Avtoargon.ru

АвтоАргон
1 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Краткая история ракетных автомобилей

Краткая история ракетных автомобилей

Не далее как вчера зашёл разговор о британском ракетомобиле Bloodhound, который его создатели надеются разогнать до 1000 миль в час (ок. 1600 км/ч), тем самым поставив абсолютный рекорд по скорости перемещения по поверхности на долгие годы. Рекорды такого рода ставятся редко, но, как говорится, метко. Именно ракетомобили смогли преодолеть скорость звука на поверхности, и им принадлежит неофициальный (увы) мировой рекорд в дрэг-рейсинге (парных гонках на ускорение).

В частности, в 1977 году в пустыне Мохаве ракетный «дрэгстер» с двигателем на перекиси водорода, построенный инженером Кайем Майклсоном (Ky Michaelson) и управлявшийся каскадёршей Китти О’Нил, прошёл четверть мили за 3,22 секунды с максимальной скоростью 663 км/ч. Сейчас этот рекорд, естественно, давно побит.

Первые попытки делать такие машины «обгоню всех» — с ракетными двигателями — предпринимались ещё в двадцатые годы прошлого столетия в Германии.

Первыми в списке имён идут Фриц фон Опель, тогдашний хозяин Opel и внук основателя компании, и Макс Валье (Вальер — Max Valier), австрийский инженер, первый человек в Европе, экспериментировавший с ракетными двигателями на жидком топливе.

Валье был учёным, а Опель — бизнесменом, но оба пытались привлечь к себе внимание. В общем, они нашли друг друга: вместе сконструировали целую серию ракетомобилей (под маркой Opel, естественно), два ракетных локомотива — тех же ракетомобилей, но только поставленных на рельсы, и первый в мире аэроплан с ракетными ускорителями.

Первая такая машина — Opel RAK.1 — разогналась до 75 км/ч, вторая — уже до 230 км/ч.

Меньше всего повезло ракетным локомотивам: первый, разогнавшийся до скорости то ли 254, то ли 290 км/ч (в разных источниках — по-разному), сошёл с рельсов и взорвался, погубив своего единственного пассажира — кошку.

Ракетный «локомотив» Opel-Sander Rak.3, 1928 год (Wikipedia)

У второго локомотива просто взорвался один из твердотопливных ускорителей, что привело к взрыву всех остальных. Продолжать эксперименты запретили власти.

В конце апреля 1930 году Валье провёл испытания первого в мире ракетомобиля на жидком топливе — Valier-Heylandt RAK 7.

Спустя менее месяца инженер погибает в результате взрыва спиртового ракетного двигателя, который испытывался на стенде: взорвалась камера сгорания, и Валье убило осколком.

Его дело продолжил ученик и протеже Артур Рудольф, создатель немецкой ракеты V2 (Фау-2), а впоследствии — и многих американских ракет.

Первым ракетомобилем, который — неофициально, правда, — поставил рекорд, преодолев скорость звука, стал Budweiser Rocket. Трёхколёсная машина испытывалась на авиабазе «Эдвардс» в Калифорнии; официально её достижение не было зарегистрировано, и многие сомневаются, что она вообще могла превысить звуковой барьер (даже притом, что скорость звука — не абсолютная величина, она зависит от погодных условий, и в той пустыне она примерно равнялась 1177,9 км/ч (при нормальных условиях — 1 224 км/ч)).

Официальный рекорд скорости наземного перемещения с 1970 по 1997 годы держала оснащённая ракетными двигателями американская машина Blue Flame, взявшая скоростную отметку 1014,513 км/ч, а первой машиной, перескочившей звуковой барьер, стала британская Thrust SSC, разогнавшаяся до 1 228 км/ч. Правда, это не ракетомобиль, а машина с газотурбинными двигателями (от истребителя F-4 Phantom II). Вот так: какой-то газотурбинный двигатель посрамил ракетный.

Но, как уже упоминалось выше, создатели разрабатываемого сейчас ракетомобиля Bloodhound надеются разогнать своё детище до 1600 км/ч и более, вернув тем самым ракетным двигателям пальму первенства.

«Самый мощный в мире»: какими характеристиками будет обладать новый российский ракетный двигатель РД-171МВ

НПО «Энергомаш» приступило к производству опытных образцов жидкостных ракетных двигателей РД-171МВ, которые в компании называют «самыми мощными в мире». Соответствующая информация размещена на сайте госзакупок.

В опубликованном на портале техническом задании указывается, что «Энергомаш» производит закупку сортового проката литейных сталей и сплавов «для комплектации РД-171МВ в рамках опытно-конструкторской работы «Феникс». На закупку планируется потратить около 19,5 млн рублей.

«Фениксом» называют опытно-конструкторские работы, цель которых — разработка нового семейства российской ракеты-носителя среднего класса для замены ракет «Зенит».

