stringtranslate.com

Жидкостная ракета

Упрощенная схема жидкостной ракеты.
  1. Жидкое ракетное топливо .
  2. Окислитель .
  3. Насосы переносят топливо и окислитель.
  4. Камера сгорания смешивает и сжигает две жидкости.
  5. Выделившийся в результате реакции газ проходит через «горло», которое выравнивает все образующиеся газы в нужном направлении.
  6. Выхлоп выходит из ракеты.

Ракета на жидком топливе или жидкостная ракета использует ракетный двигатель , использующий жидкое топливо . Также можно использовать газообразные пропелленты, но они не распространены из-за их низкой плотности и сложности с обычными методами накачки. Жидкости желательны, поскольку они имеют достаточно высокую плотность и высокий удельный импульс ( I sp ) . Это позволяет сделать объем топливных баков относительно небольшим. Ракетное топливо обычно закачивается в камеру сгорания с помощью легкого центробежного турбонасоса , хотя некоторые аэрокосмические компании нашли способы использовать электрические насосы с батареями, позволяющие поддерживать топливо под низким давлением. Это позволяет использовать топливные баки малой массы, которым не нужно выдерживать высокое давление, необходимое для хранения значительных количеств газов, что приводит к низкому соотношению масс ракеты. [ нужна цитата ]

Инертный газ, хранящийся в баке под высоким давлением, иногда используется вместо насосов в более простых небольших двигателях для подачи топлива в камеру сгорания. Эти двигатели могут иметь более высокую относительную массу, но обычно более надежны и поэтому широко используются в спутниках для поддержания орбиты. [1]

Жидкостные ракеты могут быть монотопливными , использующими один тип топлива, или двухтопливными ракетами, использующими два типа топлива. Трехкомпонентные ракеты , использующие три типа топлива, встречаются редко. Большинство конструкций жидкостных двигателей имеют возможность дросселирования для работы с переменной тягой, а некоторые могут быть перезапущены после предыдущего остановки в космосе. Жидкие окислители также используются в гибридных ракетах , обладающих некоторыми преимуществами твердотопливных ракет .

История

Россия – Советский Союз

Ракета 09 (слева) и 10 (ГИРД-09 и ГИРД-Х). Музей космонавтики и ракетной техники; Санкт-Петербург.

Идея жидкостной ракеты в современном понимании впервые появилась в 1903 году в книге « Исследование Вселенной с помощью ракетных двигателей» [ 2] русского ученого-ракетчика Константина Циолковского . Величина его вклада в космонавтику поразительна. включая уравнение ракеты Циолковского , многоступенчатые ракеты и использование жидкого кислорода и жидкого водорода в ракетах на жидком топливе. [3] Циолковский оказал влияние на более поздних ученых-ракетчиков по всей Европе, таких как Вернер фон Браун . Советские поисковые группы в Пенемюнде обнаружили немецкий перевод книги Циолковского, в которой «почти каждая страница... была украшена комментариями и примечаниями фон Брауна». [4] Ведущий советский конструктор ракетных двигателей Валентин Глушко и ракетоконструктор Сергей Королев изучали работы Циолковского в юности [5] и оба стремились воплотить теории Циолковского в реальность. [6]

С 1929 по 1930 год в Ленинграде Глушко занимался ракетными исследованиями в Лаборатории газодинамики (ГДЛ), где был создан новый научный отдел по изучению жидкостных и электрических ракетных двигателей . В результате были созданы двигатели ОРМ (от «Экспериментальный ракетный двигатель») — двигатели от ОРМ-1  [ru] до ОРМ-52  [ru] . [7] Всего было проведено 100 стендовых испытаний жидкостных ракет на различных видах топлива, как низкокипящих, так и высококипящих, достигнута тяга до 300 кг. [8] [7]

В этот период в Москве учёный и изобретатель Фридрих Цандер проектировал и создавал жидкостные ракетные двигатели, работавшие на сжатом воздухе и бензине. Цандер использовал его для исследования высокоэнергетического топлива, включая порошкообразные металлы, смешанные с бензином. В сентябре 1931 года Цандер сформировал в Москве « Группу по изучению реактивного движения », [9] более известную под русской аббревиатурой «ГИРД». [10] В мае 1932 года Сергей Королев сменил Цандера на посту руководителя ГИРД. 17 августа 1933 года Михаил Тихонравов запустил первую советскую жидкостную ракету, работающую на жидком кислороде и загустевшем бензине, ГИРД-9, которая достигла высоты 400 метров (1300 футов). [11] В январе 1933 года Цандер приступил к разработке ракеты ГИРД-Х. Эта конструкция сжигала жидкий кислород и бензин и была одним из первых двигателей с регенеративным охлаждением жидким кислородом, который обтекал внутреннюю стенку камеры сгорания перед попаданием в нее. Проблемы с прогоранием во время испытаний побудили перейти с бензина на менее энергичный алкоголь. Последняя ракета длиной 2,2 метра (7,2 фута) и диаметром 140 миллиметров (5,5 дюйма) имела массу 30 кг (66 фунтов), и предполагалось, что она сможет нести полезную нагрузку массой 2 кг (4,4 фунта) на высота 5,5 км (3,4 мили). [12] Ракета GIRD X была запущена 25 ноября 1933 года и поднялась на высоту 80 метров. [13]

