Время работы ракетного двигателя

Космическую эру человечество открыло в начале 1960-х г.г., и хотя с тех пор прошло уже 60 лет, несмотря на все успехи в деле изучения ближнего космоса, космический полет чуть дальше орбиты Луны воспринимается как задача чудовищной сложности. Почему так происходит и где те самые “караваны ракет” летящие к далеким мирам?

Техника подвела! Дело в том, что фактически сейчас мы используем такие же точно двигатели, как и на заре космонавтики. Нет, конечно с технической точки зрения современные двигатели мощнее, экономичнее и лучше старых, но существуют у них ограничения, которые до сих пор мы обойти не можем.

Пока у человечества не будет новых мощных двигателей, о далеких планетах остается только мечтать

В чем же дело? Вот в чем: жидкостные ракетные двигатели открыли человеку дорогу в космос – на околоземные орбиты. Но дальше двигаться на этой энергетической базе просто не имеет смысла: скорость истечения реактивной струи в них не превышает 4,5 км/с, а для межпланетных полетов нужны десятки километров в секунду.

Иными словами, мы имеем дело с классическим технологическим пределом, преодолеть который нельзя. Если, конечно, не создать принципиально иной двигатель для космических перелетов, например – ядерный!

В России испытали детонационный двигатель тягой две тонны

Испытания детонационного двигателя

Фонд перспективных исследований

Научно-производственное объединение «Энергомаш» провело испытания модельной камеры жидкостного детонационного ракетного двигателя, тяга которого составила две тонны. Об этом в интервью «Российской газете» заявил главный конструктор «Энергомаша» Петр Левочкин. По его словам, эта модель работала на керосине и газообразном кислороде.

Детонацией называется такое горение какого-либо вещества, в котором фронт горения распространяется быстрее скорости звука. При этом по веществу распространяется ударная волна, за которой следует химическая реакция с выделением большого количества тепла. В современных ракетных двигателях сгорание топлива происходит с дозвуковой скоростью; такой процесс называется дефлаграцией.

Детонационные двигатели сегодня делятся на два основных типа: импульсные и ротационные. Последние еще называют спиновыми. В импульсных двигателях происходят короткие взрывы по мере сгорания небольших порций топливо-воздушной смеси. В ротационных же горение смеси происходит постоянно без остановки.

В таких силовых установках используется кольцевая камера сгорания, в которой топливная смесь подается последовательно через радиально расположенные клапаны. В таких силовых установках детонация не затухает — детонационная волна «обегает» кольцевую камеру сгорания, топливная смесь за ней успевает обновиться. Ротационный двигатель впервые начали изучать в СССР в 1950-х годах.

Детонационные двигатели способны работать в широком пределе скоростей полета — от нуля до пяти чисел Маха (0-6,2 тысячи километров в час). 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 отсутствует компрессор и многие движущиеся части.

Новый российский жидкостный детонационный двигатель разрабатывается совместно несколькими институтами, включая МАИ, Институт гидродинамики имени Лаврентьева, «Центр Келдыша», Центральный институт авиационного моторостроения имени Баранова и Механико-математический факультет МГУ. Разработку курирует Фонд перспективных исследований.

По словам Левочкина, во время испытаний давление в камере сгорания детонационного двигателя составило 40 атмосфер. При этом установка надежно работала без сложных систем охлаждения. Одной из задач испытаний было подтверждение возможности детонационного горения кислородно-керосиновой топливной смеси. Ранее сообщалось, что частота детонации в новом российском двигателе составляет 20 килогерц.

Первые испытания жидкостного детонационного ракетного двигателя состоялись летом 2020 года. Испытывался ли с тех пор двигатель еще раз, неизвестно.

В конце декабря 2020 года американская компания Aerojet Rocketdyne получила контракт Национальной лаборатории энергетических технологий США на разработку новой газотурбинной энергетической установки на базе ротационного детонационного двигателя. Работы, по итогам которых будет создан прототип новой установки, планируется завершить к середине 2020 года.

По предварительной оценке, газотурбинный двигатель нового типа будет иметь по меньшей мере на пять процентов лучшие характеристики, чем обычные такие установки. При этом сами установки можно будет сделать компактнее.

