Космические двигатели: обзор современных технологий и перспектив
data-testid=»article-title» class=»content—article-render__title-1g content—article-render__withIcons-3E» itemProp=»headline»>Космические двигатели: обзор современных технологий и перспективВчераВчера11315 минОглавление
Показать ещё
Введение в космические двигатели
Список стран, которые делают ракетные маршевые двигатели, даже короче, чем список стран, которые производят реактивные авиамоторы. Собственно, их всего две – Россия и США. Потому что сама ракета, если отбросить её «полезную» нагрузку, это и есть двигатель плюс «бак» с топливом. По большому счёту, создать двигатель для запуска в космос – и это и есть создать ракету. Со всем остальным могут справиться полсотни развитых стран. А двигатели кроме России и США нигде больше не делают.
Химические ракетные двигатели
Химические ракетные двигатели наиболее распространены сегодня для перемещения в космосе. Они разные по своей структуре и используемому топливу, но их суть всегда одна: топливо смешивается с окислителем, поджигается для запуска экзотермической химической энергии, которая будет переходить в кинетическую энергию отработанных газов, и позволяет космическому аппарату двигаться вперед, выбрасывая за собой продукты сгорания. Это метод, опробованный временем, который обеспечивает относительную простоту, умеренные расходы и высокий уровень надежности.
Несмотря на свои достоинства, химические ракетные двигатели имеют и недостатки. Одним из них является ограничение в скорости, которую они могут достичь, что ограничивает быстроту перемещения в космическом пространстве. Кроме того, возможность маневра с использованием таких двигателей ограничена из-за их конструкции и принципа работы.
Схема работы ХРРД
habr.com
Схема работы ХРРД
habr.com
Тем не менее, химические ракетные двигатели продолжают оставаться одним из основных средств для отправки космических аппаратов на орбиту и в глубокий космос. Их простота в использовании, относительная дешевизна и высокий уровень технологического совершенства делают их незаменимыми в современных космических программам.
Главную проблему составляет быстрое исчерпание топлива, поэтому скорость набора высоты в начале полета имеет огромное значение. Без возможности тормозить или маневрировать дополнительно, каждая секунда становится ценной даже для аппаратов с некоторым запасом топлива. Время подсчитывается буквально по секундомеру, и каждая минута в воздухе – это вызов для пилота.
Жидкостные ракетные двигатели
Жидкостный ракетный двигатель (ЖРД), который использует в качестве топлива сжиженные газы или химические жидкости, представляет собой мощный механизм, способный обеспечить высокую тягу и ускорение. ЖРД разделяют на одно-, двух- и трехкомпонентные в зависимости от числа используемых компонентов.
Важно отметить, что ЖРД нашел широкое применение как в космических аппаратах, так и в ракетах-носителях. Этот тип двигателя обладает несомненными преимуществами, которые делают его незаменимым в сфере космических исследований:
- высокий удельный импульс, превосходящий показатели других типов двигателей;
- возможность проведения полной остановки и повторного запуска, а также управление тягой, позволяющее добиться улучшенной маневренности.
Жидкостные ракетные двигатели играют ключевую роль в современной космонавтике и являются фундаментальной частью технологии запуска и управления космическими объектами.
Несмотря на все вышеизложенное, главным недостатком использования ЖРД является ограниченность энергетических возможностей топлива. Это ставит предел космическому освоению и ограничивает стремление человечества исследовать удаленные глубины Вселенной за пределами расстояния до Венеры и Марса. Работа ЖРД, несмотря на общий принцип устройства, достигается различными схемами компоновки, позволяя улучшить их эффективность и производительность.
Двигатель ориентации на топливной паре метан-кислород
NASA/John H. Glenn Research Center
Двигатель ориентации на топливной паре метан-кислород
NASA/John H. Glenn Research Center
Главными компонентами в процессе горения являются горючее и окислитель, которые через трубопроводы и насосы направляются на форсуночную головку. Именно здесь происходит смешивание, а после возгорания под давлением внутренняя энергия окисления топлива превращается в кинетическую газов, выходящих через сопло и создающих реактивную тягу.
Важным элементом в системе является топливная система, объединяющая в себе топливные баки, трубопроводы, насосы с турбиной, а также клапан-регулятор. Эти компоненты совместно обеспечивают надлежащее поступление и распределение топлива в двигателе.
Функция насосной подачи топлива заключается в создании высокого давления в камере сгорания, что способствует большему расширению рабочего тела. Благодаря этому достигается максимальное значение удельного импульса, что важно для эффективной работы двигателя.
Качественное смешивание и точная подача топлива в камеру сгорания – вот главные задачи, стоящие перед форсуночной головкой. Этот блок форсунок предназначен для эффективного осуществления впрыска топливных компонентов, обеспечивая оптимальные условия для процесса сжигания топлива в двигателе.
Твердотопливные ракетные двигатели
Идея, которая лежит в основе ракеты на твердом топливе, довольно проста. Необходимо было создать нечто, что будет быстро гореть, но не взрываться. Ракетные двигатели на твердом топливе — это первые двигатели, созданные человеком, которые используются в космических миссиях и военных целях.
Такие двигатели были изобретены сотни лет назад в Китае и до сих пор остаются актуальными. В их национальном гимне поется о красных бликах ракет, которые символизируют непоколебимость и силу. Эти ракеты на твердом топливе используются для запуска космических аппаратов и вооружения.
Самые тяжёлые боевые ракеты на твердом топливе были первоначально задуманы для доставки бомб и зажигательных устройств. Они широко применялись в военных конфликтах различных эпох как эффективное средство поражения цели. Как видим, такие ракеты являются важным компонентом современной военной и космической техники.
Solid Rocket Motor
NASA
Solid Rocket Motor
NASA
Твердотопливные ракетные двигатели (ТРД) являются одним из самых распространенных видов двигателей в ракетостроении. Они основаны на использовании ракетного топлива, которое отличается от обычного пороха. Порошкообразный порох не подходит для ракетных двигателей из-за своей склонности взрываться. В отличие от оружейного пороха, который состоит из нитрата, угля и серы, ракетное топливо имеет другую смесь компонентов: 72 % нитрата, 24 % угля и 4 % серы.
Смесь для ракетного топлива обладает способностью быстро гореть, но при правильной загрузке не взорвется. Это обеспечивает безопасность при запуске и использовании ракет. Таким образом, переход от порошкообразного пороха к ракетному топливу позволил создать надежные и безопасные ракетные двигатели.
Среди преимуществ твердотопливных двигателей можно выделить их простоту, низкую стоимость и безопасность в эксплуатации. Однако, помимо преимуществ, у твердотопливных двигателей есть и недостатки. Один из главных недостатков — невозможность контролировать тягу в процессе работы двигателя. Это создает некоторые ограничения в применении твердотопливных двигателей в ряде космических миссий.
После зажигания двигатель необходимо оставить работать непрерывно, не имея возможности его выключить или перезапустить, что является одним из недостатков использования твердотопливных ракет для коротких задач или систем ускорения. Поэтому, если требуется возможность управлять работой двигателя, лучше обратиться к использованию системы на основе жидкого топлива.
Электрические ракетные двигатели
Важным и наиболее распространенным источником питания для электрических ракетных двигателей являются солнечные батареи. В некоторых случаях, однако, для питания электрического двигателя может применяться и ядерный реактор. Отметим, что речь идет о ядерных реакторах в качестве источника питания, а не о ядерных двигателях, о которых будет рассказано далее.
Электрические двигатели, используемые в различных технических устройствах, реализуют реактивное движение, подчиняясь классическим законам физики. Их принцип работы сводится к тому, чтобы создавать импульс, который будет придавать скорость в нужном направлении. Однако в отличие от привычных химических двигателей, здесь происходит не простое сжигание топлива, а взаимодействие с рабочим телом более сложным способом.
Некоторые электрические двигатели, например, используют ионизированный газ или проводят испарение твёрдых веществ в электрическом поле для генерации тяги. Это позволяет им работать более эффективно и безопасно, чем традиционные двигатели. Однако, несмотря на все преимущества, у электрических двигателей есть свои недостатки.
Электрический ракетный двигатель
Tatjana Obrazcova
Электрический ракетный двигатель
Tatjana Obrazcova
Основным минусом электрических двигателей является то, что в настоящее время они не способны развить достаточную тягу, чтобы поднять объекты в воздух со сравнительно большим весом. Именно поэтому взлетные стадии полетов и запусков всё ещё выполняются при помощи химических двигателей. Таким образом, несмотря на инновации в области электрических двигателей, они пока не могут пока заменить традиционные методы.
Что делает электрический двигатель лучше своего химического аналога? Ответ прост — он экономичен в использовании и работает гораздо дольше. В то время как химический ракетный двигатель требует регулярной перезарядки, ионные двигатели способны функционировать днями, неделями и даже месяцами без остановки. Deep Space 1, находившийся на орбите планеты, использовал ионный двигатель в течение трех лет без необходимости возвращения на заправку.
Именно в этом заключается преимущество ионных двигателей перед химическими. В то время как ракеты с химическим топливом достигают максимальной скорости быстро, они также быстро и расходуют свои ресурсы. Наоборот, электрические двигатели работают более продолжительное время, что делает их оптимальным выбором для длительных космических миссий.
Экономически электрический разгонный двигатель (ЭРД) требует временных затрат, например, в три раза больше, чем химический двигатель. Тем не менее, когда истекает это время, аппарат с ЭРД достигает той же скорости, что и аппарат с химическим двигателем. При этом первый успевает преодолеть уже значительное расстояние в космическом пространстве, что подчеркивает эффективность использования ЭРД в долгосрочных космических миссиях.
Одним из ключевых преимуществ электрических ракетных двигателей является их компактность и эффективность. Они не нуждаются в постоянном пополнении топлива и не обременены дополнительной цистерной. Это позволяет устанавливать такие двигатели на небольшие спутники, обеспечивая им независимость при передвижении по орбитам и минимизируя влияние атмосферы. Важно лишь оторвать их от поверхности, запустив в космос, и дать возможность им самостоятельно добраться туда, куда им нужно.
Ионные двигатели
Ионные двигатели, работающие на эффекте Холла, представляют собой продвинутые плазменные двигатели, где газ ионизируется за счет электронной бомбардировки, а затем выбрасывается электрическим полем.
В процессе работы устройства нейтральные частицы газа подвергаются ионизации в кольцевой камере, где возникает разность потенциалов. Затем ионы разгоняются электрическим полем и выбрасываются с огромной скоростью, обеспечивая тягу двигателя.
Ионный ракетный двигатель
Троицкий институт «Росатома»
Ионный ракетный двигатель
Троицкий институт «Росатома»
Однако, несмотря на высокий удельный импульс и преимущества в эксплуатации, ионные двигатели на эффекте Холла сталкиваются с проблемой долговечности из-за разности потенциалов между решетками и эрозии материалов. Тем не менее, эти устройства остаются одними из наиболее эффективных и перспективных в области космической технологии.
Плазменные двигатели
Говоря о плазменных двигателях, необходимо учитывать, что их превосходство над обычными химическими, включая жидкостные ракетные двигатели (ЖРД), проявляется прежде всего в удельном импульсе. Этот показатель определяет скорость выброса реактивной струи и играет важную роль в эффективности работы двигателя.
У жидкостных ракетных двигателей скорость струи варьируется от примерно 2 км/с у простейших термокаталитических двигателей до 4,5 км/с у передовых моделей, функционирующих на водороде и кислороде. Эти значения считаются рекордными для ЖРД, но посредственными для плазменных двигателей, которые демонстрируют еще более высокие показатели.
Плазменный ракетный двигатель
Троицкий институт «Росатома»
Плазменный ракетный двигатель
Троицкий институт «Росатома»
Одним из ключевых преимуществ плазменных двигателей является их способность достигать значительно более высоких скоростей выброса реактивной струи по сравнению с обычными двигателями. Это делает их привлекательными для использования в космических миссиях, где каждый процент улучшения эффективности имеет огромное значение для достижения успеха.
Безоговорочным преимуществом плазменных двигателей является их способность развивать огромные скорости. Стремясь к улучшению эффективности, некоторые модели способны обеспечить скорость струи на уровне 30-50 км/с, что впечатляет своей мощью. Однако стоит отметить, что существует определенное сдерживающее влияние на рост скорости, а именно энергозатраты. Чем выше скорость, тем больше электроэнергии нужно для обеспечения той же тяги, что делает чрезмерный рост скорости неоправданным. В итоге, каждая ситуация предполагает нахождение оптимального значения скорости, сбалансированного между энергопотреблением и требуемой тягой.
Ядерные ракетные двигатели
Ядерные ракетные двигатели (ЯРД) играют ключевую роль в космических полётах будущего. Они основываются на использовании ядерного реактора для создания чрезвычайно высоких температур. Этот процесс обеспечивает тепло, которое передаётся рабочему телу — жидкому топливу. Именно это топливо, расширяясь, выводится через сопло для приведения в движение космического аппарата.
ЯРД являются более эффективными, чем обычные химические двигатели, в три и более раз за счёт нагрева топлива до высоких температур. Это позволяет значительно сокращать время полёта и уменьшать риск для астронавтов. Сокращение времени полёта, в свою очередь, является критическим компонентом для успешных полётов человека на Марс. Путешествия до Марса требуют точного расчёта запасов, а также высокой надёжности систем, которые обеспечивают жизненно важные функции экипажа.
Ядерный ракетный двигатель
«Росатом»
Ядерный ракетный двигатель
«Росатом»
Увеличение температуры выхлопных газов напрямую влияет на дальность полёта ракеты: чем она выше, тем больше "пробег" у ракеты. Это одно из ключевых преимуществ использования ядерных реакторов в космических аппаратах. С увеличением температуры топлива уменьшается его расход во время полёта, что увеличивает эффективность использования ресурсов и обеспечивает более длительные и дальние миссии в космосе.
Поднятая выше температура нагрева газов играет решающую роль в оптимизации использования топлива в ракетных двигателях. С каждым увеличением температуры ракета способна преодолевать большее расстояние, что значительно расширяет её возможности в космических полетах. Отсюда вытекает необходимость в использовании передовых технологий, какими являются ядерные реакторы, для повышения эффективности космических миссий и сокращения расхода ресурсов.
Принципы работы ядерных двигателей
Работа с ядерными двигателями является одной из самых сложных и инновационных областей в инженерии. Для начала, необходимо разделить двигатели ядерно-термического типа на несколько категорий в зависимости от используемого типа топлива. Среди них можно выделить двигатели с твердым топливом, двигатели с жидким топливом и двигатели с газообразным топливом. Большее внимание и исследования уделяются двигателям с твердым топливом, которые уже успешно протестированы на специальных полигонах, таких как NERVA и KIVI.
NERVA NASA
NERVA NASA
Ядерные двигатели с твердым топливом имеют структуру, напоминающую обычные ядерные реакторы, используемые на атомных электростанциях. В них также присутствуют тепловыделяющие элементы с топливными таблетками, замедляющие и регулирующие стержни, а также каналы для прохода теплоносителя и защитные экраны. Это позволяет создать эффективные и безопасные ядерные двигатели для космических кораблей и других технических устройств.
Объединение принципов работы ядерных реакторов с концепцией ракетных двигателей открывает широкие перспективы для использования атомной энергетики в космосе. В дальнейшем, исследования в области ядерно-термических двигателей будут продолжаться с целью увеличения их эффективности и безопасности.
Начнем с того, что топливо, используемое в космических реакторах, существенно отличается от материала, применяемого в атомных электростанциях. Важность теплопроводности топлива для земных реакторов уступает место важности верхнего предела рабочей температуры для космических агрегатов.
Ядерный ракетный двигатель РД-0410
Химавтоматика
Ядерный ракетный двигатель РД-0410
Химавтоматика
СССР сохранял верность концепции создания ядерных двигателей прямоточной конструкции намного дольше, чем делали это американцы, завершив проект лишь в 1985 году. Однако результаты оказались несравненно значимее. Например, первый и единственный отечественный ядерный ракетный двигатель был разработан в Воронеже в конструкторском бюро «Химавтоматика» под названием РД-0410 (ГРАУ — 11Б91, также известный как «Ирбит» и «ИР-100»).
Современные ядерные технологии включают в себя использование гетерогенных реакторов на тепловых нейтронах, где применяются различные материалы для достижения оптимальных характеристик. Например, в данном случае в РД-0410 использовался гидрид циркония в качестве замедлителя, а отражателями нейтронов служили из бериллия. Ядерное топливо состояло из материала на основе карбидов урана и вольфрама, обогащенного по изотопу 235 на уровне около 80 %.
Количество тепловыделяющих сборок в конструкции составляло 37 элементов, каждый из которых был покрыт теплоизоляцией для предотвращения нежелательного воздействия на замедлитель. Система теплового режима предусматривала проведение потока водорода сначала через отражатель и замедлитель для поддержания комнатной температуры в этих участках, затем направление потока в активную зону, где осуществлялось охлаждение тепловыделяющих сборок с нагреванием до 3100 К. При этом отражатель и замедлитель охлаждались отдельным потоком водорода, обеспечивая безопасную работу реактора.
Таким образом, подобная конструкция реактора представляет собой сложную систему, где каждый элемент играет важную роль в обеспечении эффективного и безопасного функционирования ядерного установки.
Преимущества и недостатки
Главным преимуществом ЯРД является способность обеспечивать высокий удельный импульс, что позволяет достичь значительной тяги при минимальном расходе топлива. Это делает его привлекательным решением для межпланетных миссий и длительных космических полетов. Кроме того, он обладает большим энергетическим потенциалом и компактностью, что упрощает конструкцию и размещение двигательной установки на космическом аппарате.
Ядерный ракетный двигатель
Роскосмос
Ядерный ракетный двигатель
Роскосмос
Однако, несмотря на все его преимущества, ЯРД имеет серьезные недостатки, основным из которых является высокая радиационная опасность. При проведении ядерных реакций, возникают потоки проникающей радиации, такие как гамма-излучение и нейтроны, что представляет опасность для экипажа и окружающей среды. Также следует учитывать возможность выноса высокорадиоактивных соединений и радиоактивных газов, что может создать проблемы как во время использования двигателя, так и при его утилизации по завершении срока службы.
Таким образом, несмотря на инновационность и перспективность ядерно-реактивного двигателя, необходимо внимательно взвешивать все плюсы и минусы его применения в космической индустрии, учитывая как потенциальные выгоды, так и возможные риски для окружающей среды и человеческого здоровья.