Что такое ракетные реактивные двигатели
Ракетные двигатели — сложное, простыми словами
Полеты в космос и ракеты тема широко обсуждаемая в наше время. Но большинство из нас не представляют как работают двигатели ракет. Читайте краткий разбор темы с примерами.
Отличие ракетных двигателей от автомобильных, авиационных и других…
Различий много. Но самое важное то, что для работы ракетного двигателя по мимо горючего нужен и окислитель.
Залить горючее в бак и полететь не получиться по простой причине. Авиационные, автомобильные, судовые и другие двигатели функционируют в условиях плотной кислородсодержащей (окислитель) атмосферы.
Кислород, как известно, необходим для поддержания горения. Ракета плотные слои атмосферы преодолевает в течение короткой стадии полета, сразу же после старта. Поэтому, взять кислород для работы своих двигателей из атмосферы ракета она не может. И поэтому ее заправляют не только горючим, но и окислителем, как правило, кислородом.
Итак, ракетное топливо двухкомпонентное.
Само горючее, как правило это:
Окислитель:
Почему «окислитель»? Потому что горение, это и есть химическая реакция окисления, сопровождающаяся высокой скоростью реакций и выделением теплоты и света. (Кстати, образование ржавчины, тление и многие другие процессы также являются окислением, только не столь быстрым)
Есть топливные пары без кислорода. Например, гептил (горючее) – тетраоксид диазота (окислитель). Такая пара используется в двигателях ракет семейства «Протон». Гептил очень токсичен.
Виды движения в атмосфере
Чтобы добраться до космоса, «нужно пролететь атмосферу». Итак, есть несколько видов движения в атмосфере:
Баллистическое движение
Это движение тела в пространстве под действием внешних сил. Снаряды и пушечные ядра, боеголовки баллистических ракет и так далее – все это баллистическое движение. «Вагон-снаряд» отправленный на Луну французским писателем Жюлем Верном в научно-фантастическом романе «Из пушки на Луну», также.
Аэростатическое движение
Для создания подъемной силы используется заключенный в оболочке газ (или нагретый воздух) с плотностью меньшей, чем плотность окружающего воздуха.
Воздушные шары, аэростаты, дирижабли — все это летательные аппараты легче воздуха. Американская компания World View собиралась отправлять таким образом туристов в «ближний космос» (какой хороший маркетинговый термин), то есть на высоту 30 километров.
Аэродинамическое движение
Подъемная сила создается крылом самолета благодаря поступательному движению летательного аппарата, которое сообщает ему силовая установка — авиационный двигатель.
И наконец, Реактивное движение
Ракетные двигатели — это реактивные двигатели.
Под реактивным движением тела понимают такое движение, которое возникает при отделении от тела (ракеты) некоторой его части (горячие газы из сопла двигателя под высоким давлением) с определенной скоростью относительно него.
Таким образом, ракетный двигатель выбрасывает массу (горящее топливо) в одном направлении, а сам движется в противоположном. Процесс горения ускоряет массы топлива так, что они выходят из сопла ракеты на высокой скорости.
Это были принципы, теперь к устройству.
Начнем с простого
В жидкостных ракетных двигателях топливо и окислитель находятся в жидком состоянии в двух раздельных резервуарах. По трубопроводам они попадают в камеру сгорания. Здесь они перемешиваются и сгорают, создавая поток горячих газов с высокой скоростью и давлением. Эти газы проходят через сопло, которое еще больше их ускоряет, а после выходят, образуя реактивную тягу.
Кажется все просто? На самом деле нет!
Первая инженерная задача
Здесь и далее последовательность задач дана только для упрощения объяснения.
Ввиду высокой температуры горения, и значительного количества выделяемого тепла, даже малой его части достаточно для термического разрушения двигателя. Стенки камеры двигателя и сопло нужно охлаждать.
Но чем? Нужно максимально простое решение, чтобы не усложнять двигатель и не увеличивать его вес.