«Прорывной проект»

Разработка РД-171МВ началась в 2017 году. Проект предусматривает создание двигателя для первой ступени проектируемой РКК «Энергия» ракеты-носителя среднего класса «Союз-5» (также известна как «Иртыш»). Помимо этого, он будет устанавливаться на сверхтяжёлой ракете «Енисей».

«РД-171МВ — самый мощный из жидкостных двигателей. Он оснащён четырьмя камерами сгорания и работает на паре кислород-керосин», — рассказал в беседе с RT научный руководитель Института космической политики Иван Моисеев.

В качестве основы для создания нового двигателя был взят советский РД-171М, который, в свою очередь, был модификацией двигателя РД-170, признанного самым мощным в истории. Его мощность составляла 230 тыс. лошадиных сил.

«Принципиальное отличие этой модели от предыдущей в том, что она сможет выводить тяжёлую нагрузку на достаточно высокие орбиты с большей мощностью. Важно отметить, что сверхмощные двигатели позволяют выводить грузы весом 20—30 тонн на орбиты», — заявил военный эксперт Михаил Тимошенко в разговоре RT.

Как отмечают в компании «Энергомаш», при создании РД-171МВ используются технологические и конструктивные решения, отработанные при эксплуатации двигателей РД-180 и РД-191.

«Мы внедряем в новую разработку в первую очередь систему регулирования, которая хорошо себя показала на двигателе РД-191, — полностью российской сборки, изготавливается у нас — и проводим дополнительные мероприятия по защите от возгорания внутренних полостей двигателя», — заявил главный конструктор НПО «Энергомаш» Пётр Лёвочкин.

Масса РД-171МВ составляет 10,3 тонны, тяга — более 800 тонн. Мощность аппарата при этом оценивается в 246 тыс. лошадиных сил, что является мировым рекордом и выводит двигатель на первое место в мире по данному показателю.

«Двигатель РД-171МВ действительно будет самым мощным в мире, — заявил генеральный директор НПО «Энергомаш» Игорь Арбузов. — Создание подобного рода конструкций — это локомотив не только конструкторской мысли, но ещё и технологический локомотив».

При работе двигателя тепловая мощность, выделяемая камерой сгорания, составляет 27 млн киловатт, что можно сравнить с мощностью крупной гидроэлектростанции. Ещё одно любопытное сравнение, о котором конструкторы рассказали общественности: турбонаддувочный агрегат двигателя развивает мощность в 180 тыс. киловатт — столько же, сколько и три атомные силовые установки крупнейших ледоколов, вместе взятые.

Для реализации проекта по созданию РД-171МВ «Энергомаш» провёл модернизацию своих производственных мощностей. Руководство предприятия отмечает, что РД-171МВ станет первым его двигателем, при создании которого в качестве подлинников конструкторской документации используются компьютерные 3D-модели, а не привычные бумажные чертежи. Это позволило сократить сроки разработки, оптимизировать процесс изготовления и снизить издержки.

«Для ускорения новых разработок мы вводим трёхмерное моделирование. Для снижения стоимости и повышения конкурентоспособности наших двигателей мы внедряем самые современные технологии, композитные материалы, новое оборудование, идёт техническое перевооружение предприятия», — рассказал Лёвочкин.

В феврале 2019 года о сборке первого образца двигателя сообщил глава «Роскосмоса» Дмитрий Рогозин. Тогда он отметил, что по мощности этому двигателю нет равных. На вторую половину декабря 2019 года запланированы огневые испытания РД-171МВ. Предполагается, что первый аппарат будет поставлен заказчику в 2021 году.

Первый двигатель РД-171МВ для новейшей ракеты среднего класса Союз-5 «Иртыш» собран на подмосковном «НПО Энергомаш» и готовится к огневым испытаниям. По мощности ему нет равных в мире pic.twitter.com/YN5KrBn0iy

Военный историк Юрий Кнутов отметил, что данный тип двигателя является более экологически чистым, чем предыдущие модели, потому что он работает на паре кислород-керосин.

«Важно отметить, что эти двигатели более экологичные, потому что там используется в качестве окислителя кислород и топливо не такое ядовитое, как гептил, которое используется в старых ракетах. Переход на новые технологии — это реальный прорыв. На мой взгляд, он позитивно скажется на развитии всей космонавтики», — заявил Кнутов в интервью RT.

По его словам, создание РД-171МВ можно назвать прорывным для российской космической отрасли.

«Этот проект можно назвать прорывным, поскольку до этого у нас была одна сверхтяжёлая ракета «Энергия», которая создавалась всем Советским Союзом. Часть её технологий осталась в бывших советских республиках, поэтому многие элементы новой сверхтяжёлой ракеты приходится создавать заново», — сказал эксперт.

Кнутов также подчеркнул, что обладание таким двигателем позволит России сохранить лидирующие позиции в двигателестроении.

«Сегодня самые полноценные двигатели делает только Россия, на втором месте идут США, а все остальные страны сильно отстают», — заявил он.

