Promremont34.ru

Авто мастеру
2 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Все о жидкостном ракетном двигателе характеристики

Жидкостный ракетный двигатель

Жидкостный ракетный двигатель – это двигатель, топливом для которого служат сжиженные газы и химические жидкости. В зависимости от количества компонентов ЖРД делятся на одно-, двух- и трехкомпонентные.

Краткая история развития

Впервые использование сжиженного водорода и кислорода как топлива для ракет предложил К.Э. Циолковский в 1903 году. Первый прототип ЖРД создал американец Роберт Говард в 1926 году. Впоследствии подобные разработки проводились в СССР, США, Германии. Самых больших успехов добились немецкие ученые: Тиль, Вальтер, фон Браун. Во время Второй мировой войны они создали целую линейку ЖРД для военных целей. Есть мнение, что создай Рейх «Фау-2» раньше, они бы выиграли войну. Впоследствии холодная война и гонка вооружений стали катализатором для ускорения разработок ЖРД с целью применения их в космической программе. При помощи РД-108 были выведены на орбиту первые искусственные спутники Земли.

Сегодня ЖРД используется в космических программах и тяжелом ракетном вооружении.

Какой ракетный двигатель самый лучший?


Ракетные двигатели — одна из вершин технического прогресса. Работающие на пределе материалы, сотни атмосфер, тысячи градусов и сотни тонн тяги — это не может не восхищать. Но разных двигателей много, какие же из них самые лучшие? Чьи инженеры поднимутся на пьедестал почета? Пришло, наконец, время со всей прямотой ответить на этот вопрос.

К сожалению, по внешнему виду двигателя нельзя сказать, насколько он замечательный. Приходится закапываться в скучные цифры характеристик каждого двигателя. Но их много, какую выбрать?

Мощнее

Ну, наверное, чем мощнее двигатель, тем он лучше? Больше ракета, больше грузоподъемность, быстрее начинает двигаться освоение космоса, разве не так? Но если мы посмотрим на лидера в этой области, нас ждет некоторое разочарование. Самая большая тяга из всех двигателей, 1400 тонн, у бокового ускорителя Спейс Шаттла.

Несмотря на всю мощь, твердотопливные ускорители сложно назвать символом технического прогресса, потому что конструктивно они являются всего лишь стальным (или композитным, но это неважно) цилиндром с топливом. Во-вторых, эти ускорители вымерли вместе с шаттлами в 2011 году, что подрывает впечатление их успешности. Да, те, кто следят за новостями о новой американской сверхтяжелой ракете SLS скажут мне, что для нее разрабатываются новые твердотопливные ускорители, тяга которых составит уже 1600 тонн, но, во-первых, полетит эта ракета еще не скоро, не раньше конца 2018 года. А во-вторых, концепция «возьмем больше сегментов с топливом, чтобы тяга была еще больше» является экстенсивным путем развития, при желании, можно поставить еще больше сегментов и получить еще большую тягу, предел тут пока не достигнут, и незаметно, чтобы этот путь вел к техническому совершенству.

Второе место по тяге держит отечественный жидкостной двигатель РД-171М — 793 тонны.


Четыре камеры сгорания — это один двигатель. И человек для масштаба

Казалось бы — вот он, наш герой. Но, если это лучший двигатель, где его успех? Ладно, ракета «Энергия» погибла под обломками развалившегося Советского Союза, а «Зенит» прикончила политика отношений России и Украины. Но почему США покупают у нас не этот замечательный двигатель, а вдвое меньший РД-180? Почему РД-180, начинавшийся как «половинка» РД-170, сейчас выдает больше, чем половину тяги РД-170 — целых 416 тонн? Странно. Непонятно.

Третье и четвертое места по тяге занимают двигатели с ракет, которые больше не летают. Твердотопливному UA1207 (714 тонн), стоявшему на Титане IV, и звезде лунной программы двигателю F-1 (679 тонн) почему-то не помогли дожить до сегодняшнего дня выдающиеся показатели по мощности. Может быть, какой-нибудь другой параметр важнее?