В 1933 году ВКЛ и ГИРД объединились и образовали Реактивный научно-исследовательский институт (РНИИ). В РНИИ Гушко продолжили разработку жидкостных ракетных двигателей от ОРМ-53 до ОРМ-102, причем ОРМ-65  [ru] был установлен на самолеты с ракетными двигателями РП-318 . [7] В 1938 году Леонид Душкин сменил Глушко и продолжил разработку двигателей ОРМ, в том числе двигателя для ракетного перехватчика Березняка-Исаева БИ-1 . [14] В РНИИ Тихонравов занимался разработкой кислородно-спиртовых жидкостных ракетных двигателей. [15] В конечном итоге жидкостным ракетным двигателям в конце 1930-х годов в РНИИ не уделялось должного внимания, однако исследования были продуктивными и очень важными для последующих достижений советской ракетной программы. [16]

Перу

Avion Torpedo Педро Паулета 1902 года выпуска с куполом , прикрепленным к треугольному наклоняемому крылу для горизонтального или вертикального полета.

Перуанец Педро Паулет , который экспериментировал с ракетами на протяжении всей своей жизни в Перу , написал письмо в El Comercio в Лиме в 1927 году, утверждая, что он экспериментировал с жидкостным ракетным двигателем, будучи студентом в Париже, тремя десятилетиями ранее. [17] [18] Историки ранних экспериментов в ракетной технике, в том числе Макс Валье , Вилли Лей и Джон Д. Кларк , по-разному доверяют отчету Полета. Валье аплодировал конструкции ракеты с жидкостным двигателем Поле в издании Verein für Raumschiffahrt Die Rakete , заявив, что двигатель обладает «удивительной мощностью» и что его планы необходимы для будущих разработок ракет. [19] Герман Оберт назвал Паулета пионером ракетной техники в 1965 году. [20] Вернер фон Браун также назвал Паулета «пионером жидкотопливного маршевого двигателя» и заявил, что «Паулет помог человеку достичь Луны ». [17] [21] [22] [23] [24] Позже нацистская Германия обратилась к Паулету с предложением присоединиться к Astronomische Gesellschaft , чтобы помочь в разработке ракетных технологий, но он отказался помочь после того, как обнаружил, что проект был предназначен для создания оружия. и никогда не делился формулой своего топлива. [25] [26] По словам кинорежиссера и исследователя Альваро Мехиа, Фредерик I. Ордуэй III позже попытается дискредитировать открытия Паулета в контексте Холодной войны и в попытке отодвинуть общественный имидж фон Брауна от его истории с помощью Нацистская Германия. [27]

Соединенные Штаты

Роберт Х. Годдард , укутанный в холодную погоду Новой Англии 16 марта 1926 года, держит стартовую раму своего самого примечательного изобретения — первой жидкостной ракеты.

Первый полет жидкостной ракеты состоялся 16 марта 1926 года в Оберне, штат Массачусетс , когда американский профессор доктор Роберт Х. Годдард запустил ракету, использующую жидкий кислород и бензин в качестве топлива. [28] Ракета, получившая название «Нелл», поднялась всего на 41 фут во время 2,5-секундного полета, который закончился на капустном поле, но это была важная демонстрация того, что ракеты, использующие жидкостное движение, возможны. Годдард предложил жидкое топливо примерно пятнадцатью годами ранее и начал серьезно экспериментировать с ним в 1921 году. Герман Оберт , немец румынского происхождения, в 1922 году опубликовал книгу, в которой предлагал использовать жидкое топливо.

Германия

В Германии инженеры и ученые увлеклись жидкостными двигателями, создавая и испытывая их в конце 1920-х годов в рамках Opel RAK , первой в мире ракетной программы, в Рюссельсхайме. Согласно рассказу Макса Валье , [29] конструктор ракеты Opel RAK Фридрих Вильгельм Зандер запустил две ракеты на жидком топливе на канатной дороге Opel Rennbahn в Рюссельсхайме 10 и 12 апреля 1929 года. Эти ракеты Opel RAK были первыми европейскими ракетами, и после Годдарда вторая в истории ракета на жидком топливе. В своей книге «Ракетенфарт» Валье описывает размеры ракеты: диаметром 21 см, длиной 74 см, весом 7 кг пустого и 16 кг с топливом. Максимальная тяга составляла от 45 до 50 л.с., общее время горения — 132 секунды. Эти свойства указывают на накачку газа под давлением. Основной целью этих испытаний была отработка жидкостной ракетной двигательной установки для строящегося самолета Гебрюдер-Мюллер-Гриссхайм [30] для планового перелета через Ла-Манш. Историк космических полетов Фрэнк Х. Винтер , куратор Национального музея авиации и космонавтики в Вашингтоне, округ Колумбия, подтверждает, что группа Opel работала над созданием твердотопливных ракет, используемых для установления рекордов наземной скорости, и первых в мире пилотируемых полетов на ракетных самолетах. с Opel RAK.1 , на жидкотопливных ракетах. [31] К маю 1929 года двигатель производил тягу 200 кг (440 фунтов) «в течение более пятнадцати минут, а в июле 1929 года сотрудники Opel RAK смогли достичь фаз мощности более тридцати минут для тяги 300 кг (660 фунтов) на заводе Opel в Рюссельсхайме», опять же согласно рассказу Макса Валье. Великая депрессия положила конец деятельности Opel RAK. После работы в немецкой армии в начале 1930-х годов Сандер был арестован гестапо в 1935 году, когда в Германии было запрещено частное ракетостроение. Он был осужден за государственную измену к 5 годам тюремного заключения и вынужден продать свою компанию. Он умер в 1938 году . Ракеты были конфискованы немецкими военными Heereswaffenamt и задействованы в деятельности генерала Вальтера Дорнбергера в начале и середине 1930-х годов на полях под Берлином. [33] Макс Валье был соучредителем любительской исследовательской группы VfR , работавшей над жидкостными ракетами в начале 1930-х годов, и многие из членов которой в конечном итоге стали важными пионерами ракетной техники, включая Вернера фон Брауна .Ракетное оружие Фау-2 нацистов.

