Raketový motor

Raketový motor je proudový motor , který ke své práci nespotřebovává energii ani pracovní kapalinu z okolí . RD je tedy zařízení, které má zdroj energie a přívod pracovní tekutiny a je navrženo k získání tahu přeměnou jakéhokoli typu energie na kinetickou energii pracovní tekutiny. Raketový motor je jediný prakticky zvládnutý způsob, jak vynést náklad na oběžnou dráhu kolem Země .

Tažná síla v raketovém motoru vzniká jako výsledek přeměny počáteční energie na kinetickou energii tryskového proudu pracovní tekutiny. Podle typu energie přeměněné na kinetickou energii proudového letadla se rozlišují chemické raketové motory , jaderné raketové motory a elektrické raketové motory [1] .

Charakteristickým znakem účinnosti raketového motoru je specifický impuls ( při konstrukci motoru se používá poněkud odlišná charakteristika - specifický tah ) - poměr velikosti pohybu raketového motoru k hmotnosti spotřebované pracovní tekutiny. Specifický impuls má rozměr m/s , tedy rozměr rychlosti. U raketového motoru pracujícího v konstrukčním režimu (kdy jsou okolní tlak a tlak plynu na výstupu z trysky stejné) je specifický impuls číselně roven rychlosti výtoku pracovní tekutiny z trysky .

Chemické raketové motory

Nejběžnější jsou chemické raketové motory, ve kterých se v důsledku exotermické chemické reakce paliva a okysličovadla (souhrnně označované jako palivo ) ohřívají zplodiny hoření ve spalovací komoře na vysoké teploty, expandují, urychlují v nadzvukové trysce . a vytékají z motoru. Palivo chemického raketového motoru je zdrojem jak tepelné energie, tak plynné pracovní tekutiny , při jejímž rozpínání se její vnitřní energie přeměňuje na kinetickou energii tryskového proudu.

V motoru na tuhá paliva (RDTT) jsou palivo a okysličovadlo uloženy ve formě směsi pevných látek a palivová nádrž současně funguje jako spalovací komora. Motor na tuhá paliva a jím vybavená raketa jsou konstrukčně mnohem jednodušší než všechny ostatní typy raketových motorů a odpovídajících raket, a proto jsou spolehlivé, levné na výrobu, nevyžadují mnoho práce při skladování a přepravě a dobu jejich přípravy pro spuštění je minimální. V současnosti proto nahrazují jiné typy raketových motorů z vojenských aplikací. Pevné palivo je zároveň energeticky méně účinné než palivo kapalné. Měrný impuls motorů na tuhá paliva je 2000 - 3000 m/s. Tah - přes 1300 tf ( posilovač raketoplánu ).

V raketových motorech na kapalná paliva (LPRE) jsou palivo a okysličovadlo v kapalném stavu agregace . Jsou přiváděny do spalovací komory pomocí turbočerpadla nebo výtlačných napájecích systémů. Raketové motory na kapalné palivo umožňují řízení tahu v širokém rozsahu a vícenásobné zapínání a vypínání, což je důležité zejména při manévrování ve vesmíru. Specifický impuls LRE dosahuje 4500 m/s. Tah - přes 800 tf ( RD-170 ). Na základě kombinace těchto vlastností jsou jako hlavní motory nosných raket kosmických lodí a posunovacích motorů kosmických lodí výhodné raketové motory na kapalná paliva .

Jako pár palivo + okysličovadlo lze použít různé komponenty. Moderní kryogenní motory využívají dvojici kapalný kyslík + kapalný vodík (nejefektivnější komponenty pro LRE). Další skupina složek je při vzájemném kontaktu samozápalná, příkladem takového schématu je oxid dusičitý + nesymetrický dimethylhydrazin. Poměrně často se používá dvojice kapalný kyslík + petrolej. Podstatný je poměr složek: 1 díl paliva lze dodat z 1 dílu okysličovadla (palivový pár kyslík + hydrazin ) na 5 a dokonce 19 dílů okysličovadla (palivové páry kyselina dusičná + petrolej a fluor + vodík [2 ] ).

