Сага о ракетных топливах

Тяга

«Сила» ракетного двигателя называется тягой. Тяга измеряется в ньютонах в метрической системе и «фунтах тяги» в США (4,45 ньютона тяги эквивалентны одному фунту тяги). Фунт тяги — это количество тяги, необходимое для удержания 1-фунтового объекта (0,454 кг) неподвижным относительно силы тяжести Земли. Ускорение земной гравитации составляет 9,8 м/с².

Одной из забавных проблем ракет является то, что топливный вес, как правило, в 36 раз больше полезной нагрузки. Потому что помимо того, что двигателю нужно поднимать вес, этот же вес и способствует собственному подъему. Чтобы вывести крошечного человека в космос, нужна огромная ракета и много-много топлива.

Обычная скорость для химических ракет составляет от 8000 до 16 000 км/ч. Топливо горит около двух минут и вырабатывает 3,3 миллиона фунтов тяги на старте. Три основных двигателя космического шаттла, например, сжигают топливо в течение восьми минут и вырабатывают около 375 000 фунтов тяги каждый в процессе горения.

Классификация, типы и виды электрических ракетных двигателей:

По принципу действия ЭРД подразделяются на три большие группы:

– электротермические (электронагревные) ракетные двигатели,

– электростатические ракетные двигатели,

– электромагнитные ракетные двигатели,

каждая из которых объединяет в себя несколько видов.

Для каждого типа и вида двигателя используется определенное рабочее тело: газ, жидкость или твердое вещество.

В электротермическом ракетном двигателе электрическая энергия служит для нагрева рабочего тела – газа до температуры 1000-5000 К. Газ, истекая из реактивного сопла (аналогичного соплу химического ракетного двигателя), создаёт тягу. В таком двигателе термическая энергия струи газа преобразуется в кинетическую энергию струи в сопле двигателя. Обычно используется сопло Лаваля, позволяющее ускорить газ до сверхзвуковых скоростей.

Электротермические ракетные двигатели подразделяются на следующие виды: омические, электродуговые, индукционные и электровзрывные.

В электростатическом ракетном двигателе ускорение одноимённо заряженных частиц рабочего тела – газа, паров металла, жидкости или твердого вещества осуществляется в электростатическом поле, которые истекая из сопла, создают тягу.

По виду ускоряемых частиц различают ионные и коллоидные ракетные двигатели.

В ионном двигателе заряженными частицами выступают положительно заряженные ионы. В коллоидном двигателе – положительно заряженные микроскопические (размером в доли микрометров) «коллоидные» частицы (капли, пылинки и т.д.), которые по размерам и массе на 4-6 порядков превышают ионы. Рабочим телом в коллоидных двигателях выступают жидкие легкоплавкие металлы (галлий, цезий, висмут и пр.) и их соединения.

В электромагнитном ракетном двигателе (также именуемый плазменный ракетный двигатель) тяга создается за счёт разгона в электромагнитном поле под действием силы Ампера рабочего тела – газа, жидкости, жидкого металла или твердого вещества (например, фторопласта), превращённого в плазму. Сила Ампера возникает в результате взаимодействия протекающего по плазме электрического тока с магнитным полем. Плазма в двигателе обычно формируется путём термической ионизации рабочего тела при пропускании его через зону горения электрической дуги (дугового разряда). Содержание ионов в газе быстро возрастает с повышением температуры и понижением давления.

По режиму работы различают стационарные и импульсные электромагнитные ракетные двигатели.

Стационарные электромагнитные ракетные двигатели работают непрерывно. Их разновидностями являются холловские двигатели (двигатели на основе эффекта Холла) и МГД-двигатели.

Импульсные электромагнитные ракетные двигатели работают в режиме кратковременных импульсов длительностью от нескольких микросекунд до нескольких миллисекунд. Варьируя частоту включений двигателя и длительность импульсов, можно получать любые необходимые значения суммарного импульса тяги.

Разновидностями импульсных электромагнитных ракетных двигателей являются пинчевые двигатели, двигатели с бегущей волной, коаксильные и линейные (шинные, рельсовые) двигатели.

