Какой ракетный двигатель самый лучший? / Хабр

Ракетные двигатели — одна из вершин технического прогресса. Работающие на пределе материалы, сотни атмосфер, тысячи градусов и сотни тонн тяги — это не может не восхищать. Но разных двигателей много, какие же из них самые лучшие? Чьи инженеры поднимутся на пьедестал почета? Пришло, наконец, время со всей прямотой ответить на этот вопрос.

К сожалению, по внешнему виду двигателя нельзя сказать, насколько он замечательный. Приходится закапываться в скучные цифры характеристик каждого двигателя. Но их много, какую выбрать?

Мощнее

Ну, наверное, чем мощнее двигатель, тем он лучше? Больше ракета, больше грузоподъемность, быстрее начинает двигаться освоение космоса, разве не так? Но если мы посмотрим на лидера в этой области, нас ждет некоторое разочарование. Самая большая тяга из всех двигателей, 1400 тонн, у бокового ускорителя Спейс Шаттла.

Несмотря на всю мощь, твердотопливные ускорители сложно назвать символом технического прогресса, потому что конструктивно они являются всего лишь стальным (или композитным, но это неважно) цилиндром с топливом. Во-вторых, эти ускорители вымерли вместе с шаттлами в 2011 году, что подрывает впечатление их успешности. Да, те, кто следят за новостями о новой американской сверхтяжелой ракете SLS скажут мне, что для нее разрабатываются новые твердотопливные ускорители, тяга которых составит уже 1600 тонн, но, во-первых, полетит эта ракета еще не скоро, не раньше конца 2018 года. А во-вторых, концепция «возьмем больше сегментов с топливом, чтобы тяга была еще больше» является экстенсивным путем развития, при желании, можно поставить еще больше сегментов и получить еще большую тягу, предел тут пока не достигнут, и незаметно, чтобы этот путь вел к техническому совершенству.

Второе место по тяге держит отечественный жидкостной двигатель РД-171М — 793 тонны.

Четыре камеры сгорания — это один двигатель. И человек для масштаба

Казалось бы — вот он, наш герой. Но, если это лучший двигатель, где его успех? Ладно, ракета «Энергия» погибла под обломками развалившегося Советского Союза, а «Зенит» прикончила политика отношений России и Украины. Но почему США покупают у нас не этот замечательный двигатель, а вдвое меньший РД-180? Почему РД-180, начинавшийся как «половинка» РД-170, сейчас выдает больше, чем половину тяги РД-170 — целых 416 тонн? Странно. Непонятно.

Третье и четвертое места по тяге занимают двигатели с ракет, которые больше не летают. Твердотопливному UA1207 (714 тонн), стоявшему на Титане IV, и звезде лунной программы двигателю F-1 (679 тонн) почему-то не помогли дожить до сегодняшнего дня выдающиеся показатели по мощности. Может быть, какой-нибудь другой параметр важнее?

Эффективнее

Какой показатель определяет эффективность двигателя? Если ракетный двигатель сжигает топливо, чтобы разгонять ракету, то, чем эффективнее он это делает, тем меньше топлива нам нужно потратить для того, чтобы долететь до орбиты/Луны/Марса/Альфы Центавра. В баллистике для оценки такой эффективности есть специальный параметр — удельный импульс.

Удельный импульс показывает, сколько секунд двигатель может развивать тягу в 1 Ньютон на одном килограмме топлива

Рекордсмены по тяге оказываются, в лучшем случае, в середине списка, если отсортировать его по удельному импульсу, а F-1 с твердотопливными ускорителями оказываются глубоко в хвосте. Казалось бы, вот она, важнейшая характеристика. Но посмотрим на лидеров списка. С показателем 9620 секунд на первом месте располагается малоизвестный электрореактивный двигатель HiPEP

Это не пожар в микроволновке, а настоящий ракетный двигатель. Правда, микроволновка ему все-таки приходится очень отдаленным родственником…

Двигатель HiPEP разрабатывался для закрытого проекта зонда для исследования лун Юпитера, и работы по нему были остановлены в 2005 году. На испытаниях прототип двигателя, как говорит официальный отчет NASA, развил удельный импульс 9620 секунд, потребляя 40 кВт энергии.

Второе и третье места занимают еще не летавшие электрореактивные двигатели VASIMR (5000 секунд) и NEXT (4100 секунд), показавшие свои характеристики на испытательных стендах. А летавшие в космос двигатели (например, серия отечественных двигателей СПД от ОКБ «Факел») имеют показатели до 3000 секунд.

Двигатели серии СПД. Кто сказал «классные колонки с подсветкой»?

Почему же эти двигатели еще не вытеснили все остальные? Ответ прост, если мы посмотрим на другие их параметры. Тяга электрореактивных двигателей измеряется, увы, в граммах, а в атмосфере они вообще не могут работать. Поэтому собрать на таких двигателях сверхэффективную ракету-носитель не получится. А в космосе они требуют киловатты энергии, что не всякие спутники могут себе позволить. Поэтому электрореактивные двигатели используются, в основном, только на межпланетных станциях и геостационарных коммуникационных спутниках.

Ну, хорошо, скажет читатель, отбросим электрореактивные двигатели. Кто будет рекордсменом по удельному импульсу среди химических двигателей?