Василий Сычёв

Контрольный выстрел: Почему США «убили» ракетные двигатели РД-180

Коллаж © LIFE. Фото © Shutterstock

Почему США отказались от РД-180

На двигатель РД-180 американские ракетостроители обратили внимание ещё в 1996 году. Тогда российский кислородно-керосиновый агрегат выиграл тендер и был рекомендован к применению на проектируемых ракетах «Атлас-3» и «Атлас-5». Для российских предприятий это был глоток свежего воздуха — страна переживала непростые времена, и приток твёрдой валюты на счета был как нельзя кстати. 21 год подряд на РД-180 зарабатывались неплохие деньги — за это время в России было собрано 122 ракетных двигателя, которые всегда работали как часы и выводили на орбиту не только научные и исследовательские модули и зонды, но и военные спутники Пентагона. Каждый из них обошёлся американцам примерно в 9 млн долларов, и Россия заработала на поставках РД-180 более 1,2 млрд долларов.

Фото © ТАСС / ГК «Роскосмос»

Но после того, как в США появился Илон Маск, а его SpaceX доказала, что Пентагон серьёзно переплачивает за пуски крупным компаниям (таким, как Lockheed Martin/Boeing и их United Launch Alliance), всё начало меняться. Гибкая и готовая к быстрым проектам компания Илона Маска показала, как нужно строить ракеты, в ULA задумались, как сделать запуски собственных ракет ещё дешевле. Тут как нельзя кстати появился Джефф Безос — он заявил, что сможет сделать двигатель не хуже российского, и, надо признаться, сдержал слово. Почти. Метан-кислородный BE-4 рождался медленно и тяжело, но это молодой американской компании можно простить — у Blue Origin, которую основал самый богатый человек в мире, не было опыта разработки сложных ракетных систем. При этом консультанты Конгресса США пару раз впадали в панические атаки и заявляли, что альтернативы российскому ракетному двигателю не будет как минимум до 2030 года.

Последняя партия двигателей РД-180 уже собрана, продана и доставлена клиенту, а это значит, что о новых закупках можно будет забыть. По крайней мере, на время. Но могут ли американцы просто взять и отказаться от закупок российских двигателей?

Давай по новой, Миша: Почему эпичный взрыв украинской ракеты назвали успехом

BE-4 против РД-180

Американский BE-4 построен по схожей с РД-180 схеме с замкнутым циклом работы, но уступает ему по целому ряду характеристик — давлению внутри камеры сгорания (261 бар против 134), тяге, он почти на 700 килограммов тяжелее РД-180 и к тому же о его надёжности пока нельзя говорить с абсолютной уверенностью.

Есть вопросы и по цене — некоторые американские аналитики заявляют, что себестоимость каждого BE-4 около 8,5 млн долларов, а вместе с наценкой его стоимость может возрасти до 10–11 млн долларов. Но для американцев такие аргументы значения не имеют, и вопрос, кажется, уже решён — последние ракеты «Атлас-5», на которые устанавливались российские двигатели, проданы под пуски, больше производить их не будут.

Читать еще: Характеристика двигателя форд маверик

На смену «Атлас-5» в ближайшее время планируют создать ракету «Вулкан», однако дата начала её лётных испытаний неизвестна, а ракета, по слухам, спроектирована с целым рядом ошибок. Кроме того, по словам популяризатора космонавтики Виталия Егорова, строить многоразовый вариант этой ракеты пока не планировали.

Её могут сделать частично многоразовой. Единственное, что там можно спасать, — это двигательный отсек. Полностью многоразовая первая ступень предполагается только в ракете New Glenn, которую разрабатывает та же компания Blue Origin, что создала BE-4

» ratio=»1/1″ src=»https://static.life.ru/publications/2021/9/5/1114543044131.4421.png» loading=»lazy» />

Украсть нельзя скопировать: Какие технологии Россия может отобрать у Илона Маска?

Почему Илон Маск — гений?

Отказ от запусков ракет «Атлас-5» и использования российских двигателей на какое-то время может оставить United Launch Alliance без космоса. Пока турбулентность, связанная с разработкой новых ракет, будет тревожить ULA, запуски в интересах госзаказчиков будет проводить Илон Маск, у которого давно готовы двигатель, ракета и собственные космодромы на подходе. К тому же почти сразу решается вопрос с импортозамещением — эксперты отмечают, что даже если BE-4 будет вдвое дороже российского РД-180, то отказываться от него в США не станут. Во-первых, политика «национальной безопасности», во-вторых, технологическая гонка, которая, кто бы что ни говорил, только набирает обороты и демонстрировать собственные достижения крайне важно.

Один из четырех российских ракетных двигателей РД-180, изготовленный по заказу США на НПО «Энергомаш». Фото © ТАСС / Филиппов Алексей

Чем дольше Blue Origin будет доводить «убийцу РД-180» до ума, тем больше денег получит Илон Маск — по слухам, доработкой конструкции собственных двигателей инженеры Джеффа Безоса планируют заниматься вплоть до 2024 года. Когда будут израсходованы все запасы российских двигателей и все корпуса для ракет «Атлас-5», единственным поставщиком пусковых услуг (пусть и на время) останется Илон Маск.

Гениальный вор или талантливый инженер: 5 российских изобретений, на которых Илон Маск заработал миллиарды

Россия наносит ответный удар?

История с отказом США от РД-180 неприятная, но, тем не менее, не смертельная. Спрос на российские ракетные двигатели в США по-прежнему сохраняется. Летом 2021 года стало известно, что Россия начала продажи двигателей РД-181, которые устанавливают на ракеты Antares, поэтому говорить о том, что США отказываются от российских технологий, было бы неправильно. Но и в России есть проблемы. Например, разработка метан-кислородного двигателя РД-0169, который может стать главным конкурентом американских Raptor и BE-4, по слухам, запаздывает — создание опытного прототипа сдвинулось на 2025 год.

К тому моменту, как этот двигатель появится в России, ситуация на рынке пусковых услуг обострится до предела. Активную борьбу между собой будут вести сразу три ключевых игрока — SpaceX Илона Маска, Blue Origin Джеффа Безоса и российские поставщики космической техники. Маск первым вышел на технологический пик и пока лидирует как в космической гонке, так и в умении договариваться с правительством США о финансировании. Двигатель BE-4 Джеффа Безоса пока не воспринимается экспертами как беспроблемный, а Россия продолжает поставлять США кислородно-керосиновые двигатели, которые являются одними из самых надёжных в мире, но параллельно отстаёт в разработке новой ракеты и принципиально нового двигателя.

Илон Маск наносит ответный удар: 5 технологий SpaceX, которые могут «убить» российскую космонавтику

Кому достанутся многомиллионные контракты на пусковые услуги в ближайшие десять лет, станет ясно лишь после того, как все участники решат сложные проблемы, связанные с разработкой и производством новейшей техники. Для Blue Origin принципиальным вопросом остаётся создание ракеты New Glenn и двигателя BE-4, для России — двигателя РД-0169 и ракеты «Союз-5». Тот, кто сможет предложить заказчикам пусков самые выгодные условия, и победит в космическом состязании. И шансы на успех всех участников, включая Россию, высоки как никогда.

Статьи
двигатели
рд180
рд181
NASA
Илон Маск
spacex
blueorigin
Космонавтика
Наука и Технологии

Комментариев: 1

Интересно, на каких движках американцы летали на Луну полвека назад?

Ядерный импульсный двигатель [ | ]

Атомные заряды мощностью примерно в килотонну на этапе взлёта должны взрываться со скоростью один заряд в секунду. Ударная волна — расширяющееся плазменное облако — должна была приниматься «толкателем» — мощным металлическим диском с теплозащитным покрытием и потом, отразившись от него, создать реактивную тягу. Импульс, принятый плитой толкателя, через элементы конструкции должен передаваться кораблю. Затем, когда высота и скорость вырастут, частоту взрывов можно будет уменьшить. При взлёте корабль должен лететь строго вертикально, чтобы минимизировать площадь радиоактивного загрязнения атмосферы.

В США космические разработки с использованием импульсных ядерных ракетных двигателей осуществлялись с 1958 по 1965 год в рамках проекта «Орион» компанией «Дженерал Атомикс» по заказу ВВС США.

Читать еще: Чем накрыть двигатель ваз 2107

По проекту «Орион» проводились не только расчёты, но и натурные испытания. Лётные испытания моделей летательного аппарата с импульсным приводом (для взрывов использовалась обычная химическая взрывчатка). Были получены положительные результаты о принципиальной возможности управляемого полёта аппарата с импульсным двигателем. Также для исследования прочности тяговой плиты проведены испытания на атолле Эниветок. Во время ядерных испытаний на этом атолле покрытые графитом стальные сферы были размещены в 9 м от эпицентра взрыва. Сферы после взрыва найдены неповреждёнными, тонкий слой графита испарился (аблировал) с их поверхностей.