Самое распространенное: охлаждать одним из компонентов топлива, как правило, это горючее. В стенке камеры сгорания и верхней, наиболее нагреваемой части сопла создаются полости («рубашка охлаждения»), через которые перед поступлением в форсуночную головку камеры сгорания проходит горючее. Таким образом, холодная жидкость сначала циркулирует вокруг перегретых частей двигателя, чтобы охладить их, а затем попадает в камеру сгорания.
Компоненты топлива во многих случаях охлаждаются до более низких температур. Это позволяет повысить их плотность и поместить большее количество топлива в топливные баки. Даже керосин. Например, в Falcon 9 керосин охлаждается с 21 °C до −7 °C. Пр этом его плотность увеличивается на 2,5 %.
Вторая инженерная задача
Компоненты топлива сами в камеру сгорания не будут поступать. Нужны насосы. Они будут создавать высокое давление, чтобы преодолеть давление, которое создает в камере сгорания сжигаемое топливо.
Но нам снова, нужно чтобы двигатель и ракета были максимально простыми и легкими (насколько это можно). Решение нашлось. Часть топлива используется для работы насосов. Оно подается в небольшую камеру «предварительного» сгорания – газогенератор. Горячий газ из нее приводит в действие турбину, она – приводит в действие топливные насосы. Турбина одна. Насосов два – на одном валу.
Что дальше?
Что делать с топливом, которое прошло через газогенератор. Его после раскручивания турбины можно сбрасывать наружу. Именно так устроен двигатель Merlin (кислородно-керосиновый), используемый SpaceX на ракетах Falcon 9. Это, так называемая открытая схема.
Двигатель Merlin и его «выхлопная труба» – отводной патрубок для газов газогенератора / © SpaceX
Схема проста, но недостаточно эффективна. В создании тяги ракетного двигателя топливо, прошедшее через газогенератор, напрямую не участвует, а место в ракете занимает.
Можно его дожигать в камере сгорания. Как, например, в РД-180 (кислородно-керосиновый), который покупают у нас американцы для установки на первую ступень ракет семейства «Атлас» начиная с Atlas III.
Двигатель РД-180 это практически все самые известные космические миссии, которыми так гордится NASA: миссия к Плутону «Новые горизонты», миссия к Луне LRO и Марсу MRO, миссия к Юпитеру «Юнона», «Обсерватория солнечной динамики», «Марсианская научная лаборатория» (Curiosity), марсианский геолог и InSight, полет за грунтом астероида Бенну (OSIRIS-REx) аппарат для исследования атмосферы Марса MAVEN и многое другое.
Это схема называется закрытой. Горячий газ вначале вращает турбину турбонасосного агрегата, а затем подается в камеру сгорания, эффективно участвуя в создании тяги ракетного двигателя. Топливо не пропадает и полностью участвует в создании тяги. Такой двигатель гораздо сложнее. В двигателе закрытой схемы можно пропустить больше газа через турбонасосный агрегат, а значит, больше поднять давление в камере сгорания. Чем больше давление в камере сгорания, тем больше тяга. Высокое давление – большая эффективность двигателя.
Однако у него есть недостатки — высокая нагрузка на турбину двигателя, относительно высокие сложность и стоимость.
Зато двигатели Merlin имеющие низкое давление в камере сгорания достаточно просты в производстве и дешевы. Именно на них Илон Маск потеснил «Роскосмос» на рынке космических запусков и запустил в космос родстер Tesla.
Усложняем дальше
А еще можно все топливо пропускать через газогенератор . Такая схема называется полнопоточная закрытая. Мы делали такой двигатель в 60-х (РД-270), но в таких двигателях нужно два газогенератора и два турбонасосных агрегата, которые ведут в одну камеру сгорания и работают параллельно.
Однако вРД-270наблюдались низкочастотные пульсации в газогенераторе и камере. Возникла проблема в синхронизации совместной работы двух турбонасосных агрегатов. Они пытались пересилить друг друга и стабилизировать их без помощи быстродействующего бортового компьютера не удалось. Но такого в то время еще не было.