Чертеж прототипа ракетного самолета He 176 V1.

К концу 1930-х годов начали серьезно экспериментировать с использованием ракетных двигателей для пилотируемых полетов, поскольку немецкий самолет Heinkel He 176 совершил первый пилотируемый полет с ракетным двигателем с использованием жидкостного ракетного двигателя, разработанного немецким авиационным инженером Хельмутом Вальтером 20 июня 1939 года. [34] Единственный серийный боевой самолет с ракетным двигателем, когда-либо поступавший на военную службу, Ме 163 « Комет» в 1944-45 годах также использовал разработанный Вальтером жидкостный ракетный двигатель Walter HWK 109-509 , развивавший тягу до 1700 кгс . (16,7 кН) тяга на полной мощности.

После Второй мировой войны

После Второй мировой войны американское правительство и военные наконец всерьез рассматривали жидкостные ракеты как оружие и начали финансировать работы над ними. Советский Союз сделал то же самое, и таким образом началась космическая гонка .

В 2010-х годах 3D-печатные двигатели начали использовать для космических полетов. Примеры таких двигателей включают SuperDraco , используемый в системе аварийного спасения SpaceX Dragon 2 , а также двигатели, используемые для первой или второй ступеней в ракетах -носителях Astra , [35] Orbex , [36] [37] Relativity Space , [38] Skyrora , [39] или Панель запуска. [40] [41] [42]

Типы

Жидкостные ракеты строятся как монотопливные ракеты , использующие один тип топлива, двухтопливные ракеты, использующие два типа топлива, или более экзотические трехтопливные ракеты , использующие три типа топлива.Двухкомпонентные жидкостные ракеты обычно используют жидкое топливо , такое как жидкий водород или углеводородное топливо, такое как RP-1 , и жидкий окислитель , например, жидкий кислород . Двигатель может представлять собой криогенный ракетный двигатель , в котором топливо и окислитель, например водород и кислород, представляют собой газы, сжиженные при очень низких температурах.

Жидкостные ракеты можно дросселировать (изменять тягу) в реальном времени и контролировать соотношение смеси (соотношение, в котором смешиваются окислитель и топливо); их также можно остановить и перезапустить с помощью подходящей системы зажигания или самовоспламеняющегося топлива.

Гибридные ракеты используют жидкий или газообразный окислитель для твердого топлива. [1] : 354–356 

Принцип действия

Все жидкостные ракетные двигатели имеют резервуар и трубы для хранения и подачи топлива, инжекторную систему, камеру сгорания, которая обычно имеет цилиндрическую форму, и одно (иногда два или более) ракетные сопла .

В отличие от газов, типичное жидкое топливо имеет плотность, аналогичную воде, примерно 0,7–1,4 г/см³ (за исключением жидкого водорода , плотность которого гораздо ниже), при этом для предотвращения испарения требуется лишь относительно небольшое давление . Такое сочетание плотности и низкого давления позволяет сделать резервуар очень легким; примерно 1% содержания для плотных топлив и около 10% для жидкого водорода (из-за его малой плотности и массы необходимой изоляции).

Для впрыска в камеру сгорания давление топлива в форсунках должно быть больше давления в камере сгорания; этого можно добиться с помощью насоса. Подходящие насосы обычно используют центробежные турбонасосы из-за их высокой мощности и легкого веса, хотя в прошлом использовались поршневые насосы . Турбонасосы обычно очень легкие и могут обеспечить отличную производительность; с земной массой значительно ниже 1% тяги. Действительно, общее соотношение тяги ракетного двигателя к весу , включая турбонасос, достигало 155:1 у ракетного двигателя SpaceX Merlin 1D и до 180:1 у вакуумной версии [43].