Эффективнее

Какой показатель определяет эффективность двигателя? Если ракетный двигатель сжигает топливо, чтобы разгонять ракету, то, чем эффективнее он это делает, тем меньше топлива нам нужно потратить для того, чтобы долететь до орбиты/Луны/Марса/Альфы Центавра. В баллистике для оценки такой эффективности есть специальный параметр — удельный импульс.

Удельный импульс показывает, сколько секунд двигатель может развивать тягу в 1 Ньютон на одном килограмме топлива

Рекордсмены по тяге оказываются, в лучшем случае, в середине списка, если отсортировать его по удельному импульсу, а F-1 с твердотопливными ускорителями оказываются глубоко в хвосте. Казалось бы, вот она, важнейшая характеристика. Но посмотрим на лидеров списка. С показателем 9620 секунд на первом месте располагается малоизвестный электрореактивный двигатель HiPEP


Это не пожар в микроволновке, а настоящий ракетный двигатель. Правда, микроволновка ему все-таки приходится очень отдаленным родственником.

Двигатель HiPEP разрабатывался для закрытого проекта зонда для исследования лун Юпитера, и работы по нему были остановлены в 2005 году. На испытаниях прототип двигателя, как говорит официальный отчет NASA, развил удельный импульс 9620 секунд, потребляя 40 кВт энергии.

Второе и третье места занимают еще не летавшие электрореактивные двигатели VASIMR (5000 секунд) и NEXT (4100 секунд), показавшие свои характеристики на испытательных стендах. А летавшие в космос двигатели (например, серия отечественных двигателей СПД от ОКБ «Факел») имеют показатели до 3000 секунд.


Двигатели серии СПД. Кто сказал «классные колонки с подсветкой»?

Почему же эти двигатели еще не вытеснили все остальные? Ответ прост, если мы посмотрим на другие их параметры. Тяга электрореактивных двигателей измеряется, увы, в граммах, а в атмосфере они вообще не могут работать. Поэтому собрать на таких двигателях сверхэффективную ракету-носитель не получится. А в космосе они требуют киловатты энергии, что не всякие спутники могут себе позволить. Поэтому электрореактивные двигатели используются, в основном, только на межпланетных станциях и геостационарных коммуникационных спутниках.

Читать еще:  Электролобзик не пилит двигатель работает

Ну, хорошо, скажет читатель, отбросим электрореактивные двигатели. Кто будет рекордсменом по удельному импульсу среди химических двигателей?

С показателем 462 секунды в лидерах среди химических двигателей окажутся отечественный КВД1 и американский RL-10. И если КВД1 летал всего шесть раз в составе индийской ракеты GSLV, то RL-10 — успешный и уважаемый двигатель для верхних ступеней и разгонных блоков, прекрасно работающий уже много лет. В теории, можно собрать ракету-носитель целиком из таких двигателей, но тяга одного двигателя в 11 тонн означает, что на первую и вторую ступень их придется ставить десятками, и желающих так делать нет.

Можно ли совместить большую тягу и высокий удельный импульс? Химические двигатели уперлись в законы нашего мира (ну не горит водород с кислородом с удельным импульсом больше

460, физика запрещает). Были проекты атомных двигателей (раз, два), но дальше проектов это пока не ушло. Но, в целом, если человечество сможет скрестить высокую тягу с высоким удельным импульсом, это сделает космос доступней. Есть ли еще показатели, по которым можно оценить двигатель?

Напряженней

Ракетный двигатель выбрасывает массу (продукты сгорания или рабочее тело), создавая тягу. Чем больше давление давление в камере сгорания, тем больше тяга и, главным образом в атмосфере, удельный импульс. Двигатель с более высоким давлением в камере сгорания будет эффективнее двигателя с низким давлением на том же топливе. И если мы отсортируем список двигателей по давлению в камере сгорания, то пьедестал будет оккупирован Россией/СССР — в нашей конструкторской школе всячески старались делать эффективные двигатели с высокими параметрами. Первые три места занимает семейство кислородно-керосиновых двигателей на базе РД-170: РД-191 (259 атм), РД-180 (258 атм), РД-171М (246 атм).