С показателем 462 секунды в лидерах среди химических двигателей окажутся отечественный КВД1 и американский RL-10. И если КВД1 летал всего шесть раз в составе индийской ракеты GSLV, то RL-10 — успешный и уважаемый двигатель для верхних ступеней и разгонных блоков, прекрасно работающий уже много лет. В теории, можно собрать ракету-носитель целиком из таких двигателей, но тяга одного двигателя в 11 тонн означает, что на первую и вторую ступень их придется ставить десятками, и желающих так делать нет.

Можно ли совместить большую тягу и высокий удельный импульс? Химические двигатели уперлись в законы нашего мира (ну не горит водород с кислородом с удельным импульсом больше ~460, физика запрещает). Были проекты атомных двигателей (раз, два), но дальше проектов это пока не ушло. Но, в целом, если человечество сможет скрестить высокую тягу с высоким удельным импульсом, это сделает космос доступней. Есть ли еще показатели, по которым можно оценить двигатель?

Напряженней

Ракетный двигатель выбрасывает массу (продукты сгорания или рабочее тело), создавая тягу. Чем больше давление давление в камере сгорания, тем больше тяга и, главным образом в атмосфере, удельный импульс. Двигатель с более высоким давлением в камере сгорания будет эффективнее двигателя с низким давлением на том же топливе. И если мы отсортируем список двигателей по давлению в камере сгорания, то пьедестал будет оккупирован Россией/СССР — в нашей конструкторской школе всячески старались делать эффективные двигатели с высокими параметрами. Первые три места занимает семейство кислородно-керосиновых двигателей на базе РД-170: РД-191 (259 атм), РД-180 (258 атм), РД-171М (246 атм).

Камера сгорания РД-180 в музее. Обратите внимание на количество шпилек, удерживающих крышку камеры сгорания, и расстояние между ними. Хорошо видно, как тяжело удержать стремящиеся сорвать крышку 258 атмосфер давления

Четвертое место у советского РД-0120 (216 атм), который держит первенство среди водородно-кислородных двигателей и летал два раза на РН «Энергия». Пятое место тоже у нашего двигателя — РД-264 на топливной паре несимметричный диметилгидразин/азотный тетраоксид на РН «Днепр» работает с давлением в 207 атм. И только на шестом месте будет американский двигатель Спейс Шаттла RS-25 с двумястами тремя атмосферами.

Надежней

Каким бы ни был многообещающим по характеристикам двигатель, если он взрывается через раз, пользы от него немного. Сравнительно недавно, например, компания Orbital была вынуждена отказаться от использования хранившихся десятилетиями двигателей НК-33 с очень высокими характеристиками, потому что авария на испытательном стенде и феерический по красоте ночной взрыв двигателя на РН Antares поставили под сомнение целесообразность использования этих двигателей дальше. Теперь Antares будут пересаживать на российский же РД-181.

Большая фотография по ссылке

Верно и обратное — двигатель, который не отличается выдающимися значениями тяги или удельного импульса, но надежен, будет популярен. Чем длиннее история использования двигателя, тем больше статистика, и тем больше багов в нем успели отловить на уже случившихся авариях. Двигатели РД-107/108, стоящие на «Союзе», ведут свою родословную от тех самых двигателей, которые запускали первый спутник и Гагарина, и, несмотря на модернизации, имеют достаточно невысокие на сегодняшний день параметры. Но высочайшая надежность во многом окупает это.

Доступней

Двигатель, который ты не можешь построить или купить, не имеет для тебя никакой ценности. Этот параметр не выразить в числах, но он не становится от этого менее важным. Частные компании часто не могут купить готовые двигатели задорого, и вынуждены делать свои, пусть и попроще. Несмотря на то, что те не блещут характеристиками, это лучшие двигатели для их разработчиков. Например, давление в камере сгорания двигателя Merlin-1D компании SpaceX составляет всего 95 атмосфер, рубеж, который инженеры СССР перешли в 1960-х, а США — в 1980-х. Но Маск может делать эти двигатели на своих производственных мощностях и получать по себестоимости в нужных количествах, десятками в год, и это круто.

Двигатель Merlin-1D. Выхлоп из газогенератора как на «Атласах» шестьдесят лет назад, зато доступно

TWR

Раз уж зашла речь о спейсэксовских «Мерлинах», нельзя не упомянуть характеристику, которую всячески форсили пиарщики и фанаты SpaceX — тяговооруженность. Тяговооруженность (она же удельная тяга или TWR) — это отношение тяги двигателя к его весу. По этому параметру двигатели Merlin с большим отрывом впереди, у них он выше 150. На сайте SpaceX пишут, что это делает двигатель «самым эффективным из всех когда-либо построенных», и эта информация разносится пиарщиками и фанатами по другим ресурсам. В английской Википедии даже шла тихая война, когда этот параметр запихивался, куда только можно, что привело к тому, что в таблице сравнения двигателей этот столбец вообще убрали. Увы, в таком заявлении гораздо больше пиара, нежели правды. В чистом виде тяговооруженность двигателя можно получить только на стенде, а при старте настоящей ракеты двигатели будут составлять меньше процента от ее массы, и разница в массе двигателей ни на что не повлияет. Несмотря на то, что двигатель с высоким TWR будет более технологичным, чем с низким, это скорее мера технической простоты и ненапряженности двигателя. Например, по параметру тяговооруженности двигатель F-1 (94) превосходит РД-180 (78), но по удельному импульсу и давлению в камере сгорания F-1 будет заметно уступать. И возносить тяговооруженность на пьедестал как самую важную для ракетного двигателя характеристику, по меньшей мере наивно.

