Как работают ракетные двигатели?

Освоение космоса — самое удивительное из мероприятий, когда-либо проводимых человечеством. И большую часть удивления составляет сложность. Освоение космоса осложняется массой проблем, которые нужно решить и преодолеть. Например, безвоздушное пространство, проблема с температурой, проблема повторного входа в атмосферу, орбитальная механика, микрометеориты и космический мусор, космическая и солнечная радиация, логистика в условиях невесомости и другое. Но самая сложная проблема — это просто оторвать космический корабль от земли. Здесь не обойтись без ракетного двигателя, поэтому в этой статье мы рассмотрим именно это изобретение человечества.

С одной стороны, ракетные двигатели настолько просто устроены, что за небольшую копейку вы сможете построить ракету самостоятельно. С другой стороны, ракетные двигатели (и их топливные системы) настолько сложны, что доставкой людей на орбиту, по сути, занимаются только три страны мира.

Когда люди задумываются о двигателе или моторе, они думают о вращении. К примеру, бензиновый двигатель автомобиля производит энергию вращения, чтобы двигать колеса. Электродвигатель производит энергию вращения для движения вентилятора или диска. Паровой двигатель делает то же самое, чтобы вращать паровую турбину.

Ракетные двигатели принципиально отличаются. Ракетные двигатели — это реактивные двигатели. Основной принцип движения ракетного двигателя — это знаменитый принцип Ньютона, «на каждое действие есть равное противодействие». Ракетный двигатель выбрасывает массу в одном направлении, а благодаря принципу Ньютона движется в противоположном направлении.

Понятие «выбрасывания массы и движения по принципу Ньютона» может быть сложно понять с первого раза, потому что ничего не разобрать. Ракетные двигатели, кажется, работают с огнем, шумом и давлением, а не «толкают вещи». Давайте рассмотрим несколько примеров, чтобы получить более полную картину реальности.

Если вы когда-нибудь стреляли из оружия, желательно из дробовика 12-го калибра, то вы знаете, что такое отдача. Когда вы стреляете из оружия, оно отдает вам в плечо, достаточно ощутимо. Этот толчок и есть реакция. Дробовик выпуливает около 30 грамм металла в одном направлении со скоростью больше 1000 км/ч, и ваше плечо чувствует отдачу. Если бы вы стояли на скейтборде или были в роликах, то выстрел из дробовика сработал бы как реактивный двигатель, и вы покатились бы в противоположном направлении.

Если вы когда-либо наблюдали за работой пожарного шлага, вы наверняка заметили, что его достаточно сложно удержать (иногда пожарные вдвоем и втроем его держат). Шланг работает как ракетный двигатель. Он выбрасывает воду в одном направлении, а пожарные используют свою силу, чтобы противостоять реакции. Если они упустят рукав, он будет метаться повсюду. Если бы пожарные стоял на скейтбордах, пожарный рукав разогнал бы их до приличной скорости.

Когда вы надуваете воздушный шарик и выпускаете его, он летает по всей комнате, испуская воздух, — так работает ракетный двигатель. В данном случае вы выпускаете молекулы воздуха из шара. Многие считают, что молекулы воздуха ничего не весят, но это не так. Когда вы выпускаете их из шарика, шарик летит в противоположном направлении.

Еще один сценарий, который поможет объяснить действие и противодействие, — это космический бейсбол. Представьте, что вы вышли в скафандре в космос недалеко от своего космического судна, и у вас в руке бейсбольный мяч. Если вы его бросите, ваше тело среагирует в противоположном направлении от мяча. Допустим, он весит 450 гр, а ваше тело вместе со скафандром весит 45 кг. Вы бросаете бейсбольный мяч весом почти в полкило со скоростью 34 км/ч. Таким образом, вы ускоряете полукилограммовый мяч своей рукой так, что он набирает скорость 34 км/ч. Ваше тело реагирует в противоположном направлении, но весит в 100 раз больше мяча. Таким образом, оно принимает одну сотую ускорения мяча, или 0,34 км/ч.