Камера сгорания РД-180 в музее. Обратите внимание на количество шпилек, удерживающих крышку камеры сгорания, и расстояние между ними. Хорошо видно, как тяжело удержать стремящиеся сорвать крышку 258 атмосфер давления

Четвертое место у советского РД-0120 (216 атм), который держит первенство среди водородно-кислородных двигателей и летал два раза на РН «Энергия». Пятое место тоже у нашего двигателя — РД-264 на топливной паре несимметричный диметилгидразин/азотный тетраоксид на РН «Днепр» работает с давлением в 207 атм. И только на шестом месте будет американский двигатель Спейс Шаттла RS-25 с двумястами тремя атмосферами.

Надежней

Каким бы ни был многообещающим по характеристикам двигатель, если он взрывается через раз, пользы от него немного. Сравнительно недавно, например, компания Orbital была вынуждена отказаться от использования хранившихся десятилетиями двигателей НК-33 с очень высокими характеристиками, потому что авария на испытательном стенде и феерический по красоте ночной взрыв двигателя на РН Antares поставили под сомнение целесообразность использования этих двигателей дальше. Теперь Antares будут пересаживать на российский же РД-181.


Большая фотография по ссылке

Верно и обратное — двигатель, который не отличается выдающимися значениями тяги или удельного импульса, но надежен, будет популярен. Чем длиннее история использования двигателя, тем больше статистика, и тем больше багов в нем успели отловить на уже случившихся авариях. Двигатели РД-107/108, стоящие на «Союзе», ведут свою родословную от тех самых двигателей, которые запускали первый спутник и Гагарина, и, несмотря на модернизации, имеют достаточно невысокие на сегодняшний день параметры. Но высочайшая надежность во многом окупает это.

Доступней

Двигатель, который ты не можешь построить или купить, не имеет для тебя никакой ценности. Этот параметр не выразить в числах, но он не становится от этого менее важным. Частные компании часто не могут купить готовые двигатели задорого, и вынуждены делать свои, пусть и попроще. Несмотря на то, что те не блещут характеристиками, это лучшие двигатели для их разработчиков. Например, давление в камере сгорания двигателя Merlin-1D компании SpaceX составляет всего 95 атмосфер, рубеж, который инженеры СССР перешли в 1960-х, а США — в 1980-х. Но Маск может делать эти двигатели на своих производственных мощностях и получать по себестоимости в нужных количествах, десятками в год, и это круто.


Двигатель Merlin-1D. Выхлоп из газогенератора как на «Атласах» шестьдесят лет назад, зато доступно

Раз уж зашла речь о спейсэксовских «Мерлинах», нельзя не упомянуть характеристику, которую всячески форсили пиарщики и фанаты SpaceX — тяговооруженность. Тяговооруженность (она же удельная тяга или TWR) — это отношение тяги двигателя к его весу. По этому параметру двигатели Merlin с большим отрывом впереди, у них он выше 150. На сайте SpaceX пишут, что это делает двигатель «самым эффективным из всех когда-либо построенных», и эта информация разносится пиарщиками и фанатами по другим ресурсам. В английской Википедии даже шла тихая война, когда этот параметр запихивался, куда только можно, что привело к тому, что в таблице сравнения двигателей этот столбец вообще убрали. Увы, в таком заявлении гораздо больше пиара, нежели правды. В чистом виде тяговооруженность двигателя можно получить только на стенде, а при старте настоящей ракеты двигатели будут составлять меньше процента от ее массы, и разница в массе двигателей ни на что не повлияет. Несмотря на то, что двигатель с высоким TWR будет более технологичным, чем с низким, это скорее мера технической простоты и ненапряженности двигателя. Например, по параметру тяговооруженности двигатель F-1 (94) превосходит РД-180 (78), но по удельному импульсу и давлению в камере сгорания F-1 будет заметно уступать. И возносить тяговооруженность на пьедестал как самую важную для ракетного двигателя характеристику, по меньшей мере наивно.

