества во внешнюю среду и в конструкции предусмотрена подача ядерного топлива в активную зону для восполнения его количества.
Строго говоря, в случае газофазного ЯРД лишь часть активной зоны должна находиться в газообразном состоянии, так как периферийные части активной зоны могут, за счёт предварительного контактного подогрева водорода, выделять до 25 % нейтронной мощности и обеспечивать критическую конфигурацию активной зоны при относительно небольшом размере собственно газообразного ТВЭЛа. Использование, например, бериллиевого, также охлаждаемого, вытеснителя нейтронов, позволяет повысить концентрацию нейтронов в нейтронодефицитном газофазном ТВЭЛе, в
Рабочее тело (водород) содержит частицы
В качестве ядерного топлива для ГФЯРД предлагается, в частности, [[уран-233]]. Существуют варианты ГФЯРД закрытой (в том числе с «ядерной лампой») и открытой схемы (с частичным смешением ядерного топлива и рабочего тела).
Считается, что газофазные ЯРД могут быть использованы в качестве двигателей первой ступени, несмотря на утечку делящегося вещества. В случае же использования закрытой схемы ГФЯРД с «ядерной лампой» факел тяги двигателя может иметь относительно невысокую радиоактивность.
Первые исследования в области ЯРД были начаты еще в 1950-х
{{Нет АИ 2|Газофазные ЯРД в настоящий момент находятся на стадии теоретической отработки|22|12|2018}}, однако и в СССР, и в США проводились также и экспериментальные исследования. Ожидается, что новый толчок к работам над газофазными двигателями дадут результаты эксперимента «[[Плазменный кристалл]]», проводившегося на [[Орбитальная станция|орбитальных космических станциях]] «[[Мир (орбитальная станция)|Мир]]» и [[Международная космическая станция|МКС]].
На конец
== Электрические ракетные двигатели ==
Строка 76:
== См. также ==
* [[Ракетное топливо]]
* [[Реактивная тяга]]
* [[Термоядерный ракетный двигатель]]
| |||