Цена

Этот параметр во многом связан с доступностью. Если вы делаете двигатель сами, то себестоимость вполне можно подсчитать. Если же покупаете, то этот параметр будет указан явно. К сожалению, по этому параметру не построить красивую таблицу, потому что себестоимость известна только производителям, а стоимость продажи двигателя тоже публикуется далеко не всегда. Также на цену влияет время, если в 2009 году РД-180 оценивался в $9 млн, то сейчас его оценивают в $11-15 млн.

Вывод

Как вы уже, наверное, догадались, введение было написано несколько провокационно (простите). На самом деле, у ракетных двигателей нет одного параметра, по которому их можно выстроить и четко сказать, какой самый лучший. Если же пытаться вывести формулу лучшего двигателя, то получится примерно следующее:

Самый лучший ракетный двигатель — это такой двигатель, который вы можете произвести/купить, при этом он будет обладать тягой в требуемом вам диапазоне (не слишком большой или маленькой) и будет эффективным настолько(удельный импульс, давление в камере сгорания), что его цена не станет неподъемной для вас.

Скучно? Зато ближе всего к истине.

И, в заключение, небольшой хит-парад двигателей, которые лично я считаю лучшими:

Семейство РД-170/180/190. Если вы из России или можете купить российские двигатели и вам нужны мощные двигатели на первую ступень, то отличным вариантом будет семейство РД-170/180/190. Эффективные, с высокими характеристиками и отличной статистикой надежности, эти двигатели находятся на острие технологического прогресса.

Be-3 и RocketMotorTwo. Двигатели частных компаний, занимающихся суборбитальным туризмом, будут в космосе всего несколько минут, но это не мешает восхищаться красотой использованных технических решений. Водородный двигатель BE-3, перезапускаемый и дросселируемый в широком диапазоне, с тягой до 50 тонн и оригинальной схемой с открытым фазовым переходом, разработанный сравнительно небольшой командой — это круто. Что же касается RocketMotorTwo, то при всем скептицизме по отношению к Брэнсону и SpaceShipTwo, я не могу не восхищаться красотой и простотой схемы гибридного двигателя с твердым топливом и газообразным окислителем.

F-1 и J-2 В 1960-х это были самые мощные двигатели в своих классах. Да и нельзя не любить двигатели, подарившие нам такую красоту:

РД-107/108. Парадоксально? Невысокие параметры? Всего 90 тонн тяги? 60 атмосфер в камере? Привод турбонасоса от перекиси водорода, что устарело лет на 70? Это все неважно, если двигатель имеет высочайшую надежность, а по стоимости приближается к «большому глупому носителю». Да, конечно, когда-нибудь и его время пройдет, но эти двигатели будут жить еще лет десять минимум, и, похоже, поставят рекорд по долголетию. Не получится найти более успешный двигатель с более славной историей.

Использованные источники

• Материал во многом базируется на вот этой сводной таблице из английской вики, там стараются на каждую цифру дать ссылку и держать материал актуальным.
• Полная картинка КДПВ с копирайтами, которые пришлось отрезать при кадрировании — тут.

Похожие материалы по тегу «незаметные сложности».

В погоне за удельным импульсом: alex_anpilogov — LiveJournal

Марсианский транспортный корабль из недавнего «Белорусианина». По сценарию фильма и по книге — он снабжён высокоимпульсными ионными двигателями.

Нынешняя ситуация с освоением космического пространства в чём-то похожа на середину XIX века, когда испытанные и проверенные временем технологии парусного флота вдруг оказались не более, чем устаревшими артефактами прошлой эпохи. Когда блистательный русский Черноморский флот, ещё недавно одержавший победу над турками при Синопе, вдруг оказался заперт в гавани Севастополя соединённой эскадрой союзников, а чайные клиперы на «ревущих сороковых», «неистовых пятидесятых» и «пронзительных шестидесятых» сменили юркие китобойные судёнышки, использовавшие первые паровые двигателя.

Тогда оказалось, что вопрос постоянства хода и неподверженности стихии для морского флота встал гораздо острее и насущнее, нежели вариант обуздания силы ветра и демонстрации рекордов скорости последними «Катти Сарк». Тихоходные и неповоротливые, но независимые от силы ветра пароходы всего лишь за неполные полвека окончательно вытеснили парусники на обочину морского дела, оставив за ними роль учебных судов и музеев.

Это была одна из самых радикальных революций в морском деле.
Следующий эволюционный шаг, отказ от использования топлива, как такового и переход на ядерную энергию в морском флоте так и не произошёл: атомные реакторы остались уделом лишь военно-морского флота ведущих мировых держав и «фирменным знаком» российского арктического ледокольного флота.