«Ни у одной страны нет подобных разработок»

По мнению академика Российской академии космонавтики Александра Железнякова, новый двигатель, как и его предшественник РД-171М, будет успешно конкурировать с зарубежными аналогами.

«Он успешно конкурирует уже более 30 лет и дальше будет конкурировать, потому что на данный момент продолжает оставаться самым мощным жидкостным ракетным двигателем в мире. Кроме того, ни у одной страны нет подобных разработок», — рассказал эксперт в интервью RT.

По его словам, продвижение этого двигателя на международном рынке связано с вопросами геополитики.

Читать еще:  Электрический триммер какое расположение двигателя лучше

«Кроме Китая, вряд ли кто-то заинтересуется, поскольку это зависит от геополитической обстановки», — пояснил он.

Схожую точку зрения выразил и военный эксперт Михаил Тимошенко.

«Этот двигатель сможет конкурировать с иностранными разработками. США вряд ли будут заинтересованы в его покупке, потому что у них есть двигатель для тяжёлых ракет. Но интерес могут проявить Евросоюз и Китай, если, конечно, они захотят выводить на орбиту что-то тяжёлое», — сказал он RT.

В свою очередь, Моисеев заявил, что двигатель вряд ли пойдёт на экспорт, поскольку такие аппараты создаются под конкретные ракеты. Пока за рубежом нет ракет, совместимых с РД-171МВ.

«Для его покупки предполагаемый покупатель должен иметь соответствующую ракету. Им заинтересуются тогда, когда кто-то начнёт разрабатывать ракету, под которую он подойдёт, но пока таких ракет не разрабатывают и в планах ни у кого нет», — сказал эксперт.

Новый «Союз»

Активная фаза разработки ракеты среднего класса «Союз-5» началась в 2016 году. Планируется, что её будут использовать как для пилотируемых миссий, так и для коммерческих пусков. Старты будут осуществляться с космодромов Байконур и Восточный.

Для этих целей на Байконуре проводятся работы по модернизации стартового комплекса в рамках российско-казахстанского проекта «Байтерек».

«Союз-5» — ракета среднего класса, которую создали на замену ракете-носителю «Зенит». Производство «Зенита» прекратили в связи с ухудшением российско-украинских отношений», — пояснил Моисеев.

На второй ступени «Союза-5» будут использоваться два двигателя РД-0124МС — модернизированные двигатели от третьей ступени ракеты «Союз-2.1Б».

В 2018 году были завершены эскизные работы, после чего «Роскосмос» заключил госконтракт с РКК «Энергия» на сумму 61,2 млрд рублей на создание и испытание ракеты «Союз-5».

В рамках лётных испытаний, запланированных на 2022—2025 годы, с космодрома Байконур будут выполнены четыре запуска «Союза-5». Согласно планам, в 2023 году будет осуществлён пуск с новым российским пилотируемым кораблём «Федерация». Аппарат будет работать в беспилотном режиме. Годом позже должен быть произведён и пилотируемый запуск.

Производиться «Союз-5» будет в РКЦ «Прогресс».

Комбинатор скорости

Как работают и на что способны гибридные двигатели для космопланов

Британская компания Reaction Engines в конце октября 2019 года провела успешные испытания предохладителя, одного из самых важных компонентов перспективного комбинированного ракетного двигателя SABRE, с помощью которого будут совершать космические полеты ракетопланы. Испытания компонента проходили на скорости воздушного потока около 5 чисел Маха и температуре 1000 градусов Цельсия. В связи с этим мы решили вспомнить историю появления комбинированных, иначе называемых гибридными, двигателей для летательных аппаратов и разобраться, как именно работает британская силовая установка.

Так покоряли скорость

На 1940-1950-е годы пришелся бум развития авиационного моторостроения — появились и начали серийно использоваться на самолетах реактивные двигатели различных конструкций. Эти силовые установки на боевых самолетах обеспечивали повышенную маневренность и лучшее ускорение по сравнению с традиционными поршневыми двигателями, а также позволяли выполнять, пусть и кратковременные, полеты на скорости, превышающей скорость звука.

В 1950-х годах началась разработка новых боевых и разведывательных летательных аппаратов, способных безопасно для себя действовать в воздушном пространстве, охраняемом системами противовоздушной обороны противника. В частности, ставка делалась на скорость полета — считалось, что чем быстрее летит самолет, тем меньше шансов у зенитной ракеты его догнать.

Необходимость наращивать скорость потребовала поиска новых конструкторских решений. Дело в том, что уже существовавшие тогда воздушно-реактивные авиационные двигатели при всех возможных ухищрениях не могли обеспечить скорость полета больше 2–2,5 числа Маха.

На большой скорости полета на входе двигателя воздушный поток резко тормозится, из-за чего происходит, помимо прочего, его сжатие и рост температуры. Это, в свою очередь, приводит к снижению эффективности работы компрессора, а затем и неэффективному сгоранию топлива.