Программа развития проекта «Орион» была рассчитана на 12 лет, расчётная стоимость — 24 миллиарда долларов, что было сопоставимо с запланированными расходами на лунную программу «Аполлон» («Apollo»). Интересно, что разработчики проводили предварительные расчёты постройки на базе этой технологии корабля поколений с массой до 40 млн тонн и экипажем до 20 000 человек [6] . Согласно их расчётам один из уменьшенных вариантов такого ядерно-импульсного звездолёта (массой 100 тыс. т) мог бы достичь Альфы Центавра за 130 лет, разогнавшись до скорости 10 000 км/с. [7] [8] Однако приоритеты изменились, и в 1965 году проект был закрыт.

В СССР аналогичный проект разрабатывался в 1950—70-х годах [9] . Устройство содержало дополнительные химические реактивные двигатели, выводящие его на 30—40 км от поверхности Земли; затем предполагалось включать основной ядерно-импульсный двигатель. Основной проблемой была прочность экрана-толкателя, который не выдерживал огромных тепловых нагрузок от близких ядерных взрывов. Вместе с тем были предложены несколько технических решений, позволяющих разработать конструкцию плиты-толкателя с достаточным ресурсом. Проект не был завершён. Реальных испытаний импульсного ЯРД с подрывом ядерных устройств не проводилось.

[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 %.

Многоступенчатая ракета

Чтобы преодолеть притяжение Земли, летательный аппарат должен развить горизонтальную скорость около 7,9 км/сек. Эта скорость называется первой космической скоростью. Получив такую скорость, он будет двигаться вокруг Земли по концентрической орбите и станет искусственным спутником Земли. При меньшей скорости он упадёт на Землю.

Чтобы покинуть орбиту Земли, аппарат должен обладать скоростью 11,2 км/сек. Эта скорость называется второй космической скоростью. А космический аппарат, получивший такую скорость, становится спутником Солнца.

Каждое небесное тело имеет свои значения космических скоростей. Например, для Солнца вторая космическая скорость равна 617,7 км/сек.

Вес топлива, необходимого для получения даже первой космической скорости, по расчётам превышает вес самой ракеты. А ведь кроме топлива, она должна нести ещё и полезный груз: экипаж, приборы и т.п. Понятно, что такую ракету построить невозможно. Но Циолковский нашёл решение и этой задачи. А что если механически скрепить вместе несколько ракет? Учёный предложил направлять в космическое пространство целый «ракетный поезд». Каждая ракета в таком «поезде» называлась ступенью, а сам «поезд» — многоступенчатой ракетой.

Двигатель первой, самой большой ступени, включается при старте. Она получает ускорение и сообщает его всем остальным ступеням, которые по отношению к ней являются полезной нагрузкой. Когда всё топливо выгорит, эта ступень отделяется от ракеты и сообщает свою скорость второй ступени. Далее таким же образом разгоняется вторая ступень, которая также отделится от ракеты, когда закончится топливо. И так будет до тех пор, пока не закончится топливо в двигателе последней ступени ракеты. Тогда и эта ступень отделится от космического корабля, а он займёт свое место на космической орбите.

0 0 голоса

Рейтинг статьи

Время работы ракетного двигателя

В России испытали детонационный двигатель тягой две тонны

Читайте также

4. МОЩНОСТЬ ВЗРЫВА

ТАКТИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ РАКЕТ И РАКЕТНОГО ВООРУЖЕНИЯ. ВЕЛИКОБРИТАНИЯ

4. Мощность взрыва

КЛАССИФИКАЦИЯ РАКЕТНОГО ОРУЖИЯ

Выхлоп двигателя дымный. В картер двигателя поступает повышенный объем газов

2. СВОЙСТВА РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ

Тяга ракетного двигателя

Экономичность ракетного двигателя

3.4.1. Что такое мощность микроволн

Электрические измерения: напряжение, ток, сопротивление, мощность

Двигатель не развивает полную мощность. Его приемистость недостаточна