Читать еще:  Гусеничный вездеход своими на китайском двигателе

Этот параметр во многом связан с доступностью. Если вы делаете двигатель сами, то себестоимость вполне можно подсчитать. Если же покупаете, то этот параметр будет указан явно. К сожалению, по этому параметру не построить красивую таблицу, потому что себестоимость известна только производителям, а стоимость продажи двигателя тоже публикуется далеко не всегда. Также на цену влияет время, если в 2009 году РД-180 оценивался в $9 млн, то сейчас его оценивают в $11-15 млн.

Вывод

Самый лучший ракетный двигатель — это такой двигатель, который вы можете произвести/купить, при этом он будет обладать тягой в требуемом вам диапазоне (не слишком большой или маленькой) и будет эффективным настолько(удельный импульс, давление в камере сгорания), что его цена не станет неподъемной для вас.

Скучно? Зато ближе всего к истине.

И, в заключение, небольшой хит-парад двигателей, которые лично я считаю лучшими:


Семейство РД-170/180/190. Если вы из России или можете купить российские двигатели и вам нужны мощные двигатели на первую ступень, то отличным вариантом будет семейство РД-170/180/190. Эффективные, с высокими характеристиками и отличной статистикой надежности, эти двигатели находятся на острие технологического прогресса.


Be-3 и RocketMotorTwo. Двигатели частных компаний, занимающихся суборбитальным туризмом, будут в космосе всего несколько минут, но это не мешает восхищаться красотой использованных технических решений. Водородный двигатель BE-3, перезапускаемый и дросселируемый в широком диапазоне, с тягой до 50 тонн и оригинальной схемой с открытым фазовым переходом, разработанный сравнительно небольшой командой — это круто. Что же касается RocketMotorTwo, то при всем скептицизме по отношению к Брэнсону и SpaceShipTwo, я не могу не восхищаться красотой и простотой схемы гибридного двигателя с твердым топливом и газообразным окислителем.

F-1 и J-2 В 1960-х это были самые мощные двигатели в своих классах. Да и нельзя не любить двигатели, подарившие нам такую красоту:


РД-107/108. Парадоксально? Невысокие параметры? Всего 90 тонн тяги? 60 атмосфер в камере? Привод турбонасоса от перекиси водорода, что устарело лет на 70? Это все неважно, если двигатель имеет высочайшую надежность, а по стоимости приближается к «большому глупому носителю». Да, конечно, когда-нибудь и его время пройдет, но эти двигатели будут жить еще лет десять минимум, и, похоже, поставят рекорд по долголетию. Не получится найти более успешный двигатель с более славной историей.

Использованные источники

  • Материал во многом базируется на вот этой сводной таблице из английской вики, там стараются на каждую цифру дать ссылку и держать материал актуальным.
  • Полная картинка КДПВ с копирайтами, которые пришлось отрезать при кадрировании — тут.

Жидкостный ракетный двигатель

Жидкостный ракетный двигатель – это двигатель, горючим для которого помогают химические жидкости и сжиженные газы. В зависимости от количества компонентов ЖРД делятся на одно-, двух- и трехкомпонентные.

Краткая история развития

В первый раз применение кислорода и сжиженного водорода как топлива для ракет внес предложение К.Э. Циолковский в 1903 году. Первый прототип ЖРД создал американец Роберт Говард во второй половине 20-ых годов XX века. Потом подобные разработки проводились в СССР, США, Германии. Самых громадных удач добились германские ученые: Тиль, Вальтер, фон Браун. На протяжении Второй мировой они создали целую линейку ЖРД для армейских целей.

Имеется вывод, что создай Рейх «Фау-2» раньше, они бы победили войну. Потом гонка вооружений и холодная война стали катализатором для ускорения разработок ЖРД с целью применения их в космической программе. При помощи РД-108 были выведены на орбиту первые неестественные спутники Почвы.

Сейчас ЖРД употребляется в космических программах и тяжелом ракетном оружии.

Как уже было сообщено выше, ЖРД употребляется по большей части как двигатель космических ракет и аппаратов-носителей. Главными преимуществами ЖРД имеется:

  • наивысший удельный импульс в классе;
  • возможность исполнения полной повторного запуска и остановки в паре с управляемостью по тяге дает повышенную маневренность;
  • намного меньший вес топливного отсека в сравнении со твердотопливными двигателями.

