Kosmosesse lendamine on kahtlemata üks meie tsivilisatsiooni kõige hämmastavamaid saavutusi. Kuulus Gagarin "mine!" ja Armstrongi esimene samm Lunari pinnal - ajaloolised verstapostid kaugete planeetide ja muude tähtede süsteemide poole. Miski ei oleks juhtunud ilma raketimootorita, mis võimaldas meil ületada planeedi gravitatsioonijõud ja võimaldas minna Maa orbiidile.
Rakettmootori seade on ühelt poolt nii lihtne, et saate seda ise koju ehitada, kulutades sõna otseses mõttes kolm kopikat. Teisest küljest on kosmose- ja sõjaliste rakettide disain nii keeruline, et ainult mõnel riigil on oma tootmistehnoloogia.
Rakettmootor (RD) on reaktiivmootorite tüüp, mille tööorgan ja energiaallikas on otse õhusõiduki pardal. See on selle peamine erinevus reaktiivmootoritest. Seega ei sõltu sõidutee atmosfääri hapnikust ja seetõttu saab seda kasutada kosmoses (õhuvaba) ruumis.
Venemaa on üks maailma juhtivaid rakettmootorite ehitamise vallas. Nõukogude Liidust päritud mahajäämus on muljetavaldav. Kodumaine tööstus suudab toota parimaid raketimootoreid erinevatel eesmärkidel. Selle tõenduseks on Ameerika Atlasis kasutatav RD-180 rakettmootor. Tarned Ameerika Ühendriikidesse algasid 2000. aastal ja jätkuvad tänaseni. On ka teisi huvitavaid arenguid, ja me räägime mitte ainult kosmose- või ballistiliste rakettide võimsatest mootoritest, vaid ka erinevate relvasüsteemide taksodest.
Praegu on kõige levinumad nn keemilised rakettmootorid, kus konkreetne impulss tekib kütuse põletamise tõttu. Lisaks sellele on olemas ka tuuma- ja elektrimootorid. Käesolevas artiklis räägime sellest, kuidas raketimootor töötab, räägib teile selle eelistest ja puudustest ning tutvustab ka tänavavalgustite klassifikatsiooni.
Mõned füüsika või kuidas see toimib
Erinevat tüüpi rakettmootoritel on oma disainis märkimisväärsed erinevused, kuid nende töö põhineb Newtoni kuulsal kolmandal seadusel, mis ütleb, et "igal tegevusel on võrdne vastupanu." RD kiirgab töötava vedelikujoa ühes suunas ja liigub vastavalt Newtoni postulaadile vastupidises suunas. Kütuse põletamise tooted läbivad düüsi, moodustades hoogu - need on rakettmootorite teooria põhialused.
Kui sa seisad paadis, viska ahtrilt kivi, siis su laev sõidab veidi edasi. See on kõikide rakettmootorite toimimise visuaalne mudel. Teine näide oleks tuletõrjevooliku töö, millest vesi surutakse kõrgsurve all. Selle hoidmiseks peate tegema mõningaid pingutusi. Kui paned tuletõrjuja rula ja annate talle vooliku, liigub ta üsna suure kiirusega.
Peamine omadus, mis määrab selliste süsteemide tõhususe, on tõukejõud (tõukejõud). See on moodustunud algse energia muundamise tulemusena töötava vedeliku kineetilisse reaktiivi. Mõõtesüsteemis mõõdetakse rakettmootorite tõukejõudu Newtonites, samas kui ameeriklased loevad seda naeladesse.
Teine oluline rakettmootorite parameeter on konkreetne impulss. See on tõukejõu (või liikumise summa) suhe kütusekulu ajaühiku kohta. Seda parameetrit peetakse konkreetse takso täiuslikkuse astmeks ja see on selle tõhususe näitaja.
Keemilised mootorid töötavad kütuse ja oksüdeerija eksotermilise reaktsiooni tõttu. Seda tüüpi RD-l on kaks komponenti:
- Düüs, milles soojusenergia muundatakse kineetiliseks;
- Põlemiskamber, kus toimub põlemisprotsess, st kütuse keemilise energia muundamine soojuseks.
Selle küsimuse ajaloost
Rakettmootor on üks inimkonna teadaolevatest vanematest mootoritüüpidest. Me ei saa täpselt vastata küsimusele, millal täpselt esimene rakett tehti. Eeldatakse, et seda tegid iidsed kreeklased (Tarenti Arhiidi puidust tuvi), kuid enamik ajaloolasi arvab, et Hiina on käesoleva leiutise sünnikoht. See juhtus umbes 3. sajandil, vahetult pärast püssirohu avastamist. Algselt kasutati rakette ilutulestikeks ja muudeks meelelahutusteks. Pulberraketi mootor oli üsna tõhus ja lihtne valmistada.
Arvatakse, et need tehnoloogiad tulid Euroopasse kusagil XIII sajandil, nad õppisid inglise loodusteadlast Roger Baconit.
Esimene võitlusrakett töötati välja 1556. aastal Konrad Haas, kes leiutas keiser Ferdinand I erinevat tüüpi relvi. Seda leiutajat võib nimetada raketimootorite teooria esimeseks loojaks, samuti kirjutas ta mulje mitmeastmelisest raketist - lennukist koosnev mehhanism, mis koosneb kahest raketist. Uuringut jätkas poolakad, Kazimir Semenovich, kes elas 17. sajandi keskel. Kuid kõik need projektid jäid paberile.
Rakettide praktiline kasutamine algas alles XIX sajandil. 1805. aastal näitas Briti ohvitser William Congreve pulberrakette, millel oli sel ajal enneolematu jõud. Ettekanne oli muljetavaldav ja Briti armee võttis vastu Congreve'i raketid. Nende peamiseks eeliseks oli tünnitüvega võrreldes suur liikuvus ja suhteliselt madalad kulud ning peamine puudus oli tulekahju täpsus, mis jättis palju soovida. 19. sajandi lõpuks olid laialt levinud rifeeritud relvad, nad tulistasid väga täpselt ja nii raketid eemaldati teenistusest.
Venemaal käsitles seda küsimust kindral Zasyadko. Ta mitte ainult ei parandanud Congrive rakette, vaid ka esimest, kes tegi ettepaneku kasutada neid kosmosesse sisenemiseks. 1881. aastal lõi Vene leiutaja Kibalchich oma raketimootorite teooria.
Teine meie kaasmaalane Konstantin Tsiolkovsky andis selle tehnoloogia arendamisel suure panuse. Tema ideedeks on vedel raketi mootor (LRE), mis töötab hapniku ja vesiniku segus.
Eelmise sajandi alguses tegelesid paljude maailma riikide harrastajad vedel RD-i loomisega, millest esimene oli edukas Ameerika leiutaja Robert Goddard. Tema rakett, mis töötab bensiini ja vedela hapniku segus, käivitati edukalt 1926. aastal.
Teine maailmasõda oli raketirelvade tagastamise periood. 1941. aastal võttis Punaarmee vastu kuulsa Katyusha BM-13 võrkpalli paigaldamise ning 1943. aastal hakkasid sakslased kasutama ballistilist V-2 vedelkütusega rakettmootoriga. See töötati välja Werner von Brauni juhtimisel, kes hiljem juhtis Ameerika kosmoseprogrammi. Saksamaa õppis ka KR V-1 tootmist otsevooluga reaktiivmootoriga.
Pärast NSV Liidu ja USA vahelise sõja lõppu algas tõeline „raketi” võistlus. Nõukogude programmi juhtis raketimootorite silmapaistev disainer Sergei Korolev, tema juhtimisel loodi kodumaine ICBM R-7 ning hiljem käivitati esimene kunstlik satelliit ja viidi läbi mehitatud kosmoselennud.
Aastate jooksul on tehtud katseid luua rakettmootorid, mis töötavad tuuma lagunemise energia (süntees) arvelt, kuid selliseid elektrijaamu praktiliselt ei kasutata. 70-ndatel aastatel alustati NSV Liidus ja USAs elektriliste rakettmootorite kasutamist. Tänapäeval kasutatakse neid orbiitide ja kosmoselaevade parandamiseks. 70ndatel ja 80-ndatel aastatel toimusid katsed plasma XRD-dega, millel on arvatavasti hea potentsiaal. Suured lootused on omistatud ioonrakettmootoritele, mille kasutamine teoreetiliselt võib kosmoselaeva oluliselt kiirendada.
Samas on siiani peaaegu kõik need tehnoloogiad lapsekingades ja kosmoseuuringute peamine sõiduk on endiselt vana hea keemiline rakett. Praegu konkureerivad "F-1", kes osalesid kuueprojektis, ja Nõukogude RD-170/171, mida kasutati programmis "Energy-Buran", "maailma kõige võimsama raketimootori" tiitli eest.