На базе указанных основных типов (классов) ЭРД создаются различные промежуточные и комбинированные варианты, в наибольшей степени отвечающих конкретным условиям использования.

Фото https://www.pexels.com, https://pixabay.com

Найти что-нибудь еще?

карта сайта

электроракетный двигатель принцип работы петухов для самолетаустройство электроракетного двигателямеждународная конференция по электроракетным двигателямкосмические ядерные энергоустановки и электроракетные двигателиэлектрические ракетные двигатели космических аппаратов эрдэлектрический ракетный двигатель принцип работы своими руками

Коэффициент востребованности
1 517

Космически просто

И правда, объяснить принцип действия реактивных двигателей, к которым относятся и ракетные двигатели, можно даже ребенку. Для этого достаточно отпустить надутый воздушный шарик, который под влиянием выталкиваемого воздуха полетит в противоположном направлении. Движение и шарика, и ракеты происходит согласно третьему закону Ньютона: действию всегда есть равное и противоположное противодействие. Действие из ничего не возникает. Чтобы обеспечить действие, требуется энергия. В шарике это потенциальная энергия сжатого, в меру возможностей ваших легких, воздуха. Отличие ракеты заключается в том, что для выхода за пределы атмосферы требуется выбрасывать большие массы вещества с очень большой скоростью, что требует подвода огромного количества энергии. Это и делает ракетный двигатель.

Фото: Космический центр «Восточный» / Роскосмос

Самым распространенным типом двигателей для космических программ сегодня являются жидкостные ракетные двигатели (ЖРД), в которых в качестве топлива используются жидкие горючее и окислитель. К этому типу относится и российский РД-107/108.

Жидкостные двигатели – на сегодняшний момент самые мощные и универсальные ракетные двигатели, с помощью которых совершается большинство полетов в космос. Они отличаются высоким удельным импульсом, то есть при меньшей массе израсходованного топлива создают большую тягу. Кроме того, ЖРД позволяют активно управлять уровнем тяги и могут использоваться много раз. При этом по сравнению с другими видами ракетных двигателей, например твердотопливными, они значительно сложнее и дороже, поэтому основная их сфера применения – космонавтика и обеспечение выведения орбитальных и межпланетных аппаратов.

Как работает жидкостный ракетный двигатель

Чтобы получить полезное действие, достаточное для прорыва в космос, нужно получить большое количество энергии − эффективно сжечь большое количество топлива. Как известно, любой процесс горения представляет собой химическую реакцию окисления. И если на Земле для других видов тепловых двигателей в качестве окислителя можно использовать атмосферный кислород, то для ракетного двигателя, и тем более в космосе, окислитель и горючее надо иметь непосредственно на ракете, и лучше всего в максимально плотном и удобном для подачи жидком виде. В РД-107/108 в качестве окислителя используется жидкий кислород, а в качестве горючего – керосин.

Фото: Объединенная двигателестроительная корпорация

В камере сгорания подаваемые специальными насосами в нужном количестве и с необходимым давлением окислитель и горючее смешиваются и сгорают. Горячие (с температурой в несколько тысяч градусов) продукты сгорания в конструкции особого профиля – сверхзвуковом сопле Лаваля – разгоняются до многократно сверхзвуковых скоростей и уходят в пространство. Если умножить сумму секундных расходов масс горючего и окислителя на скорость выхода продуктов сгорания из сопла, можно в первом приближении получить силу тяги двигателя. Так, в общих чертах, можно описать схему работы жидкостного ракетного двигателя. 

Тяга

«Сила» ракетного двигателя называется тягой. Тяга измеряется в ньютонах в метрической системе и «фунтах тяги» в США (4,45 ньютона тяги эквивалентны одному фунту тяги). Фунт тяги — это количество тяги, необходимое для удержания 1-фунтового объекта (0,454 кг) неподвижным относительно силы тяжести Земли. Ускорение земной гравитации составляет 9,8 м/с².

Одной из забавных проблем ракет является то, что топливный вес, как правило, в 36 раз больше полезной нагрузки. Потому что помимо того, что двигателю нужно поднимать вес, этот же вес и способствует собственному подъему. Чтобы вывести крошечного человека в космос, нужна огромная ракета и много-много топлива.