В качестве альтернативы вместо насосов можно использовать тяжелый резервуар с инертным газом высокого давления, например гелием, и отказаться от насоса; но дельта-v , которого может достичь ступень, часто намного ниже из-за дополнительной массы резервуара, что снижает производительность; но для использования на большой высоте или в вакууме масса резервуара может быть приемлемой.

Таким образом, основными компонентами ракетного двигателя являются камера сгорания (камера тяги), пиротехнический воспламенитель , система подачи топлива , клапаны, регуляторы, топливные баки и сопло ракетного двигателя . Что касается подачи топлива в камеру сгорания, жидкостные двигатели работают либо под давлением , либо с насосом , а двигатели с насосом работают либо в газогенераторном цикле , либо в цикле ступенчатого сгорания , либо в детандерном цикле .


Использование жидкого топлива имеет ряд преимуществ:

Двухкомпонентные жидкостные ракеты просты по своей концепции, но из-за высоких температур и высокоскоростных движущихся частей очень сложны на практике.

Использование жидкого топлива также может быть связано с рядом проблем:

Пороха

За прошедшие годы были опробованы тысячи комбинаций топлива и окислителей. Некоторые из наиболее распространенных и практичных из них:

Криогенный

Одна из наиболее эффективных смесей, кислород и водород , страдает от чрезвычайно низких температур, необходимых для хранения жидкого водорода (около 20 К или -253,2 °C или -423,7 °F) и очень низкой плотности топлива (70 кг/м 3 или 4,4). фунт/куб фут по сравнению с RP-1 с плотностью 820 кг/м 3 или 51 фунт/куб фут), что требует больших резервуаров, которые также должны быть легкими и изолирующими. Легкая изоляция из пенопласта на внешнем баке космического корабля " Колумбия" привела к разрушению космического корабля " Колумбия " , поскольку кусок оторвался, повредил его крыло и вызвал его разрушение при входе в атмосферу .

Жидкий метан/СПГ имеет ряд преимуществ перед LH 2 . Его характеристики (макс. удельный импульс ) ниже, чем у ЛХ 2 , но выше, чем у РП1 (керосин) и твердого топлива, а более высокая плотность, как и у других углеводородных топлив, обеспечивает более высокую тяговооруженность, чем у ЛХ 2 , хотя его плотность не такая высокая, как у RP1. [48] ​​Это делает его особенно привлекательным для многоразовых пусковых систем , поскольку более высокая плотность позволяет использовать меньшие по размеру двигатели, топливные баки и связанные с ними системы. [47] СПГ также горит с меньшим количеством сажи или без нее (меньше или без коксования), чем RP1, что облегчает возможность повторного использования по сравнению с ним, а СПГ и RP1 горят при более низкой температуре, чем LH 2 , поэтому СПГ и RP1 не деформируют внутренние конструкции двигателя. столько. Это означает, что двигатели, работающие на СПГ, могут быть повторно использованы чаще, чем двигатели, работающие на RP1 или LH2 . В отличие от двигателей, работающих на LH 2 , двигатели RP1 и LNG могут быть сконструированы с общим валом с одной турбиной и двумя турбонасосами, по одному для LOX и LNG/RP1. [48] ​​В космосе СПГ не нуждается в нагревателях для поддержания жидкого состояния, в отличие от RP1. [49] СПГ дешевле, поскольку доступен в больших количествах. Его можно хранить в течение более длительных периодов времени, и он менее взрывоопасен, чем LH 2 . [47]

Полукриогенный

Некриогенный/хранимый/гиперголический

Ракетный самолет Me 163B Komet ВВС NMUSAF

Многие некриогенные битоплива гиперголичны (самовоспламеняющиеся).

Для хранимых межконтинентальных баллистических ракет и большинства космических аппаратов, включая пилотируемые аппараты, планетарные зонды и спутники, хранение криогенного топлива в течение длительного периода времени нецелесообразно. По этой причине для таких применений обычно используются смеси гидразина или его производных в сочетании с оксидами азота, но они токсичны и канцерогенны . Следовательно, для улучшения управляемости некоторые экипажные машины, такие как Dream Chaser и Space Ship Two, планируют использовать гибридные ракеты с нетоксичными комбинациями топлива и окислителя.

Форсунки

Применение форсунки в жидкостных ракетах определяет процент теоретической производительности сопла , которого можно достичь. Плохая работа форсунки приводит к тому, что несгоревшее топливо покидает двигатель, что приводит к снижению эффективности.

Кроме того, форсунки обычно играют ключевую роль в снижении термической нагрузки на форсунку; за счет увеличения доли топлива по краю камеры это дает гораздо более низкие температуры на стенках сопла.

Типы форсунок

Форсунки могут представлять собой несколько отверстий небольшого диаметра, расположенных по тщательно продуманной схеме, через которые проходят топливо и окислитель. Скорость потока определяется квадратным корнем из перепада давления на форсунках, формой отверстия и другими деталями, такими как плотность топлива.

Первые форсунки, использованные на Фау-2, создавали параллельные струи топлива и окислителя, которые затем сгорали в камере. Это дало весьма низкую эффективность.