Mis neile meeldib?
Raketimootorite klassifikatsioon põhineb meetodil, mille abil saadakse energia vedeliku kõrvaldamiseks. Selle parameetri põhjal on taksod järgmised:
- keemiline;
- tuumaenergia (termo-tuuma);
- elektrilised (elektrilised raketid);
- gaasi.
Kõiki eespool nimetatud tüüpe saab jagada väiksemateks kategooriateks. Keemilised mootorid (HDR), näiteks kütuse kokkuvõttes, on tahkekütus ja vedelkütus. Samuti on olemas keemiline hübriidraketi mootor (GRD). HDR sisaldab ka kiiluõhu rakettmootorit, millel on erinev kuju ja düüside disain. Seal on gaasifaas ja tahkefaasiline RD. On mitmeid elektrijaamade tüüpe.
Chemical RD: eelised ja puudused
Seda tüüpi rakettmootor on kõige levinum ja hästi õppinud. Võime öelda, et see oli inimõiguste kaitse, mis andis inimkonnale ruumi. See toimib eksotermilise keemilise reaktsiooni tõttu ning nii kütus kui ka oksüdeerija on õhusõiduki pardal ning moodustavad koos kütuse. See toimib ka energiaallikana ja töötava vedeliku alusena.
Kõvakettal on suhteliselt väike spetsiifiline impulss (võrreldes elektriliste), kuid need võimaldavad neil arendada suuremat veojõudu. See on eriti oluline rakettmootorite käivitamisel ja kasuliku koorma eemaldamisel orbiidile.
Vedelates mootorites on oksüdeerija ja kütus vedelas faasis. Kütusesüsteemi abil juhitakse need kambrisse, kus nad põletatakse ja voolavad läbi düüsi.
Tahkes kütuses RD paigutatakse kütuse ja oksüdeerija segu otse põlemiskambrisse. Reeglina on kütusel keskne kanaliga varras. Põlemisprotsess läheb keskelt perifeeriasse, gaasid, mis väljuvad läbi düüsi, moodustavad tõukejõu. Nendel mootoritel on mitmeid eeliseid: need on suhteliselt lihtsad, odavad, keskkonnasõbralikud ja usaldusväärsed.
Tahkekütuse keemilise mootori puuduseks on selle piiratud kestus, konkreetse impulsi väike näitaja (võrreldes vedelate XRD-dega) ja taaskäivitamise võimatus - pärast käivitamist ei saa seda enam peatada. Ülaltoodud tunnused määravad kindlaks tahkete raketikütuste kasutamise ulatuse - need on ballistilised ja meteoroloogilised raketid, raketid, raketid, raketid, raketiprojektid võrkpalli süsteemide jaoks. Tahkekütuseid kasutatakse ka rakettmootorite käivitamisel.
Vedelate rööbasteel on suurem spetsiifiline impulss, neid saab uuesti peatada ja taasalustada ning tõukejõudu reguleerida. Lisaks on need tahkekütusega võrreldes kergemad ja kompaktsemad. Kuid salvides on ka lend: vedelkütused on keerulise struktuuri ja kõrge hinnaga, seega on nende peamiseks kasutusvaldkonnaks astronautika.
Vedela XRD kütuse komponentidena kasutage erinevaid kombinatsioone. Näiteks hapnik + vesinik või lämmastiku tetraoksiid + asümmeetriline dimetüülhüdrasiin. Viimastel aastatel on hapniku ja petrooleumi raketid muutunud väga populaarseks. Kütus võib koosneda viiest või enamast osast. Metaanrakettmootorid loetakse väga paljutõotavateks, tänapäeval tegelevad nad nende loomisega mitmes maailma riigis korraga. Teiste huvitavate arengute seas selles valdkonnas võime mainida nn plahvatuse rakettmootorit, mille kütus ei põle, kuid plahvatab.
Töötamine HDR-i täiustamisel ei lõpe, kuid on tõenäoline, et selle piirid on juba saavutatud - disainerid on „keemilisest kütusest” kõik võimalikud. HDRi tõsine probleem on tohutu mass, mida õhusõiduk peab tõstma. Ja see on metsikult ebaefektiivne. Eemaldatavate etappidega skeem parandas olukorda mõnevõrra, kuid ilmselt ei saanud sellest imerohi.