Похожая ситуация сейчас разворачивается и в освоении космоса. «Грести под парусами» химического топлива дальше в открытый космос уже просто невозможно — но вот на что поменять старые и проверенные химические ракеты — по-прежнему является вопросом конструктурских работ и инженерных изысканий.

Во-первых, надо сказать, почему человечество столь нежно полюбило ракеты с химическим топливом.
Надо сказать, что это скорее был «брак по расчёту», нежели какой-то «любовный союз». Ракета с химическим топливом и была, и есть лишь одним из немногих вариантов оторвать хоть что-то от поверхности нашей Земли. Для ракет, стартующих с земной поверхности, существенной является гравитационная помеха, о неизбежности которой я уже как-то говорил.

Масса двигателей, о которых я расскажу дальше по тексту статьи, гораздо больше подходят для условий космоса, но они практически бесполезны для старта с Земли — их тяга гораздо меньше их собственного веса, не говоря уже о массе потребного для них топлива или весе полезной нагрузки. В результате соотношение реактивной тяги двигателей (T) к массе всей ракеты (W) у таких двигателей меньше единицы (T/W<1) и ничего поднять с поверхности Земли они не могут.

Стендовые испытания двигателя J-2X, аналога двигателя J-2 лунной ракеты «Сатурн-V». Именно этот двигатель отправлял «Аполлоны» у Луне. Но это было, в общем-то, вынужденное решение.

Однако, в реальности физики, химии и матераловедения достаточно сложно построить двигатель и с высокой удельной тягой, и с высоким удельным импульсом.
И, если понятие «тяги» нам интуитивно понятно (ну можешь поднять 200 килограммовую штангу — у тебя хорошая «тяга», а не можешь — так, задохлик. В общем, всё как у людей), то понятие «удельного импульса» всё же лучше объяснить.
Если тяга — это условная «сила» двигателя, то удельный импульс — это, скорее, его «выносливость», то есть возможность достаточно долго сообщать полезной нагрузке дополнительный импульс на ограниченных запасах топлива.

Измеряется удельный импульс или в секундах (если использовать «техническую» систему единиц МКГСС) или в метрах в секунду (если использовать «научную» систему единиц СИ).
Различается и физический смысл «секунд» (как единиц измерения времени) и «метров в секунду» (как единиц измерения скорости), хотя он описывает одни и те же параметры условного реактивного двигателя, хоть и с разных сторон.

В случае выражения удельного импульса двигателя в секундах получается, что «удельный импульс — это количество секунд, которое данный двигатель проработает на 1 килограмме топлива, создавая тягу в одну килограмм-силу» (МКГСС).
Если же вы выражаете удельный импульс двигателя в метрах в секунду, то у вас получается более сложный вывод, основанный на утверждении о том, что «удельный импульс — это отношение тяги двигателя в ньютонах к секундному расходу массы топлива» (СИ).
В системе СИ размерность ньютона выражается как кг-м/c² и после сокращения с дополнительными кг/c в знаменателе вы получите размерность скорости — метры в секунду.
Интересно, что получившееся в итоге значение скорости для удельного импульса будет практически строго соответствовать скорости истечения продуктов сгорания из сопла любого двигателя. Так, например, удельный импульс современных жидкостных реактивных двигателей (ЖРД), составляющий около 450 секунд, соответствует скорости истечения рабочего тела (продуктов сгорания) в 4500 метров в секунду.

Испытания водородного ЖРД. Скорость истечения продуктов сгорания — около 4500 м/c, удельный импульс — около 450 секунд.

При этом, что важно, в отличии от выражения его в метрах в секунду, в случае задания вами удельного импульса в секундах он никак не оказывается связан с фактическим временем работы двигателя. Он лишь показывает удельный расход топлива двигателем, который может работать, в зависимости от наличия топлива, как дольше времени удельного импульса, так и меньше его.

На первый взгляд, скорость истечения рабочего тела в 4500 метров в секунду (13М) — это в тринадцать раз больше скорости звука на уровне моря (340 м/с). Громадная скорость для нашего обыденного восприятия и именно поэтому все сопла ЖРД делают расширяющимися, сверхзвуковыми соплами Лаваля.

Выше скорости истечения в паре «водород-кислород» получали только на весьма экзотической троице «литий-водород-фтор» ещё в 1968 году. Но прибавка к удельному импульсу (542 секунды) и скорости истечения (5 320 м/сек) на таком токсическом и взрывоопасном топливе была очень незначительной, в силу чего от использования трёхкомпонентного топлива с фторным окислителем в итоге отказались.

Ещё более «тупыми» и «невыносливыми» оказываются (по сравнению с ЖРД ) ракетные двигатели на твёрдом топливе (РДТТ). Эти усовершенствованные пороховые шутихи оказываются «спринтерами с коротким дыханием» — большинство существующих РДТТ имеют удельный импульс в районе 250-270 секунд, что соответствует скорости истечения продуктов сгорания всего в 2500-2700 м/c. Зато РДТТ могут обеспечивать громадную начальную тягу, в силу чего их и используют как стартовые ускорители.

Наземные испытания стартового ускорителя «Спейс Шаттла». Пламени выше крыши, тяги — завались, а удельного импульса — чуть-чуть.