Среди недочётов ЖРД:

  • более дороговизна и сложное устройство;
  • повышенные требования к надёжной транспортировке;
  • в состоянии невесомости нужно задействовать дополнительные двигатели для осаждения горючего.

Но главным недочётом ЖРД есть предел энергетических возможностей горючего, что ограничивает космическое освоение с их помощью до Марса и расстояния Венеры.

принцип и Устройство действия

Принцип действия ЖРД один, но он достигается при помощи различных схем устройств. окислитель и Горючее при помощи насосов поступают из различных баков на форсуночную головку, нагнетаются в камеру сгорания и смешиваются. По окончании возгорания под давлением внутренняя энергия горючего преобразовывается в кинетическую и через сопло вытекает, создавая реактивную тягу.

Топливная совокупность складывается из топливных баков, насосов и трубопроводов с турбиной для нагнетания горючего из бака в трубопровод и клапана-регулятора.

Насосная подача горючего формирует большое давление в камере и, как следствие, большее расширение рабочего тела, за счет которого достигается большое значение удельного импульса.

Форсуночная головка – блок форсунок для осуществления впрыска топливных компонентов в камеру сгорания. Главное требование к форсунке – скорость подачи и качественное смешивание горючего в камеру сгорания.

Не смотря на то, что часть теплоотдачи конструкции в ходе сгорания незначительна, неприятность охлаждения актуальна ввиду большой температуры горения (3000 К) и угрожает термическим разрушением двигателя. Выделяют пара типов охлаждения стенок камеры:

Регенеративное охлаждение базируется на создании полости в стенках камеры, через которую проходит горючее без окислителя, охлаждая стенку камеры, а тепло вместе с охладителем (горючим) возвращается обратно в камеру.

Пристенный слой – это созданный из паров горючего слой газа у стенок камеры. Достигается данный эффект методом установки по периферии головки форсунок подающих лишь горючее. Так горючая смесь испытывает недочёт окислителя, и горение у стены происходит не так интенсивно, как в центре камеры. Температура пристенного слоя изолирует большие температуры в центре камеры от стенок камеры сгорания.

Читать еще:  Чем лучьше промыть двигатель

Абляционный способ охлаждения жидкостного ракетного двигателя осуществляется нанесением на стены сопел и камеры особого теплозащитного покрытия. Покрытие при больших температурах переходит из жёсткого состояния в газообразное, поглощая значительную часть тепла. Этот способ охлаждения жидкостного ракетного двигателя употреблялся в лунной программе «Аполлон».

Запуск ЖРД весьма важная операция в плане взрывоопасности при сбоях в ее осуществлении. Имеется самовоспламеняющиеся компоненты, с которыми не появляется трудностей, но при применении для воспламенения внешнего инициатора нужна совершенная согласованность подачи его с компонентами горючего. Скопление несгоревшего горючего в камере имеет разрушительную взрывную силу и сулит тяжелые последствия.

Запуск громадных жидкостных ракетных двигателей проходит в пара ступеней с последующим выходом на большую мощность, тогда как малые двигатели запускаются с моментальным выходом на стопроцентную мощность.

Совокупность автоматического управления жидкостных ракетных двигателей характеризируется исполнением выхода запуска и безопасного двигателя на главный режим, контролем стабильной работы, регулировкой тяги в соответствии с замыслу полета, регулировкой расходников, отключением при выходе на заданную траекторию. Благодаря не поддающихся расчетам моментов ЖРД оснащается гарантийным запасом горючего, дабы ракета имела возможность выйти на заданную орбиту при отклонениях в программе.

Компоненты горючего и их выбор в ходе проектирования являются решающими в схеме построения жидкостного ракетного двигателя. Исходя из этого, определяются условия хранения, технологии и транспортировки производства. Наиболее значимым показателем сочетания компонентов есть удельный импульс, от которого зависит распределение груза массы и процента топлива. масса и Размеры ракеты рассчитываются при помощи формулы Циолковского.