Сегодняшние форсунки классически состоят из ряда небольших отверстий, которые направляют струи топлива и окислителя так, что они сталкиваются в точке пространства на небольшом расстоянии от пластины форсунки. Это помогает разбить поток на мелкие капли, которые легче горят.

Основные типы форсунок:

Игольчатая форсунка обеспечивает хороший контроль смеси топлива и окислителя в широком диапазоне скоростей потока. Игольчатый инжектор использовался в двигателях лунного модуля «Аполлон» ( Descent Propulsion System ) и двигателе « Кестрел» , в настоящее время он используется в двигателе «Мерлин» на ракетах Falcon 9 и Falcon Heavy .

В двигателе РС-25 , разработанном для космического корабля "Шаттл" , используется система рифленых стоек, которые используют нагретый водород из предварительной камеры сгорания для испарения жидкого кислорода, проходящего через центр стоек [51] , и это повышает скорость и стабильность процесса сгорания. ; предыдущие двигатели, такие как F-1, использовавшиеся в программе «Аполлон», имели серьезные проблемы с колебаниями, которые приводили к разрушению двигателей, но в RS-25 это не было проблемой из-за этой детали конструкции.

Валентин Глушко изобрел центростремительную форсунку в начале 1930-х годов, и она почти повсеместно использовалась в российских двигателях. К жидкости прикладывается вращательное движение (иногда оба топлива смешиваются), затем она выбрасывается через небольшое отверстие, где образует конусообразный лист, который быстро распыляется. В первом жидкостном двигателе Годдарда использовалась единственная ударная форсунка. Немецкие ученые во время Второй мировой войны экспериментировали с ударными форсунками на плоских пластинах, которые успешно использовались в ракете Вассерфаль.

Стабильность горения

Чтобы избежать нестабильности, такой как пыхтение, которое представляет собой колебание на относительно низкой скорости, двигатель должен быть спроектирован с достаточным перепадом давления на форсунках, чтобы поток был в значительной степени независимым от давления в камере. Такое падение давления обычно достигается за счет использования не менее 20% давления в камере на форсунках.

Тем не менее, особенно в более крупных двигателях, легко возникают высокоскоростные колебания сгорания, и это еще не совсем понятно. Эти высокоскоростные колебания имеют тенденцию разрушать пограничный слой двигателя со стороны газа, и это может привести к быстрому выходу из строя системы охлаждения, приводящему к разрушению двигателя. Подобные колебания гораздо чаще встречаются в больших двигателях и мешали разработке Saturn V , но в конце концов были преодолены.

В некоторых камерах сгорания, например, в двигателе RS-25 , в качестве механизмов демпфирования используются резонаторы Гельмгольца , предотвращающие рост определенных резонансных частот.

Чтобы предотвратить эти проблемы, в конструкции форсунки RS-25 были приложены большие усилия по испарению топлива перед впрыском в камеру сгорания. Хотя для предотвращения возникновения нестабильности использовались многие другие функции, более поздние исследования показали, что эти другие функции были ненужными, и горение в газовой фазе работало надежно.

Проверка устойчивости часто включает использование небольших взрывчатых веществ. Они детонируют внутри камеры во время работы и вызывают импульсивное возбуждение. Исследуя след давления в камере, чтобы определить, насколько быстро затухают эффекты возмущения, можно оценить устойчивость и при необходимости перепроектировать камеру.

Циклы двигателя

Для жидкостных ракет обычно используются четыре различных способа впрыска топлива в камеру. [52]

Топливо и окислитель должны закачиваться в камеру сгорания против давления сгорающих горячих газов, а мощность двигателя ограничивается скоростью, с которой топливо может закачиваться в камеру сгорания. Для атмосферного использования или использования в пусковых установках желательно использовать циклы двигателя высокого давления и, следовательно, высокой мощности, чтобы минимизировать гравитационное сопротивление . Для орбитального использования обычно подходят более низкие энергетические циклы.