Но много это или мало — 4500 метров в секунду или 450 секунд?
Даже для старта с Земли на околоземную орбиту с использованием одноступенчатого вывода (по-английски это называется SSTO — single stage to orbit) этого оказывается сугубо недостаточно. Приходится мастерить различные многоступенчатые схемы, в результате чего современные ракеты выводят на орбиту грузы в составе двух, а иногда — и трёх ступеней.

При этом все нынешние идеи «допилить химический паровоз в стремительную сверхсветовую ракету» всё равно упираются в ограниченность возможностей РДТТ и ЖРД и в пресловутую формулу Циолковского, в которую удельный импульс входит в качестве множителя:

Здесь I — тот самый удельный импульс двигателя.
Поскольку он связан с отношением начальной (M₁) и конечной (М₂) масс летательного аппарата через натуральный логарифм, то получается, что увеличение удельного импульса двигателя в 2 раза при заданной конечной скорости уменьшает в те же два раза натуральный логарифм отношения M₁ к М₂ или же, чтобы было понятнее, изменяет соотношение M₁ к М₂ в виде второй степени (или квадратного корня) от изначального их соотношения.
Поскольку задаваемая зависимость у нас степенная, различия по удельному импульсу в 4 или 8 раз уже зададут более высокие степени и корни, в результате чего соотношение M₁ к М₂ для двигателей, отличающихся по удельному импульсу в 4 и в 8 раз, уже будет составлять четвёртую или восьмую степень оригинального соотношения, соответственно.

Отсюда, в общем-то, и мой обоснованный скепсис касательно «прыжков кузнечиков».

Краткое описание манёвров ракет «Нью Шепард» и «Спейс Икс». Оранжевым цветом показаны активные участки траекторий, на которых ракеты тратят топливо и меняют свою скорость V по формуле Циолковского.

Нет смысла в утверждении о том, что «топливо для «Фалькона» стоит 2000 долларов за тонну». В тот момент, когда оно участвует в расчётах по формуле Циолковского — каждый его лишний потраченный килограмм уже стоит килограмма (не)выведенного полезного груза. Который тот же «Спейс Икс» продаёт минимум за 6000 долларов. Но уже за килограмм.

В силу чего, как я уже неоднократно писал — настоящий инженерный прорыв случится, если человечество найдёт альтернативу ЖРД и РДТТ современных химических ракет. Либо в виде радикального прорыва через надоедливую атмосферу нашей матушки-Земли (1, 2), либо при создании некоей комбинации «зоопарка двигателей» на химическом топливе, каждый из которых будет иметь наилучший удельный импульс для свей скорости летательного аппарата (1, 2, 3), либо же в радикальном уходе от химического топлива при сохранении реактивного способа вывода грузов на орбиту (1).

«Ядерный космолёт» МГ-19 — птица, опередившая своё время.

Пока же мы плотно сидим на химическом топливе для ЖРД и РДТТ наших ракет — себестоимость наших грузов даже на низкой околоземной орбите будет составлять тысячи долларов за каждый килограмм груза.

Но какого рода двигатели нам нужны, если вы собрались лететь не просто на околоземную орбиту, а к Марсу или к Луне? И если мы уже столь высоко ценим каждый килограмм груза на низкой околоземной орбите и слабо представляем себе варианты выхода из этого порочного круга?

Отвечу: нам нужен двигатель гораздо более высокоимпульсный, нежели химические двигатели наших современных, «земных» ракет.
Вот вам пример того, как натуральный логарифм в формуле Циолковского влияет на соотношение масс и на общую массу будущего марсианского корабля, в случае использования им различных двигательных систем:

Сравнение различных вариантов марсианского транспортного корабля: на химическом топливе, пара «водород-кислород» (5900 тонн, 460 секунд удельного импульса, 4600 м/с истечения), ядерный твердотельный двигатель (3500 тонн, 950 секунд удельного импульса, 9500 м/c истечения) и с электрическим ракетным двигателем (250 тонн, 3000-10000 секунд удельного импульса, скорость истечения 30-100 км/c).

Как вы видите, вариант марсианской эпопеи на химическом горючем практически нереален: если принять в качестве допущения, что тяжёлые или 100% многоразовые ракеты на химическом топливе обеспечат нам себестоимость грузов на низкой околоземной орбите в 1000 долларов за килограмм, то 5900 тонн марсианского корабля обойдутся Земле в 5,9 миллиардов долларов только в стоимости вывода на орбиту (без стоимости самого корабля и НИОКР по нему).
А выводить его надо будет доброй полусотней запусков уникальных и сверхтяжёлых ракет.

Не сильно спасает ситуацию и межпланетный корабль с твердотельным ЯРД, над разработкой которого весьма активно работали США и СССР в 1960е-1970е годы.
Полученный тогда на американском проекте NERVA и в испытаниях советского РД-0410 удельный импульс в районе 850-950 секунд, конечно, экономит вес марсианского корабля, но всё равно заставляет думать минимум о тридцати запусках тяжёлых ракет носителей и длительной сборке корабля на орбите.