Разработчики авиационной техники начали экспериментировать с другими двигателями. Наиболее очевидным вариантом оказался ракетный двигатель, не имеющий ограничений по скорости встречного воздушного потока, поскольку для сжигания топлива атмосферный кислород он не использует.

Такой двигатель способен обеспечивать высокие скорости полета. Например, американский экспериментальный самолет Bell X-1 уверенно развивал скорости полета, близкие к 2 числам Маха, а в 1953 году достиг скорости в 2,5 числа Маха на высоте 21,4 тысячи метров. В 1963 году ракетоплан X-15 развил гиперзвуковую скорость в 5,58 числа Маха.

Тем не менее, ракетные двигатели плохо подходили для создания серийных военных, главным образом разведывательных, самолетов. Дело в том, что они не могли обеспечить большую продолжительность полета, а учитывая политическую обстановку того времени, она была крайне желательна, поскольку СССР от США отделяет значительное расстояние.

Так исследователи начали работать над комбинированными двигателями, которые могли бы сочетать в себе свойства силовых установок разных классов.

Например, в СССР в конце 1950-х — в 1960-х годах велась разработка комбинированных ракетно-прямоточных двигателей для разведывательных беспилотных летательных аппаратов. Такие двигатели сочетали в себе ракетную силовую установку и стоящую за ней прямоточную воздушно-реактивную установку.

Если упрощенно описывать работу такого двигателя, то она выглядела следующим образом: ракетная силовая установка сжигала топливо не полностью, после чего газовая струя с не сгоревшим топливом поступала в прямоточный двигатель, где тормозилась и сжималась. Там топливо дожигалось, и отработанные газы выходили из двигателя, создавая тягу.

Аналогичные проекты существовали и в США. В целом по теме комбинированных двигателей разработки велись по нескольким направлениям. Помимо ракетно-прямоточных создавались турбопрямоточные (газотурбинный и прямоточный контуры) и ракетно-турбинные (ракетный и газотурбинный контуры).

Некоторые проекты таких силовых установок предполагали, что они смогут обеспечить скорость полета больше 3 чисел Маха, а некоторые, работающие в том числе и на водороде, — больше 5 чисел Маха. К гиперзвуковой принято относить скорость больше 5 чисел Маха.

Полет «Черного дрозда»

В конце 1960-х годов американские ВВС и Центральное разведывательное управление начали использовать для разведки принципиально новый самолет SR-71 Blackbird, способный на длительные полеты на скорости в 3,17 числа Маха.

Допустимым был и кратковременный полет на скорости в 3,3 числа Маха, но при этом необходимо соблюсти множество условий, в том числе и по нагреву носовой части летательного аппарата. В полете планер самолета мог разогреваться до 450-480 градусов Цельсия.

В 1976 году SR-71 установил рекорд скорости при полете по прямой, составивший 3529,56 километра в час (около 3,3 числа Маха) на высоте 25,9 тысячи метров (это, к слову, тоже было рекордом).

Такой скорости самолет, списанный в 1998 году, мог достигать благодаря комбинированным турбопрямоточным двигателям J58, которые сам разработчик — компания Pratt & Whitney — называл турбореактивными двигателями изменяемого цикла.

По сути, силовая установка J58 сочетала в себе обычный турбореактивный двухконтурный двигатель с форсажной камерой и прямоточный воздушно-реактивный двигатель. Воздухозаборник установки был оборудован подвижными в горизонтальной плоскости конусами.

Основную тягу при полете на скоростях до 2 чисел Маха обеспечивали турбореактивные двигатели, размещенные внутри прямоточных воздушно-реактивных. В таком режиме бóльшая часть поступающего воздуха проходила через зону компрессоров, сжималась, смешивалась с топливом и поступала в камеру сгорания.

Истекающие из камеры сгорания разогретые газы вращали турбину, которая раскручивала входной вентилятор турбореактивного двигателя. По мере роста скорости полета конусы в воздухозаборниках задвигались, постепенно отводя все больше воздуха в обходные каналы прямоточных двигателей.

При этом минимальный приток воздуха в турбореактивный двигатель все равно сохранялся, но уже просто для поддержания его стабильной работы.

При скорости полета около 3 чисел Маха конусы уже были задвинуты почти полностью — бóльшая часть набегающего воздуха сжималась за счет торможения на входе в двигатель и образования в нем ударных волн, из-за этого нагревалась и, минуя компрессоры, камеру сгорания и турбину, поступала сразу в форсажную камеру.

Там воздух смешивался с топливом и раскаленными газами из камеры сгорания турбореактивного двигателя. В таком режиме полета только 10 процентов тяги обеспечивались контуром обычного реактивного двигателя, а 90 процентов — прямоточного.

Сегодня американская компания Lockheed Martin в инициативном порядке разрабатывает разведывательный гиперзвуковой беспилотный летательный аппарат SR-72, способный выполнять полеты на скорости до 6 чисел Маха.

Разработчики утверждают, что этот аппарат также получит комбинированный двигатель, в котором будут объединены качества сразу трех силовых установок: турбореактивной, сверхзвуковой прямоточной и гиперзвуковой прямоточной воздушно-реактивной. Последние две, объединенные в одном корпусе, будут иметь с турбореактивной установкой общие воздухозаборник и сопло.

По похожей схеме для своего гиперзвукового беспилотника разрабатывает комбинированный двигатель китайский Научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт авиации в Чэнду. Его силовая установка будет сочетать в себе качества турбореактивного, ракетно-прямоточного и ракетного двигателей.

Читать еще:  Датчик давления масла на двигателе d4dd

Китайский двигатель, прошедший первый этап стендовых испытаний в январе текущего года, как предполагается, сможет разгонять беспилотный аппарат до скорости около 6 чисел Маха.

В космос на самолете

В феврале 2018 года российское Опытно-конструкторское бюро имени Люльки провело испытания комбинированного турбопрямоточного пульсирующего детонационного двигателя. Испытания установки — уменьшенного прототипа двигателя — проходили в турбореактивном и прямоточном режимах.

Частота детонации топливной смеси в новом российском двигателе составляет 20 килогерц. Силовая установка разрабатывается для применения на самолетах, способных на традиционный аэродромный взлет и полеты за пределы атмосферы.

Детонацией называется такое горение какого-либо вещества, в котором фронт горения распространяется быстрее скорости звука. При этом по веществу проходит ударная волна, за которой следует химическая реакция с выделением большого количества энергии.

В современных двигателях сгорание топлива происходит с дозвуковой скоростью. Такое горение называется дефлаграцией.

Детонационные двигатели конструктивно делятся на два основных типа: импульсные (или пульсирующие) и ротационные.

В импульсных двигателях происходят короткие взрывы по мере сгорания небольших порций топливо-воздушной смеси. В ротационных же горение смеси происходит в кольцевой камере постоянно без остановки. Детонационные двигатели способны работать в широком пределе скоростей полета — от 0 до 5 чисел Маха.

Считается, что такие силовые установки могут выдавать большую мощность, потребляя топлива меньше, чем обычные реактивные двигатели. При этом конструкция детонационных двигателей относительно проста: в них отсутствуют компрессор и многие движущиеся части.

Некоторые разработчики считают комбинированные двигатели ключом к созданию космопланов, не нуждающихся в дополнительных ступенях. В отличие от уже не используемых американских Space Shuttle или советского «Буран», которые не могли обходиться без ракет-носителей, или разрабатываемого сегодня американского SpaceShipTwo, который не может обходиться без самолета-носителя White Knight Two.

Космопланы с комбинированными двигателями смогут взлетать с наземных аэродромов и самостоятельно вылетать за пределы атмосферы. Такие аппараты можно будет использовать как для дешевой доставки небольших спутников на орбиту, так и для космического туризма.

Британская компания Reaction Engines создает собственный комбинированный двигатель для космоплана Skylon собственной же разработки (хотя изначально речь шла о небольшой ракете-носителе). Британский двигатель можно отнести к классу ракетно-турбинных комбинированных силовых установок, поскольку он будет сочетать в себе свойства турбореактивного и ракетного двигателей.

Упрощенно схема работы SABRE выглядит следующим образом: в полете воздух поступает в воздухозаборник, затем в компрессор, а потом в камеру сгорания ракетной части. Там он уже смешивается с водородом, смесь сгорает, а истекающие газы — создают тягу.

Такой режим предполагается использовать для полетов в пределах атмосферы и на скорости до 5,5 числа Маха. После превышения этой скорости воздухозаборник будет полностью перекрываться. При этом для сжигания водорода в ракетной части двигателя будет использоваться жидкий кислород из кислородных баков.

Этой схемой работы SABRE похож на комбинированный двигатель LACE, конструкцию которого в 1980-х годах предложил британский конструктор Алан Бонд.

В двигателе LACE на атмосферном участке полета жидкий кислород планировалось получать из атмосферного воздуха путем его охлаждения. Кроме того, в LACE турбина должна была раскручиваться газами, истекающими из ракетной части двигателя. Вращение турбины передавалось бы на компрессор, сжимающий воздух, который поступал бы из воздухозаборника.

Проект LACE разрабатывался в рамках засекреченной программы HOTOL, предполагающей создание космоплана. Эта программа была закрыта в 1989 году из-за нехватки финансирования.

SABRE

SABRE расшифровывается как Synergetic Air Breathing Rocket Engine, синергический воздушно-реактивный ракетный двигатель. Эта силовая установка состоит из нескольких ступеней: воздухозаборника, предохладителя, компрессора, системы охлаждения, камеры сгорания, сопла и «прямоточных дожигателей».

В полете воздух будет попадать в воздухозаборник, где будет происходить его сжатие и, как следствие, нагрев. На скоростях около 5 чисел Маха нагрев воздуха может достигать 1,5 тысячи градусов — это критично высокая температура как для самого двигателя, так и для эффективного сжигания топлива.

В предохладителе, состоящем из 16800 тончайших трубок, воздух будет охлаждаться до температуры в -150 градусов Цельсия. Внутрь трубок под давлением почти в 200 атмосфер закачивается жидкий гелий, выполняющий роль теплоносителя.

После предохладителя воздух поступает в компрессор, способный сжимать его до 140 атмосфер, после чего сжатый воздух поступает в камеру сгорания ракетной части двигателя. Тягу будут создавать отработавшие газы, истекающие из сопла.

Гелий, нагреваясь от воздуха и от этого расширяясь, в предохладителе сначала будет поступать в зону турбины, раскручивая ее. Вращение от турбины будет передаваться на компрессор.

После турбины гелий будет подаваться в охладитель. Там его температура снизится за счет теплообмена с жидким водородом, подающимся по сети трубочек из топливного бака. Нагревшийся водород из системы охлаждения частично будет поступать в камеру сгорания ракетной части двигателя.

Разработчики отмечают, что из-за нагрева в камере охлаждения будет образовываться больше нагретого водорода, чем необходимо для работы ракетной части двигателя. Излишки водорода и будут сгорать в «прямоточных дожигателях». Последние представляют собой небольшие прямоточные воздушно-реактивные двигатели, играющие двойную роль.

Во-первых, они будут сжигать излишки водорода, внося небольшой вклад в создание тяги двигателя. Во-вторых, в них из зоны забора компрессора (расположена перед ним) будут стекать излишки воздуха, не попавшие в основной контур двигателя.

На скорости более 5,5 числа Маха воздухозаборник силовой установки будет полностью перекрываться. При этом ракетный двигатель переключится на подачу окислителя — жидкого кислорода — из кислородного бака.

Отличительной чертой комбинированного двигателя SABRE разработчики называют его относительную компактность — по своим размерам он не будет превышать турбовентиляторный двигатель F135, стоящий на американских истребителях F-35 Lightning II.

Длина F135 составляет 5,6 метра, а наибольший диаметр — 1,2 метра. Двигатель имеет массу 1,7 тонны без учета дополнительных систем.

На протяжении ближайшего года Reaction Engines намерена провести серию испытаний не только предохладителя, но и нескольких других частей перспективного комбинированного двигателя.

Параллельно будет вестись сборка первого полноразмерного образца силовой установки, стендовые испытания которого планируется начать в конце 2020-го или в 2021 году. Предполагается, что космопланы с двигателями SABRE могут начать выполнять регулярные полеты в 2030-х годах.

Современные авиационные и космические разработки, помимо прочего, нацелены на уменьшение стоимости полета и запусков. Предполагается, что комбинированные двигатели помогут решить эту задачу. Но существуют и другие разработки, в том числе ротационных детонационных и гиперзвуковых прямоточных воздушно-реактивных двигателей. О некоторых из таких разработок мы рассказывали в материале «Установки на будущее».

Электрический ракетный двигатель

Электрический ракетный двигатель (ЭРД) — ракетный двигатель, принцип работы которого основан на преобразовании электрической энергии в направленную кинетическую энергию частиц [1] . Также встречаются названия, включающие слова реактивный и движитель.

Комплекс, состоящий из набора ЭРД, системы хранения и подачи рабочего тела (СХиП), системы автоматического управления (САУ), системы электропитания (СЭП), называется электроракетной двигательной установкой (ЭРДУ).

Содержание

[править] Эволюция ЭРД

В своей истории электрический ракетный двигатель постепенно увеличивал мощность, пройдя путь от ионного двигателя через холловский двигатель к МПД двигателю. Тяга увеличилась с 20-250мН до 2,5-25 Н, потребляемая мощность с 1-7 кВт до 100—500 кВт, а применение от главного тягового двигателя небольшой автоматической космической станции до главного тягового двигателя для тяжелых грузовых и пилотируемых космических кораблей.

[править] Сравнение с химическими ракетами

Различие между электрическими и химическими двигатели показано на рисунке № 2. Электрические двигатели имеют малую тягу по сравнению с химическими ракетами. Однако химические двигатели расходуют огромное количество топлива и поэтому работают только короткое время. Электрические же ракетные двигатели могут работать очень долго и за большое время способны разогнать космический аппарат до приличных скоростей. Поэтому электрические ракетные двигатели лучше всего подходят на медленные путешествия на большие расстояния, а химические ракетные двигатели — на быстрые перелеты на короткие расстояния.

Говоря другими словами электрические ракетные двигатели имеют более высокую Δv — приращение скорости за то же количество топлива. Поэтому хотя химические ракеты и имеют большую тягу, но это преимущество достигается за счет огромного расхода топлива. Причина связана с тем, что скорость истечения топлива у электрических ракетных двигателей намного выше по сравнению с химическими ракетами. А скорость истечения топлива в свою очередь определяет его удельную эффективность — получаемую энергию на единицу массы.

В общем химический ракетный двигатель можно сравнить со спринтером, пробегающим 100 метров со скоростью 10 м/с, а электрический ракетный двигатель — с марафонцем, пробегающим 40 километров со скоростью скажем 1 м/с. Правда тут есть один нюанс. В космосе нет силы трения и гравитации, поэтому любое движение является равноускоренным. Если человек первую секунду бежал со скоростью 1 м/с, то во вторую секунду его скорость уже составит 2 м/с. при тех же усилиях бегуна.

Читать еще:  Шлифовальная машинка из двигателя своими руками

Стоит отметить, что электрический ракетный двигатель можно применять только в космосе, так как его одномоментная сила тяги намного слабее гравитации Земли. Для стартов пока нет альтернативы химическому ракетному двигателю с его способностью развить мощную тягу за считанные секунды.

[править] Введение

Идея использовать для ускорения рабочего тела (РТ) в реактивных двигателях электрическую энергию возникла практически в начале развития ракетной техники. Известно, что такую идею высказывал К. Э. Циолковский. В 1916—1917 годах Р. Годдард провёл первые эксперименты, а в 30-х годах XX столетия в СССР под руководством В. П. Глушко был создан один из первых действующих ЭРД.

С самого начала предполагалось, что разнесение источника энергии и ускоряемого вещества позволит обеспечить высокую скорость истечения РТ, а также и меньшую массу космического аппарата (КА) за счёт снижения массы хранимого рабочего тела. Действительно, в сравнении с другими ракетными двигателями ЭРД позволяют значительно увеличить срок активного существования (САС) КА, существенно при этом снизив массу двигательной установки (ДУ), что, соответственно, позволяет увеличить полезную нагрузку, либо улучшить массо-габаритные характеристики самого КА.

Расчёты показывают, что использование ЭРД позволит сократить длительность полёта к дальним планетам (в некоторых случаях даже сделать такие полёты возможными) или, при той же длительности полёта, увеличить полезную нагрузку.

Начиная с середины 60-х годов в СССР и в США начались натурные испытания ЭРД, а в начале 70-х ЭРД стали использоваться как штатные ДУ.

В настоящее время ЭРД широко используются как в ДУ спутников Земли, так и в ДУ межпланетных КА.

[править] Классификация ЭРД

Классификация ЭРД не устоялась, однако в русскоязычной литературе обычно принято классифицировать ЭРД по преобладающему механизму ускорения частиц. Различают следующие типы двигателей:

ЭТД, в свою очередь, делятся на электронагревные (ЭНД) и электродуговые (ЭДД) двигатели.

Электростатические делятся на ионные (в том числе коллоидные) двигатели (ИД, КД) — ускорители частиц в униполярном пучке, и ускорители частиц в квазинейтральной плазме. К последним относятся ускорители с замкнутым дрейфом электронов и протяжённой (УЗДП) или укороченной (УЗДУ) зоной ускорения. Первые принято называть стационарными плазменными двигателями (СПД), также встречается (всё реже) наименование — линейный холловский двигатель (ЛХД), в западной литературе именуется холловским двигателем. УЗДУ обычно называются двигателями с ускорением в анодном слое (ДАС).

К сильноточным (магнитоплазменным, магнитодинамическим) относят двигатели с собственным магнитным полем и двигатели с внешним магнитным полем (например, торцевой холловский двигатель — ТХД).

Импульсные двигатели используют кинетическую энергию газов, появляющихся при испарении твёрдого тела в электрическом разряде.

В качестве рабочего тела в ЭРД могут применяться любые жидкости и газы, а также их смеси. Тем не менее, для каждого типа двигателей существуют рабочие тела, применение которых позволяет достигнуть наилучших результатов. Для ЭТД традиционно используется аммиак, для электростатических — ксенон, для сильноточных — литий, для импульсных — фторопласт.

Недостатком ксенона является его стоимость, обусловленная небольшим годовым производством (менее 10 тонн в год во всём мире), что вынуждает исследователей искать другие РТ, похожие по характеристикам, но менее дорогие. В качестве основного кандидата на замену рассматривается аргон. Он также является инертным газом, но, в отличие от ксенона имеет большую энергию ионизации при меньшей атомной массе. Энергия, затраченная на ионизацию на единицу ускоренной массы, является одним из источников потерь КПД.

[править] Краткие технические характеристики

ЭРД характеризуются малым массовым расходом РТ и высокой скоростью истечения ускоренного потока частиц. Нижняя граница скорости истечения примерно совпадает с верхней границей скорости истечения струи химического двигателя и составляет около 3 000 м/с. Верхняя граница теоретически неограничена (в пределах скорости света), однако для перспективных моделей двигателей рассматривается скорость, не превышающая 200 000 м/с. В настоящее время для двигателей различных типов оптимальной считается скорость истечения от 16 000 до 60 000 м/с.

В связи с тем, что процесс ускорения в ЭРД проходит при низком давлении в ускорительном канале (концентрация частиц не превышает 10 20 частиц/м³), плотность тяги довольно мала, что ограничивает применение ЭРД: внешнее давление не должно превышать давление в ускорительном канале, а ускорение КА очень мало (десятые или даже сотые g). Исключением из этого правила могут быть ЭДД на малых КА.

Электрическая мощность ЭРД колеблется от сотен ватт до мегаватт. Применяемые в настоящее время на КА ЭРД имеют мощность от 800 до 2 000 Вт.

ЭРД характеризуются не очень высоким КПД — от 30 до 60 %.

[править] История

В 1964 в системе ориентации советских КА «Зонд-2» в течение 70 минут функционировали 6 эрозионных импульсных РД, работавших на фторопласте; получаемые плазменные сгустки имели температуру

30 000 К и истекали со скоростью до 16 км/с (конденсаторная батарея имела ёмкость 100 мкф, рабочее напряжение составляло

1 кВ). В США подобные испытания проводились в 1968 на КА «ЛЭС-6». В 1961 пинчевый импульсный РД американской фирмы «Рипаблик авиэйшен» (англ. Republic Aviation ) развил на стенде тягу 45 мН при скорости истечения 10—70 км/с.

1 октября 1966 года трёхступенчатой геофизической ракетой 1Я2ТА была запущена на высоту 400 км автоматическая ионосферная лаборатория «Янтарь-1» для исследования взаимодействия реактивной струи электрического ракетного двигателя (ЭРД), работавшего на аргоне, с ионосферной плазмой. Экспериментальный плазменно-ионный ЭРД был впервые включён на высоте 160 км, и в течение дальнейшего полёта было проведено 11 циклов его работы. Была достигнута скорость истечения реактивной струи около 40 км/сек. Лаборатория «Янтарь» достигла заданной высоты полёта 400 км, полёт продолжался 10 минут, ЭРД работал устойчиво и развил проектную тягу в пять грамм. О достижении советской науки научная общественность узнала из сообщения ТАСС.

Во второй серии экспериментов использовали азот. Скорость истечения была доведена до 120 км/сек. В 1966—1971 запущено четыре подобных аппарата (по другим данным до 70 года и шесть аппаратов).

Осенью 1970 года успешно выдержал испытания в реальном полёте прямоточный воздушный ЭРД. В октябре 1970 года на XXI конгрессе Международной астрономической федерации советские учёные — профессор Георгий Львович Гродзовский, кандидаты технических наук Ю. Данилов и Н. Кравцов, кандидаты физико-математических наук М. Маров и В. Никитин, доктор технических наук В. Уткин — доложили об испытаниях двигательной установки, работающей на воздухе. Зарегистрированная скорость реактивной струи достигла 140 км/с.

В 1971 в системе коррекции советского метеорологического спутника «Метеор» работали два стационарных плазменных двигателя разработки Института атомной энергии им. И. В. Курчатова и ОКБ Факел, каждый из которых при мощности электропитания

0,4 кВт развивал тягу 18—23 мН и скорость истечения свыше 8 км/с. РД имели размер 108×114×190 мм, массу 32,5 кг и запас РТ (сжатый ксенон) 2,4 кг. Во время одного из включений один из двигателей проработал непрерывно 140 ч. Эта электрореактивная двигательная установка изображена на рисунке.

Также электроракетные двигатели используются в миссии Dawn. Планируется использование в проекте BepiColombo.

[править] Перспективы

Хотя электроракетные двигатели имеют малую тягу по сравнению с жидкотопливными ракетами, они способны работать длительное время и осуществлять медленные полеты на большие расстояния (например к внешним планетам Солнечной системы) [2] . Если же говорить о межзвездном полете, то электроракетный двигатель с ядерным реактором имеет небольшое ускорение, поэтому потребуются столетия для достижения нужной скорости, что позволяет использовать его только в кораблях поколений [3] [4] .

В настоящее время многими странами исследуются вопросы создания пилотируемых межпланетных кораблей с ЭРДУ. Существующие ЭРД не являются оптимальными для использования в качестве маршевых двигателей для таких кораблей, в связи с чем в ближайшем будущем следует ожидать возобновления интереса к разработке сильноточных ЭРД на жидкометаллическом РТ (висмут, литий, калий, цезий) с электрической мощностью до 1 МВт, способных длительно работать при токах силой до 5—10 кА. Эти РД должны развивать тягу до 20—30 Н и скорость истечения 20—30 км/с при КПД 30 % и более. В 1975 г. подобный РД испытан в СССР на ИСЗ «Космос-728» (РД электрической мощностью 3 кВт, работающий на калии, развил скорость истечения

Кроме России и США исследованиями и разработкой ЭРД занимаются также в Великобритании, ФРГ, Франции, Японии, Италии. Основные направления деятельности этих стран: ИД (наиболее успешны разработки Великобритании и Германии, особенно — совместные); СПД и ДАС (Япония, Франция); ЭТД (Франция). В основном эти двигатели предназначены для ИСЗ.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector