Удельный импульс и эффективность двигателя. Удельный импульс двигателя


Удельный импульс и эффективность двигателя

Поиск Лекций

Если нужно сравнить эффективность различных типов двигателей, инженеры обычно говорят об удельном импульсе. Удельный импульс определяется как изменение импульса на единицу массы израсходованного топлива. Таким образом, чем эффективнее двигатель, тем меньше топлива требуется для вывода ракеты в космос. Импульс, в свою очередь, есть результат действия силы в течение определенного времени. Химические ракеты, хотя и обладают очень большой тягой, работают всего несколько минут, а потому характеризуются очень низким удельным импульсом. Ионные двигатели, способные работать годами, могут иметь высокий удельный импульс при очень низкой тяге.

Удельный импульс измеряется в секундах. Средняя ракета с химическим двигателем может иметь удельный импульс до 400-500 с. Так, удельный импульс двигателя шаттла составляет 453 с. (Самый высокий полученный до сих пор удельный импульс для химического реактивного двигателя составил 542 с; в качестве топлива этот двигатель использовал экзотическую смесь водорода, лития и фтора.) Ионный движок аппарата SMART-1 имел удельный импульс 1640 с. У ядерных ракетных двигателей этот параметр достигает 850 с.

Максимально возможным удельным импульсом обладала бы ракета, способная достигать скорости света. Ее удельный импульс составил бы около 30 млн. Ниже приводится таблица удельных импульсов, характерных для различных типов реактивных двигателей.

Тип двигателя (Удельный импульс)

Твердотопливный (250)

Жидкостный (450)

Ионный (3000)

Плазменный VASIMR (1000-30 000)

Атомный (800-1000)

Термоядерный прямоточный (2500-200 000)

Ядерный импульсный (10 000-1 000 000)

На антиматерии (1 000 000-10 000 000)

(В принципе, лазерный парус и прямоточный двигатель вообще не несут с собой запаса топлива, а потому удельный импульс не является для них существенной характеристикой; тем не менее у этих конструкций есть свои проблемы.)

Космический лифт

Одно из серьезных препятствий к реализации многих звездных проектов состоит в том, что из-за громадных размеров и веса корабли невозможно построить на Земле. Некоторые ученые предлагают собирать их в открытом космосе, где благодаря невесомости астронавты смогут легко поднимать и ворочать невероятно тяжелые предметы. Но сегодня критики справедливо указывают на запредельную стоимость космической сборки. К примеру, для полной сборки Международной космической станции потребуется около 50 запусков шаттла, а ее стоимость с учетом этих полетов приближается к 100 млрд долл. Это самый дорогой научный проект в истории, но строительство в открытом космосе межзвездного космического парусника или корабля с прямоточной воронкой обошлось бы во много раз дороже.

Но, как любил говорить писатель-фантаст Роберт Хайнлайн, если вы можете подняться над Землей на 160 км, вы уже на полпути к любой точке Солнечной системы. Это потому, что при любом запуске первые 160 км, когда ракета стремится вырваться из пут земного притяжения, «съедают» львиную долю стоимости. После этого корабль, можно сказать, уже в состоянии добраться хоть до Плутона, хоть дальше.

Один из способов кардинально сократить в будущем стоимость полетов — построить космический лифт. Идея забраться на небо по веревке не нова — взять хотя бы сказку «Джек и бобовое зернышко»; сказка сказкой, но если вывести конец веревки в космос, идея вполне могла бы воплотиться в реальность. В этом случае центробежной силы вращения Земли оказалось бы достаточно, чтобы нейтрализовать силу тяжести, и веревка никогда не упала бы на землю. Она волшебным образом поднималась бы вертикально вверх и исчезала в облаках.

(Представьте себе шарик, который вы крутите на веревочке. Кажется, что на шарик не действует сила тяжести; дело в том, что центробежная сила толкает его прочь от центра вращения. Точно так же очень длинная веревка может висеть в воздухе благодаря вращению Земли.) Держать веревку не потребуется, вращения Земли будет достаточно. Теоретически человек мог бы залезть по такой веревке и подняться прямо в космос. Иногда мы просим студентов-физиков рассчитать натяжение такой веревки. Несложно показать, что такого натяжения не выдержит даже стальной трос; именно поэтому долгое время считалось, что космический лифт реализовать невозможно.

Первым из ученых, кто всерьез заинтересовался проблемой космического лифта, стал русский ученый-провидец Константин Циолковский. В 1895 г. под впечатлением от Эйфелевой башни он вообразил башню, которая бы поднималась прямо в космическое пространство и соединяла Землю с парящим в космосе «звездным замком». Строить ее предполагалось снизу вверх, начиная с Земли, откуда инженеры должны были бы медленно возводить к небесам космический лифт.

В 1957 г. русский ученый Юрий Арцутанов предложил новое решение: строить космический лифт обратным порядком, сверху вниз, начиная из космоса. Автор представил себе спутник на геостационарной орбите на расстоянии 36 000 км от Земли — с Земли он при этом будет казаться неподвижным; с этого спутника предлагалось опустить на Землю трос, а затем закрепить его в нижней точке. Проблема в том, что трос для космического лифта должен был бы выдерживать натяжение примерно в 60-100 ГПа. Сталь рвется при натяжении примерно в 2 ГПа, что лишает идею всякого смысла.

Более широкая аудитория смогла познакомиться с идеей космического лифта позже; в 1979 г. вышел роман Артура Кларка «Фонтаны рая», а в 1982 г. — роман Роберта Хайнлайна «Пятница». Но поскольку прогресс в этом направлении застопорился, о ней забыли.

Ситуация резко изменилась, когда химики изобрели углеродные нанотрубки. Интерес к ним резко возрос после публикации в 1991 г. работы Сумио Иидзимы из компании Nippon Electric. (Надо сказать, что о существовании углеродных нано-трубок было известно еще с 1950-х гг., но долгое время на них не обращали внимания.) Нанотрубки гораздо прочнее, но при этом гораздо легче стальных тросов. Строго говоря, по прочности они даже превосходят уровень, необходимый для космического лифта. По мнению ученых, волокно из углеродных нанотрубок должно выдерживать давление 120 ГПа, что заметно выше необходимого минимума. После этого открытия попытки создания космического лифта возобновились с новой силой.

Б 1999 г. было опубликовано серьезное исследование NASA; в нем рассматривался космический лифт в виде ленты шириной примерно один метр и длиной около 47 000 км, способный доставить на орбиту вокруг Земли полезный груз весом около 15 т. Реализация подобного проекта мгновенно и полностью изменила бы экономическую сторону космических путешествий. Стоимость доставки грузов на орбиту разом уменьшилась бы в 10 000 раз; такую перемену иначе как революционной не назовешь.

В настоящее время доставка одного фунта груза на околоземную орбиту стоит не меньше 10 000 долл. Так, каждый полет шаттла обходится примерно в 700 млн долл. Космический лифт сбил бы стоимость доставки до 1 долл. за фунт. Такое радикальное удешевление космической программы могло бы полностью изменить наши взгляды на космические путешествия. Простым нажатием кнопки можно было бы запустить лифт и подняться в открытый космос за сумму, соответствующую по стоимости, скажем, билету на самолет.

Но, прежде чем строить космический лифт, на котором можно будет без труда подняться в небеса, нам предстоит преодолеть очень серьезные препятствия. В настоящее время самое длинное волокно из углеродных нанотрубок, полученное в лаборатории, по длине не превосходит 15 мм. Для космического лифта потребуются тросы из нанотрубок длиной в тысячи километров. Конечно, с научной точки зрения это чисто техническая проблема, но решить ее необходимо, а она может оказаться упрямой и сложной. Тем не менее многие ученые убеждены, что на овладение технологией производства длинных тросов из углеродных нанотрубок нам хватит нескольких десятилетий.

Вторая проблема заключается в том, что из-за микроскопических нарушений структуры углеродных нанотрубок получение длинных тросов может оказаться вообще проблематичным. По оценке Никола Пуньо из Туринского политехнического института, если хотя бы один атом в углеродной нанотрубке окажется не на своем месте, прочность трубки может сразу уменьшиться на 30%. В целом дефекты на атомном уровне могут лишить трос из нанотрубок 70% прочности; при этом допустимая нагрузка окажется ниже того минимума гигапаскалей, без которых невозможно построить космический лифт.

Стремясь подстегнуть интерес частных предпринимателей к разработке космического лифта, NASA объявило два отдельных конкурса. (За образец был взят конкурс Ansari X-Prize с призом в 10 млн долл. Конкурс успешно подогрел интерес предприимчивых инвесторов к созданию коммерческих ракет, способных поднимать пассажиров к самой границе космического пространства; объявленную премию получил в 2004 г. корабль SpaceShipOne.} Конкурсы NASA носят названия Beam Power Challenge и Tether Challenge.

Чтобы выиграть первый из них, команда исследователей должна создать механическое устройство, способное поднять груз весом не менее 25 кг (включая собственный вес) вверх по тросу (подвешенному, скажем, на стреле подъемного крана) со скоростью 1 м/с на высоту 50 м. Возможно, задача кажется несложной, но проблема в том, что это устройство не должно использовать топливо, аккумуляторы или электрический кабель. Вместо этого робот-подъемник должен получать питание от солнечных батарей, солнечных рефлекторов, лазеров или микроволнового излучения, т. е. из тех источников энергии, которыми удобно пользоваться в космосе.

Чтобы победить в конкурсе Tether Challenge, команда должна представить двухметровые куски троса весом не более двух граммов каждый; при этом такой трос должен выдерживать нагрузку на 50% большую, чем лучший образец предыдущего года. Цель этого конкурса —стимулировать исследования по разработке сверхлегких материалов, достаточно прочных, чтобы их можно было протянуть на 100 000 км в космос. Победителей ждут премии размером 150 000,40 000 и 10 000 долл. (Чтобы подчеркнуть сложность задачи, в 2005 г. — первом году конкурса — премия не была присуждена никому.)

Безусловно, работающий космический лифт способен резко изменить космическую программу, но и у него есть свои недостатки. Так, траектория движения спутников по околоземной орбите постоянно сдвигается относительно Земли (потому что Земля под ними вращается). Это означает, что со временем любой из спутников может столкнуться с космическим лифтом на скорости 8 км/с; этого будет более чем достаточно, чтобы порвать трос. Для предотвращения подобной катастрофы в будущем придется либо предусматривать на каждом спутнике небольшие ракеты, которые дали бы ему возможность обойти лифт, либо снабдить сам трос небольшими ракетами, чтобы он мог уходить с траектории спутников.

Кроме того, проблемой могут стать столкновения с микрометеоритами — ведь космический лифт поднимется далеко за пределы земной атмосферы, которая в большинстве случаев защищает нас от метеоров. Поскольку предсказать подобные столкновения невозможно, космический лифт придется снабдить дополнительной защитой и, возможно, даже отказоустойчивыми резервными системами. Проблему могут представлять собой и такие атмосферные явления, как ураганы, приливные волны и штормы.

Гравитационный маневр

Существует еще один способ разогнать объект до скорости, близкой к скорости света, — воспользоваться «эффектом пращи». При отправке космических зондов к другим планетам NASA иногда заставляет их совершить маневр вокруг соседней планеты, чтобы, воспользовавшись «эффектом пращи», дополнительно разогнать аппарат. Так NASA экономит ценное ракетное топливо. Именно таким образом аппарату «Вояджер-2» удалось долететь до Нептуна, орбита которого лежит у самого края Солнечной системы.

Фримен Дайсон, физик из Принстона, выдвинул интересное предложение. Если когда-нибудь в далеком будущем человечеству удастся обнаружить в космосе две нейтронные звезды, обращающиеся вокруг общего центра с большой скоростью, то земной корабль, пролетев совсем рядом с одной из этих звезд, может за счет гравитационного маневра набрать скорость, равную чуть ли не трети скорости света. В результате корабль разогнался бы до околосветовых скоростей за счет гравитации. Теоретически такое может получиться.

Другие ученые предлагают воспользоваться для этой цели нашим собственным светилом. Этим методом воспользовался, к примеру, экипаж звездолета «Энтерпрайз» в фильме «Звездный путь IV: Путешествие домой». Угнав корабль клингонов, экипаж «Энтерпрайза» направил его по близкой к Солнцу траектории, чтобы пробить световой барьер и вернуться назад во времени. В фильме «Когда сталкиваются миры» Земле угрожает столкновение с астероидом. Чтобы бежать с обреченной планеты, ученые сооружают гигантскую конструкцию вроде американских горок. Съезжая с горки, ракетный корабль набирает огромную скорость, затем разворот внизу на малом радиусе — и вперед, в космос.

Только на самом деле ни один из этих способов разогнаться при помощи гравитации не сработает. (Закон сохранения энергии говорит о том, что тележка на американских горках, разгоняясь на спуске и замедляясь на подъеме, оказывается наверху ровно с той же скоростью, что и в самом начале — никакого приращения энергии не происходит. Точно так же, обернувшись вокруг неподвижного Солнца, мы закончим ровно с той же скоростью, с какой начали маневр.) Метод Дайсона с двумя нейтронными звездами в принципе мог бы сработать, но только потому, что нейтронные звезды быстро движутся. Космический аппарат, использующий гравитационный маневр, получает приращение энергии за счет движения планеты или звезды. Если они неподвижны, подобный маневр ничего не даст.

А предложение Дайсона, хотя и может сработать, ничем не поможет сегодняшним земным ученым — ведь для того, чтобы наведаться к быстро вращающимся нейтронным звездам, потребуется для начала построить звездолет.

Из пушки в небеса

Еще один хитроумный способ вывести корабль в космос и разогнать до фантастических скоростей — выстрелить им из рельсовой электромагнитной «пушки», которую описывали в своих произведениях Артур Кларк и другие авторы-фантасты. В настоящее время этот проект всерьез рассматривается как возможная часть противоракетного щита программы «звездных войн».

Способ заключается в том, чтобы вместо ракетного топлива или пороха использовать для разгона ракеты до высоких скоростей энергию электромагнетизма.

В простейшем случае рельсовая пушка представляет собой два параллельных провода или рельса; реактивный снаряд, или ракета, «сидит» на обоих рельсах, образуя U-образную конфигурацию. Еще Майкл Фарадей знал, что на рамку с электрическим током в магнитном поле действует сила. (Вообще говоря, на этом принципе работают все электродвигатели.) Если пропустить через рельсы и снаряд электрический ток силой в миллионы ампер, вокруг всей системы возникнет чрезвычайно мощное магнитное поле, которое, в свою очередь, погонит снаряд по рельсам, разгонит его до громадной скорости и вышвырнет в пространство с оконечности рельсовой системы.

Во время испытаний рельсовые электромагнитные пушки успешно выстреливали металлические объекты с громадными скоростями, разгоняя их на очень короткой дистанции. Что замечательно, в теории обычная рельсовая пушка способна выстреливать металлический снаряд со скоростью 8 км/с; этого достаточно, чтобы вывести его на околоземную орбиту. В принципе весь ракетный флот NASA можно было бы заменить рельсовыми пушками, которые прямо с поверхности Земли выстреливали бы полезный груз на орбиту.

Рельсовая пушка имеет существенные преимущества по отношению к химическим пушкам и ракетам. Когда вы стреляете из ружья, максимальная скорость, с которой расширяющиеся газы способны вытолкнуть пулю из ствола, ограничена скоростью распространения ударной волны. Жюль Берн в классическом романе «С Земли на Луну» выстрелил снаряд с астронавтами к Луне при помощи пороха, но на самом деле несложно подсчитать, что максимальная скорость, которую может придать снаряду пороховой заряд, во много раз меньше скорости, необходимой для полета к Луне. Рельсовая же пушка не использует взрывное расширение газов и потому никак не зависит от скорости распространения ударной волны.

Но у рельсовой пушки свои проблемы. Объекты на ней ускоряются так быстро, что они, как правило, сплющиваются из-за столкновения... с воздухом. Полезный груз оказывается сильно деформированным в процессе «выстрела» из дула рельсовой пушки, потому что когда снаряд врезается в воздух, это все равно как если бы он ударился о кирпичную стенку. Кроме того, при разгоне снаряд испытывает громадное ускорение, которое само по себе способно сильно деформировать груз. Рельсы необходимо регулярно заменять, так как снаряд при движении также деформирует их. Более того, перегрузки в рельсовой пушке смертельны для людей; человеческие кости просто не выдержат подобного ускорения и разрушатся.

Одно из решений состоит в том, чтобы установить рельсовую пушку на Луне. Там, за пределами земной атмосферы, снаряд сможет беспрепятственно разгоняться в вакууме открытого космоса. Но даже на Луне снаряд при разгоне будет испытывать громадные перегрузки, способные повредить и деформировать полезный груз. В определенном смысле рельсовая пушка — антипод лазерного паруса, который набирает скорость постепенно в течение долгого времени. Ограничения рельсовой пушки определяются именно тем, что она на небольшом расстоянии и за небольшое время передает телу громадную энергию.

Рельсовая пушка, способная выстрелить аппарат к ближайшим звездам, стала бы весьма дорогостоящим сооружением. Так, один из проектов предусматривает строительство в открытом космосе рельсовой пушки длиной в две трети расстояния от Земли до Солнца. Эта пушка должна будет накапливать солнечную энергию, а затем разом расходовать ее, разгоняя десятитонную полезную нагрузку до скорости, равной трети скорости света. При этом «снаряд» будет испытывать перегрузку в 5000 g. Разумеется, «пережить» такой пуск смогут только самые выносливые корабли-роботы.



poisk-ru.ru

Удельный импульс и эффективность двигателя — КиберПедия

Если нужно сравнить эффективность различных типов двигателей, инженеры обычно говорят об удельном импульсе. Удельный импульс определяется как изменение импульса на единицу массы израсходованного топлива. Таким образом, чем эффективнее двигатель, тем меньше топлива требуется для вывода ракеты в космос. Импульс, в свою очередь, есть результат действия силы в течение определенного времени. Химические ракеты, хотя и обладают очень большой тягой, работают всего несколько минут, а потому характеризуются очень низким удельным импульсом. Ионные двигатели, способные работать годами, могут иметь высокий удельный импульс при очень низкой тяге.

Удельный импульс измеряется в секундах. Средняя ракета с химическим двигателем может иметь удельный импульс до 400-500 с. Так, удельный импульс двигателя шаттла составляет 453 с. (Самый высокий полученный до сих пор удельный импульс для химического реактивного двигателя составил 542 с; в качестве топлива этот двигатель использовал экзотическую смесь водорода, лития и фтора.) Ионный движок аппарата SMART-1 имел удельный импульс 1640 с. У ядерных ракетных двигателей этот параметр достигает 850 с.

Максимально возможным удельным импульсом обладала бы ракета, способная достигать скорости света. Ее удельный импульс составил бы около 30 млн. Ниже приводится таблица удельных импульсов, характерных для различных типов реактивных двигателей.

Тип двигателя (Удельный импульс)

Твердотопливный (250)

Жидкостный (450)

Ионный (3000)

Плазменный VASIMR (1000-30 000)

Атомный (800-1000)

Термоядерный прямоточный (2500-200 000)

Ядерный импульсный (10 000-1 000 000)

На антиматерии (1 000 000-10 000 000)

(В принципе, лазерный парус и прямоточный двигатель вообще не несут с собой запаса топлива, а потому удельный импульс не является для них существенной характеристикой; тем не менее у этих конструкций есть свои проблемы.)

Космический лифт

Одно из серьезных препятствий к реализации многих звездных проектов состоит в том, что из-за громадных размеров и веса корабли невозможно построить на Земле. Некоторые ученые предлагают собирать их в открытом космосе, где благодаря невесомости астронавты смогут легко поднимать и ворочать невероятно тяжелые предметы. Но сегодня критики справедливо указывают на запредельную стоимость космической сборки. К примеру, для полной сборки Международной космической станции потребуется около 50 запусков шаттла, а ее стоимость с учетом этих полетов приближается к 100 млрд долл. Это самый дорогой научный проект в истории, но строительство в открытом космосе межзвездного космического парусника или корабля с прямоточной воронкой обошлось бы во много раз дороже.

Но, как любил говорить писатель-фантаст Роберт Хайнлайн, если вы можете подняться над Землей на 160 км, вы уже на полпути к любой точке Солнечной системы. Это потому, что при любом запуске первые 160 км, когда ракета стремится вырваться из пут земного притяжения, «съедают» львиную долю стоимости. После этого корабль, можно сказать, уже в состоянии добраться хоть до Плутона, хоть дальше.

Один из способов кардинально сократить в будущем стоимость полетов — построить космический лифт. Идея забраться на небо по веревке не нова — взять хотя бы сказку «Джек и бобовое зернышко»; сказка сказкой, но если вывести конец веревки в космос, идея вполне могла бы воплотиться в реальность. В этом случае центробежной силы вращения Земли оказалось бы достаточно, чтобы нейтрализовать силу тяжести, и веревка никогда не упала бы на землю. Она волшебным образом поднималась бы вертикально вверх и исчезала в облаках.

(Представьте себе шарик, который вы крутите на веревочке. Кажется, что на шарик не действует сила тяжести; дело в том, что центробежная сила толкает его прочь от центра вращения. Точно так же очень длинная веревка может висеть в воздухе благодаря вращению Земли.) Держать веревку не потребуется, вращения Земли будет достаточно. Теоретически человек мог бы залезть по такой веревке и подняться прямо в космос. Иногда мы просим студентов-физиков рассчитать натяжение такой веревки. Несложно показать, что такого натяжения не выдержит даже стальной трос; именно поэтому долгое время считалось, что космический лифт реализовать невозможно.

Первым из ученых, кто всерьез заинтересовался проблемой космического лифта, стал русский ученый-провидец Константин Циолковский. В 1895 г. под впечатлением от Эйфелевой башни он вообразил башню, которая бы поднималась прямо в космическое пространство и соединяла Землю с парящим в космосе «звездным замком». Строить ее предполагалось снизу вверх, начиная с Земли, откуда инженеры должны были бы медленно возводить к небесам космический лифт.

В 1957 г. русский ученый Юрий Арцутанов предложил новое решение: строить космический лифт обратным порядком, сверху вниз, начиная из космоса. Автор представил себе спутник на геостационарной орбите на расстоянии 36 000 км от Земли — с Земли он при этом будет казаться неподвижным; с этого спутника предлагалось опустить на Землю трос, а затем закрепить его в нижней точке. Проблема в том, что трос для космического лифта должен был бы выдерживать натяжение примерно в 60-100 ГПа. Сталь рвется при натяжении примерно в 2 ГПа, что лишает идею всякого смысла.

Более широкая аудитория смогла познакомиться с идеей космического лифта позже; в 1979 г. вышел роман Артура Кларка «Фонтаны рая», а в 1982 г. — роман Роберта Хайнлайна «Пятница». Но поскольку прогресс в этом направлении застопорился, о ней забыли.

Ситуация резко изменилась, когда химики изобрели углеродные нанотрубки. Интерес к ним резко возрос после публикации в 1991 г. работы Сумио Иидзимы из компании Nippon Electric. (Надо сказать, что о существовании углеродных нано-трубок было известно еще с 1950-х гг., но долгое время на них не обращали внимания.) Нанотрубки гораздо прочнее, но при этом гораздо легче стальных тросов. Строго говоря, по прочности они даже превосходят уровень, необходимый для космического лифта. По мнению ученых, волокно из углеродных нанотрубок должно выдерживать давление 120 ГПа, что заметно выше необходимого минимума. После этого открытия попытки создания космического лифта возобновились с новой силой.

Б 1999 г. было опубликовано серьезное исследование NASA; в нем рассматривался космический лифт в виде ленты шириной примерно один метр и длиной около 47 000 км, способный доставить на орбиту вокруг Земли полезный груз весом около 15 т. Реализация подобного проекта мгновенно и полностью изменила бы экономическую сторону космических путешествий. Стоимость доставки грузов на орбиту разом уменьшилась бы в 10 000 раз; такую перемену иначе как революционной не назовешь.

В настоящее время доставка одного фунта груза на околоземную орбиту стоит не меньше 10 000 долл. Так, каждый полет шаттла обходится примерно в 700 млн долл. Космический лифт сбил бы стоимость доставки до 1 долл. за фунт. Такое радикальное удешевление космической программы могло бы полностью изменить наши взгляды на космические путешествия. Простым нажатием кнопки можно было бы запустить лифт и подняться в открытый космос за сумму, соответствующую по стоимости, скажем, билету на самолет.

Но, прежде чем строить космический лифт, на котором можно будет без труда подняться в небеса, нам предстоит преодолеть очень серьезные препятствия. В настоящее время самое длинное волокно из углеродных нанотрубок, полученное в лаборатории, по длине не превосходит 15 мм. Для космического лифта потребуются тросы из нанотрубок длиной в тысячи километров. Конечно, с научной точки зрения это чисто техническая проблема, но решить ее необходимо, а она может оказаться упрямой и сложной. Тем не менее многие ученые убеждены, что на овладение технологией производства длинных тросов из углеродных нанотрубок нам хватит нескольких десятилетий.

Вторая проблема заключается в том, что из-за микроскопических нарушений структуры углеродных нанотрубок получение длинных тросов может оказаться вообще проблематичным. По оценке Никола Пуньо из Туринского политехнического института, если хотя бы один атом в углеродной нанотрубке окажется не на своем месте, прочность трубки может сразу уменьшиться на 30%. В целом дефекты на атомном уровне могут лишить трос из нанотрубок 70% прочности; при этом допустимая нагрузка окажется ниже того минимума гигапаскалей, без которых невозможно построить космический лифт.

Стремясь подстегнуть интерес частных предпринимателей к разработке космического лифта, NASA объявило два отдельных конкурса. (За образец был взят конкурс Ansari X-Prize с призом в 10 млн долл. Конкурс успешно подогрел интерес предприимчивых инвесторов к созданию коммерческих ракет, способных поднимать пассажиров к самой границе космического пространства; объявленную премию получил в 2004 г. корабль SpaceShipOne.} Конкурсы NASA носят названия Beam Power Challenge и Tether Challenge.

Чтобы выиграть первый из них, команда исследователей должна создать механическое устройство, способное поднять груз весом не менее 25 кг (включая собственный вес) вверх по тросу (подвешенному, скажем, на стреле подъемного крана) со скоростью 1 м/с на высоту 50 м. Возможно, задача кажется несложной, но проблема в том, что это устройство не должно использовать топливо, аккумуляторы или электрический кабель. Вместо этого робот-подъемник должен получать питание от солнечных батарей, солнечных рефлекторов, лазеров или микроволнового излучения, т. е. из тех источников энергии, которыми удобно пользоваться в космосе.

Чтобы победить в конкурсе Tether Challenge, команда должна представить двухметровые куски троса весом не более двух граммов каждый; при этом такой трос должен выдерживать нагрузку на 50% большую, чем лучший образец предыдущего года. Цель этого конкурса —стимулировать исследования по разработке сверхлегких материалов, достаточно прочных, чтобы их можно было протянуть на 100 000 км в космос. Победителей ждут премии размером 150 000,40 000 и 10 000 долл. (Чтобы подчеркнуть сложность задачи, в 2005 г. — первом году конкурса — премия не была присуждена никому.)

Безусловно, работающий космический лифт способен резко изменить космическую программу, но и у него есть свои недостатки. Так, траектория движения спутников по околоземной орбите постоянно сдвигается относительно Земли (потому что Земля под ними вращается). Это означает, что со временем любой из спутников может столкнуться с космическим лифтом на скорости 8 км/с; этого будет более чем достаточно, чтобы порвать трос. Для предотвращения подобной катастрофы в будущем придется либо предусматривать на каждом спутнике небольшие ракеты, которые дали бы ему возможность обойти лифт, либо снабдить сам трос небольшими ракетами, чтобы он мог уходить с траектории спутников.

Кроме того, проблемой могут стать столкновения с микрометеоритами — ведь космический лифт поднимется далеко за пределы земной атмосферы, которая в большинстве случаев защищает нас от метеоров. Поскольку предсказать подобные столкновения невозможно, космический лифт придется снабдить дополнительной защитой и, возможно, даже отказоустойчивыми резервными системами. Проблему могут представлять собой и такие атмосферные явления, как ураганы, приливные волны и штормы.

Гравитационный маневр

Существует еще один способ разогнать объект до скорости, близкой к скорости света, — воспользоваться «эффектом пращи». При отправке космических зондов к другим планетам NASA иногда заставляет их совершить маневр вокруг соседней планеты, чтобы, воспользовавшись «эффектом пращи», дополнительно разогнать аппарат. Так NASA экономит ценное ракетное топливо. Именно таким образом аппарату «Вояджер-2» удалось долететь до Нептуна, орбита которого лежит у самого края Солнечной системы.

Фримен Дайсон, физик из Принстона, выдвинул интересное предложение. Если когда-нибудь в далеком будущем человечеству удастся обнаружить в космосе две нейтронные звезды, обращающиеся вокруг общего центра с большой скоростью, то земной корабль, пролетев совсем рядом с одной из этих звезд, может за счет гравитационного маневра набрать скорость, равную чуть ли не трети скорости света. В результате корабль разогнался бы до околосветовых скоростей за счет гравитации. Теоретически такое может получиться.

Другие ученые предлагают воспользоваться для этой цели нашим собственным светилом. Этим методом воспользовался, к примеру, экипаж звездолета «Энтерпрайз» в фильме «Звездный путь IV: Путешествие домой». Угнав корабль клингонов, экипаж «Энтерпрайза» направил его по близкой к Солнцу траектории, чтобы пробить световой барьер и вернуться назад во времени. В фильме «Когда сталкиваются миры» Земле угрожает столкновение с астероидом. Чтобы бежать с обреченной планеты, ученые сооружают гигантскую конструкцию вроде американских горок. Съезжая с горки, ракетный корабль набирает огромную скорость, затем разворот внизу на малом радиусе — и вперед, в космос.

Только на самом деле ни один из этих способов разогнаться при помощи гравитации не сработает. (Закон сохранения энергии говорит о том, что тележка на американских горках, разгоняясь на спуске и замедляясь на подъеме, оказывается наверху ровно с той же скоростью, что и в самом начале — никакого приращения энергии не происходит. Точно так же, обернувшись вокруг неподвижного Солнца, мы закончим ровно с той же скоростью, с какой начали маневр.) Метод Дайсона с двумя нейтронными звездами в принципе мог бы сработать, но только потому, что нейтронные звезды быстро движутся. Космический аппарат, использующий гравитационный маневр, получает приращение энергии за счет движения планеты или звезды. Если они неподвижны, подобный маневр ничего не даст.

А предложение Дайсона, хотя и может сработать, ничем не поможет сегодняшним земным ученым — ведь для того, чтобы наведаться к быстро вращающимся нейтронным звездам, потребуется для начала построить звездолет.

Из пушки в небеса

Еще один хитроумный способ вывести корабль в космос и разогнать до фантастических скоростей — выстрелить им из рельсовой электромагнитной «пушки», которую описывали в своих произведениях Артур Кларк и другие авторы-фантасты. В настоящее время этот проект всерьез рассматривается как возможная часть противоракетного щита программы «звездных войн».

Способ заключается в том, чтобы вместо ракетного топлива или пороха использовать для разгона ракеты до высоких скоростей энергию электромагнетизма.

В простейшем случае рельсовая пушка представляет собой два параллельных провода или рельса; реактивный снаряд, или ракета, «сидит» на обоих рельсах, образуя U-образную конфигурацию. Еще Майкл Фарадей знал, что на рамку с электрическим током в магнитном поле действует сила. (Вообще говоря, на этом принципе работают все электродвигатели.) Если пропустить через рельсы и снаряд электрический ток силой в миллионы ампер, вокруг всей системы возникнет чрезвычайно мощное магнитное поле, которое, в свою очередь, погонит снаряд по рельсам, разгонит его до громадной скорости и вышвырнет в пространство с оконечности рельсовой системы.

Во время испытаний рельсовые электромагнитные пушки успешно выстреливали металлические объекты с громадными скоростями, разгоняя их на очень короткой дистанции. Что замечательно, в теории обычная рельсовая пушка способна выстреливать металлический снаряд со скоростью 8 км/с; этого достаточно, чтобы вывести его на околоземную орбиту. В принципе весь ракетный флот NASA можно было бы заменить рельсовыми пушками, которые прямо с поверхности Земли выстреливали бы полезный груз на орбиту.

Рельсовая пушка имеет существенные преимущества по отношению к химическим пушкам и ракетам. Когда вы стреляете из ружья, максимальная скорость, с которой расширяющиеся газы способны вытолкнуть пулю из ствола, ограничена скоростью распространения ударной волны. Жюль Берн в классическом романе «С Земли на Луну» выстрелил снаряд с астронавтами к Луне при помощи пороха, но на самом деле несложно подсчитать, что максимальная скорость, которую может придать снаряду пороховой заряд, во много раз меньше скорости, необходимой для полета к Луне. Рельсовая же пушка не использует взрывное расширение газов и потому никак не зависит от скорости распространения ударной волны.

Но у рельсовой пушки свои проблемы. Объекты на ней ускоряются так быстро, что они, как правило, сплющиваются из-за столкновения... с воздухом. Полезный груз оказывается сильно деформированным в процессе «выстрела» из дула рельсовой пушки, потому что когда снаряд врезается в воздух, это все равно как если бы он ударился о кирпичную стенку. Кроме того, при разгоне снаряд испытывает громадное ускорение, которое само по себе способно сильно деформировать груз. Рельсы необходимо регулярно заменять, так как снаряд при движении также деформирует их. Более того, перегрузки в рельсовой пушке смертельны для людей; человеческие кости просто не выдержат подобного ускорения и разрушатся.

Одно из решений состоит в том, чтобы установить рельсовую пушку на Луне. Там, за пределами земной атмосферы, снаряд сможет беспрепятственно разгоняться в вакууме открытого космоса. Но даже на Луне снаряд при разгоне будет испытывать громадные перегрузки, способные повредить и деформировать полезный груз. В определенном смысле рельсовая пушка — антипод лазерного паруса, который набирает скорость постепенно в течение долгого времени. Ограничения рельсовой пушки определяются именно тем, что она на небольшом расстоянии и за небольшое время передает телу громадную энергию.

Рельсовая пушка, способная выстрелить аппарат к ближайшим звездам, стала бы весьма дорогостоящим сооружением. Так, один из проектов предусматривает строительство в открытом космосе рельсовой пушки длиной в две трети расстояния от Земли до Солнца. Эта пушка должна будет накапливать солнечную энергию, а затем разом расходовать ее, разгоняя десятитонную полезную нагрузку до скорости, равной трети скорости света. При этом «снаряд» будет испытывать перегрузку в 5000 g. Разумеется, «пережить» такой пуск смогут только самые выносливые корабли-роботы.

cyberpedia.su

Удельный импульс ракетного двигателя - Энциклопедия по машиностроению XXL

Удельный импульс ракетного двигателя 76  [c.551]

Иногда отношение тяги к секундному массовому расходу газа — называют удельным импульсом ракетного двигателя [52] или удельным импульсом тяги РД [5]. Удельной тягой в этом случае называют отношение тяги РД к весовому расходу газа (или продуктов сгорания)  [c.24]

Начнем с рассмотрения случая, когда индуктивной составляющей сопротивления можно пренебречь, а коэффициент лобового сопротивления С о можно считать независимым от числа М. Первое допущение может быть принято в том случае, когда система управления летательного аппарата не включается на стартовом участке, второе— когда величина стартовой скорости не превосходит скорость звука. Обозначим удельный импульс ракетного двигателя через /1 1.  [c.235]

Выбрано топливо и произведен газодинамический расчет, на основании которого определены удельный импульс ракетного двигателя /п и зависимость удельного импульса РПД от высоты, скорости полета и угла атаки /1=/(Я, 1/, а).  [c.269]

Удельный импульс ракетного двигателя /ii=250 кГ сек/кг.  [c.311]

Дополнительный расход топлива обычно несколько уменьшает полный удельный импульс ракетного двигателя по сравнению с тем случаем, когда топливо расходуется исключительно в камере] сгорания.  [c.463]

Два основных достоинства ракетного двигателя — концентрация очень большой мощности в установке относительно небольших размеров и веса, а также независимость от атмосферного воздуха. За это мы расплачиваемся излишним потреблением горючего. В ракетной технике мы обычно говорим об удельном импульсе, определенном как произведение тяги и ее продолжительности в секундах на единицу веса ракетного топлива. Легко понять, что если мы рассчитаем удельный импульс для турбореактивного двигателя, не учитывая воздух в качестве ракетного топлива (но сравнению с ракетным топливом, которое содержит свой собственный окислитель), то получим число в несколько раз выше, чем наибольшая отдача ракетного двигателя. Например, удельный импульс турбореактивного двигателя, который потребляет  [c.186]

В соответствии с (1.24) идеальная удельная тяга ракетного двигателя (или то же, что идеального сопла) равна идеальной скорости истечения. Идеальная скорость истечения (и значения идеальной тяги или идеального импульса, величины которых получаются из (1.16) и (1.17)) соответствует адиабатическому процессу расширения без потерь на трение, без потерь тепла при полном сгорании топлива. Иногда идеальную скорость истечения называют адиабатической [57].  [c.24]

Если жидкость становится проводником электричества, то к сложностям гидродинамики добавляются сложности электродинамики. Многообразие решений, которые кажутся возможными при таком взаимодействии, может даже расширить суш,ествуюш,ий диапазон применения гидродинамики. Покажем ширину этого диапазона на нескольких примерах. Имеются сведения, что можно управлять аэродинамическим пограничным слоем более удовлетворительным образом, чем путем его сдувания или всасывания, используя магнитогидродинамический эффект. Уже построены ударные трубы и плазменные генераторы, дающие потоки вещества, скорости которых в несколько раз, а температуры во много раз выше скоростей и температур потоков, полученных нри выделении химической энергии или путем нагнетания. С применением магнитогидродинамики становятся возможными ракетные двигатели, величины удельного импульса которых выше величин удельного импульса любых двигателей, даже сегодня еще только проектируемых оказывается, что магнитогидродинамика имеет непосредственное отношение к управлению колоссальным потенциалом энергии термоядерной реакции.  [c.546]

В связи с прогрессом в области управляемых полетов в космосе (стыковка, изменение орбиты и др.) возникают и новые требования к ракетным двигателям, а именно надежность и многократность работы, надежное и в широких пределах регулирование. По-прежнему остается обширное поле деятельности для увеличения удельного импульса и снижения веса двигателя.  [c.229]

Важной характеристикой ракетного двигателя является удельный импульс ), определяемый отношением  [c.76]

Эффективность ДУ с ЖРД возрастает с увеличением удельного импульса двигателей и плотности жидкого ракетного топлива, причем в последнее время предъявляются все большие требования к экологической чистоте как самих компонентов ракетного топлива, так и их продуктов сгорания. В настоящее время жидкий кислород и жидкий водород являются наилуч-щим экологически чистым высокоэффективным жидким ракетным топливом. Однако чрезвычайно низкая плотность жидкого водорода (всего 70 кг/м ) существенно ограничивает возможность его применения на первой ступени совместно с жидким кислородом, но не исключает указанную возможность. Например, топливо (Ог) + (Нг) намечено применять на разрабатываемой в настоящее время японской рн Н-2.  [c.407]

Использование металлов и их соединений в ракетных топливах, обеспечивающих повышение удельного импульса и плотности топлива, позволяет значительно улучшить характеристики ракет и космических ЛА. Хотя надо отметить, что разработка отвечающих всем требованиям эксплуатации способов использования этих добавок в жидкостных ракетных двигателях наталкивается на большие трудности.  [c.348]

Зависимость (15.249) позволяет приближенно определить удельную силу тяги (единичный импульс или скорость истечения газов из сопла) ракетного двигателя. Для обычных жидких горючих смесей (топливо органического происхождения и жидкий кислород) А 0.25.  [c.495]

Одним из основных показателей эффективности ракетного двигателя является удельная тяга, или удельный импульс. Под этими терминами-синонимами понимается одно и то же, но в различной формулировке.  [c.24]

В основу семейства носителей Ангара положен универсальный ракетный модуль (УРМ). В его состав входит блок баков окислителя, горючего и двигатель РД-191. Модуль выполнен по схеме моноблок с несущими баками. Однокамерный двигатель РД-191, создаваемый в НПО Энергомаш , работает на компонентах керосин/жидкий кислород. Этот двигатель является вариантом четырехкамерных двигателей РД-170 и РД-171, устанавливавшихся на первых ступенях PH Энергия и PH Зенит-2 соответственно, и двухкамерного двигателя РД-180, созданного для PH Атлас . Его тяга у земли 1923 кН, в пустоте - 2086 кН, удельный импульс тяги на Земле - 3048 Н с/кг, в пустоте -3306 Н с/кг. Для обеспечения управления ракетой-носителем в полете двигатель закрепляется в карданном подвесе (см. таблицу 2).  [c.92]

Основными характеристиками ГРД, как и других типов ракетных двигателей, являются тяга, удельный импульс тяги и время работы. При данном топливе и схеме двигателя эти характеристики определяются секундными расходами компонентов, которые в свою очередь зависят от того, насколько соответствуют расчетным значения многочисленных конструктивных параметров двигателя и условия его работы.  [c.195]

Общая постановка задачи о настройке ГРД не отличается от ее постановки в применении к ракетным двигателям на жидком или твердом топливе. Для устранения некоторых отклонений режима работы двигателя от расчетного могут быть использованы регулирующие устройства. Но даже и для регулируемых двигателей крайне желательно уменьшить разброс параметров, который имел бы место без регулирования. Это связано с тем, что введение системы регулирования усложняет двигатель, а также с тем, что регулирование не может устранить все вредные отклонения характеристик двигателя и осуществляется тем легче, чем разброс характеристик меньше. В связи с этим всегда желательно свести к минимуму разброс основных параметров двигателя, что и является основной целью его настройки. В зависимости от назначения, особенностей схемы и условий применения ГРД настройка может иметь целью минимизацию разброса различных параметров. К их числу можно отнести прежде всего коэффициент соотношения расходов компонентов топлива. Отклонения этого параметра не только снижают удельный импульс тяги, но и приводят, как это было показано выше, к неодновременному выгоранию запасов компонентов, т. е. по сути дела ведут к снижению количества топлива, которое может быть продуктивно использовано.  [c.215]

Сила тяги ракетного двигателя определяется расходом продуктов сгорания топлива и удельным импульсом силы тяги  [c.297]

В реальных "химических" ракетных двигателях располагаемая ТЭ рабочего тела - продуктов сгорания топлива - определяется химической природой последнего. Следовательно, характеристическая скорость определяет энергетическую "мощность" топлива. Поэтому она является важнейшей термодинамической характеристикой топлива, которая определяет его энергетические возможности и обеспечение соответствующего удельного импульса.  [c.12]

Пример 7.4. Сравнить дальности полета летательного аппарата, рассмотренного в примере 7.3, и летательного аппарата с теми же характеристиками и двухступенчатым ракетным двигателем. Удельные импульсы стартовой и маршевой ступеней одинаковы.  [c.296]

В ходе этих работ специалисты ГДЛ-ОКБ продолжили свои усилия по использованию в ЖРД новых ракетных топлив. Один из указанных двигателей отрабатывался для работы на азотно-кислотном топливе, что в конечном итоге привело к созданию двигателя РД-214, использующегося на различных ракетах с 1957 г. [68, с. 130]. Этот двигатель до сих пор обладает наибольшими тягой (64,8 тс у Земли и 74,4 тс в пустоте) и удельным импульсом (264 с в пустоте) среди всех известных двигателей этого класса [20, с. 31].  [c.97]

В начале 70-х гг. этот метод был практически использован американскими специалистами на корректирующем двигателе ракетной ступени "Ад-жена", что позволило применить на нем новый, более плотный окислитель на основе азотной кислоты и повысить в результате его удельный импульс почти на 2 с (19,6 м/с) [145, 183].  [c.110]

На рассматриваемом этапе в мировом жидкостном ракетном двигателе-строении появился целый ряд новых тенденций освоение новых топлив (высоко- и низкокипящих), появление двигателей нового класса — ЖРД для космических аппаратов создание двигателей с предельно высокими давлениями продуктов сгорания. Все эти факторы приводили к усложнению проблемы охлаждения, которая в СССР и в США решалась своим путем. В качестве основного вида охлаждения космических ЖРД в СССР была выбрана схема регенеративного охлаждения, позволяющая существенно повышать удельный импульс за счет повышения давления продуктов сгорания в США такие ЖРД создавались без использования регенеративного охлаждения, при низких давлениях в камерах, но при больших степенях расширения сопла, что позволяло компенсировать в некоторой степени потери в удельном импульсе из-за низких давлений. В целом удельный импульс советских ЖРД для космических аппаратов был выше, чем у американских.  [c.125]

Кроме высокого удельного импульса ракетное топливо должно обладать большой плотностью, необходимой для уменьшения габаритов двигателя, а также иметь приемлемые внутрибалли-стические характеристики, такие, как  [c.28]

Анализ характеристик ракетного двигателя предполагает расчет следующих параметров тяги Fy эффективной скорости истечения продуктов сгорания из сопла г/эфф, коэффициента тяги характеристической скорости и удельного импульса /уд. При рассмотрении идеализированной одномерной схемы камеры сгорания параметры рабочего процесса можно выразить через температуру адиабатического горения в камере Гк, среднюю молекулярную массу М выхлопных газов и показатель адиабаты (отношение удельных теплоемкостей) у, а также через соответствующие величины давления и площади сопла в критичес-к( м и выходном сечениях.  [c.15]

Ракетные топлива должны обеспечивать выделение заданного количества энергии с желаемой скоростью при вполне определенных условиях. В соответствии с этим требованием и следует выбирать характеристики топлива. Основным направлением в разработке перспективных ракетных топлив является поиск веществ с высоким удельным импульсом, но во многих случаях вследствие существования других технических требований приходится принимать компромиссные решения. Например, в газогенераторе желательно иметь низкую скорость горения и относительно низкую температуру продуктов сгорания ТРТ. Для некоторых ракет малого радиуса действия, например реактивного противотанкового гранатомета типа Базука , требуется высокая скорость горения. Для стратегических ракет высокой боеготовности обеспечение компактности двигателя и безопасности зарядов при транспортировке и хранении более важно, чем достижение максимального удельного импульса. К тактическим ракетам выдвигается требование минимального дымообразова-ния. Твердые ракетные топлива удобно характеризовать некоторой совокупностью свойств, которые можно разделить на следующие группы энергетические свойства, баллистические, механические и общие.  [c.27]

Одним из результатов работы, проведенной в конце 1960-х гг. американской Межведомственной комиссией по ракетным двигателям на химическом топливе RPG, стало признание того, что экономичность, устойчивость и работоспособность ЖРД взаимосвязаны. Такой вывод был сделан на основании анализа дробления, испарения и горения распыленного топлива, который стал отправной точкой для поиска технических решений в этих трех направлениях. В результате появилась возможность оптимизировать процесс выбора конструкторских решений, сократив тем самым период разработки и уменьшив массу двигателя. Большинство ЖРД, разработанных до 1970 г., создавались методом проб и ошибок. Случалось, что до нахождения оптимальной конструкции приходилось опробовать до 100 вариантов смесительной головки. Обычно лишь после достижения требуемого уровня экономичности и обеспечения устойчивой работы начинались поиски способов обеспечения требуемого ресурса. Поэтому разработанные ранее ЖРД (эксплуатация некоторых из них еш е продолжается) имели неоптимальное соотношение компонентов топлива, в них использовались специальные устройства для повышения устойчивости, а масса конструкции оказывалась завышенной. Маршевый двигатель ВКС Спейс Шаттл и экспериментальный ЖРД с кольцевой камерой сгорания и центральным телом стали первыми двигателями, разработанными с применением новых методов. Рабочие характеристики ЖРД определяются выбором установочных параметров, к которым относятся свойства компонентов топлива и технические требования к системе подачи топлива, смесительной головке и камере сгорания. Исходя из них, можно рассчитать полноту сгорания, удельный импульс, устойчивость горения и температуру стенки камеры. Достигнутый удельный импульс, как и для РДТТ, представляет собой разницу между термодинамическим потенциалом топлива и потерями, сопутст-вуюш.ими его реализации. Динамическая устойчивость определяется балансом между причинами, вызываюш ими внутрика-  [c.164]

По заданию КАЭ ведется изучение потенциальных возможностей термоэлектрических генераторов на полонии-210, плутонии-238 и кюрии-244 электрической мощностью до 10 кет применительно к космическим установкам. Эта мощность рассматривается как практический предел для радиоизотопных генераторов такого назначе ния. Следует заметить, что КАЭ ведет разработку ракетных двигателей с изотопными источниками тепла. Тепло, выделяющееся при распаде полония-210, используется для подогрева жидкого водорода. Такой двигатель может развивать тягу до 0,11 кГ при удельном импульсе 700—800 сек. Вес двигателя 13 кГ, длина 43 см, диаметр 10 см.  [c.201]

Для ракетных двигателей на химическом топливе наибольшие значения удельного импульса получаются для фторводородных смесей и достигают значений /5=450—470 кГ/кГ/сек.  [c.29]

Например, основной характеристикой экономичности реактивного двигателя является удельный импульс тяги, определяемый как отношение импульса тяги двигателя Ft к суммарному расходу массы компонентов топлива, поступивших за время t из баков летательного аппарата Пдр = / уд = FIG. Действительно, здесь секундный массовый расход G, характеризуюш,ий затраты рабочего тела, есть вход, а сила тяги F, конечный результат процессов использования топлива, — выход услоиного элемента ракетный двигатель . В других типах реактивных двигателей чаще ис пользуют обратное значение коэффициента преобразования, так называемый удельный расход, равный  [c.10]

Важная характеристика силовой установки — у д е л ь-ная тяга (или удельный импульс двигателя), т. е. тяга, отнесенная к расходу рабочего тела в единицу времени Г уд == = К/6р [кГтяги [c.380]

Удельный импульс тяги ЖРД (удельный импульс ЖРД) — отношение тяги ЖРД к массовому расходу топлива ЖРД. Аналогично тяге удельный импульс ЖРД максимален в пустоте и соответственно уменьшается при наличии давления окружающей среды. Удельный импульс ЖРД в пустоте является важнейшим параметром двигахеля, характеризующим эффективность жидкого ракетного топлива и совершенство конструкции двигателя. Наибольшее значение удельного импульса имеют кислородно-водородные ЖРД. Например, для ЖРД 55МЕ удельный импульс в пустоте равен 4464 м/с, а на земле - 3562 м/с.  [c.8]

Выражение (15.239) показывает, что удельная сила тяги ракетного двигателя (единичный импульс двигателя) зависит от температуры газов в камере сгорания, молярной массы газов и степени расширения газов в сопле Рк/Ро- Чем выше температура газов в камере сгорания Гк, тем больше скорость их истечения с. Температура газов в камере сгорания ракетного двигателя зависит от тепловой эфс ктивности (теплоты сгорания) топлива. Чем меньше молярная масса газов, истекаюпщх из сопла двигателя, тем также больше удельная сила тяги. Если принять Рк/Ро = idem, то удельная сила тяги ракетного двигателя полностью определяется характеристиками топлива. Поэтому удельная сила тяги характеризует термодинамические свойства топлива.  [c.495]

Хотя мы и начали рассказ с ЖРД, нужно сказать, что первым был создан термохимический ракетный двигатель на твердом топливе - ТТРД. Топливо - специальный порох - находится здесь непосредственно в камере сгорания. Камера с реактивным соплом - вот и вся конструкция. РДТТ имеют много преимуществ перед двигателями на жидком топливе они просты в изготовлении, длительное время могут храниться, всегда готовы к действию, взрывобезопасны. Но по удельному импульсу тяги РДТТ на 10 - 30% уступают жидкостным.  [c.21]

Центральный ракетный блок выполнен в виде цилиндра диаметром 7,7 м, внешняя часть которого заканчивается эллипсоидом вращения. Общая длина блока -59 м. Блок вмещает -7 00 т кислородно-водородного топлива, в том числе - 600 т жидкого кислорода и - 100 т жидкого водорода. В нижней части блока размещен хвостовой отсек с четырьмя ЖРД РД-0120. Двигатели разработаны в Конструкторском бюро химической автоматики (главный конструктор А. Д. Конопатов) и изготовлены на Воронежском механическом заводе. Наиболее близким аналогом двигателя является американский кислородно-водородный двигатель SSME, установленный на МТКК Спейс Шаттл . Двигатель РД-0120 имеет тягу в пустоте 4 х 196 кН, удельный импульс тяги в пустоте 4550 Н с/кг. Масса двигателя 4 х 3450 кг. Каждый двигатель закреплен в карданном подвесе.  [c.49]

ОДНОКОМПОНЕНТНОЕ РАКЕТНОЕ ТОПЛИВО - ЖИДКОе ИЛИ твердое ракетное топливо, способное разлагаться в ракетном двигателе с выделением тепла и газов. Применение ОРТ упрощает систему, но связано с уменьшением удельного импульса тяги (перекись водорода, гидразин, монометилгидразин, диметилгидразин).  [c.209]

Поскольку распыление, смешение, испарение и горение топлива происходят не мгновенно и не всегда заканчиваются внутри камеры сгорания, то некоторые частицы топлива могут быть выброшены из сопла камеры, что приводит к снижению удельного импульса, определяющего качество ракетного двигателя. Такая картина часто происходит на режимах запуска двигателя, когда реализуются большие времена опережения одного из компонентов топлива относительно фугого.  [c.85]

Камера ракетного двигателя, как известно, р 1звивает максимальный удельный импульс при работе на расчетном режиме, когда давление на срезе сопла оказывается равным давлению внешней среды.  [c.16]

За последние годы в отечественной и зарубежной литературе опубликовано большое количество работ, посвяш,енных исследованию различных оптимальных характеристик летательных аппаратов методами вариационного исчисления. Однако в большинст1ве этих работ [5], [13], [17] рассматривается задача выбора режима работы ракетных двигателей, имеющих постоянный удельный импульс для частных траекторий (0о = О или 0о=9О°). В работе [16] рассматриваются двигатели других типов (в том числе и ПВРД), но рассмотрение ограничивается лишь составлением общих уравнений вариацио нной задачи и не содержит каких-либо конкретных вьиводов.  [c.288]

mash-xxl.info

Удельная тяга, или удельный импульс

Количество просмотров публикации Удельная тяга, или удельный импульс - 273

Одним из базовых показателœей эффективности ракетного двигателя является удельная тяга, или удельный импульс. Под этими терминами-синонимами принято понимать одно и то же, но в различной формулировке.

Удельная тяга — это тяга двигателя, отнесенная к секунд­ному весовому расходу рабочего тела

(1.10)

где секундный расход берется, естественно, в условиях, приведенных к поверхности Земли.

Под удельным принято понимать импульс, который создает двига­тель на один килограмм веса отброшенного рабочего тела. Раз­личие между удельной тягой и удельным импульсом заключается лишь в том, что первая измеряется в , а второй — в . Как в величинœе, так и в размерности, ничего не меняется. Удельная тяга и удельный импульс измеряются в секун­дах, а терминологическая приверженность определяется лишь сложившимися традициями. В одних коллективах в силу при­вычки пользуются одним термином, в других — другим. В раз­говорном общении размерность ʼʼсекундаʼʼ обычно игнорируется и заменяется словом ʼʼединицаʼʼ. К примеру, можно услышать: ʼʼДвигатель дает 315 единиц удельной тяги…ʼʼ или — ʼʼЭто позво­ляет повысить удельный импульс на три единицы...ʼʼ. Согласно выражению (1.5)

(1.11)

Удельная тяга, как видим, определяется в первую очередь скоростью истечения Wa, которая зависит не только от свойств топлива, но и от конструктивных особенностей двигателя. В за­висимости от конструкции двигателя меняются условия сгора­ния топлива и истечения продуктов сгорания. Во всœех типах ра­кетных двигателœей имеется расход масс на внутренние нужды двигателя, как говорят, — на служебные цели. К примеру, — рас­ход продуктов разложения перекиси водорода на работу тур­бины и расход сжатого газа при стравливании из емкостей. Естественно, при подсчете удельной тяги данный необходимый, но непроизводительный расход массы должен суммироваться с ос­новным, что несколько снижает значение удельной тяги.

Чем выше удельная тяга, тем более совершенным является двигатель, а каждая дополнительная единица удельной тяги ценится очень высоко, особенно для базовых силовых установок космических ракет.

Удельная тяга зависит от высоты полета. По этой причине, когда хотят охарактеризовать эффективность двигателя, то называют обычно его пустотную удельную тягу

где We— эффективная скорость истечения в м/сек.

Значение пустотной удельной тяги современных ракетных двигателœей для всœех существующих видов химических ракетных топлив лежит в пределах от 250 до 460 единиц.

Государственным Стандартом (ГОСТ 17655—72, Двигатели ракетные жидкостные. Термины и определœения) для жидкостных ракетных двигателœей в настоящее время введен еще один параметр, характеризующий эффективность, а именно, удельный импульс тяги ЖРД — Jy. Он отличается от удельного импульса тем, что тяга относится не к весовому, а к массовому секундному расходу

и измеряется не в сек, а в н‣‣‣с/кг, т. е. в м/с. Удельный импульс тяги ЖРД — это уже знакомая нам эффективная ско­рость истечения, применение которой теперь распространяется и на атмосферный участок полета. Удельный импульс тяги ЖРД связан с удельной тягой очевидным соотношением:

а в числовом выражении:

Многословие термина провоцирует его сокращение, и удельный импульс тяги ЖРД нередко называют удельным импульсом, что влечет за собой смысловое искажение. Выручает, однако, де­сятикратное числовое различие. В случае если в технической докумен­тации для двигателя на химическом топливе удельный импульс указан в сотнях единиц, значит, речь действительно идет об удельном импульсе, измеряемом в сек; если же — в тысячах, можно не сомневаться, что это — удельный импульс тяги ЖРД, выраженный в м/с.

referatwork.ru

Удельный импульс и эффективность двигателя. Физика невозможного. Митио Каку :: Физика-класс!

 

Читаем вместе на страницах сайта "Физика-класс!":

"ФИЗИКА НЕВОЗМОЖНОГО" Авт. Митио Каку

Удельный импульс и эффективность двигателя

Если нужно сравнить эффективность различных типов двигателей, инженеры обычно говорят об удельном импульсе. Удельный импульс определяется как изменение импульса на единицу массы израсходованного топлива. Таким образом, чем эффективнее двигатель, тем меньше топлива требуется для вывода ракеты в космос. Импульс, в свою очередь, есть результат действия силы в течение определенного времени. Химические ракеты, хотя и обладают очень большой тягой, работают всего несколько минут, а потому характеризуются очень низким удельным импульсом. Ионные двигатели, способные работать годами, могут иметь высокий удельный импульс при очень низкой тяге.

Удельный импульс измеряется в секундах. Средняя ракета с химическим двигателем может иметь удельный импульс до 400-500 с. Так, удельный импульс двигателя шаттла составляет 453 с. (Самый высокий полученный до сих пор удельный импульс для химического реактивного двигателя составил 542 с; в качестве топлива этот двигатель использовал экзотическую смесь водорода, лития и фтора.) Ионный движок аппарата SMART-1 имел удельный импульс 1640 с. У ядерных ракетных двигателей этот параметр достигает 850 с.

Максимально возможным удельным импульсом обладала бы ракета, способная достигать скорости света. Ее удельный импульс составил бы около 30 млн. Ниже приводится таблица удельных импульсов, характерных для различных типов реактивных двигателей.

Тип двигателя (Удельный импульс):Твердотопливный (250)Жидкостный (450)Ионный (3000)Плазменный VASIMR (1000-30 000)Атомный (800-1000)Термоядерный прямоточный (2500-200 000)Ядерный импульсный (10 000-1 000 000)На антиматерии (1 000 000-10 000 000)

В принципе, лазерный парус и прямоточный двигатель вообще не несут с собой запаса топлива, а потому удельный импульс не является для них существенной характеристикой; тем не менее у этих конструкций есть свои проблемы.

Следующая

Оглавление

fizika-class.narod.ru

Удельный импульс тяги - это... Что такое Удельный импульс тяги?

 Удельный импульс тяги Удельный импульс тяги

ракетного двигателя, удельный импульс ракетного двигателя, — отношение тяги ракетного двигателя к секундному массовому расходу рабочего тела (производная от импульса тяги по расходуемой массе в данном интервале времени). Выражается в Н(·)с/кг = м/с. На расчётном режиме работы двигателя совпадает со скоростью реактивной струи. Энергетический показатель эффективности двигателя.

Авиация: Энциклопедия. — М.: Большая Российская Энциклопедия. Главный редактор Г.П. Свищев. 1994.

.

  • Удельный вес двигателя
  • Удельный расход топлива

Смотреть что такое "Удельный импульс тяги" в других словарях:

  • удельный импульс тяги — ракетного двигателя, удельный импульс ракетного двигателя, — отношение тяги ракетного двигателя к секундному массовому расходу рабочего тела (производная от импульса тяги по расходуемой массе в данном интервале времени). Выражается в Н·с/кг  …   Энциклопедия «Авиация»

  • удельный импульс тяги — ракетного двигателя, удельный импульс ракетного двигателя, — отношение тяги ракетного двигателя к секундному массовому расходу рабочего тела (производная от импульса тяги по расходуемой массе в данном интервале времени). Выражается в Н·с/кг  …   Энциклопедия «Авиация»

  • УДЕЛЬНЫЙ ИМПУЛЬС ТЯГИ — ракетного двигателя см. в ст. Удельная тяга …   Большой энциклопедический политехнический словарь

  • удельный импульс тяги ЖРД (камеры ЖРД) — удельный импульс двигателя (камеры) Отношение тяги ЖРД (камеры ЖРД) к массовому расходу топлива ЖРД (камерой ЖРД). Примечания 1. Удельный импульс тяги ЖРД (камеры ЖРД) измеряют в пустоте и на земле. 2. Удельный импульс тяги ЖРД (камеры ЖРД) равен …   Справочник технического переводчика

  • объемный удельный импульс тяги ЖРД (камеры ЖРД) — объемный удельный импульс двигателя (камеры) Отношение тяги ЖРД (камеры ЖРД) к объемному расходу топлива ЖРД (камерой ЖРД). Примечание Объемный удельный импульс тяги ЖРД (камеры ЖРД) равен также производной от импульса тяги ЖРД (камеры ЖРД) по… …   Справочник технического переводчика

  • Удельный импульс — или удельная тяга (англ. specific impulse) показатель эффективности ракетного двигателя. Иногда оба термина используются как синонимы, имея в виду, что это, фактически, одна и та же характеристика. Удельная тяга применяется обычно во… …   Википедия

  • ИМПУЛЬС РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ — осн. хар ка ракетного двигателя. Суммарный (полный) И. р. д. произведение ср. значения тяги на время работы в Нс. Удельный И. р. д. отношение тяги к секундному массовому расходу рабочего тела в Н*с/кг = м/с; на расчётном режиме работы двигателя… …   Большой энциклопедический политехнический словарь

  • РАКЕТА — летательный аппарат, движущийся вследствие отбрасывания высокоскоростных горячих газов, создаваемых реактивным (ракетным) двигателем. В большинстве случаев энергия для движения ракеты получается при сгорании двух или более химических компонентов… …   Энциклопедия Кольера

  • ракетный двигатель — реактивный двигатель, тяга которого создаётся за счёт истечения продуктов сгорания топлива, сжатого газа, электрически заряженных частиц и др. Наиболее распространёнными являются твёрдотопливные и жидкостные ракетные двигатели. Давно известная… …   Энциклопедия техники

  • ракетный двигатель — (РД) — реактивный двигатель, использующий для работы только вещества и источники энергии, имеющиеся на перемещающемся аппарате (летательном, наземном, подводном). В зависимости от вида энергии, преобразующейся в РД в кинетическую энергию… …   Энциклопедия «Авиация»

dic.academic.ru