Не считая удельного импульса, плотность воздействует на размер баков с компонентами горючего, температура кипения может ограничивать условия эксплуатации ракет, химическая агрессивность характерна всем окислителям и при несоблюдении правил эксплуатации баков может стать обстоятельством возгорания бака, токсичность некоторых соединений горючего может нанести большой ущерб окружающей среде и атмосфере. Исходя из этого фтор не смотря на то, что и есть лучшим окислителем, чем кислород, не употребляется ввиду собственной токсичности.

Однокомпонентные жидкостные ракетные двигатели как горючее применяют жидкость, которая, взаимодействуя с катализатором, распадается с выходом тёплого газа. Главное преимущество однокомпонентных ЖРД в простоте их конструкции, и не смотря на то, что удельный импульс таких двигателей маленькой, они идеально подходят как двигатели с малой тягой для стабилизации и ориентации космических аппаратов.

Эти двигатели применяют вытеснительную совокупность подачи горючего и ввиду маленькой температуры процесса не нуждаются в совокупности охлаждения. К однокомпонентным двигателям относятся кроме этого газореактивные двигатели, каковые употребляются в условиях недопустимости тепловых и химических выбросов.

В начале 70-х годов СССР и США разрабатывали трехкомпонентные жидкостные ракетные двигатели, каковые применяли бы в качестве горючего углеводородное горючее и водород. Так двигатель трудился бы на кислороде и керосине при запуске и переключался на кислород и жидкий водород на громадной высоте. Примером трехкомпонентного ЖРД в Российской Федерации имеется РД-701.

Управление ракетой в первый раз было применено в ракетах «Фау-2» при применении графитных газодинамических рулей, но это снижало тягу двигателя, и в современных ракетах употребляются поворотные камеры, прикрепленные к корпусу шарнирами, создающими маневренность в одной либо двух плоскостях. Не считая поворотных камер, употребляются кроме этого двигатели управления, каковые закреплены соплами в противоположном направлении и включаются при необходимости управления аппаратом в пространстве.

ЖРД закрытого цикла – это двигатель, один из компонентов которого газифицируется при сжигании при маленькой температуре с малой частью другого компонента, полученный газ выступает как рабочее тело турбины, а по окончании подается в камеру сгорания, где сгорает с остатками топливных компонентов и формирует реактивную тягу. Главным недочётом данной схемы имеется сложность конструкции, но наряду с этим удельный импульс возрастает.

Возможность повышения мощности жидкостных ракетных двигателей

В российской школе создателей ЖРД, начальником которой продолжительное время был академик Глушко, стремятся к большому применению энергии горючего и, как следствие, предельно вероятному удельному импульсу. Так как большой удельный импульс возможно взять только при увеличении расширения продуктов сгорания в сопле, все разработки ведутся на поиски совершенной топливной смеси.

Устройство, принцип работы и рабочие процессы жидкостного ракетного двигателя

Увлекательные записи:

  • Яковлев як-142. фото. история и характеристики.
  • Dornier do 27. технические характеристики. фото.
  • Самолет ан-225 «мрия». фото. характеристики.

Похожие статьи, которые вам, наверника будут интересны:

Пороховой ракетный двигатель – это один из несложных вариантов реактивных двигателей для ракет и самолётов. В качестве горючего он применяет жёсткое…

Ракетное оружие США разного назначения создавалось в основном на базе ракетных двигателей жёсткого горючего (РДТТ). Отечественные ракеты стратегического…

Известны следующие главные типы реактивных двигателей: ракетные, пороховой, жидкостной ракетный; воздушно-реактивные двигатели, прямоточный…

Реактивный двигатель самолета — двигатель, создающий нужную для перемещения силу тяги при помощи преобразования внутренней энергии горючего в…

Этот материал был переведен глубокоуважаемым сотрудником NF в декабре 2013 года и мало доработан мной. Материал выкладывается на сайт в развитие темы,…

Этот материал был переведен глубокоуважаемым сотрудником NF и мало доработан мной. Предисловие редакции: Макс Валье (Max Valier) был самоё активным среди…

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector