Клиновоздушные ракетные двигатели — будущее ракетостроения / Хабр

Современные ракетные двигатели подошли к пределу своих возможностей.

Всё чаще можно заметить этот тезис в статьях, докладах, мнениях о ракетостроении. И действительно, в глобальном плане это так, новые возможности, характеристики вжимать из реактивных двигателей становится всё сложнее, а те же тяги по большому счёту не увеличиваются уже давно, самые тяговитые монстры двигателестроения были созданы во 2 половине 20 века, и современные движки от них недалеко ушли, хоть и прокачали другие характеристики и возможности. Например, F1, настоящий монстр, поднимавший в небо лунную ракету Сатурн V имел тягу 6,77 меганьютон, а самый современный Raptor от корабля Starship и ускорителя Super Heavy имеет тягу всего…2000 килоньютон. И он считается мощным двигателем. Ситуация складывается печальная. Можно ли как то улучшить ситуацию, сделать двигатели мощнее, экономичнее? Можно, и об этом статья.

«Новый» тип двигателей

Сама по себе идея клиновоздушного реактивного двигателя не нова. В 1960-х годах Рокетдайн проводил обширные испытания с различными вариантами. Более поздние версии этих двигателей были основаны на крайне надёжных ЖРД J-2 (Рокетдайн) и обеспечивали приблизительно тот же уровень тяги, что могли обеспечить те двигатели, на которых они были основаны: ЖРД J-2T-200k обладал тягой 90,8 тс (890 кН) и ЖРД J-2T-250k обладал тягой 112,2 тс (1,1 МН) (буква «T» в наименовании двигателя указывает на тороидальную камеру сгорания). Позже создавались и другие прототипы и проводились испытания, но до полноценной реализации так и не доходило. Клиновоздушные двигатели даже планировалось использовать на Шаттлах, но выбрали более консервативное решение. Но технологии не стоят на месте, а актуальность этого типа двигателей растет.

В июле 2014 года Firefly Space Systems объявила, что в своей новой ракете-носителе Firefly Alpha будет использовать клиновоздушный двигатель на первой ступени. Так как данная модель предназначается для рынка запуска малых спутников, ракета будет выводить спутники на низкую околоземную орбиту по цене 8-9 миллионов долларов за запуск. Firefly Alpha сконструирована так, чтобы поднимать на орбиту 400 кг полезного груза. В конструкции ракеты задействуются композитные материалы — в том числе углеродное волокно. Клиновоздушный двигатель, применяемый в ракете, имеет тягу в 40,8 тс(400 кН). Правда, На данный момент работа застопорилась, и будущее именно этой ракеты выглядит туманно.

Так как это работает?

Для начала разберем, как работает классический реактивный ракетный двигатель. Очень упрощая, в камере сгорания смешивается и сгорает смесь топлива и окислителя(в качестве последнего применяют как правило жидкий кислород). Раскаленная до нескольких тысяч градусов смесь газов, образовавшаяся в результате сгорания под давлением выбрасывается из двигателя через сопло на огромной скорости, создавая тягу(спасибо закону сохранения импульса 😉 ), и ракета красочно отправляется к звёздам(иногда не отправляется, это называют аварией)). В контексте статьи самый главный элемент этой технологической фантасмагории это сопло.

Тут дело вот в чем, если просто сделать дырку в камере сгорания и поджечь топливо, тяга, конечно, будет, но минимальная, раскаленные газы будут выходить во все стороны и лишь малая часть будет вырываться в направлении, необходимом для создания тяги, да и скорость выходящих газов будет так себе, вобщем, печаль — беда, так до космоса не долетишь, а долететь хочется. Для того, чтобы направлять выхлопные газы, а так же разгонять их побыстрее, желательно до нескольких чисел Маха умные люди придумали Сопло Лаваля. Сопло было предложено в 1890 году шведским изобретателем Густафом де Лавалем для паровых турбин, а позже нашло своё применение в ракетостроении.

Самое простое сопло Лаваля представляет из себя два усечённых конуса, соединённых в одну конструкцию. Реальные современные сопла профилируются на основе газодинамических расчетов и компьютерных симуляций.

Иллюстрация работы сопла Лаваля. По мере движения газа по соплу, его абсолютная температура Т и давление Р снижаются, а скорость V возрастает. М — число Маха.

Итак, на сужающемся, т.н. докритическом участке сопла движение газа происходит с дозвуковыми скоростями. В самой узкой,критической части сопла скорость газа достигает звуковой. На расширяющемся, закритическом участке, газ движется со сверхзвуковыми скоростями.

Выглядит просто идеально. Но всё не так гладко, свои коррективы, например, вносит атмосфера, а именно атмосферное давление, которое тоже действует на поток газа, и на разных высотах действует по разному, серьезно влияя на эффективность двигателя. На любой высоте над поверхностью Земли с разным давлением атмосферы сопло может быть сконструировано практически идеально, но та же самая форма будет менее эффективна на другой высоте с другим давлением воздуха. Таким образом, по мере того как ракета поднимается через атмосферу, эффективность её двигателей вместе с их тягой претерпевает значительные изменения, которые достигают 30 %. Например, двигатели RS-24 МТКК «Спейс шаттл» могут генерировать тягу со скоростью газовой струи 4525 м/с в вакууме и 3630 м/с на уровне моря. По сути двигатель работает «не на полную», куча драгоценного топлива, которое, кстати, составляет бОльшую часть массы ракеты, тратится впустую. Клиновоздушный реактивный двигатель решает эту проблему. Как? Расширяющейся частью сопла становится сама атмосфера! И такое «сопло» саморегулируется, сохраняя одинаковую эффективность на любой высоте.

В конструкции клиновоздушного двигателя проблема эффективности на различной высоте решается следующим образом: вместо одной точки выхлопа в виде небольшого отверстия в центре сопла используется клиновидный выступ, вокруг которого устанавливается ряд камер сгорания. Клин формирует одну сторону виртуального сопла, в то время как другая часть формируется проходящим потоком воздуха в ходе полета. Этим объясняется его первоначальное название «двигатель аэроспайк» (aerospike engine, «воздушно-клинный двигатель»).

Вот так это выглядит. По сути, такой двигатель выступающим клином формирует сужающуюся(докритическую) часть сопла. Остальное формирует сама атмосфера. Гениальное решение.

Недостатком такой конструкции является большой вес центрального выступа и дополнительные требования по охлаждению из-за большей поверхности, подверженной нагреву. Также большая площадь охлаждаемой поверхности может уменьшить теоретические уровни давления на сопло. Дополнительным отрицательным фактором является относительно плохая производительность такой системы при скоростях 1-3 Маха. В данном случае воздушный поток сзади летательного аппарата имеет уменьшенное давление, что снижает тягу.

Существует несколько модификаций этого дизайна, которые отличаются по их форме. В «тороидальном клине» центральная часть имеет форму сужающегося конуса, по краям которого осуществляется концентрический выход реактивных газов.

Практическое использование

Несмотря на очевидные преимущества, на данный момент клиновоздушные двигатели почти нигде не применяются, хотя планы по их применению есть и разработки ведутся.

20 сентября 2003 года объединённая команда Университета штата Калифорния в Лонг-Бич и компании Garvey Spacecraft Corporation успешно провела испытательный полет ракеты с КВРД в пустыне Мохаве. Студенты университета разработали ракету Prospector 2, используя двигатель с тягой 448,7 кгс (4,4 кН). Эта работа над клиновоздушными двигателями не прекращается — ракета Prospector 10 с 10-камерным КВРД была испытана 25 июня 2008 года. В марте 2004 года были проведены два успешных испытания в Лётном исследовательском центре НАСА им. Драйдена (база Эдвардс, США) с малоразмерными твердотопливными ракетами с тороидальными двигателями, которые достигли скорости 1,1 М и высоты 7,5 км. Другие модели малоразмерных клиновоздушных ракетных двигателей находятся в стадии разработок и испытаний. У клиновоздушных двигателей есть проблемы и недостатки, в том числе высокая сложность и стоимость, но их преимущества делают их весьма перспективными. В обозримом будущем они будут активно применяться, хоть и не заменят полностью классические двигатели на сопле Лаваля.

Как это работает. Ракетный двигатель

19 июля 2021

Ростех

Фото: Объединенная двигателестроительная корпорация

Видео дня

Полеты в космос, одно из самых вдохновляющих достижений человечества, невозможны без ракетного двигателя. С одной стороны, принцип его работы максимально прост, а с другой – всего несколько стран могут похвастаться ракетными двигателями собственного производства.

С момента старта Гагарина и по сей день все российские космонавты поднимаются с поверхности Земли двигателями РД-107/108. Серийное производство этих исключительно надежных двигателей продолжается на самарском предприятии Ростеха «ОДК-Кузнецов». Рассказываем о том, как устроен и работает космический двигатель-долгожитель РД-107/108.

Космически просто

И правда, объяснить принцип действия реактивных двигателей, к которым относятся и ракетные двигатели, можно даже ребенку. Для этого достаточно отпустить надутый воздушный шарик, который под влиянием выталкиваемого воздуха полетит в противоположном направлении. Движение и шарика, и ракеты происходит согласно третьему закону Ньютона: действию всегда есть равное и противоположное противодействие. Действие из ничего не возникает. Чтобы обеспечить действие, требуется энергия. В шарике это потенциальная энергия сжатого, в меру возможностей ваших легких, воздуха. Отличие ракеты заключается в том, что для выхода за пределы атмосферы требуется выбрасывать большие массы вещества с очень большой скоростью, что требует подвода огромного количества энергии. Это и делает ракетный двигатель.

Фото: Космический центр «Восточный» / Роскосмос

Самым распространенным типом двигателей для космических программ сегодня являются жидкостные ракетные двигатели (ЖРД), в которых в качестве топлива используются жидкие горючее и окислитель. К этому типу относится и российский РД-107/108.

Жидкостные двигатели – на сегодняшний момент самые мощные и универсальные ракетные двигатели, с помощью которых совершается большинство полетов в космос. Они отличаются высоким удельным импульсом, то есть при меньшей массе израсходованного топлива создают большую тягу. Кроме того, ЖРД позволяют активно управлять уровнем тяги и могут использоваться много раз. При этом по сравнению с другими видами ракетных двигателей, например твердотопливными, они значительно сложнее и дороже, поэтому основная их сфера применения – космонавтика и обеспечение выведения орбитальных и межпланетных аппаратов.

Как работает жидкостный ракетный двигатель

Чтобы получить полезное действие, достаточное для прорыва в космос, нужно получить большое количество энергии эффективно сжечь большое количество топлива. Как известно, любой процесс горения представляет собой химическую реакцию окисления. И если на Земле для других видов тепловых двигателей в качестве окислителя можно использовать атмосферный кислород, то для ракетного двигателя, и тем более в космосе, окислитель и горючее надо иметь непосредственно на ракете, и лучше всего в максимально плотном и удобном для подачи жидком виде. В РД-107/108 в качестве окислителя используется жидкий кислород, а в качестве горючего – керосин.

Фото: Объединенная двигателестроительная корпорация

В камере сгорания подаваемые специальными насосами в нужном количестве и с необходимым давлением окислитель и горючее смешиваются и сгорают. Горячие (с температурой в несколько тысяч градусов) продукты сгорания в конструкции особого профиля – сверхзвуковом сопле Лаваля – разгоняются до многократно сверхзвуковых скоростей и уходят в пространство. Если умножить сумму секундных расходов масс горючего и окислителя на скорость выхода продуктов сгорания из сопла, можно в первом приближении получить силу тяги двигателя. Так, в общих чертах, можно описать схему работы жидкостного ракетного двигателя.

Устройство РД-107/108

Двигатель РД-107/108 состоит из четырех камер сгорания, турбонасосного агрегата, газогенератора, испарителя азота для наддува баков ракеты и комплекта агрегатов автоматики. Для управления полетом ракеты на двигателях имеются рулевые камеры: два на РД-107 и четыре на РД-108.

Несоизмеримые с возможностями существующих металлов температуры горения и продуктов сгорания, большое количество выделяемого тепла требуют охлаждения стенок камеры сгорания и сопла. В РД-107/108 эта инженерная задача решается двухстеночной конструкцией камеры сгорания и сопла и организацией охлаждения стенки со стороны горячего тракта подачей горючего (керосина) в камеру сгорания через межстеночные пространства.

Вторая особенность РД-107/108 открытая схема сброса генераторного газа. Окислитель и горючее хранятся в отдельных баках и подаются в систему с помощью турбонасосного агрегата (ТНА). Для привода насосов горючего и окислителя используется турбина, в качестве рабочего тела для которой используется парогаз – продукт каталитического разложения пероксида водорода. Выхлопы турбины выбрасываются за срез сопла.

Рекордсмен космоса

Разработка двигателей РД-107 и РД-108 проходила в 1954–1957 годах под руководством выдающегося конструктора Валентина Глушко. Двигатели предназначались для первой в мире межконтинентальной баллистической ракеты Р-7, модификация которой в 1957 году доставила в космос первый искусственный спутник Земли. В 1961 году двигатели обеспечили первый полет человека в космос. На протяжении более 60 лет российские ракеты «Союз» поднимаются в небо с помощью двигателей РД-107/108 и их модификаций. Серийное производство двигателей налажено на самарском заводе «ОДК-Кузнецов», входящем в Объединенную двигателестроительную корпорацию Ростеха.

Программа РД-107/108 продолжает развиваться, создаются новые модификации – всего разработано 18 вариантов для различных программ. Сегодня модификациями двигательных установок РД-107А/РД-108А оснащаются I и II ступени всех ракет-носителей среднего класса типа «Союз». Все пилотируемые и до 80% грузовых космических кораблей в России взлетают благодаря этим двигателям.

РД-107/108 уже поставил свой космический рекорд по долголетию. Конечно, когда-нибудь и его время пройдет, но сегодня запас для совершенствования двигателя еще не исчерпан.

Войска,Валентин Глушко,Объединенная двигателестроительная корпорация,Роскосмос,Ростех,

Ракетный двигатель

    А
ракетный двигатель
не как обычный двигатель. Зажигается обычный двигатель
топлива, которое затем давит на некоторые поршни, и он крутит кривошип.
Следовательно, он использует энергию вращения для вращения колес.
средство передвижения. Электродвигатели также используют энергию вращения для вращения вентиляторов.
и вращающиеся диски. Ракетный двигатель не использует энергию вращения для
бегать. Это реактивные двигатели. Принцип его в том, что
топливо, содержащееся в корпусе ракеты, проходит через
химическая реакция, поскольку она выходит из конца ракеты. Этот
Затем реакция вызывает тягу и толкает ракету вперед. Этот
является примером одного из основных законов сэра Исаака Ньютона. «За
на каждое действие есть равное и противоположное противодействие» (Как Ракета
Двигатели работают.)

Это
представление закона Ньютона.
(http://www.howstuffworks.com/rocket.htm/)

Это фотография ракетного двигателя космического челнока во время тестового запуска.
Обратите внимание на голубое пламя горящего топлива. Это вызывает тягу,
и толкает
ракету в обратном направлении.
(http://www.howstuffworks.com/rocket.htm/)

    Прочность
ракета измеряется в фунтах тяги. Фунт тяги — это
сила, необходимая для удержания объекта весом в один фунт неподвижным относительно
гравитация (Как работают ракетные двигатели.) Чтобы создать это
толкать,
ракеты сжигают один из двух видов топлива: твердое топливо или жидкое топливо.
Из-за этого ракеты часто классифицируют по типу топлива.
что они горят.

Твердотопливные ракеты

    Твердотопливные ракеты
являются первыми ракетами, которые будут зарегистрированы в истории. Они были первыми
изобретены в Древнем Китае и с тех пор используются (Как ракета
Двигатели
Работа.) Химический состав твердого ракетного топлива очень
подобен химическому составу пороха. Однако точное
химический состав не тот. Чтобы заставить ракету работать, нужно быстро
необходимо сжигание неэксклюзивного топлива. Порох взрывается, делая
это непригодно. Таким образом, химический состав был изменен, чтобы сделать его
быстро горят, но не взрываются. Одна из самых больших проблем с
твердый
топлива ракетных двигателей заключается в том, что после запуска реакция не может быть
остановился
или перезапущен. Это делает их неуправляемыми.
Поэтому твердотопливные ракеты более широко используются для реактивных снарядов или как
ракеты-носители.

Это схема
как выглядит твердотопливный ракетный двигатель до и после зажигания.
Твердое топливо окрашено в темно-зеленый цвет, а затем в оранжевый по мере воспламенения.
запустить ракету.
(http://www.howstuffworks.com/rocket.htm)

Ракеты на жидком топливе

    Первое жидкое топливо
Ракета была произведена Робертом Годдардом в 1926 году (How Rocket Engines
Работа.) Идея ракеты на жидком топливе проста для понимания. А
топливо и окислитель, в случае Годдарда он использовал бензин и жидкость
кислород, закачиваются в камеру сгорания. Реакция занимает
место, и он расширяется, толкая ракету вперед.
затем расширяющийся газ нагнетается через сопло, которое заставляет их
ускорить
на более высокую скорость (Как работают ракетные двигатели.)

Эта диаграмма
базовая модель того, как
ЖРД работает.
Легко видеть, что ракета на жидком топливе намного сложнее, чем
твердотопливный.
(http://www.howstuffworks.com/rocket.htm)

Главная
Введение
Корпуса ракет и носовые обтекатели
Практическое применение
Библиография

Ракетные двигатели | Как летают вещи

Смитсоновский национальный музей авиации и космонавтики

Поиск

Ракетный двигатель

Ракеты (и реактивные двигатели) работают так же, как воздушный шар, наполненный воздухом.

Если наполнить воздушный шар воздухом и держать горлышко закрытым, давление внутри воздушного шара будет немного выше, чем в окружающей атмосфере. Однако результирующая сила, действующая на воздушный шар в любом направлении, отсутствует, поскольку внутреннее давление на воздушный шар одинаково во всех направлениях.

Если вы отпустите горловину воздушного шара, она будет действовать как отверстие, без площади поверхности, на которую могло бы воздействовать внутреннее давление. Теперь на воздушный шар действует неуравновешенная сила, и внутреннее давление на переднюю часть воздушного шара больше, чем внутреннее давление на заднюю часть воздушного шара.

Это приводит к тому, что результирующая сила действует вперед на воздушный шар — тяга . Воздушный шар летит вперед под действием тяги, и воздух, выходящий из задней части шара, является равной и противоположной реакцией на тягу.

Когда мы думаем о ракетах (или реактивных двигателях), мы редко думаем о воздушных шарах. Вместо этого мы думаем о больших ракетах, которые доставляют в космос спутники, припасы или людей. Однако воздушные шары и ракеты очень похожи. Единственная существенная разница заключается в способе производства сжатого газа. В ракетах газ производится путем сжигания топлива, которое может быть твердым или жидким по форме или их комбинацией.

Предоставлено: Национальный музей авиации и космонавтики, Смитсоновский институт 9.0005

Запуск на орбиту

Чтобы достичь околоземной орбиты, ракета должна разогнаться примерно до 8 километров (5 миль) в секунду, что примерно в 25 раз превышает крейсерскую скорость пассажирского самолета. Чтобы избежать гравитации Земли, он должен двигаться еще быстрее. Чтобы разогнать даже небольшую полезную нагрузку (отправляемый в космос объект) до таких скоростей требуется огромное количество энергии, которую ракеты несут в виде топлива.

Большая часть ракеты состоит из топлива

Ракете требуется много топлива, которое состоит из топлива и кислорода (или другого окислителя), необходимого для сжигания топлива. Так как она летит в безвоздушном пространстве, ракета должна нести свой собственный окислитель, который весит намного больше, чем топливо.

Изначально ракета должна поднимать не только полезную нагрузку, но и гораздо больший вес топлива. Топливо, необходимое для запуска полезной нагрузки на околоземную орбиту, обычно как минимум в 20 раз массивнее самой полезной нагрузки.

Выход на орбиту — одна ступень за раз

Большую часть массы ракеты перед запуском составляет топливо. Большая часть остального — несущая конструкция, баки, насосы, двигатели и многое другое — становится бесполезной после того, как топливо сгорит. Чтобы не нести весь этот лишний вес в космос, ракеты часто имеют несколько ступеней или секций, каждая из которых отпадает после использования.

Узнать больше

Роберт Годдард

Первый успешный запуск американской ракеты в космос

Двигатель Ф-1

Главный двигатель космического корабля

Q:

В чем разница между жидкостными и твердотопливными ракетами?

A:

Существует два основных типа ракет: жидкотопливные и твердотопливные.