Обычная скорость для химических ракет составляет от 8000 до 16 000 км/ч. Топливо горит около двух минут и вырабатывает 3,3 миллиона фунтов тяги на старте. Три основных двигателя космического шаттла, например, сжигают топливо в течение восьми минут и вырабатывают около 375 000 фунтов тяги каждый в процессе горения.

Далее мы рассмотрим топливные смеси твердотопливных ракет.

Электрический ракетный двигатель

Этот тип имеет самый большой потенциал развития и использования в будущем. Электрические ракетные двигатели подают большие надежды. Так, их удельный импульс может достигать значений 210 км/с. Различают 3 типа двигателей:

1. Электротермические.
2. Электростатические (ионный ракетный двигатель, например).
3. Электромагнитные.

Особенностью (про которую можно сказать, что она является и преимуществом, и недостатком) является то, что при увеличении удельного импульса необходимо меньше горючего, но больше энергии. С этой точки зрения неплохие шансы имеет ионный ракетный двигатель, который работает на газе. На данный момент он применяется на практике для корректировки траектории орбитальных станций и спутников. Ограниченность источников электроэнергии в космическом пространстве, а также проблемы с работоспособностью на высоте свыше 100 километров пока мешают их широкой эксплуатации. Большой потенциал использования имеют плазменные ракетные двигатели, в которых рабочее тело имеет состояние плазмы, но находящиеся пока только в стадии эксперимента.

С какой скоростью летают ракеты?

Прежде, чем ответить на этот вопрос, давайте поймем в чем ее измеряют. Ракеты летают чертовски быстро и говорить о привычных км/ч или м/сек не приходится. Скорость многих современных летательных аппаратов измеряют в Махах.

Непривычная величина измерения скорости появилась не просто так. Название “число Маха” и обозначение “М” предложил в 1929 году Якоб Аккерет. Оно выражается как отношение скорости движения потока или тела к скорости распространения звука в среде, в которой происходит движение. Если учесть, что скорость распространения звуковой волны у поверхности земли примерно равна 331 м/сек (около 1200 км/ч), не трудно догадаться, что единицу можно получить только если поделить 331 на 331. То есть, скорость один Мах (М) у поверхности земли составляет примерно 1200 км/ч. С набором высоты скорость распространения звуковой волны падает из-за уменьшения плотности воздуха.

Таким образом, один Мах у поверхности земли и на высоте 20 000 метров отличается примерно на 10 процентов. Стало быть и скорость тела, которую оно должно развить, чтобы получить число Маха, уменьшается. Упрощенно среди обывателей принято называть число Маха скоростью звука. Если такое упрощение не применяется в точных расчетах, его вполне можно допустить и считать примерно равным величине у поверхности земли.

Ракеты могут запускаться с самолета.

Такую скорость не так легко представить, но крылатые ракеты могут летать на скорости до 5 Махов (примерно 7 000 км/ч в зависимости от высоты). Баллистические ракеты и вовсе способны развивать скорость до 23 Махов. Именно такую скорость на испытаниях показал ракетный комплекс Авангард. Получается, что на высоте 20 000 метров, это будет около 25 000 км/ч.

Конечно, такая скорость достигается на заключительной стадии полета при спуске, но представить, что рукотворный объект может перемещаться с такой скоростью, все равно сложно.

Как видим, ракеты перестали быть просто бомбой, которую кидают далеко вперед. Это настоящее произведение инженерного искусства. Вот только хотелось бы, чтобы эти разработки шли в мирное русло, а не предназначались для разрушения.

Стартовые площадки

Запуск может осуществляться с Байконура (на базе стартового стола для ракеты-носителя «Зенит», Морского старта и Восточного).

Комплекс «Байтерек» на Байконуре

В 2004 году Казахстан и Россия заключили договор о разработке РКК «Байтерек». Поначалу предполагалось, что с этого комплекса будут осуществляться пуски РН «Ангара». Однако в 2013 года приняли решение о разработке комплекса на базе ракеты «Зенит», а также имеющейся для нее инфраструктуры. Но события 2014 года на Украине (сборка ракет проходили в Днепропетровске на заводе «Южмаш»), заставили приостановить этот проект.

После включения в Федеральную космическую программу России в 2015 году до 2025 года проекта по разработке РН среднего класса Россия предложила Казахстану совместную реализацию проекта «Байтерек» с применением этой ракеты. Комплекс планировали разработать на базе площадки космодрома № 45, который предназначен для запуска ракеты «Зенит».

Начиная с января 2018 года, инфраструктура для ракеты будет передаваться в собственность Казахстану. Площадка состоит из 2 пусковых установок: разрешенную аварией, произошедшей в 1990 году и используемую в рамках проекта «Наземный старт».

Эксперты предполагали, что российские носители при запуске с космодрома Байконур будут сбрасывать створки головного обтекателя над Китайским Синьцзян-Уйгурским автономным районом, по этой причине для обеспечения абсолютной безопасности, Роскосмос планирует арендовать в Китае участок размером около 10 000 кв. км, где запрещено строить промышленные объекты и города.

В начале лета 2017 года Игорь Комаров, глава Роскосмоса сообщил СМИ, что государственная корпорация собирается ускорить разработку комплекса «Байтерек» посредством модернизации стартового стола для РН «Зенит» на космодроме Байконур для выполнения пилотируемого старта в 2022 году.

Восточный

Морской старт

Осенью 2016 года Владимир Солнцев, президент РКК «Энергия» заявил, что график работ могут сократить до пяти лет, если проект получит от российской компании «S7 Group» дополнительную финансовую поддержку. Для этого рассматривается возможность создания ракеты «Сункар» в версии для применения ее на плавучем космодроме «Морской старт» на замену ракеты «Зенит» украинского производства, под которую приспособлен этот космодром.

Осенью 2016 года было заключено соглашение, и началась шестимесячная процедура покупки «Морского старта» корпорацией «S7 Space». Кроме того в этот день был заключен контракт о сотрудничестве между РКК «Энергия» и «S7 Group». Предполагается, что коммерческую модификацию ракеты удастся разработать не такой дорогой.

Сферы применения

Предполагается, что РН может заменить все существующие носители тяжелого и среднего классов: начиная от «Зенит» и «Союз-2» до «Протон-М» и «Ангары».

Гражданские пуски Роскосмоса

Сам по себе этот носитель не подходит для лунной программы по причине недостаточной грузоподъемности, но станет 1 и 2 ступенями будущей сверхтяжелой ракеты. В конце июля 2017 года РКК «Энергия» создала схему осуществления пилотируемой экспедиции на Луну, которая требует одного пуска ракеты «Союз-3» и 2 пусков сверхтяжелой ракеты.

Коммерческие пуски

В конце лета 2017 года Игорь Комаров, глава Роскосмоса, заявил журналистам, что многие страны, коммерческие заказчики и космические агентства проявляют серьезный интерес к пускам на «Союзе-5».

Критика

Сергей Сопов, гендиректор корпорации «S7 космические транспортные системы» считает, что «Союз-5» — это дорогостоящая, потолстевшая и подросшая ракета «Зенит». Он уверен, что к 2022 году (запланирован первый пуск) РН уже будет устаревшей и убыточной для Морского старта на фоне конкурентов.

Как работают ракетные двигатели?

Освоение космоса — самое удивительное из мероприятий, когда-либо проводимых человечеством. И большую часть удивления составляет сложность. Освоение космоса осложняется массой проблем, которые нужно решить и преодолеть. Например, безвоздушное пространство, проблема с температурой, проблема повторного входа в атмосферу, орбитальная механика, микрометеориты и космический мусор, космическая и солнечная радиация, логистика в условиях невесомости и другое. Но самая сложная проблема — это просто оторвать космический корабль от земли. Здесь не обойтись без ракетного двигателя, поэтому в этой статье мы рассмотрим именно это изобретение человечества.

С одной стороны, ракетные двигатели настолько просто устроены, что за небольшую копейку вы сможете построить ракету самостоятельно. С другой стороны, ракетные двигатели (и их топливные системы) настолько сложны, что доставкой людей на орбиту, по сути, занимаются только три страны мира.

Когда люди задумываются о двигателе или моторе, они думают о вращении. К примеру, бензиновый двигатель автомобиля производит энергию вращения, чтобы двигать колеса. Электродвигатель производит энергию вращения для движения вентилятора или диска. Паровой двигатель делает то же самое, чтобы вращать паровую турбину.

Ракетные двигатели принципиально отличаются. Ракетные двигатели — это реактивные двигатели. Основной принцип движения ракетного двигателя — это знаменитый принцип Ньютона, «на каждое действие есть равное противодействие». Ракетный двигатель выбрасывает массу в одном направлении, а благодаря принципу Ньютона движется в противоположном направлении.

Ракетный двигатель, как правило, выбрасывает массу в форме газа под высоким давлением. Двигатель выбрасывает массу газа в одном направлении, чтобы получить реактивное движение в противоположном направлении. Масса идет от веса топлива, которое сгорает в двигателе ракеты. Процесс горения ускоряет массы топлива так, что они выходят из сопла ракеты на высокой скорости. Тот факт, что топливо превращается из твердого тела или жидкости в процессе сгорания, никак не меняет его массу. Если вы сожжете килограмм ракетного топлива, вы получите килограмм выхлопа в виде горячих газов на высокой скорости. Процесс сжигания ускоряет массу.

Химический ракетный двигатель

В их основе находится химическая реакция, в которую вступают горючее и окислитель. Во время реакции продукты сгорания нагреваются до значительных температур, при этом они расширяются и разгоняются в соплах, чтобы затем покинуть двигатель. Тепло, выделяемое таким двигателем, используется на расширение рабочего тела, имеющего газообразный вид. Существует два типа механизмов такого типа.

Твердотопливные двигатели имеют простую конструкцию, они дешевы в изготовлении и не требуют значительных затрат на хранение и подготовку к эксплуатации. Это обуславливает их надёжность и желанность в использовании. Но одновременно такой тип имеет существенный недостаток – очень высокий расход топлива. Также оно состоит здесь из смеси горючего и окислителя. Более эффективным, но одновременно и сложным является жидкостный ракетный двигатель. В нём горючее и окислитель находятся в разных резервуарах и дозированно подаются в сопло. Важным преимуществом является то, что можно регулировать уровень подачи и, соответственно, скорость космического корабля. Несмотря на то что такие ракетные двигатели обладают невысоким удельным импульсом, они развивают сильную тягу. Такое их свойство привело к тому, что сейчас на практике используются исключительно они.

Полёт и результаты

Характеристики собранной ракеты:

• Длина: 1300 миллиметров

• Диаметр: 50 миллиметров

• Масса корпуса (со всеми компонентами): 1000 грамм

• Масса электроники: 180 грамм

• Масса двигателя: 440 грамм

• Масса полная: 1620 грамм

• Двигатель: ДКР-30-9-280-ПЭ(С)

• Класс: H115, максимальная тяга — 180 Н*с

• Расчётный (максимальный) апогей: 530 метров

• Время до апогея: 11,5 секунд

Взлёт ракеты

Полёт в целом получился успешным, ракета достигла апогея в 400 метров.

Ракета села с парашютом в 200 метрах от места старта.

Парашют раскрылся!

Любопытно, что на данных с акселерометра видны всплески, соответствующие работе системы спасения (мортирки).

Сырые данные с логгера

История развития реактивных двигателей

Эволюция реактивных двигателей неразрывно связана с развитием авиации. На протяжении практически всей ее истории улучшение характеристик летательных аппаратов обеспечивалось главным образом непрерывным совершенствованием авиамоторов.

Первые самолеты были оснащены поршневыми двигателями, и подобная ситуация оставалась неизменной на протяжении нескольких десятилетий. Постепенно их конструкция улучшалась, возрастала мощность, уменьшался расход топлива. Но к середине 40-х годов прошлого века стало понятно, что поршневой двигатель самолета достиг своего предела, и для дальнейшего развития необходимы совершенно другие технологии и новые конструкторские решения.

Попытки создания летательных аппаратов с реактивным двигателем предпринимались еще на заре авиации. В 1913 году французский инженер Лорен получил патент на конструкцию прямоточного реактивного двигателя (ПВРД). В 1921 году француз Максим Гийом создал проект двигателя, имевшего основные элементы современного воздушно-реактивного двигателя: камеру сгорания, компрессор и одну турбину, приводимую в движение выхлопными газами. Однако изобретатель так и не смог никого заинтересовать своим проектом. В 1928 году авиатор Фриц Стамер впервые поднялся в небо на аппарате с ракетным приводом.

Немецкий “самолет-снаряд” Фау-1 с ПуВРД на стартовой позиции. Именно такими гитлеровцы обстреливали Лондон

Интересовались изучением данной темы и в России. Важный вклад в развитие реактивного движения внесли Кибальчич, Жуковский, Мещерский, Циолковский. Последний сделал обоснование полета ракеты с жидкостным двигателем (ЖРД), а также описал многие особенности его конструкции.

В 1930 году англичанин Фрэнк Уиттл получил патент на конструкцию работоспособного турбореактивного двигателя, позже он основал компанию, создавшую первые британские РД. В 1935 году немецкий изобретатель Ганс фон Охайн разработал турбореактивный двигатель HeS, а в 1939 году в небо поднялся первый в мире летательный аппарат с ТРД. Скорость первого самолета с реактивным двигателем He 178 была выше, чем у самой быстрой поршневой машины (700 против 650 км/ч), правда, при этом он был менее экономичен и, соответственно, имел меньший радиус действия.

Немецкий Me.262 – один из первых серийных самолетов с ТРД

В СССР проект первого истребителя с ВРД был разработан конструктором Люлькой в 1943 году. Но он был «зарезан»: руководство советской авиационной отрасли не верило в перспективы таких моторов. Зато у германских конструкторов, работавших в области реактивного авиастроения и ракетной техники, подобных проблем со своим начальством не было. В 1944 году немцы сумели наладить серийное производство истребителя-бомбардировщика с двумя ТРД Me.262 и реактивного бомбардировщика Arado Ar 234 Blitz. В конце войны немецкой промышленностью также был освоен выпуск пульсирующих воздушно-реактивных двигателей (ПуВРД), которыми оснащались самолеты-снаряды Фау-1.

После войны началась настоящая эра реактивной авиации: ведущие мировые державы занялись интенсивной разработкой ВРД. Уже в 1946 году был создан первый советский реактивный Як-15 на основе трофейных немецких двигателей Jumo-004, а через год в КБ Люльки появился отечественный турбореактивный ТР-1. В 1947 году на вооружение был принят истребитель МиГ-15, оснащенный мотором РД-45. В середине 50-х годов началось серийное производство первого советского пассажирского реактивного самолета Ту-104. К этому времени СССР превратился в одного из лидеров в области авиационного моторостроения. Дальнейшее развитие технологий позволило создать двигатели, с помощью которых самолеты сначала преодолели звуковой барьер, а затем вышли на сверхзвук.

Рецепт смеси

Твердое топливо по своему составу очень разнообразно, и делится на несколько типов. Львиную долю занимают смесевые топлива — тонко измельченные и перемешанные неорганические компоненты, соединенные связующими веществами. Одни из них являются окислителями, другие горючими, они реагируют во фронте горения топлива.

Помимо горючего и окислителя в топливо добавляют многие вспомогательные вещества. Чтобы топливо было пластичным, хорошо размешивалось и могло подаваться при снаряжении в корпус двигателя шнековыми машинами, в топливо вводят пластификаторы. Чтобы придать ему твердость, в топливо добавляют эпоксидные отвердители. При длительном вертикальном положении массив топлива не должен оплывать, давать трещины и накапливать внутренние напряжения — ракеты иногда стоят на боевом дежурстве десятки лет.

Если в топливе появятся трещины, то при работе двигателя они станут нерасчетными площадями горения, оплывший свод потеряет расчетную толщину и изменит форму канала, а возникшие в массиве топлива напряжения приведут к дополнительному разгару в этих местах. Эти риски возрастают под действием взлетной перегрузки, в разы усиливающей вес и давление массы топлива. 

Физические свойства топлива регулируются связующими добавками специальных стабилизаторов. Также в топливо добавляют ингибиторы и катализаторы горения, флегматизаторы (они уменьшают чувствительность топлива к трению, что необходимо при изготовлении смеси и снаряжения двигателя), ингибиторы окисления и другие добавки.

Состав топлива ускорителя SLS таков:

• 69,6 процентов окислителя, перхлората аммония NHClO_4,
• 16 процентов металлического алюминия,
• 12 процентов полибутадиенакрилонитрила, 
• 1,96 процента эпоксидного отвердителя,
• 0,4 процента железа, которое используется в качестве катализатора.

В молекуле перхлората аммония — четыре атома кислорода. Они освобождаются при нагревании и окисляют металлический алюминий и полибутадиенакрилонитрил. Полибутадиенакрилонитрил, или бутадиен-нитрильный каучук (БНК) — это жесткая резина, которая работает и горючим, и связующим. Углерод и водород БНК при сгорании образуют газовое рабочее тело — смесь в основном углекислого газа и водяного пара. Второе горючее, мелкодисперсный алюминий, сгорает без выделения газов, но температура горения алюминия очень высока, около 3300 °С. Это повышает температуру газов, передавая им тепло сгорания металла.

Ядерные ракетные двигатели (ЯРД)

Этот тип РД в отличие от химических вырабатывает энергию не при сгорании топлива, а в результате нагревания рабочего тела энергией ядерных реакций. ЯРД бывают изотопными, термоядерными и ядерными.

История создания

Конструкция и принцип работы ЯРД были разработаны еще в 50-хх годах. Уже в 70-хх годах в СССР и США были готовы экспериментальные образцы, которые успешно проходили испытания. Твердофазный советский двигатель РД-0410 с тягой в 3,6 тонны испытывался на стендовой базе, а американский реактор «NERVA» должен был устанавливаться на ракету «Сатурн V» до того, как спонсирование лунной программы было остановлено. Параллельно велись работы и над созданием газофазных ЯРД. Сейчас действуют научные программы по разработке ядерных РД, проводятся эксперименты на космических станциях.

Таким образом, действующие модели ядерных ракетных двигателей уже есть, но пока ни один из них так и не был задействован вне лабораторий или научных баз. Потенциал таких двигателей довольно высокий, но и риск, связанный с их использованием, тоже немалый, так что пока они существуют только в проектах.

Устройство и принцип действия

Ядерные ракетные двигатели бывают газо-, жидко- и твердофазными в зависимости от агрегатного состояния ядерного топлива. Топливо в твердофазных ЯРД – это ТВЭЛы, такие же, как в ядерных реакторах. Они находятся в корпусе двигателя и в процессе распада делящегося вещества выделяют тепловую энергию. Рабочее тело – газообразный водород или аммиак – контактируя с ТВЭЛом, поглощает энергию и нагревается, увеличиваясь в объеме и сжимаясь, после чего выходит через сопло под высоким давлением.

Принцип работы жидкофазного ЯРД и его устройство аналогично твердофазным, только топливо находится в жидком состоянии, что позволяет увеличить температуру, а значит и тягу.

Газофазные ЯРД работают на топливе в газообразном состоянии. Обычно в них используется уран. Газообразное топливо может удерживаться в корпусе электрическим полем или же находится в герметичной прозрачной колбе – ядерной лампе. В первом случае возникает контакт рабочего тела с топливом, а также частичная утечка последнего, поэтому кроме основной массы топлива в двигателе должен быть предусмотрен его запас для периодического пополнения. В случае с ядерной лампой утечки не происходит, а топливо полностью изолировано от потока рабочего тела.

Преимущества и недостатки ЯРД

Ядерные ракетные двигатели имеют огромное преимущество в сравнении с химическими – это высокий показатель удельного импульса. Для твердофазных моделей его величина составляет 8000-9000 м/с, для жидкофазных – 14000 м/с, для газофазных – 30000 м/с. Вместе с тем, их использование влечет за собой заражение атмосферы радиоактивными выбросами. Сейчас ведутся работы по созданию безопасного, экологичного и эффективного ядерного двигателя, и главным «претендентом» на эту роль является газофазный ЯРД с ядерной лампой, где радиоактивное вещество находится в герметичной колбе и не выходит наружу с реактивным пламенем.