Létání do vesmíru je bezpochyby jedním z nejúžasnějších úspěchů naší civilizace. Slavný Gagarin "jdi!" a Armstrongův první krok na měsíčním povrchu - historické milníky na cestě k vzdáleným planetám a dalším hvězdným systémům. Nic by se nestalo bez raketového motoru, což nám umožnilo překonat gravitační sílu planety a umožnilo jít do orbity Země.
Zařízení raketového motoru je na jedné straně tak jednoduché, že si ho můžete postavit doma a utrácet doslova tři kopečky. Ale na druhé straně je konstrukce vesmírných a vojenských raket tak složitá, že jen málo států na světě má svou výrobní technologii.
Raketový motor (RD) je typ tryskového motoru, jehož pracovní tělo a zdroj energie jsou přímo na palubě letadla. To je jeho hlavní rozdíl od proudových motorů. Taxiway tedy nezávisí na kyslíku v atmosféře, a proto může být použita pro lety v prostoru (bez vzduchu).
Rusko je jedním z předních světových výrobců raketových motorů. Zbytky, které zdědily ze Sovětského svazu, jsou impozantní. Domácí průmysl je schopen vyrábět ty nejlepší raketové motory pro různé účely. Důkazem toho je raketový motor RD-180, který se používá v americkém Atlasu. Dodávky do Spojených států začaly v roce 2000 a pokračují dodnes. Existují další zajímavé události a mluvíme nejen o silných motorech pro vesmírné nebo balistické střely, ale také o pojížděcích drahách pro různé zbrojní systémy.
V současné době se jedná o nejčastější tzv. Chemické raketové motory, u kterých se specifický impuls vytváří díky spalování paliva. Kromě toho existují také jaderné a elektrické motory. V tomto článku budeme hovořit o tom, jak funguje raketový motor, vyprávět o jeho výhodách a nevýhodách a také představit současnou klasifikaci pojezdových drah.
Některá fyzika nebo to funguje
Různé typy raketových motorů mají značné rozdíly ve svém designu, ale práce kteréhokoli z nich je založena na slavném třetím zákonu Newtona, který říká, že "každá akce má stejný odpor". RD vydává proudem pracovní tekutiny v jednom směru a sám, v souladu s Newtonovským postulátem, se pohybuje v opačném směru. Výrobky spalování paliva procházejí tryskou a vytvářejí chuť - to jsou základy teorie raketových motorů.
Pokud stojíte na lodi, házíte kamenný kámen od zádi a vaše loď se bude plavat trochu dopředu. Jedná se o vizuální model fungování všech raketových motorů. Dalším příkladem by byla práce požární hadice, z níž je voda vytlačována pod vysokým tlakem. Chcete-li ji držet, musíte vynaložit určité úsilí. Pokud položíte hasičovi na skateboard a dáte mu hadici, bude se pohybovat poměrně vysokou rychlostí.
Hlavní charakteristikou, která určuje účinnost takových systémů, je tah (síla tahu). Vzniká jako výsledek transformace počáteční energie do kinetického proudění pracovní tekutiny. V metrickém systému se tlak v raketovém motoru měří v newtonech, zatímco Američané jej počítají v librách.
Dalším důležitým parametrem raketových motorů je specifický impuls. To je poměr síly síly (nebo množství pohybu) k spotřebě paliva za jednotku času. Tento parametr je považován za stupeň dokonalosti konkrétní dráhy a je měřítkem její účinnosti.
Chemické motory pracují v důsledku exotermní reakce spalování paliva a okysličovadla. Tento typ RD má dvě složky:
- Tryska, ve které je tepelná energie převedena na kinetickou;
- Spalovací komora, kde probíhá spalovací proces, tj. Přeměna chemické energie paliva na teplo.
Z historie této problematiky
Raketový motor je jedním z nejstarších typů motorů známých lidstvu. Nemůžeme přesně odpovědět na otázku, kdy byla vyrobena první raketa. Existuje předpoklad, že to dělali starí Řekové (dřevěný holub architekta Tarenta), ale většina historiků považuje Čínu za rodné místo tohoto vynálezu. Stalo se to kolem 3. století nl, krátce po objevu střelného prachu. Původně byly rakety používány pro ohňostroje a zábavu. Práškový raketový motor byl docela efektivní a snadno se vyráběl.
Předpokládá se, že tyto technologie přišly do Evropy někde ve 13. století, studovali anglického přírodovědecka Rogera Bacona.
První bojová raketa byla vyvinuta v roce 1556 Konradem Haasem, který vynalezl různé druhy zbraní pro císaře Ferdinanda I. Tento vynálezce může být nazván prvním tvůrcem teorie raketových motorů, také autorem myšlenky vícestupňové rakety - mechanismu provozu letadla sestávajícího z ze dvou raket. Průzkum pokračoval Polský, Kazimír Semenovič, který žil v polovině 17. století. Všechny tyto projekty však zůstaly na papíře.
Praktické použití raket začíná teprve v 19. století. V roce 1805 britský důstojník William Congreve ukázal prachové rakety, které v té době měly bezprecedentní moc. Prezentace byla ohromena a rakety Congreve byly přijaty britskou armádou. Jejich hlavní výhodou ve srovnání s barelovou dělostřelectvem byla vysoká pohyblivost a relativně nízké náklady a hlavní nevýhodou byla přesnost ohně, která zbyla hodně žádoucí. Koncem devatenáctého století byly zbraňové zbraně široce rozšířené, střílely velmi přesně, takže rakety byly vyřazeny z provozu.
V Rusku se s touto otázkou zabýval generál Zasyadko. Vylepšil nejen rakety Congrive, ale také první, kteří navrhli, aby je používali k letu do vesmíru. V roce 1881 vytvořil ruský vynálezce Kibalchich vlastní teorii raketových motorů.
Jiný náš krajan, Konstantin Tsiolkovský, významně přispěl k rozvoji této technologie. Mezi jeho myšlenky patří kapalný raketový motor (LRE) pracující na směsi kyslíku a vodíku.
Začátkem minulého století se nadšenci v mnoha zemích světa zapojili do vytváření tekutého RD, prvním úspěchem byl americký vynálezce Robert Goddard. Jeho raketa, pracující na směsi benzínu a kapalného kyslíku, byla úspěšně zahájena v roce 1926.
Druhá světová válka byla obdobím návratu raketových zbraní. V roce 1941 byla instalována bitevní V-2, slavná Katyusha, Rudá armáda a v roce 1943 začali Němci používat balistický V-2 s raketovým motorem na kapaliny. Byl vyvinut pod vedením Wernera von Brauna, který později vedl americký vesmírný program. Německo také zvládlo výrobu KR V-1 proudovým proudovým motorem.
Po skončení války mezi SSSR a USA začala skutečná "raketová" rasa. Sovětský program byl veden Sergejem Korolevem, vynikajícím konstruktérem raketových motorů, pod jeho vedením byl vytvořen domácí ICBM R-7 a později byl zahájen první umělý satelit a byl proveden pilotovaný vesmírný let.
V průběhu let byly učiněny pokusy o vytvoření raketových motorů působících na úkor energie jaderného úpadku (syntéza), ale nikdy se nepodařilo prakticky využít takových elektráren. V 70. letech začalo používat elektrické raketové motory v SSSR a USA. Dnes jsou používány k opravě oběžných drah a průběhu kosmické lodi. V 70. a 80. letech byly experimenty s plazmovými XRD, o kterých se předpokládá, že mají dobrý potenciál. Vysoké naděje jsou připisovány iontovým raketovým motorům, jejichž použití teoreticky mohlo výrazně urychlit kosmickou loď.
Zatím jsou však téměř všechny tyto technologie v dětství a hlavní vozidlo vesmírných průzkumníků zůstává dobrou starou "chemickou" raketou. V současné době se americký F-1, který se účastnil měsíčního projektu, a sovětský RD-170/171, který byl použit v programu "Energy-Buran", soutěží o titul "nejmocnější raketový motor na světě".
Jaké to jsou?
Klasifikace raketových motorů je založena na způsobu získávání energie pro odmítnutí pracovní tekutiny. Na základě tohoto parametru jsou pojezdové dráhy:
- chemické;
- jaderné (termonukleární);
- elektrické (elektrické rakety);
- plyn.
Každý z výše uvedených typů lze rozdělit do menších kategorií. Chemické motory (HDR) jsou například v závislosti na stavu agregace paliva pevným palivem a kapalným palivem. Tam je také chemický hybridní raketový motor (GRD). HDR také obsahuje klínový letecký raketový motor, který má jiný tvar a konstrukci trysek. Existují jaderné a pevné fáze jaderného RD. Existuje několik typů elektráren.
Chemical RD: výhody a nevýhody
Tento typ raketového motoru je nejběžnější a dobře zvládnutelný. Můžeme říci, že HRD dává prostor lidstvu. Funguje kvůli exotermické chemické reakci a palivo a oxidant jsou na palubě letadla a spolu tvoří palivo. Slouží také jako zdroj energie a základ pro pracovní tekutinu.
HDD mají poměrně malý specifický impuls (ve srovnání s elektrickými), ale umožňují jim vyvinout větší trakci. To je zvláště důležité pro spuštění raketových motorů a při odstraňování užitečných zatížení na oběžnou dráhu.
V kapalných motorech je oxidant a palivo v kapalné fázi. S palivovým systémem se přivádějí do komory, kde jsou spáleny a proudí tryskou.
V tuhém palivu RD se směs paliva a oxidátoru umístí přímo do spalovací komory. Palivo má zpravidla tvar tyče se středním kanálem. Spalovací proces probíhá od středu k okraji, plyny vystupující tryskou vytvářejí tlak. Tyto motory mají několik výhod: jsou relativně jednoduché, levné, šetrné k životnímu prostředí a spolehlivé.
Nevýhody chemického motoru s pevným hnacím plynem zahrnují omezené trvání jeho provozu, malý indikátor specifického impulsu (ve srovnání s kapalinovými XRD) a nemožnost opětovného spuštění - po spuštění nemůže být zastavena. Výše uvedené vlastnosti určují rozsah použití řídících pojízdných jednotek - to jsou balistické a meteorologické rakety, rakety, střely, rakety, raketové projektily pro systémy protipožární síly. Tuhé palivo se používá také při spouštění raketových motorů.
Kapalné pojezdové dráhy mají vyšší specifický impuls, mohou být zastaveny a znovu nastartovány a tlakem - regulace. Kromě toho jsou ve srovnání s tuhým palivem lehčí a kompaktnější. Ale v masti je také moucha: kapalinové motory mají složitou strukturu a vysoké náklady, takže hlavní oblastí jejich použití je astronautika.
Jako součásti paliva pro kapalné XRD používejte různé kombinace. Například kyslík + vodík nebo oxid dusičitý + asymetrický dimethylhydrazin. V posledních letech se kyslík a petrolejové rakety staly velmi populárními. Palivo může sestávat z pěti nebo více dílů. Metanové raketové motory jsou považovány za velmi slibné, dnes se podílejí na jejich tvorbě v několika zemích světa najednou. Mezi další zajímavé události v této oblasti patří tzv. Detonační raketový motor, jehož palivo nespaluje, ale exploduje.
Práce na zdokonalení HDR se nezastaví, ale je pravděpodobné, že jeho limity již byly dosaženy - návrháři "vymačkali" vše, co mohli z chemického paliva. Závažným problémem HDR je obrovská hmota paliva, kterou musí letadlo zvednout. A to je divoce neúčinné. Schéma s oddělitelnými kroky poněkud zlepšilo situaci, ale zjevně se nestalo všelékem.
Je třeba poznamenat, že chemické raketové motory se používají nejen k průzkumu vesmíru. Na Zemi našli své použití, avšak v podstatě jen ve vojenských záležitostech. Všechny bojové rakety, počínaje malými letadly nebo protitankovými tanky a končící obrovskými ICBM, jsou vybaveny HRA. Většinou mají jednodušší a spolehlivější motory na tuhá paliva. Příkladem mírového využití RLZ jsou geofyzikální a meteorologické rakety.
Na atomové lodi na hvězdy!
Tekutý raketový motor poskytl člověku prostor a pomohl se dostat na nejbližší planety. Rychlost výfukového proudového vzduchu na kapalném palivu nepřekračuje 4,5-5 m / s, což znemožňuje vzdálené poslání - to vyžaduje desítky metrů za sekundu. Kozmická loď s HRD je schopna přinést člověka na nejbližší planety - jako je Mars nebo Venuše - ale k cestě do vzdálených objektů Sluneční soustavy, musíme přijít s něčím novým. Jedním ze způsobů, jak vyjít z této slepé uličky, se zdá být použití energie skryté v atomovém jádru.
Jaderný raketový motor (YARD) je typ elektrárny, ve které je pracovní tekutina zahřívána jaderným štěpením nebo syntetickou energií. V závislosti na stavu paliva může být pevná, kapalná nebo plynová fáze. Vodíkem nebo amoniakem se běžně používá jako pracovní médium. Trakce YARD je docela srovnatelná s chemickými motory, zatímco mají vysoký specifický impuls. Existuje však jeden problém - znečištění atmosféry radioaktivním výfukem.
Historie jaderných motorů začala v polovině 50. let, dvě země na světě - Spojené státy a Sovětský svaz - se zabývaly jejich praktickou tvorbou. Již v roce 1958 Američané stanovili úkol vytvořit YARD pro lety na Měsíc a Mars (program NERVA). Přibližně ve stejnou dobu se sovětští designéři zabývali podobnými problémy. Koncem sedmdesátých let byl vytvořen jaderný raketový motor RD-0410, který však neprošel úplnými testy.
V současné době jsou nejslibnější jaderné motory v plynové fázi, ve kterých je palivo v plynné fázi ve speciální uzavřené baňce. To eliminuje jeho kontakt s pracovní tekutinou a významně snižuje pravděpodobnost radioaktivní kontaminace. Navzdory skutečnosti, že hlavní technické problémy při vytváření NRE byly již dlouho vyřešeny, dosud žádný z nich nenalezl své uplatnění v praxi. Ačkoli tento konkrétní YARD vypadá z hlediska skutečného využití nejslibnější.
Elektrické raketové motory, jejich vlastnosti, výhody a nevýhody
Další možný soutěžící, který má šanci nahradit HRD, je elektrický raketový motor (ERE), který využívá elektrickou energii k rozptýlení pracovní tekutiny.
Myšlenka na vytvoření takového elektrárny se zrodila na počátku 20. století, ve 30. letech 20. století ji v praxi realizoval sovětský vědec Glushko. Aktivní práce na elektrickém pohonu začaly ve Spojených státech a Sovětském svazu v šedesátých letech a v 70. letech 20. století byly první raketové motory tohoto typu instalovány na kosmické lodi.
Existuje několik typů ERD:
- elektrotermální;
- elektrostatický;
- elektromagnetické;
- plazmy
Elektrické raketové motory mají vysoký specifický impuls, který jim umožňuje ekonomicky spotřebovat pracovní tekutinu, ale také potřebují spoustu energie, což je vážný problém. Zatím jediným skutečným zdrojem pro elektrický pohon jsou solární panely. Mají nízký tlak, který jim neumožňuje používat v atmosféře Země - spouštěcí raketový motor z pohonného motoru rozhodně nebude fungovat. V současné době se používají jako posunovací stroje - k opravě oběžných drah kosmické lodi.