В феврале этого года Илон Маск объявил результаты тестирования двигателя Raptor (кислородно-метановый). Его получат ракета Super Heavy и корабль Starship. По заявлениям Маска его характеристики лучше, чем у РД-180. Высокое давление в камере сгорания обеспечено именно полнопроточной закрытой схемой.
Открытая, закрытая, полнопоточная закрытая схема / © Википедия/Познавательная копилка
Можно ли лучше?
Если проект Маска будет успешен, нам нужно будет делать что-то еще лучшее. Возможно, развивать трехкомпонентные двигатели многократного использования. При запуске такой двигатель работал бы на паре кислород/керосин, а на больших высотах керосин заменялся бы водородом.
Использование в одном двигателе комбинации двух горючих – углеводородного, обладающего высокой плотностью, и водорода, обеспечивающего высокие значения удельного импульса, может расширить возможности ракет-носителей.
Такой подход, позволит создать одноступенчатую возвращаемую ракету-носитель и заметно удешевить космические запуски и в будущем.
Несколько пояснений
Здесь, как видно из примеров, раскрыта самая популярная классическая схема, которая массово используется для выведения в открытый космос космических аппаратов: жидкостный ракетный двигатель. Но это все, что можно рассказать за три минуты.
А в целом ракетные двигатели делятся на:
Химические ракетные двигатели бывают жидкостными и твердотопливными (ускорители космического челнока Space Shuttle, например).
Но есть еще и гибридные двигатели использующий компоненты ракетного топлива в разных агрегатных состояниях — жидком и твердом. Например, двигатель космического челнока SpaceShipOne работающий на полибутадиене (твердый) и закиси азота (жидкость).
Леонков: чем Центральной Азии грозит взятие Панджшера
Военный эксперт Алексей Леонков специально для Sputnik – о вариантах развития событий в Панджере и о том, какие дополнительные угрозы «Талибан»* несет для стран ближнего зарубежья.
Sputnik
Представитель движения «Талибан»* Забихулла Муджахид 6 сентября заявил, что единственный район Афганистана, сопротивлявшийся контролю талибов – Панджшер, — сломлен. Повстанцы под руководством Ахмада Масуда, называющие себя Фронтом национального сопротивления Афганистана, утверждают, что борьба продолжается.
Что же происходит в Панджершском ущелье на самом деле? Каким источникам можно верить? Как будет развиваться военная ситуация в ущелье в ближайшее время и чем она грозит странам Центральной Азии и Европы? Об этом в интервью на YouTube-канале «Sputnik на русском» рассказывает военный эксперт Алексей Леонков.
Талибы мечтают о реванше
Муджахид и Масуд заявляют абсолютно противоположные вещи, подтвердить или опровергнуть которые пока невозможно. По словам Алексей Леонкова, ни одна из сторон сейчас не признается в потере контроля.
«В любом конфликте достоверность информации нужно делить на десять, — говорит он в интервью Sputnik. – Стороны либо преуменьшают свои потери и преувеличивают потери врага, либо заявляют, что фактически контролируют ту или иную территорию. С третьего сентября мы с вами получаем информацию, что Панджер пал, потом ее опровергают. Затем говорят, что Ахмад Масуд бежал, но это не соответствует действительности».
В реальности захватить Панджерское ущелье нелегко из-за его географического положения, считает Леонков.
«Там множество ответвлений, откуда можно до бесконечности вести вооруженную борьбу – при условии, что у вас достаточно боеприпасов и людских ресурсов, — объясняет эксперт. – А отследить все козьи тропы, по которым снабжение будет происходить, сложно».
Алексей Леонков напоминает: «Талибан» пытается захватить Панджерское ущелье второй раз, и этот факт может мотивировать бойцов организации, ведь они хотят взять реванш.
«Это взятие для «Талибана» знаково и важно, потому что Панджшер является знаменем неповиновения», — говорит он и добавляет, что мировая общественность наблюдает за разворачивающимися событиями, но не вмешивается в них.
«Талибан»* так и остается террористической организацией, официально никто отношения к нему не изменил – ни ООН, ни страны Запада, ни Россия, — говорит Леонков. – К тому же, несмотря на то, что талибы объявили амнистию, расправа над противниками идет – какие-то кадры попадают в сеть. Получается, дела «Талибана» расходится со словами, и страны, граничащие с Афганистаном, занимают осторожную позицию».