Цикл подачи под давлением
Топливо подается из герметичных (относительно тяжелых) баков. Тяжелые баки означают, что относительно низкое давление является оптимальным, что ограничивает мощность двигателя, но все топливо сгорает, обеспечивая высокую эффективность. В качестве давления часто используется гелий из-за его недостаточной реакционной способности и низкой плотности. Примеры: AJ-10 , используемый в космических кораблях OMS , Apollo SPS и второй ступени Delta II .
Электрический с насосным питанием
Электродвигатель , обычно бесщеточный электродвигатель постоянного тока , приводит в движение насосы . Электродвигатель питается от аккумуляторной батареи. Это относительно просто реализовать и снижает сложность конструкции турбомашины , но за счет дополнительной сухой массы аккумуляторной батареи. Примером двигателя является двигатель Rutherford , разработанный и используемый Rocket Lab .
Газогенераторный цикл
Небольшой процент топлива сжигается в предварительной камере сгорания для питания турбонасоса, а затем выбрасывается через отдельное сопло или через основное сопло. Это приводит к снижению эффективности, поскольку выхлопные газы практически не создают тяги, но турбины насосов могут быть очень большими, что позволяет использовать двигатели большой мощности. Примеры: F-1 и J-2 Сатурна V , RS - 68 Дельты IV , HM7B Арианы 5 , Мерлин Фалькона 9 .
Цикл отвода
Забирает горячие газы из основной камеры сгорания ракетного двигателя и направляет их через турбины турбонасоса двигателя для перекачки топлива, а затем выбрасывает. Поскольку не все топливо проходит через основную камеру сгорания, отводной цикл считается двигателем с открытым циклом. Примеры включают J-2S и BE-3 .
Экспандерный цикл
Криогенное топливо (водород или метан) используется для охлаждения стенок камеры сгорания и сопла. Поглощенное тепло испаряет и расширяет топливо, которое затем используется для привода турбонасосов, прежде чем оно попадает в камеру сгорания, что обеспечивает высокий КПД, или выбрасывается за борт, что позволяет использовать турбонасосы большей мощности. Ограниченное количество тепла, доступного для испарения топлива, ограничивает мощность двигателя. Примеры: RL10 для вторых ступеней Atlas V и Delta IV (замкнутый цикл), LE-5 H-II ( цикл прокачки).
Поэтапный цикл сгорания
Смесь, богатая топливом или окислителем, сжигается в предварительной камере сгорания, а затем приводит в действие турбонасосы, и этот выхлоп под высоким давлением подается непосредственно в главную камеру, где сгорает остальная часть топлива или окислителя, что обеспечивает очень высокое давление и эффективность. Примеры: ССМЭ , РД-191 , ЛЭ-7 .
Полнопоточный ступенчатый цикл сгорания
Смеси, богатые топливом и окислителем, сжигаются в отдельных камерах предварительного сгорания и приводят в действие турбонасосы, затем оба выхлопных газа высокого давления, один богатый кислородом, а другой богатый топливом, подаются непосредственно в главную камеру, где они объединяются и сгорают, обеспечивая очень высокое давление. и высокая эффективность. Пример: SpaceX Raptor .

Компромиссы цикла двигателя

Выбор цикла двигателя — один из первых шагов в проектировании ракетного двигателя. Этот выбор приводит к ряду компромиссов, некоторые из которых включают в себя:

Охлаждение

Форсунки обычно располагаются так, что на стенке камеры сгорания создается слой, богатый топливом. Это снижает температуру там, а также после горловины и даже в сопле, а также позволяет камере сгорания работать при более высоком давлении, что позволяет использовать сопло с более высокой степенью расширения, что обеспечивает более высокий I SP и лучшую производительность системы. [53] Жидкостный ракетный двигатель часто использует регенеративное охлаждение , при котором для охлаждения камеры и сопла используется топливо или, реже, окислитель.

Зажигание

Зажигание может осуществляться разными способами, но, возможно, в большей степени для жидкого топлива, чем для других ракет, требуется постоянный и значительный источник воспламенения; задержка воспламенения (в некоторых случаях всего лишь несколько десятков миллисекунд) может вызвать избыточное давление в камере из-за избытка пороха. Резкий запуск может даже привести к взрыву двигателя.

Обычно системы зажигания пытаются подать пламя по поверхности форсунки с массовым расходом примерно 1% от полного массового расхода камеры.

Иногда используются предохранительные блокировки, чтобы гарантировать наличие источника возгорания до открытия главных клапанов; однако надежность блокировок в некоторых случаях может быть ниже, чем системы зажигания. Таким образом, это зависит от того, должна ли система быть отказоустойчивой или же более важен общий успех миссии. Блокировки редко используются на верхних беспилотных ступенях, где выход из строя блокировки может привести к потере миссии, но они присутствуют в двигателе RS-25 для остановки двигателей перед взлетом космического корабля "Шаттл". Кроме того, обнаружить успешное зажигание воспламенителя на удивление сложно, в некоторых системах используются тонкие провода, которые перерезаются пламенем, датчики давления также нашли применение.

Способы воспламенения включают пиротехнический , электрический (искровой или горячей проволокой) и химический. Преимущество гиперголического топлива состоит в том, что оно самовоспламеняется, надежно и с меньшей вероятностью жесткого запуска. В 1940-х годах русские начали запускать двигатели с гиперголами, чтобы затем после воспламенения переходить на первичное топливо. Он также использовался на американском ракетном двигателе F-1 по программе «Аполлон» .

Воспламенение пирофорным агентом : Триэтилалюминий воспламеняется при контакте с воздухом и воспламеняется и/или разлагается при контакте с водой и любым другим окислителем — это одно из немногих веществ, достаточно пирофорных, чтобы воспламениться при контакте с криогенным жидким кислородом . Энтальпия сгорания Δc H ° составляет -5105,70 ± 2,90 кДж/моль (-1220,29 ± 0,69 ккал/моль). Легкое воспламенение делает его особенно желательным в качестве воспламенителя ракетного двигателя . Может использоваться в сочетании с триэтилбораном для создания триэтилалюминий-триэтилборана, более известного как TEA-TEB.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Аб Саттон, Джордж П. (1963). Элементы ракетного движения, 3-е издание . Нью-Йорк: Джон Уайли и сыновья. стр. 25, 186, 187.
  2. ^ Русское название Исследование мировых пространств реактивными приборами ( Исследование мировыми пространственными реактивными приборами )
  3. ^ Сиддики 2000, с. 1.
  4. ^ Сиддики 2000, с. 27.
  5. ^ Сиддики 2000, с. 6–7333.
  6. ^ Сиддики 2000, с. 3 166 182 187 205–206 208.
  7. ^ abc Глушко, Валентин (1 января 1973 г.). Развитие ракетной и космической техники в СССР . Новости Пресс-паб. Дом. стр. 12–14, 19. OCLC  699561269.
  8. ^ Зак, Анатолий. «Лаборатория Газодинамики». Российская космическая паутина . Проверено 20 июля 2022 г.
  9. ^ Черток 2005, с. 165 Том 1.
  10. ^ Сиддики 2000, с. 4.
  11. ^ Асиф Сиддики (ноябрь 2007 г.). «Человек за ширмой». Архивировано из оригинала 3 апреля 2021 г.
  12. ^ Альбрехт, Ульрих (1993). Советская военная промышленность . Рутледж. стр. 74–75. ISBN 3-7186-5313-3.
  13. ^ Цандер, Ф.А. (1964). Проблемы полётов на реактивных двигателях-межпланетных полётах (Перевод с русского) (PDF) . Израильская программа научных переводов. стр. 32, 38–39, 58–59 . Проверено 13 июня 2022 г.
  14. ^ Гордон, Э.; Свитман, Билл (1992). Советские Х-самолеты . Билл Свитман. Оцеола, Висконсин: Motorbooks International. п. 47. ИСБН 978-0-87938-498-2. ОСЛК  22704082.
  15. ^ Черток 2005, с. 167 Том 1.
  16. ^ Сиддики 2000, с. 8-9.
  17. ^ аб Полет де Васкес, Сара (2002). «Педро Паулет: перуанский пионер пространства». Наука и технология . Лима : 5–12.
  18. ^ Ордвей, Финляндия (сентябрь 1977 г.). «Предполагаемый вклад Педро Э. Паулета в жидкостную ракетную технику». НАСА, Вашингтонские очерки по истории ракетной техники и космонавтики, Том. 2 . НАСА.
  19. ^ Мехия 2017, стр. 115–116.
  20. ^ Фицджеральд, Майкл (2018). Секретное оружие массового поражения Гитлера: нацистский план окончательной победы . стр. Глава 3. Паулет явно был пионером в области ракетной техники, и неудивительно, что нацисты стремились завербовать его для помощи в своих усилиях. Немецкое астронавтическое общество пригласило его в Германию, чтобы стать частью группы исследователей ракетных двигателей, и поначалу он был заинтересован, но когда он обнаружил, что намерением было создать оружие, которое будет использоваться в военных целях, он отклонил приглашение. Еще в 1965 году Оберт назвал его одним из истинных пионеров ракетостроения.
  21. ^ «Перуанец, который превратился в отца космонавтики, вдохновленный Хулио Верном, и появился в новых записях по 100 солей» . BBC News (на испанском языке) . Проверено 11 марта 2022 г.
  22. ^ Фон Браун, Вернер; Ордуэй III, Фредерик И. (1968). Всемирная история космонавтики. Париж: Ларус/Париж-матч. стр. 51–52.
  23. ^ Фицджеральд, Майкл (2018). Секретное оружие массового поражения Гитлера: нацистский план окончательной победы . стр. Глава 3. Даже Вернер фон Браун описал Паулета как «одного из отцов воздухоплавания» и «пионера жидкотопливного маршевого двигателя». Он заявил, что «своими усилиями Полет помог человеку достичь Луны».
  24. ^ Хардинг, Роберт С. (2012). Космическая политика в развивающихся странах: поиск безопасности и развития на последнем рубеже . Рутледж . п. 156. ИСБН 9781136257902. Перу занимает особое место среди EMSA Латинской Америки, поскольку в этой стране жил Педро Паулет, который изобрел первый в мире жидкостный ракетный двигатель в 1895 году и первую современную ракетную двигательную установку в 1900 году. ... По словам Вернера фон Брауна, « Паулета следует считать пионером жидкотопливного двигателя... своими усилиями Паулет помог человеку достичь Луны». Полет основал Перуанскую национальную лигу поддержки авиации, предшественника перуанских ВВС.
  25. ^ «Перуанец, который превратился в отца космонавтики, вдохновленный Хулио Верном, и появился в новых записях по 100 солей» . BBC News (на испанском языке) . Проверено 11 марта 2022 г.
  26. ^ Фицджеральд, Майкл (2018). Секретное оружие массового поражения Гитлера: нацистский план окончательной победы . стр. Глава 3. Паулет явно был пионером в области ракетной техники, и неудивительно, что нацисты стремились завербовать его для помощи в своих усилиях. Немецкое астронавтическое общество пригласило его в Германию, чтобы стать частью группы исследователей ракетных двигателей, и поначалу он был заинтересован, но когда он обнаружил, что намерением было создать оружие, которое будет использоваться в военных целях, он отклонил приглашение. Еще в 1965 году Оберт назвал его одним из истинных пионеров ракетостроения.
  27. ^ "Документальное возвращение перуанского Паулета как пионера космонавтики" . ЭФЕ (на испанском языке). 05.04.2012 . Проверено 11 марта 2022 г.
  28. ^ «Воссоздание истории». НАСА. Архивировано из оригинала 1 декабря 2007 г.
  29. ^ Макс, Валье, Raketenfahrt: Eine technische Möglichkeit Gebundene Ausgabe – Großdruck, 1 января 1930 г., De Gruyter Oldenbourg, переиздание 2019 г. ( ISBN 978-3-486-76182-5
  30. ^ «Фриц фон Опель, Речь в Немецком музее, 3 апреля 1968 года, перепечатка в «Opel Post»» (PDF) . Май 1968 г. с. 4 и далее.
  31. ^ Фрэнк Х. Винтер, «Предшественники шаттлов 1928-1929 годов:« Полеты фон Опеля »», SPACEFLIGHT, Vol. 21,2 февраля 1979 г.
  32. ^ Бойн, Уолтер Дж. (сентябрь 2004 г.). «Люди-ракеты» (PDF) . Журнал ВВС .
  33. ^ Журналы, Hearst (1 мая 1931 г.). Популярная механика. Журналы Херста. п. 716 - через Интернет-архив. «Популярная механика», Кертисс, 1931 год.
  34. ^ Фолькер Коос, Heinkel He 176 – Dichtung und Wahrheit, Jet&Prop 1/94 стр. 17–21
  35. ^ «Ракетный двигатель Astra — Дельфин 3.0» . Июнь 2020.
  36. ^ «Orbex производит цельный ракетный двигатель, напечатанный на 3D-принтере SLM 800 - Аэрокосмическое производство» . 13 февраля 2019 г.
  37. ^ «Orbex представила самый большой в мире ракетный двигатель, напечатанный на 3D-принтере» . 13 февраля 2019 г.
  38. ^ «Relativity Space будет печатать ракеты на 3D-принтере на новом автономном заводе в Лонг-Бич, Калифорния» . Space.com . 28 февраля 2020 г.
  39. ^ «Запуск стартапа Skyrora успешно испытывает ракетные двигатели, напечатанные на 3D-принтере, работающие на пластиковых отходах» . 3 февраля 2020 г.
  40. ^ «Крошечный стартап, базирующийся в Бруклине, имеет напечатанный на 3D-принтере ракетный двигатель, который, по его словам, является крупнейшим в мире». CNBC . 20 февраля 2019 г.
  41. ^ «Финансирование ВВС поддерживает развитие Launcher» . 14 ноября 2019 г.
  42. ^ «Знакомьтесь, Launcher, производитель ракетных двигателей, в котором работает всего восемь сотрудников» . 9 ноября 2020 г.
  43. ^ «Ответ Томаса Мюллера на вопрос: правдоподобно ли соотношение тяги к массе Merlin 1D компании SpaceX, равное 150+? - Quora» . www.quora.com .
  44. ^ НАСА: Жидкостные ракетные двигатели, 1998, Университет Пердью.
  45. ^ аб Хейстер, Стивен Д.; Андерсон, Уильям Э.; Пурпойнт, Тимоти Л.; Кэссиди, Р. Джозеф (07 февраля 2019 г.). Ракетное движение. Издательство Кембриджского университета. дои : 10.1017/9781108381376. ISBN 978-1-108-38137-6. S2CID  203039055.
  46. ^ ab История и принципы ракетного движения, Springer Praxis Books, Springer Berlin Heidelberg, 2005, стр. 1–34, doi : 10.1007/3-540-27041-8_1, ISBN 978-3-540-22190-6, получено 29 ноября 2023 г.
  47. ^ abc «О двигательной установке СПГ». ДЖАКСА . Проверено 25 августа 2020 г.
  48. ↑ Аб Хагеманн, доктор Джеральд (4 ноября 2015 г.). «LOX/Метан. Будущее зеленое» (PDF) . Проверено 29 ноября 2022 г.
  49. ^ «Метановый двигатель только для будущего космического транспорта» (PDF) . Корпорация IHI . Проверено 29 ноября 2022 г.
  50. ^ Лэндис (2001). «Марсианская ракета, использующая топливо на месте». Журнал космических кораблей и ракет . 38 (5): 730–735. Бибкод : 2001JSpRo..38..730L. дои : 10.2514/2.3739.
  51. ^ Саттон, Джордж П. и Библарц, Оскар, Элементы ракетной двигательной установки , 7-е изд., John Wiley & Sons, Inc., Нью-Йорк, 2001.
  52. ^ «Иногда чем меньше, тем лучше» . Архивировано из оригинала 14 апреля 2012 г. Проверено 1 июня 2010 г.
  53. ^ Элементы ракетной двигательной установки - Sutton Biblarz, раздел 8.1.

Цитированные источники

Внешние ссылки