Chemické raketové motory s relativně nízkým specifickým impulsem (ve srovnání s elektrickými raketovými motory) umožňují vyvinout vysoký tah, což je důležité zejména při vytváření prostředků pro vynesení nákladu na oběžnou dráhu nebo pro meziplanetární lety v relativně krátkém čase.

Na konci druhého desetiletí XXI století. všechny, bez výjimky, raketové motory používané ve vojenských raketách a všechny, bez výjimky, motory nosných raket kosmických lodí jsou chemické.

Je třeba také poznamenat, že v roce 2013 byla u chemických raketových motorů prakticky dosažena hranice energetických energetických schopností paliva, a proto se teoreticky nepředpokládá možnost výrazného zvýšení jejich specifického impulsu [3] , a tato hranice schopnosti raketové techniky založené na použití chemických motorů, již zvládnuté ve dvou směrech:

1. Vesmírné lety v blízkozemském prostoru (jak s posádkou, tak bez posádky).
2. Průzkum vesmíru ve sluneční soustavě pomocí automatických vozidel (kosmické lodě řady Venuše a Mars , Voyager , Galileo , Cassini-Huygens , Ulysses ).

Pokud se krátkodobá pilotovaná expedice na Mars nebo Venuši s využitím chemického pohonu jeví stále jako možná (ačkoli existují pochybnosti o proveditelnosti takových letů [4] ), pak pro cestování ke vzdálenějším objektům Sluneční soustavy je velikost rakety potřebné k tomu a délka letu vypadají nereálně.

Pro řadu případů je výhodné použít hybridní raketové motory , ve kterých je jedna složka pohonné látky uložena v pevném stavu a druhá (zpravidla okysličovadlo) je uložena v kapalném stavu. Takové motory jsou levnější než kapalinové a jsou spolehlivější. Na rozdíl od pevných paliv umožňují vícenásobné zapnutí. Při dlouhodobém skladování náboje se jeho vlastnosti mírně zhorší.

Jaderné raketové motory

Jaderný raketový motor je proudový motor, ve kterém je pracovní tekutina (například vodík, čpavek atd.) ohřívána energií uvolněnou při jaderných reakcích ( rozpad nebo termojaderná fúze ). Existují radioizotopové, jaderné a termonukleární raketové motory . Jaderné palivo se používá pouze v řízených střelách .

Jaderné raketové motory umožňují dosáhnout výrazně vyšší (ve srovnání s chemickými raketovými motory) hodnoty měrného impulsu díky vysoké rychlosti výdechu pracovní tekutiny (od 8 000 m/s do 50 km/s i více). Celkový tah NRE přitom může být srovnatelný s tahem chemických raketových motorů, což vytváří předpoklady pro budoucí nahrazení chemických raketových motorů jadernými. Hlavním problémem při používání NRE je radioaktivní kontaminace prostředí výfukovými plyny motoru, což znesnadňuje použití NRE (snad kromě plynových - viz níže) na stupních nosných raket operujících v rámci zemskou atmosféru. Konstrukčně dokonalý GFYARD však na základě svých vypočtených trakčních charakteristik může snadno vyřešit problém vytvoření plně znovupoužitelné jednostupňové nosné rakety.

NRE podle stavu agregace jaderného paliva se v nich dělí na pevnou, kapalnou a plynnou fázi. V NRE v pevné fázi je štěpný materiál, stejně jako v konvenčních jaderných reaktorech , umístěn v tyčových sestavách ( TVEL ) složitého tvaru s rozvinutým povrchem, který umožňuje efektivně ohřívat (energii sálání lze v tomto případě zanedbat) . plynná pracovní tekutina (RT) (obvykle vodík , méně často - čpavek ), která je také chladicí kapalinou , ochlazuje konstrukční prvky a samotné sestavy. Teplota RT je omezena maximální povolenou teplotou konstrukčních prvků (ne více než 3 000 °K), což omezuje rychlost odtoku. Specifický impuls NRE v pevné fázi bude podle moderních odhadů 8000-9000 m/s, což je více než dvakrát více než u nejpokročilejších chemických raketových motorů. Takové jaderné raketové motory byly vytvořeny a úspěšně testovány na zkušebních stolicích (program NERVA v USA, jaderný raketový motor RD-0410 v SSSR). NRE v kapalné fázi jsou účinnější: jaderné palivo v jejich jádru je ve formě taveniny, a proto jsou parametry tahu takových motorů vyšší (specifický impuls může dosáhnout hodnot řádově 15 000 m/ s).

V plynné fázi NRE ( GFNRE ) je štěpný materiál (například uran), stejně jako pracovní tekutina, v plynném stavu a je držen v pracovní zóně elektromagnetickým polem (jedna z mnoha navrhovaných konstrukčních možností ). Existuje také provedení GFYARD, ve kterém je jaderné palivo (žhavý uranový plyn nebo plazma) uzavřeno v tepelně odolné opticky průhledné kapsli, tzv. jaderná lampa ( žárovka ) a tím zcela izolovaná od proudu pracovní tekutiny omývající „lampu“, v důsledku čehož dochází k jejímu zahřívání v důsledku záření „lampy“. U některých vývojů byl pro materiál jaderné lampy navržen umělý safír nebo podobné materiály. V případě zadržení jaderného plazmatu elektromagnetickým polem dochází k malému úniku štěpného materiálu do vnějšího prostředí a konstrukce počítá s přísunem jaderného paliva do aktivní zóny pro doplnění jeho množství.

Přesněji řečeno, v případě NRE v plynné fázi by pouze část aktivní zóny měla být v plynném stavu, protože okrajové části aktivní zóny mohou díky předběžnému kontaktnímu ohřevu vodíku uvolnit až 25 % neutronovou energii a poskytují kritickou konfiguraci aktivní zóny s relativně malým množstvím plynného TVEL. Použití např. beryliového, rovněž chlazeného, ​​neutronového vytěsňovače umožňuje zvýšit koncentraci neutronů v neutronově deficitním palivovém článku v plynné fázi faktorem 2–2,5 ve srovnání s hodnotou pro část v pevné fázi. zóny. Bez takového „triku“ by se rozměry NRE v plynné fázi staly nepřijatelně velkými, protože k dosažení kritičnosti musí mít palivový článek v plynné fázi velmi velké rozměry kvůli nízké hustotě vysokoteplotního plyn.

Pracovní tekutina (vodík) obsahuje uhlíkové částice pro efektivní ohřev díky absorpci sálavé energie. Tepelná stabilita konstrukčních prvků u tohoto typu NRE není limitujícím faktorem, proto může výstupní rychlost pracovní tekutiny překročit 30 000 m/s (měrný impuls řádově 3 000 s) při teplotě pracovní tekutiny na výstupu z trysky až 12 000 K. Jako jaderné palivo pro GFNR je navržen zejména uran-233 . Existují varianty GFYARD uzavřený (včetně s "jadernou lampou") a otevřený okruh (s částečným promícháním jaderného paliva a pracovní tekutiny). Předpokládá se, že NRE v plynné fázi lze použít jako motory prvního stupně, a to i přes únik štěpného materiálu. V případě použití uzavřeného schématu GFYARD s „jadernou lampou“ může mít náporový plamen motoru relativně nízkou radioaktivitu.

První výzkum v oblasti NRE byl zahájen v 50. letech 20. století. V Sovětském svazu a Spojených státech byly NRE na pevné fázi aktivně testovány v 70. letech 20. století . Reaktor NERVA byl tedy připraven k použití jako motor třetího stupně nosné rakety Saturn V (viz Saturn C-5N ), nicméně lunární program byl v té době uzavřen a pro tyto starty nebyly žádné další úkoly. vozidel. V SSSR byl koncem 70. let vytvořen a aktivně testován jaderný raketový motor RD- 0410 na základně v Semipalatinské oblasti . Základem tohoto motoru o tahu 3,6 tuny byl jaderný reaktor IR-100 s palivovými články z tuhého roztoku karbidu uranu a karbidu zirkonia. Teplota vodíku dosáhla 3000 K při výkonu reaktoru ~170 MW.

NRE v plynné fázi jsou v současné době ve stádiu teoretického vývoje , nicméně experimentální studie byly provedeny i v SSSR a USA. Očekávaný[ kým? ] , že nový impuls k práci na motorech v plynné fázi dají výsledky experimentu „ Plasma Crystal “, prováděného na orbitálních vesmírných stanicích „ Mir “ a ISS .

Na konci druhého desetiletí XXI století. neexistuje jediný případ praktického použití jaderných raketových motorů, a to navzdory skutečnosti, že hlavní technické problémy vytvoření takového motoru byly vyřešeny před půl stoletím. Hlavní překážkou praktické aplikace NRE jsou oprávněné obavy, že nehoda letadla s NRE může způsobit značné radiační znečištění atmosféry a některé části zemského povrchu, což způsobí jak přímé škody, tak zkomplikuje geopolitickou situaci. Zároveň je zřejmé, že další rozvoj kosmonautiky , který nabyl rozsáhlého charakteru, se neobejde bez využití schémat s jadernými raketovými motory, neboť chemické raketové motory již dosáhly praktické hranice své účinnosti a své účinnosti. rozvojový potenciál je velmi omezený a pro vytvoření vysokorychlostní, dlouhodobě provozované a ekonomicky oprávněné meziplanetární dopravy jsou chemické motory z řady důvodů nevhodné.

Elektrické raketové motory

Elektrické raketové motory ( EPM ) využívají elektrickou energii jako zdroj energie k vytvoření tahu. Měrný impuls elektrických raketových motorů může dosáhnout 10–210 km/s.

Podle způsobu přeměny elektrické energie na kinetickou energii tryskového proudu se rozlišují elektrotermické raketové motory, elektrostatické (iontové) raketové motory a elektromagnetické raketové motory.

Vysoké hodnoty měrného impulsu ERE umožňují spotřebovat (ve srovnání s chemickými motory) malé množství pracovní kapaliny na jednotku tahu, ale to vyvolává problém velkého množství elektřiny potřebné k vytvoření tahu. . Výkon potřebný k vytvoření jednotky tahu raketového motoru (bez zohlednění ztrát) je určen vzorcem:

Zde - měrný výkon (watt / newton tahu); — specifický impuls (m/s). Čím vyšší je specifický impuls, tím méně látky je potřeba a tím více energie je potřeba k vytvoření jednotky tahu. Protože výkon zdrojů elektrické energie na kosmických lodích je velmi omezený, omezuje to také tah, který může EJE vyvinout. Nejpřijatelnějším zdrojem elektrické energie pro elektrický pohon ve vesmíru jsou v současnosti solární panely, které nespotřebovávají palivo a mají dostatečně vysoký měrný výkon (ve srovnání s jinými zdroji elektrické energie). Nízký tah (nepřesahující několik Newtonů u nejvýkonnějších moderních elektrických raketových motorů) a nefunkčnost v atmosféře ve výškách pod 100 km zužují rozsah elektrických raketových motorů.

V současné době se elektrické raketové motory používají jako motory pro orientaci a korekci orbity automatických kosmických lodí (především komunikačních družic ) využívajících solární panely jako zdroje energie. Vzhledem k vysokému specifickému impulsu (výfukové rychlosti) je spotřeba pracovní tekutiny malá, což umožňuje zajistit dlouhou dobu aktivní existence kosmické lodi. [5]

Plazmové raketové motory

Plazmový motor - elektrický raketový motor, jehož pracovní kapalina v plazmovém stavu získává zrychlení .

Plazmové motory různých konstrukcí byly stavěny a testovány již od 60. let, na počátku 21. století však existuje pouze jeden projekt plazmového motoru - VASIMR , který se realizuje na komerční bázi: zatímco motor prošel pouze zkušebním provozem testuje, vývoj pokračuje. Jiné typy plazmových trysek, zejména SPT a ASL (anode layer thrusters), jsou jim velmi blízké, mají zcela odlišné principy činnosti.

Potenciál plazmových motorů je vysoký, nicméně v blízké budoucnosti bude jeho jediným uplatněním korekce oběžné dráhy ISS a dalších blízkozemských družic [6] .

Fotonické raketové motory

Tento motor je hypotetický . Princip činnosti takového motoru je následující: fotony mají impuls , což znamená, že když světlo proudí z trysky motoru , která je v takovém motoru zdrojem energie, vytváří proudový tah . Kosmická loď vybavená takovým motorem by mohla zrychlit na rychlosti blízké světlu (světlo má fenomén „slunečního větru“, jehož hybnost závisí na velikosti „deštníku“) k letu ke vzdáleným hvězdám. Vytvoření takových motorů je však otázkou vzdálené budoucnosti. Nelze je navrhnout a postavit, protože řada problémů je v současné době neřešitelná ani teoreticky.

Vše, co bylo konkrétně řečeno o raketových motorech, lze zredukovat na jediný cíl – dát chaotickému charakteru kinetické energie potřebný obecný směr.

Viz také

• Raketové palivo
• Tryskový tah
• Fusion raketový motor
• Hybridní raketový motor
• Srovnání orbitálních raketových motorů
• první kosmická rychlost
• nadzvukovou rychlostí
• Hypersonická rychlost
• nosná raketa
• solární plachta

Poznámky

1. ↑ BDT, 2017 .
2. ↑ Fluor má atomovou hmotnost 18,99 - téměř 19 a v kombinaci s vodíkem dává fluorovodík  - HF, proto hmotnostně na jeden díl vodíku připadá 19 dílů fluoru. Maximálního specifického impulsu je však dosaženo v poměru 1:10-1:12, tedy s jeden a půl až dvojnásobným přebytkem vodíku oproti stechiometrii.
3. ↑ Vadim Ponomarev. Vypadni ze slepé uličky . "Expert Online" (31. ledna 2013). Získáno 17. února 2013. Archivováno z originálu 26. února 2013. (neurčitý)
4. ↑ V. Surdin Potřebuje člověk letět na Mars? Archivní kopie ze dne 13. října 2012 na Wayback Machine // " Věda a život ", 2006, č. 4
5. ↑ [1] Archivováno 6. června 2011 na Wayback Machine // Cosmonautics News
6. ↑ Revoluční raketa, která by mohla dopravit lidi na Mars . Získáno 4. srpna 2015. Archivováno z originálu 6. srpna 2015. (neurčitý)

Odkazy

• Raketový motor  // Velká ruská encyklopedie  : [ve 35 svazcích] [Elektronický zdroj] / kap. vyd. Yu. S. Osipov . — 2017.
• Vesmírné motory třetího tisíciletí // "Věda a technika", 29. srpna 2003

Literatura

• Teorie raketových motorů: Učebnice pro studenty vyšších vzdělávacích institucí / Alemasov V.E., Dregalin A.F., Tishin A.P.; Ed. Glushko V.P. - M.: Mashinostroenie , 1989. - 464 s.

Slovníky a encyklopedie	Skvělý norský Velký Rus Britannica (online)
V bibliografických katalozích	GND : 4176905-3 J9U : 987007541221705171 LCCN : sh85114703 NDL : 00569644 NKC : ph137851