Как прокормить 37 миллионов человек?
Перспективы Афганистана осложняются еще и тем, что экономики как таковой в стране нет, подчеркивает Алексей Леонков.
«Даже если талибы заблокируют Панджшер, местные жили там столетиями, найдут, чем пропитаться, как выжить. Сложно будет лишь тем, кто попытается зайти, не зная особенности долины. У них возникнут проблемы с продовольствием», — поясняет он.
Впрочем, проблемы с продовольствием рискуют стать общеафганской проблемой, говорит Леонков.
«Американцы, когда уходили, заблокировали все финансовые счета, которыми пользовалось правительство Гани, — отмечает эксперт. – «Талибану» они недоступны. А страна жила за счет завоза продовольствия, вооружения и горюче-смазочных материалов. То есть та техника, на которой талибы ездят, встанет. И кто завезет им нефтепродукты? Я об обычных продуктах не говорю».
Леонков задается вопросом: как страна прокормит 37 миллионов человек, учитывая, что средства заработка у талибов исчезли с уходом США с территории Афганистана.
«Благодаря транзиту через свою территорию талибы получали деньги от американцев – до два миллиарда в год, — рассуждает он. – А сейчас эти источники исчезли».
Европа в опасности
Единственный вариант, который остается талибам в ближайшее время – перепродать тяжелое вооружение, оставленное в стране американскими военными. Однако тогда «Талибану» предстоит целая логистическая операция, ведь доставка танка, например, в Йемен или Ливию требует затрат.
А вот оставленные американцами ПЗРК (переносные зенитные ракетные комплексы) талибы, скорее всего, продавать не будут, и этот вид вооружения представляет для мирового сообщества наибольшую опасность, полагает Алексей Леонков.
«Это может быть козырной картой, которой «Талибан»* начнет шантажировать всех, — говорит военный эксперт. – Не хотите договариваться? Тогда познайте ПЗРК. Он может оказаться даже в благополучной Европе, где-нибудь около гражданского аэропорта. Что, если террорист выпустит ракет по обычному самолету?»
Возможно, поэтому Европа и США дистанцировались от Афганистана, вывезя из страны всех послов. Что касается граничащих с Афганистаном государств, они не понимают, что даст им потенциальное сотрудничество с талибами.
«Что «Талибан»* может дать странам? – говорит Леонков. – Промышленного производства там нет. Месторождения встречаются, но они настолько мелкие, что не представляют интереса. Да и с кем сотрудничать? А вдруг талибы не удержатся во власти? Вдруг придет «Аль-Каида»? По опыту Сирии мы все знаем: разговаривать с террористами нельзя».
Инклюзия или режим?
Не менее спорны заявления «Талибана» о создании инклюзивного правительства, полагает Алексей Леонков.
«Ни одной экономической программы, ни одной программы политического устройства – одни лозунги, — перечисляет эксперт. – Если же мы говорим об инклюзивном правительстве, в нем должны быть представители всех этнических групп, проживающих на территории Афганистана».
По мнению Леонкова, в состав инклюзивного правительства должны войти представители пуштунов, хазарийцев, таджиков, узбеков, а также члены местных турецких общин.
«Но не слышно, чтобы они получили приглашение, — говорит Алексей Леонков. – Получается, талибы единолично взяли власть в стране, формируют правительство по своему усмотрению. Тогда они не учитывают интересов остальных жителей Афганистана, а значит, это не инклюзивное правительство – это режим».
Международное сообщество не доверяет «Талибану»*, даже несмотря на выступление талибов в ООН, потому что растет число людей, желающих покинуть страну, считает Леонков.
«По оценкам ООН, бежать сейчас готовы 500 тысяч человек, — заявил военный эксперт. – Люди же бегут не от хорошей жизни. Поэтому они на местах показывают ситуацию лучше, чем пропаганда талибов».
* Террористическая организация, деятельность которой запрещена на территории РФ и ряда других стран