И, наконец, уже разобранные мною различные концепции электрических ракетных двигателей с их возможными импульсами от 3000 до 30 000 секунд, всё же дают нам достаточно оптимизма в вопросе будущего освоения Солнечной системы. Да, не «пять с половиной дней до Плутона», и не «Султан Демонов Азотот» с прямоточным термоядерным ракетным двигателем (ТЯРД), но всё-таки — реальный корабль, массой всего лишь в 250 тонн, который уже можно собрать на орбите Земли, даже опираясь на наши несовершенные химические ракеты, с мощными, но слабоимпульсными ЖРД и РДТТ.

Выбор источника энергии двигателей, между солнечными батареями и ядерным реактором для будущего марсианского корабля — пока что открыт. Но вот даже к Юпитеру уже, скорее всего, надо лететь с реактором на борту.

Каким из многих видов электрических ракетных двигателей будет снабжён будущий марсианский транспортный корабль — пока что вопрос открытый.
Если в качестве источника электроэнергии на борту, в общем-то, есть только две возможности: солнечные батареи и ядерный реактор, то в качестве двигателей могут использоваться очень разные высокоимпульсные электрические ракетные двигателя. Это и ионные двигатели, и плазменные (к которым относится и уже упомянутый по ссылке VASIMR), и различные варианты электростатических или электротермических двигателей.

Все эти двигатели уже обеспечивают удельный импульс от 3 000 до 10 000 секунд, а некоторые проекты обещают и 30 000 секунд удельного импульса, что соответствует скорости истечения рабочего тела в безумные 300 километров в секунду.

В прошлом году сообщено, что самые мощные и тяговооружённые на сегодняшний день в семействе электрических ракетных двигателей ионные двигатели перешагнули рубеж в 10 000 секунд, показав удельный импульс в 14 600 секунд.
Неизвестно, насколько ресурсными оказались эти двигатели, но, в любом случае, новости об совершенствовании «ионников» не могут не радовать.

В ионном двигателе нет брутальности ЖРД или РДТТ, но из его зрачка на вас смотрит вся Солнечная система. НАША система.

Что приятно, успехи в деле испытания ионных двигателей есть и в России.

О параметрах этих изделий можно судить по публикации в журнале «Труды МАИ» (номер 60 за декабрь 2012 год), в котором были изложены некоторые параметры как самих ионных двигателей, так и снабжаемых ими перспективных космических аппаратов.

Описанный там ионный двигатель ВЧИД–45 (который и был, скорее всего, испытан на полигоне КБХА) обладает следующими параметрами: номинальная мощностью 35 кВт, тяга 760 мН (0,076 кг) и удельным импульсом до 7000 секунд (скорость истечения ионов — 70 км/c).
По сравнению с уже испытанными в космосе ионными двигателями, ВЧИД где-то на порядок мощнее — самый мощный ионный двигатель, работавший в космосе, имел тягу в 91 мН и был установлен на американском исследовательском зонде «Дип Спейс-1» (Deep Space-1).

Планируемый ресурс двигателя был заявлен, как 50 000 часов, что и есть главным прорывом проекта: до сих пор ионные двигатели страдали от быстрой деградации ускоряющих ионы решёток и электродов, которые просто «съедало» набегающим потоком высокоэнергетических ионов.

Питать ионные двигатели энергией должна бортовая ядерная энергетическая установка (ЯЭУ) мощностью 1 МВт, которая сможет обеспечить электроэнергией кластер из тридцати таких двигателей.

В перспективе «Роскосмосом» рассмотривались три варианта буксиров, снабжаемых ионными двигателями: «лунный грузовик» с ядерной энергетической установкой мощностью в 1МВт и марсианские буксиры для пилотируемых миссий с ЯЭУ мощностью в 2 и в 4 МВт.

В 2003-2005 годах НАСА разрабатывала корабль ЯЭУ и с ионными двигателями в рамках проекта «Прометей». Мощность бортовой ЯЭУ «Прометея» должна была составить 250 кВт. Нетрудно посчитать, что «лунный грузовик» от «Роскосмоса» должен быть, как минимум, вчетверо мощнее.

«Лунный грузовик» с ЯЭУ мощностью 1 МВт на платформе с четырьмя кластерами по десять двигателей ВЧИД–45 в каждом (общая массадвигательной установки при этом составляет 5.7 тонны) сможет обеспечить посадку на Луну модуля массой в 25 тонн.
За время активного существования «лунный грузовик» сможет осуществить минимум пять транспортных операций с перелетом с низкой геоцентрической орбиты (высотой в 800 км) на низкую селеноцентрическую орбиту (высотой в 100 км) с общей грузоподъемностью на низкой селеноцентрической орбите в 128,5 тонны (масса «грузовика», топлива и полезной нагрузки)  и с расходом рабочего тела порядка 10,8 тонн на каждый перелет туда и обратно.

Для сравнения — при использовании классической ракеты на химическом топливе (пара водоро-кислород, ракета «Сатурн-V», программа «Аполлон») с низкой околоземной орбиты стартовала конструкция весом в 145 тонн, на орбиту полёта к Луне выводилось 46 тонн, лунный посадочный модуль весил 15 тонн, а возвращаемая капсула «Аполлона» весила всего 5 тонн).

Для марсианских версий буксиров пока что есть только общая оценка: их стартовая масса должна составить около 215 тонн, а время полета туда и обратно составит два с половиной года.