Tuleb märkida, et keemilisi rakettmootoreid kasutatakse mitte ainult kosmoseuuringuteks. Nad leidsid, et nende kasutamine Maal on põhimõtteliselt ainult sõjalistes küsimustes. HRA-ga on varustatud kõik võitlusraketid, mis algavad väikestest lennukitest või tankidest ja lõpevad tohutute ICBMidega. Valdavalt on neil lihtsamad ja usaldusväärsemad tahkekütuse mootorid. HRD rahumeelse kasutamise näide on geofüüsikalised ja meteoroloogilised raketid.
Aatomilaeval tähed!
Vedel rakettmootor andis inimesele ruumi ja aitas saada lähimatele planeetidele. Vedelkütusel töötava reaktiivkiirguse kiirus ei ületa 4,5-5 m / s, mistõttu see ei sobi kaugemateks missioonideks - see nõuab kümneid meetreid sekundis. HRD-de kosmoseaparaat suudab endiselt lähimasse planeedi - nagu Marsi või Venuse - inimest toimetada, kuid päikesesüsteemi kaugematesse objektidesse sõitmiseks tuleb meil midagi uut. Üks neist ummikseisudest näib olevat aatomituumas peidetud energia kasutamine.
Tuumarelva mootor (YARD) on tüüpi elektrijaam, kus töötavat vedelikku kuumutatakse tuuma lõhustumise või sünteesienergia abil. Sõltuvalt kütuse olekust võib see olla tahke, vedel või gaasifaas. Töövahendina kasutatakse tavaliselt vesinikku või ammoniaaki. Tõmbetehas on suhteliselt võrreldav keemiliste mootoritega, samas kui neil on kõrge spetsiifiline impulss. Kuid on üks probleem - atmosfääri saastumine radioaktiivsete heitgaaside abil.
Tuumaelektrijaamade ajalugu algas 50-ndate keskel, kaks maailma riiki - Ameerika Ühendriigid ja Nõukogude Liit - tegelesid nende praktilise loomisega. Juba 1958. aastal seadsid ameeriklased ülesandeks luua YARDi lennudeks Kuu ja Marsi (NERVA programm). Samal ajal tegelesid ka nõukogude disainerid sarnaste probleemidega. 70-ndate aastate lõpuks loodi RD-0410 tuumarakettmootor, kuid see ei läbinud täielikke katseid.
Praegu on kõige paljutõotavamad gaasifaasilised mootorid, milles kütus on spetsiaalses suletud kolvis gaasilises olekus. See välistab selle kokkupuute töövedelikuga ja vähendab oluliselt radioaktiivse saastumise tõenäosust. Hoolimata asjaolust, et peamiste riiklike keskkonnakaitsealade loomise peamised tehnilised probleemid on juba ammu lahendatud, ei ole ükski neist rakendamist praktikas leidnud. Kuigi see konkreetne YARD näeb tõelise kasutamise seisukohast kõige paljutõotavam.
Elektrilised rakettmootorid, nende omadused, eelised ja puudused
Teine võimalik võistleja, kellel on võimalus HRD-d asendada, on elektriline rakettmootor (ERE), mis kasutab töötavat vedelikku hajutades elektrienergiat.
Sellise elektrijaama loomise idee sündis 20. sajandi alguses, 1930. aastatel rakendas Nõukogude teadlane Glushko seda praktikas. Aktiivne töö elektriajamiga algas 1960. aastatel Ameerika Ühendriikides ja NSV Liidus ning 1970ndatel oli esimesed seda tüüpi rakettmootorid juba kosmoselaevale paigaldatud.
ERD-sid on mitut tüüpi:
- elektrotermiline;
- elektrostaatiline;
- elektromagnetiline;
- plasmas
Elektrilistel rakettmootoritel on kõrge spetsiifiline impulss, mis võimaldab neil töötavat vedelikku ökonoomselt tarbida, kuid vajavad ka palju energiat, mis on tõsine probleem. Seni on ainsaks tõeliseks elektriajamite allikaks päikesepaneelid. Neil on madal tõukejõud, mis ei võimalda neid Maa atmosfääris kasutada - tõukejõuseadme käivitav rakettmootor ei toimi kindlasti. Praegu kasutatakse neid manööverdamisena - kosmoselaeva orbiidide parandamiseks.