Если вы хотите создать большую тягу от своего бейсбольного мяча, у вас есть два варианта: увеличить его массу или увеличить ускорение. Вы можете бросить мячик потяжелее или бросать мячи один за другим, либо бросить мяч быстрее. Но на этом все.

Ракетный двигатель, как правило, выбрасывает массу в форме газа под высоким давлением. Двигатель выбрасывает массу газа в одном направлении, чтобы получить реактивное движение в противоположном направлении. Масса идет от веса топлива, которое сгорает в двигателе ракеты. Процесс горения ускоряет массы топлива так, что они выходят из сопла ракеты на высокой скорости. Тот факт, что топливо превращается из твердого тела или жидкости в процессе сгорания, никак не меняет его массу. Если вы сожжете килограмм ракетного топлива, вы получите килограмм выхлопа в виде горячих газов на высокой скорости. Процесс сжигания ускоряет массу.

«Сила» ракетного двигателя называется тягой. Тяга измеряется в ньютонах в метрической системе и «фунтах тяги» в США (4,45 ньютона тяги эквивалентны одному фунту тяги). Фунт тяги — это количество тяги, необходимое для удержания 1-фунтового объекта (0,454 кг) неподвижным относительно силы тяжести Земли. Ускорение земной гравитации составляет 9,8 м/с².

Одной из забавных проблем ракет является то, что топливный вес, как правило, в 36 раз больше полезной нагрузки. Потому что помимо того, что двигателю нужно поднимать вес, этот же вес и способствует собственному подъему. Чтобы вывести крошечного человека в космос, нужна огромная ракета и много-много топлива.

Обычная скорость для химических ракет составляет от 8000 до 16 000 км/ч. Топливо горит около двух минут и вырабатывает 3,3 миллиона фунтов тяги на старте. Три основных двигателя космического шаттла, например, сжигают топливо в течение восьми минут и вырабатывают около 375 000 фунтов тяги каждый в процессе горения.

Далее мы рассмотрим топливные смеси твердотопливных ракет.

Твердотопливные ракеты: топливная смесь

Ракетные двигатели на твердом топливе — это первые двигатели, созданные человеком. Они были изобретены сотни лет назад в Китае и используются до сих пор. О красных бликах ракет поется в национальном гимне (написанном в начале 1800-х) — имеются в виду небольшие боевые ракеты на твердом топливе, используемые для доставки бомб или зажигательных устройств. Как видите, такие ракеты существуют уже давненько.

Идея, которая лежит в основе ракеты на твердом топливе, довольно проста. Вам нужно создать нечто, что будет быстро гореть, но не взрываться. Как вы знаете, порох не подходит. Оружейный порох на 75 % состоит из нитрата (селитры), 15 % угля и 10 % серы. В ракетном двигателе взрывы не нужны — нужно, чтобы топливо горело. Можно изменить смесь до 72 % нитрата, 24 % угля и 4 % серы. Вместо пороха вы получите ракетное топливо. Эта смесь будет быстро гореть, но не взорвется, если правильно ее загрузить. Вот типичная схема:

Твердотопливные ракеты: конфигурации

Читая описание для современных твердотопливных ракет, часто можно найти вот такое:

«Ракетное топливо состоит из перхлората аммония (окислитель, 69,6 % по весу), алюминия (топливо, 16 %), оксида железа (катализатор, 0,4 %), полимера (связующей смеси, удерживающей топливо вместе, 12,04 %) и эпоксидный отверждающий агент (1,96 %). Перфорация выполнена в форме 11-конечной звезды в переднем сегменте двигателя и в форме дважды усеченного конуса в каждом из остальных сегментов, включая конечный. Такая конфигурация обеспечивает высокую тягу при розжиге, а затем уменьшает тягу примерно на треть спустя 50 секунд после старта, предотвращая перенапряжение аппарата во время максимального динамического давления». — NASA

Здесь объясняется не только состав топлива, но и форма канала, пробуренного в центре топлива. «Перфорация в виде 11-конечной звезды» может выглядеть вот так:

Твердотопливные двигатели обладают тремя важными преимуществами:

• простота
• низкая стоимость
• безопасность

Но есть и два недостатка:

• тягу невозможно контролировать
• после зажигания двигатель нельзя отключить или запустить повторно

Недостатки означают, что твердотопливные ракеты полезны для непродолжительных задач (ракеты) или систем ускорения. Если вам понадобится управлять двигателем, вам придется обратиться к системе жидкого топлива.

Жидкотопливные ракеты

В 1926 году Роберт Годдард испытал первый двигатель на основе жидкого топлива. Его двигатель использовал бензин и жидкий кислород. Также он пытался решить и решил ряд фундаментальных проблем в конструкции ракетного двигателя, включая механизмы накачки, стратегии охлаждения и рулевые механизмы. Именно эти проблемы делают ракеты с жидким топливом такими сложными.

Основная идея проста. В большинстве жидкотопливных ракетных двигателях топливо и окислитель (например, бензин и жидкий кислород) закачиваются в камеру сгорания. Там они сгорают, чтобы создать поток горячих газов с высокой скоростью и давлением. Эти газы проходят через сопло, которое еще больше их ускоряет (от 8000 до 16 000 км/ч, как правило), а после выходят. Ниже вы найдете простую схему.

• Жидкий водород и жидкий кислород (основные двигатели космических шаттлов).
• Бензин и жидкий кислород (первые ракеты Годдарда).
• Керосин и жидкий кислород (использовались на первой ступени «Сатурна-5» в программе «Аполлон»).
• Спирт и жидкий кислород (использовались в немецких ракетах V2).
• Четырехокись азота/монометилгидразин (использовались в двигателях «Кассини»).

Будущее ракетных двигателей

Мы привыкли видеть химические ракетные двигатели, которые сжигают топливо для производства тяги. Но есть масса других способов для получения тяги. Любая система, которая способна толкать массу. Если вы хотите ускорить бейсбольный мячик до невероятной скорости, вам нужен жизнеспособный ракетный двигатель. Единственная проблема при таком подходе — это выхлоп, который будет тянуться через пространство. Именно эта небольшая проблема приводит к тому, что ракетные инженеры предпочитают газы горящим продуктам.

Многие ракетные двигатели крайне малы. К примеру, двигатели ориентации на спутниках вообще не создают большую тягу. Иногда на спутниках практически не используется топливо — газообразный азот под давлением выбрасывается из резервуара через сопло.

Новые конструкции должны найти способ ускорить ионы или атомные частицы до высокой скорости, чтобы сделать тягу более эффективной. А пока будем пытаться делать электромагнитные двигатели и ждать, что там еще выкинет Элон Маск со своим SpaceX.

Как устроены ракетные двигатели (3 минуты чтения и все понятно)

Двигатели космических ракет тема широко обсуждаемая. Но не все читатели и комментаторы, в общем-то, представляют, как они устроены. Небольшой и короткий ликбез, да еще и с примерами.

Отличие от авиационных, автомобильных и других.

Их много. Но для целей этой статьи важно одно. Ракетным двигателям для работы нужно не только горючее, но и окислитель.

Нам кажется привычным – залил бензин (горючее) в бензобак и поехал. С ракетой так не получится. Автомобильные, авиационные, судовые и другие двигатели работают в условиях плотной кислородсодержащей (окислитель) атмосферы Земли.

Кислород, как известно, необходим для поддержания горения. Ракета плотные слои атмосферы преодолевает в течение короткой стадии полета, сразу же после старта. Поэтому, взять кислород для работы своих двигателей из атмосферы ракета она не может. И поэтому ее заправляют не только горючим , но и окислителем , как правило, кислородом.

Итак, ракетное топливо двухкомпонентное .

Само горючее , как правило это:

Почему «окислитель»? Потому что горение, это и есть химическая реакция окисления, сопровождающаяся высокой скоростью реакций и выделением теплоты и света. (Кстати, образование ржавчины, тление и многие другие процессы также являются окислением, только не столь быстрым)

Есть топливные пары без кислорода. Например, гептил (горючее) – тетраоксид диазота (окислитель). Такая пара используется в двигателях ракет семейства «Протон». Гептил очень токсичен.

Виды движения в атмосфере

Может показаться, что с этого следовало начать статью. Может быть.

Чтобы добраться до космоса, «нужно пролететь атмосферу». Итак, есть несколько видов движения в атмосфере:

Это движение тела в пространстве под действием внешних сил. Снаряды и пушечные ядра, боеголовки баллистических ракет и так далее – все это баллистическое движение. «Вагон-снаряд» отправленный на Луну французским писателем Жюлем Верном в научно-фантастическом романе «Из пушки на Луну», также.

Для создания подъемной силы используется заключенный в оболочке газ (или нагретый воздух) с плотностью меньшей, чем плотность окружающего воздуха.

Воздушные шары, аэростаты, дирижабли — все это летательные аппараты легче воздуха. Американская компания World View собиралась отправлять таким образом туристов в «ближний космос» (какой хороший маркетинговый термин), то есть на высоту 30 километров.

Подъемная сила создается крылом самолета благодаря поступательному движению летательного аппарата, которое сообщает ему силовая установка — авиационный двигатель.

И наконец, Реактивное движение

Ракетные двигатели — это реактивные двигатели.

Под реактивным движением тела понимают такое движение, которое возникает при отделении от тела (ракеты) некоторой его части (горячие газы из сопла двигателя под высоким давлением) с определенной скоростью относительно него.

Таким образом, ракетный двигатель выбрасывает массу (горящее топливо) в одном направлении, а сам движется в противоположном. Процесс горения ускоряет массы топлива так, что они выходят из сопла ракеты на высокой скорости.

Это были принципы, теперь к устройству.

Начнем с простого

В жидкостных ракетных двигателях топливо и окислитель находятся в жидком состоянии в двух раздельных резервуарах. По трубопроводам они попадают в камеру сгорания. Здесь они перемешиваются и сгорают, создавая поток горячих газов с высокой скоростью и давлением. Эти газы проходят через сопло, которое еще больше их ускоряет, а после выходят, образуя реактивную тягу.

Кажется все просто? На самом деле нет!

Первая инженерная задача

Здесь и далее последовательность задач дана только для упрощения объяснения.

Ввиду высокой температуры горения, и значительного количества выделяемого тепла, даже малой его части достаточно для термического разрушения двигателя. Стенки камеры двигателя и сопло нужно охлаждать.

Но чем? Нужно максимально простое решение, чтобы не усложнять двигатель и не увеличивать его вес.

Самое распространенное: охлаждать одним из компонентов топлива, как правило, это горючее. В стенке камеры сгорания и верхней, наиболее нагреваемой части сопла создаются полости («рубашка охлаждения»), через которые перед поступлением в форсуночную головку камеры сгорания проходит горючее. Таким образом, холодная жидкость сначала циркулирует вокруг перегретых частей двигателя, чтобы охладить их, а затем попадает в камеру сгорания.

Компоненты топлива во многих случаях охлаждаются до более низких температур. Это позволяет повысить их плотность и поместить большее количество топлива в топливные баки. Даже керосин. Например, в Falcon 9 керосин охлаждается с 21 °C до −7 °C. Пр этом его плотность увеличивается на 2,5 %.

Вторая инженерная задача

Компоненты топлива сами в камеру сгорания не будут поступать. Нужны насосы. Они будут создавать высокое давление, чтобы преодолеть давление, которое создает в камере сгорания сжигаемое топливо.

Но нам снова, нужно чтобы двигатель и ракета были максимально простыми и легкими (насколько это можно). Решение нашлось. Часть топлива используется для работы насосов. Оно подается в небольшую камеру «предварительного» сгорания – газогенератор. Горячий газ из нее приводит в действие турбину, она – приводит в действие топливные насосы. Турбина одна. Насосов два – на одном валу.

Что дальше?

Что делать с топливом, которое прошло через газогенератор. Его после раскручивания турбины можно сбрасывать наружу. Именно так устроен двигатель Merlin (кислородно-керосиновый), используемый SpaceX на ракетах Falcon 9. Это, так называемая открытая схема.

Схема проста, но недостаточно эффективна. В создании тяги ракетного двигателя топливо, прошедшее через газогенератор, напрямую не участвует, а место в ракете занимает.

Можно его дожигать в камере сгорания. Как, например, в РД-180 (кислородно-керосиновый), который покупают у нас американцы для установки на первую ступень ракет семейства «Атлас» начиная с Atlas III.

Двигатель РД-180 это практически все самые известные космические миссии, которыми так гордится NASA: миссия к Плутону «Новые горизонты», миссия к Луне LRO и Марсу MRO, миссия к Юпитеру «Юнона», «Обсерватория солнечной динамики», «Марсианская научная лаборатория» (Curiosity), марсианский геолог и InSight, полет за грунтом астероида Бенну (OSIRIS-REx) аппарат для исследования атмосферы Марса MAVEN и многое другое.

Это схема называется закрытой. Горячий газ вначале вращает турбину турбонасосного агрегата, а затем подается в камеру сгорания, эффективно участвуя в создании тяги ракетного двигателя. Топливо не пропадает и полностью участвует в создании тяги. Такой двигатель гораздо сложнее. В двигателе закрытой схемы можно пропустить больше газа через турбонасосный агрегат, а значит, больше поднять давление в камере сгорания. Чем больше давление в камере сгорания, тем больше тяга. Высокое давление – большая эффективность двигателя.

Однако у него есть недостатки — высокая нагрузка на турбину двигателя, относительно высокие сложность и стоимость.

Зато двигатели Merlin имеющие низкое давление в камере сгорания достаточно просты в производстве и дешевы. Именно на них Илон Маск потеснил «Роскосмос» на рынке космических запусков и запустил в космос родстер Tesla .

Усложняем дальше

А еще можно все топливо пропускать через газогенератор . Такая схема называется полнопоточная закрытая. Мы делали такой двигатель в 60-х (РД-270), но в таких двигателях нужно два газогенератора и два турбонасосных агрегата, которые ведут в одну камеру сгорания и работают параллельно.

Однако в РД-270 наблюдались низкочастотные пульсации в газогенераторе и камере. Возникла проблема в синхронизации совместной работы двух турбонасосных агрегатов. Они пытались пересилить друг друга и стабилизировать их без помощи быстродействующего бортового компьютера не удалось. Но такого в то время еще не было.

В феврале этого года Илон Маск объявил результаты тестирования двигателя Raptor (кислородно-метановый). Его получат ракета Super Heavy и корабль Starship. По заявлениям Маска его характеристики лучше, чем у РД-180. Высокое давление в камере сгорания обеспечено именно полнопроточной закрытой схемой.

Можно ли лучше?

Если проект Маска будет успешен, нам нужно будет делать что-то еще лучшее. Возможно, развивать трехкомпонентные двигатели многократного использования. При запуске такой двигатель работал бы на паре кислород/керосин, а на больших высотах керосин заменялся бы водородом.

Использование в одном двигателе комбинации двух горючих – углеводородного, обладающего высокой плотностью, и водорода, обеспечивающего высокие значения удельного импульса, может расширить возможности ракет-носителей.

Такой подход, позволит создать одноступенчатую возвращаемую ракету-носитель и заметно удешевить космические запуски и в будущем.

Несколько пояснений

Здесь, как видно из примеров, раскрыта самая популярная классическая схема, которая массово используется для выведения в открытый космос космических аппаратов: жидкостный ракетный двигатель. Но это все, что можно рассказать за три минуты.

А в целом ракетные двигатели делятся на:

Химические ракетные двигатели бывают жидкостными и твердотопливными (ускорители космического челнока Space Shuttle, например).

Но есть еще и гибридные двигатели использующий компоненты ракетного топлива в разных агрегатных состояниях — жидком и твердом. Например, двигатель космического челнока SpaceShipOne работающий на полибутадиене (твердый) и закиси азота (жидкость).