современные вещества и перспективные разработки

Оторваться от Земли, набрать скорость, достаточную, чтобы выйти на орбиту – это требует колоссальных затрат топлива. Например, сухая масса ракеты «Союз» – это масса без учета топлива, чуть больше тридцати трех с половиной тонн. Но на старте общая масса ракеты – почти 308 тонн – только одиннадцать процентов от общей массы выходят в космос с полезной нагрузкой. Больше 270 тонн топлива сгорает, чтобы «Союз» преодолел притяжение.

Фото: Роскосмос

 

В материале «Научной России» о видах ракетного топлива, которые используют сегодня, и о перспективных разработках.

Твердое ракетное топливо

Сегодня дымный порох используют в основном в петардах, салютах и других пиротехнических изделиях, хотя изначально именно он был первым ракетным топливом. Одно из четырех великих китайских изобретений – по отдельным данным, смесь селитры, древесного угля и серы использовали в ракетах еще во втором веке нашей эры.

Твердотопливный двигатель

Изображение: Википедия

Твердое ракетное топливо – это вещество, или смесь веществ, которые способны гореть без доступа кислорода, при этом выделяя достаточно много газа. Среди достоинств твёрдотопливных двигателей называют относительную простоту в изготовлении и применении, отсутствие проблемы с утечками токсичных веществ, надежность и возможность долговременного хранения топлива. Недостатки таких двигателей – это невысокий удельный импульс, трудности в управлении тягой двигателя и его повторным запуском, высокий уровень вибраций при работе. Из-за недостатков твёрдотопливных двигателей, первыми в космос полетели именно ракеты с двигателями на жидком топливе, хотя, твердые горючие смеси были изобретены раньше. 

Твердотопливные ускорители использовали при запуске американских шаттлов – два таких устройства, длиной сорок пять с половиной метров и общей массой 1180 тонн разгоняли корабли и отделялись на высоте около сорока пяти километров примерно через две минуты после запуска: они спускались на парашютах и после заправки их использовали снова.

Современные твердые топлива – это смесь горючих веществ и окислителя. Для ракетостроения подходят многие, но большинство основаны на окислителях, которые способны взаимодействовать с разным горючим. Это могут быть перхлораты аммония, лития или калия. Или нитраты калия или аммония. Как горючее используют металлы, или их сплавы, например, алюминий, магний, литий и бериллий. Возможно использование и других материалов: полимеров или смол, как полиэтилен, каучук и битум.

Жидкое ракетное топливо

Жидкостные реактивные двигатели могут использовать в качестве топлива одно-, двух- и трёхкомпонентные смеси. У них высокий удельный импульс, их можно останавливать и повторно запускать, что важно при маневрировании в космосе, сами ракеты на жидкостных двигателях получаются легче. Но они сложнее устроены и дороже: система топливных баков, трубопроводов и насосов требует более тщательной подготовки и проверки в процессе сборки и перед запуском.  

Изображение жидкостного двигателя

Изображение: mbradio. ru

Элементы жидкого топлива – это горючее и окислитель. Они подаются из разных баков под давлением через форсунки и перемешиваются в камере сгорания. После воспламенения начинается процесс горения, которое продолжается, пока горючее и окислитель поступают в камеру. Керосин, водород, сжиженный для закачки в баки и азотно-водородное соединение гидразин – основные виды горючего для жидкостных ракетных двигателей. Если в качестве горючего используют керосин или водород, в качестве окислителя применяют сжиженный кислород. Если горючим выступает гидразин, то как окислитель используют четырехокись азота — N2O4.

Чище остальных горит водород – соединяясь с кислородом он выделяет только тепло и водяные пары. Керосин, который очищают, чтобы использовать как горючее, при сгорании выделяет угарный и углекислый газы.

Топливо жидкостных двигателей может быть и однокомпонентным. Из-за небольшого удельного импульса и меньшей эффективности такие виды менее популярны, чем двухкомпонентные смеси, но их отличает простота в конструкции двигателя. Однокомпонентное топливо – это жидкость, которая при взаимодействии с катализатором разлагается с образованием горячего газа. Это может быть гидразин, который разлагается на аммиак и азот, или концентрированный пероксид водорода, который образует перегретый водяной пар и кислород. В качестве катализатора может выступать, например, окись железа.

Топливо будущего

Химические ракетные топлива, и жидкие, и твердые, способны вывести космические аппараты на околоземные или лунные орбиты, но для дальних космических миссий их может быть недостаточно.

Одно из предложений, которое может решить проблему с дальними полетами – это ядерные двигатели. По расчетам, ядерный тепловой двигатель может доставить ракету на Марс всего за три месяца. Одна из американских компаний предложила использовать ядерный двигатель со сжиженным водородом в качестве рабочего тела. В такой системе реактор вырабатывает тепло из уранового топлива. Это тепло нагревает жидкий водород, который при расширении и создает тягу. Разработки ядерных ракетных двигателей начинались еще в пятидесятых годах, но пока ни один из таких аппаратов не был запущен.

А в марте 2021 года в Роскосмосе сообщили, что в 2025-2030 годах планируют испытать еще одну перспективную разработку – новые ионные двигатели мощностью от 200 Вт до 35 кВ. Ионные двигатели – это тип электрических ракетных двигателей, которые создают тягу на базе ионизированного газа, разогнанного до высоких скоростей в электрическом поле. Такие разработки уже используются в космических миссиях. Ионные двигатели отличаются малым расходом топлива и долгим временем работы.

 

Фото на главной странице: Роскосмос

По материалам из открытых источников

Жидкостный реактивный двигатель — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Cтраница 1

Жидкостные реактивные двигатели широко используются в ракетной, а в ряде случаев и в авиационной технике.
 [1]

Принципиальная схема работы жидкостного реактивного двигателя.  [2]

Жидкостные реактивные двигатели ( ЖРД) состоят из камеры сгорания, баков, из которых подается топливо, системы подачи и регулирования.
 [3]

Жидкостные реактивные двигатели за последние пятнадцать лет нашли разнообразное применение в ракетостроении, авиации и находят все более широкое применение для мирных целей — научных и технических.
 [4]

Жидкостные реактивные двигатели находят применение в авиации.
 [5]

Схема жидкостного реактивного двигателя представлена на фиг. Газообразные продукты сгорания, расширяясь в сопле и вытекая из него с большой скоростью, создают необходимую для движения лет ательного аппарата силу тяги.
 [6]

Недостатками жидкостных реактивных двигателей являются сравнительно низкая экономичность и ограниченный радиус действия самолета из-за необходимости иметь на самолете большие запасы не только топлива, но и окислителя.
 [7]

Топлива жидкостных реактивных двигателей представляют собой системы, которые способны в определенных условиях переходить со значительной скоростью в другие, более инертные системы с выделением большого количества тепла и образованием значительного количества газообразных продуктов, вследствие чего создается возможность преобразования потенциальной энергии, сосредоточенной в исходном веществе или веществах, в тепловую, а затем в кинетическую энергию движения газов, создающих реактивную силу.
 [8]

Схема жидкостного реактивного двигателя с турбонасоснон подачей.| Схема порохового ракетного двигателя.  [9]

В жидкостных реактивных двигателях тепловая энергия топлива превращается в кинетическую энергию продуктов сгорания, которая преобразуется в механическую работу в виде тяги, развиваемой двигателем.
 [10]

В современных жидкостных реактивных двигателях используется химическая энергия, образующаяся в результате окисления горючего в замкнутом пространстве. Реактивное топливо представляет собой смесь двух компонентов — горючего и окислителя, причем расход второго в несколько раз превышает расход первого.
 [11]

Схема устройства жидкостного реактивного двигателя показана на фиг.
 [12]

Схема жидкостного реактивного двигателя.| Цикл жидкостного реактивного двигателя ( р-и-диа-грамма.  [13]

Топливом для жидкостных реактивных двигателей служат: водород и соединения водорода с углеродом, твердые металлы с малой атомной массой ( литий, бор) и их соединения с водородом. В качестве окислителей используются жидкий кислород, перекись водорода, азотная кислота.
 [14]

Окислителем топлива жидкостных реактивных двигателей называется вещество, используемое в качестве компонента топлива и обеспечивающее окисление горючего в процессе горения в камере ЖРД.
 [15]

Страницы:  

   1

   2

   3

   4

Двигатели | Синий Происхождение

Синие двигатели

Синие двигатели

Наш подход к двигателям

Ракеты многоразового использования требуют высокопроизводительных двигателей, способных к глубокому дросселированию для мягкой посадки. Наше семейство двигателей, созданных для многоцелевого использования, используется в ракетах следующего поколения для коммерческих и гражданских целей, обеспечения национальной безопасности и пилотируемых космических полетов.

Blue Engines проектируются, разрабатываются и производятся в нашей штаб-квартире в Кенте, штат Вашингтон. Сейчас мы готовимся к серийному производству нашего самого мощного двигателя ВЕ-4 в Хантсвилле, штат Алабама. Все наши двигатели и двигательные подсистемы проходят тщательные испытания и сертификацию в Ван Хорне, штат Техас.

ДВИГАТЕЛЬ

ВЕ-3

BE-3 — первый новый ракетный двигатель на жидком водороде, разработанный для производства в Америке более чем за десятилетие.

Исследуйте BE-3

Двигатель

БЭ-4

Первый многоступенчатый двигатель внутреннего сгорания с высоким содержанием быка, изготовленный в США, будет питать новое поколение американских орбитальных ракет.

Исследуйте BE-4

ДВИГАТЕЛЬ

БЭ-7

BE-7 представляет собой высокопроизводительный двигатель с двойным детандерным циклом, изготовленный по аддитивным технологиям, развивающий тягу 40 кН (10 000 фунтов силы).

Исследуйте BE-7

Двигатели Blue’s

История развития

Двигатель	Пропеллент	Тяга
БЭ — 1	Пероксид	9 кН (2000 фунтов силы) на уровне моря
БЭ — 2	Керосин + Пероксид	140 кН (31 000 фунтов силы) на уровне моря
СБ — 15:00	Жидкий водород + жидкий кислород	490 кН (110 000 фунтов силы) на уровне моря
БЭ — 3U	Жидкий водород + жидкий кислород	710 кН (160 000 фунтов силы) в вакууме
БЭ-4	Сжиженный природный газ + жидкий кислород	2400 кН (550 000 фунтов силы) на уровне моря
БЭ-7	Жидкий водород + жидкий кислород	40 кН (10 000 фунтов силы) в вакууме

Ракетный двигатель | Как летают вещи

Смитсоновский национальный музей авиации и космонавтики

Поиск

Ракетный двигатель

Ракеты (и реактивные двигатели) работают так же, как воздушный шар, наполненный воздухом.

Если наполнить воздушный шар воздухом и держать горлышко закрытым, давление внутри воздушного шара будет немного выше, чем в окружающей атмосфере. Однако результирующая сила, действующая на воздушный шар в любом направлении, отсутствует, поскольку внутреннее давление на воздушный шар одинаково во всех направлениях.

Если вы отпустите горловину воздушного шара, она будет действовать как отверстие, без площади поверхности, на которую могло бы воздействовать внутреннее давление. Теперь на воздушный шар действует неуравновешенная сила, и внутреннее давление на переднюю часть воздушного шара больше, чем внутреннее давление на заднюю часть воздушного шара.

Это приводит к тому, что результирующая сила действует вперед на воздушный шар — тяга . Воздушный шар летит вперед под действием тяги, и воздух, выходящий из задней части шара, является равной и противоположной реакцией на тягу.

Когда мы думаем о ракетах (или реактивных двигателях), мы редко думаем о воздушных шарах. Вместо этого мы думаем о больших ракетах, которые доставляют в космос спутники, припасы или людей. Однако воздушные шары и ракеты очень похожи. Единственная существенная разница заключается в способе производства сжатого газа. В ракетах газ производится путем сжигания топлива, которое может быть твердым или жидким по форме или их комбинацией.

Предоставлено: Национальный музей авиации и космонавтики, Смитсоновский институт 9.0003

Запуск на орбиту

Чтобы достичь околоземной орбиты, ракета должна разогнаться примерно до 8 километров (5 миль) в секунду, что примерно в 25 раз превышает крейсерскую скорость пассажирского самолета. Чтобы избежать гравитации Земли, он должен двигаться еще быстрее. Чтобы разогнать даже небольшую полезную нагрузку (отправляемый в космос объект) до таких скоростей требуется огромное количество энергии, которую ракеты несут в виде топлива.

Большая часть ракеты состоит из топлива

Ракете требуется много топлива, состоящего из топлива и кислорода (или другого окислителя), необходимого для сжигания топлива. Так как она летит в безвоздушном пространстве, ракета должна нести свой собственный окислитель, который весит намного больше, чем топливо.

Изначально ракета должна поднимать не только полезную нагрузку, но и гораздо больший вес топлива. Топливо, необходимое для запуска полезной нагрузки на околоземную орбиту, обычно как минимум в 20 раз массивнее самой полезной нагрузки.

Выход на орбиту — одна ступень за раз

Большую часть массы ракеты перед запуском составляет топливо. Большая часть остального — несущая конструкция, баки, насосы, двигатели и многое другое — становится бесполезной после того, как топливо сгорит. Чтобы не нести весь этот лишний вес в космос, ракеты часто имеют несколько ступеней или секций, каждая из которых отпадает после использования.

Узнать больше

Роберт Годдард

Первый успешный запуск американской ракеты в космос

Двигатель Ф-1

Главный двигатель космического корабля

Q:

В чем разница между жидкостными и твердотопливными ракетами?

A:

Существует два основных типа ракет: жидкотопливные и твердотопливные.