В публикации указано, что двигатель ВЧИД может быть смаштабирован и на другие номиналы, если есть потребность в увеличении тяги, если количество двигателей в кластере двигательной установки должно быть уменьшено. Например,  двигатель может быть разработан на тех же принципах, если потребуются уровни мощности на уровне 79 кВт или 105 кВт. В этом случае тяга двигателя будет составлять 1.52 Н и 2.27 Н, соответственно. Удельный импульс может быть повышен с 6880 с до 7120 с или 7320 с, а общий КПД системы — с 78.6 % до 81.3 % или даже 83.5 %. Однако, стоимости разработки и квалификации опытных образцов при этом возрастут примерно пропорционально третьей степени диаметра двигателя.

В общем, всё только начинается…

Гордые парусники ещё бороздят просторы наших «ревущих сороковых», но где-то, в тиши кабинетов и лабораторий уже рисуют чертежи стальных китобоев с паровым двигателем, которые позволят будущему Ахаву догнать своего Моби Дика. ..

Удельный импульс

Тяга – это сила, которая перемещает
ракета по воздуху. Тяга создается ракетным двигателем
через реакцию
ускорение массы газа. Газ ускоряется назад
а ракета разгоняется в обратную
направление. Чтобы разогнать газ, нам нужен какой-то двигатель
система. Мы обсудим детали различных двигательных установок
на некоторых других страницах. А пока давайте просто подумаем о
двигательная установка как некая машина, разгоняющая газ.

Из второго закона Ньютона мы
можно определить силу как изменение импульса тела с
изменение во времени. Импульс  — масса объекта, умноженная на
скорость. При работе с газом основная тяга
уравнение задается как:

Тяга F равна массовому расходу на выходе
mdot e умножить на выходную скорость Ve минус скорость
массовый расход набегающего потока mdot 0 раз
скорость набегающего потока V0 плюс перепад давления на
двигатель pe-p0 раз больше площадь двигателя Ae .

Для жидкости или твердого тела
ракетные двигатели, топливо, топливо и окислитель находятся на борту.
В двигательную установку не поступает свободный поток воздуха,
Итак
уравнение тяги
упрощается до:

где мы опустили выходное обозначение массового расхода.

Используя алгебру, разделим на mdot:

Мы определяем новую скорость, называемую эквивалентом
скорость Veq должна быть скоростью в правой части приведенного выше уравнения:

Тогда уравнение тяги ракеты принимает вид:

Полный импульс (I) ракеты определяется как средняя тяга
раз больше общего времени стрельбы. На слайде мы показываем общее время как
«дельта т». (дельта — греческий символ, похожий на треугольник):

Поскольку тяга может меняться со временем,
мы также можем определить интегральное уравнение для полного импульса. Использование символа
(Sdt) для интеграла имеем:

Подставляя уравнение для тяги, приведенное выше:

Помните, что mdot — это массовый расход; это количество выхлопной массы
за время, которое выходит из ракеты. Предполагая, что эквивалентная скорость остается
постоянной во времени, мы можем интегрировать уравнение, чтобы получить:
92 =

сек.

Почему нас интересует удельный импульс?
Во-первых, это дает нам быстрый способ определить тягу
ракеты, если мы знаем весовой расход через сопло.
Во-вторых, это
индикация КПД двигателя. Два разных ракетных двигателя
различные значения удельного импульса. Двигатель с более высоким значением
удельный импульс более эффективен, потому что он создает большую тягу
на такое же количество топлива.
В-третьих, это упрощает нашу
математический анализ термодинамики ракет.
Единицы удельного импульса
то же самое, используем ли мы английские единицы или метрические единицы.
В-четвертых, это дает нам легкий
способ «размера» двигателя во время предварительного анализа. Результат
наш термодинамический анализ представляет собой определенное значение удельного импульса.
вес ракеты определит необходимое значение тяги. Разделение
тяга, требуемая удельным импульсом, скажет нам, какой весовой расход
топлива должен производить наш двигатель. Эта информация
определяет физический размер двигателя.

Существует аналогичный параметр эффективности, называемый
удельная тяга
который используется для характеристики характеристик газотурбинного двигателя.

Виды деятельности:

Экскурсии с гидом

---

Навигация ..

Домашняя страница руководства для начинающих

Удельный импульс ракетного двигателя: все, что вам нужно знать

Можно сказать, что пробег их автомобиля составляет 15 км/л. Чтобы уточнить, расстояние, которое автомобиль может проехать на одном галлоне или литре топлива в городе, называется его пробегом. Короче говоря, эти единицы используются для измерения эффективности автомобиля по сравнению с другими автомобилями.

Точно так же ракетные двигатели имеют специальные параметры для измерения их возможностей. Одним из параметров, используемых для измерения его эффективности, является « удельный импульс », который обозначается как Isp , где I представляет импульс, а sp обозначает идея «конкретного» . Измерение и поддержание нормального значения удельного импульса в ракете обеспечивает эффективность и надежность, поскольку она имеет тенденцию создавать лучшую тягу для того же ракетного топлива.

Эта статья призвана помочь читателю разобраться во всех тонкостях удельного импульса ракетного двигателя, чтобы получить быстрое и полное представление о том, как изменяется удельный импульс и как его можно измерить.

Что такое удельный импульс ракеты?

Удельный импульс примерно показывает, насколько эффективно ракета будет выбрасывать топливо; следовательно, другими словами, чем эффективнее удельный импульс, тем с большей скоростью двигатель может выбрасывать топливо. Это позволит инженерам контролировать использование топлива на основе их уникальных требований к характеристикам и возможностям ракеты.

Пошаговое руководство по пониманию удельного импульса

Прежде чем понять механизм удельного импульса, давайте четко разберемся в механизме запуска ракеты. Во-первых, ракеты выбрасывают топливо на высокой скорости, сжигая топливо и окислитель, что создает тягу в противоположном направлении, которая поднимает ракету против ее массы и атмосферного сопротивления. Вот некоторые термины и уравнения, которые помогут вам понять, как рассчитывается удельный импульс.

Массовый расход

Массовый расход можно определить по расходу, который достигается при сжигании и выбросе топлива. Он рассчитывается по тому, сколько килограммов топлива выбрасывается за каждую секунду. Его можно определить как;

Весовой расход

Весовой расход измеряется путем умножения массового расхода на гравитационную постоянную г , где вес используется для расчета удельного импульса.

Тяга

Тяга определяется скоростью и массой, выбрасываемой из сопла.

Удельный импульс

Таким образом, удельный импульс можно определить как долю скорости выброса топлива из сопла и измерить в секундах . Чем выше удельный импульс, тем выше скорость выброса пороха. Эта скорость отслеживается для измерения качества двигателя, другими словами, насколько быстро двигатели сжигают топливо для старта Ракеты.

Твердотопливная ракета, жидкостная ракета и их удельный импульс

Если мы посмотрим на космический шаттл, то увидим два типа ракетных двигателей. Одним из них является главный двигатель RS-25 , который сжигает жидкий водород в качестве топлива и жидкий кислород в качестве окислителя и может выбрасывать топливо со скоростью 3700 м/с.

В космическом челноке НАСА использовало два твердотопливных ракетных двигателя в качестве ускорителей для облегчения вертикального взлета. Это произошло потому, что твердотопливный двигатель создает большую тягу, чем жидкостный двигатель, несмотря на удельный импульс. Это приводит к вопросу:

Почему ракета не может использовать твердотопливную ракету вместо жидкой для всех миссий?

Хотя твердотопливная ракета имеет более простую конструкцию, чем жидкостная, ее нельзя контролировать, когда она начинает сжигать топливо. Мы можем управлять скоростью и коэффициентом сжигания топлива и подвесить жидкостный ракетный двигатель для маневрирования космического корабля, но это качество отсутствует в ракетах, работающих на твердом топливе.

Здесь удельный импульс измеряется не для тяги, а для эффективности того, насколько быстро двигатель может сжечь топливо и окислитель. Это самый важный KPI ракетного двигателя, так как более высокая и эффективная скорость горения позволяет ускориться, чтобы набрать высоту и скорость с меньшим количеством топлива.

В следующей таблице показаны некоторые из удельных импульсов знаменитого ракетного двигателя, которые помогут вам лучше понять КПД двигателя.

Удельный импульс для уровня моря VS Удельный импульс для вакуума

Ракеты испытываются на испытательных стендах, один из которых показан на рисунке. Эти испытательные установки имеют возможность измерять все параметры, в то время как они тестируются в сложных, но хорошо контролируемых условиях. Специалисты испытательного комплекса следят за удельным импульсом и другими показателями двигателей.

Нет ничего, что могло бы оттолкнуть выбрасываемый газ в вакууме, поскольку, в отличие от уровня моря, окружающая атмосфера (1 бар/100 кПа) способна создать толчок на уровне моря. Поэтому удельный импульс в вакууме всегда выше уровня моря.

Предположим, мы используем двигатель на верхних ступенях ракеты за пределами атмосферы (после 100 км от моря). В этом случае удельный импульс в вакууме следует рассчитывать исходя из работы двигателя за пределами атмосферы — в вакууме или космосе. Например, когда шаттл движется по низкой околоземной орбите, удельный импульс должен рассчитываться конкретно на основе вакуума, а не на основе ожидаемого удельного импульса на уровне моря.

Удельный импульс Важный параметр, но почему?

Чтобы понять, почему удельный импульс является критическим параметром, давайте сначала рассмотрим это уравнение ракеты.

скорость ( △v ) играет важную роль в поддержании скорости ракеты. Например, если мы хотим удвоить скорость ракеты, у нас есть два варианта. Во-первых, увеличить массу ракеты в четыре раза на старте или удвоить ‘ скорость пороха ‘).

Однако первый вариант неэффективен для увеличения скорости; конструкторы ракет пытаются уменьшить вес за счет создания облегченных моделей. Поэтому второй вариант, заключающийся в увеличении скорости выброса топлива, является наиболее удобным вариантом увеличения скорости ракеты. Эта скорость выброса пропорциональна удельному импульсу. Таким образом, это одна из причин, по которой удельный импульс является одним из значимых КПД ракетного двигателя.

Каталожные номера :

1. Удельный импульс — НАСА: https://www.