Club Aurora

Ракетите: II част – конструктивни особености

февруари 10th, 2014 by

В предишната си статия за ракетите ви запознах с физиката на ракетното движение, така че сега би трябвало да ви се е изяснило, поне донякъде, кое кара ракетата да лети. Днес ще се спрем на някой от характерните особености на ракетите от конструктивна гледна точка. Или с други думи – какво трябва да има една ракета, за да бъде ракета.

Тук ще направим уговорката, че разгледаме една конвенционална ракета – онова, което повечето хора си представят, като чуят думичката „ракета“. Нещо такова:

На тази картинка съм обрисувал съвсем схематично основните компоненти, които притежават всички стандартни ракети. Остава да разберем какво се крие зад тези понятия.

  • Обтекател

Движейки се в земната атмосфера, ракетата трябва да се „пребори“  с две сили – гравитационната  сила и силата на въздушното съпротивление. Тъй като обикновено искаме да откараме ракетата ни колкото се може по-надалеч, то целта е тези две сили да се сведат до минимум. Близко е до ума, че силата на тежестта на ракетата намаляваме като намаляваме и масата на самата ракета, използваме леки материали и т.н. Но въпросът с въздушното съпротивление не е толкова лесен. Никак даже. От една страна ние трябва да намалим площта на ракетата, обтичана от въздуха, за да се минимизира триенето (т.е. ракетата трябва да бъде възможно най-тясна), а от друга – трябва да подберем перфектната аеродинамична  форма на ракетата, така че тя да се обтича плавно (ламинарно) от въздуха. Ако при обтичането се образуват турбулентни завихряния, това води до допълнително въздушно съпротивление, което  може многократно да надхвърли съпротивлението от триене, а освен това и значително влошава устойчивостта на полета.

За начина на обтичане  на ракетата най-голяма роля играе предната част, която посреща въздушния поток. Там именно се поставя обтекателя. Но каква трябва да бъде неговата форма? Това се определя изцяло от скоростта на ракетата, тъй като обтичането с дозвуков поток е коренно различно от обтичането със свръхзвуков поток. Ако ракетата ни е предназначена за дозвуков полет, то теорията и практиката показват, че най-добрата форма на обтекателя е параболичната (объл нос). В свръхзвуковия диапазон обаче картинката се променя и предпочитана започва да става острата конусообразна форма. Колкото по-бързо се движи ракетата, толкова по-остър трябва да е обтекателя й. Тук обаче се появява нов проблем – при много високи свръхзвукови скорости ракетата се нагрява значително и острите ръбове изобщо не са желани. В този случай отново започват да се използват заоблени форми, чрез които топлината се разпределя по-плавно.

Въздушното съпротивление в зависимост от формата на обтекателя. Посочената графика е за дозвукови скорости.

Постигането на идеална форма на обтекателя на ракетата  на практика е невъзможна задача. Представете си само една космическа ракета – първоначално полетът й е дозвуков, след това – свръхзвуков, а накрая излиза в космическия вакуум, където  няма въздушно съпротивление. Във всеки етап от полета на ракетата оптималната форма на обтекателя е различна и колкото по-високо отива ракетата, толкова по-малко значение има тази форма. Една такава ракета  се ускорява до свръхзвукова скорост само за около минута, но тъй като атмосферата е най-гъста в началото на полета, тогава и въздушното съпротивление е най-голямо в сравнение с останалите етапи на полета и затова би могла  да се избере тъкмо обла форма на обтекателя. По-нагоре в свръхзвуковите скорости тази форма няма да е най-добрата, но дизайнът на една ракета (или на каквото и да е всъщност) е точно това –  въпрос на компромиси.

Освен да определя аеродинамиката на ракетата, обтекателят има и друга важна задача – в него обикновено се разполага автопилотът на ракетата и комуникационното оборудване. Там се слага и полезният товар на ракетата – сателитът, който трябва да бъде изведен в орбита, или боеприпасът, който трябва да порази врага.

  • Корпус

Корпусът на ракетите е кух цилиндър, чиято единствена цел е да помещава горивото на ракетата и нейния двигател. Към него се поставят две простички, но противоположни по природа изисквания – да е колкото се може по-лек и колкото се може по-здрав. Конструкцията на корпуса силно зависи от размерите на ракетата – ако ракетата е малка и лека, е достатъчно да се използва тръба в прекия смисъл на думата, която се изработва от полимер, композитен материал  или лек метал, с дебелина на стената от порядъка на милиметри. Но при огромните космически ракети това не би свършило никаква работа. Една 200-тонна ракета би се смачкала от собствената си тежест, още докато е на стартовата площадка.  За да не се случи това, масивните ракети имат по-усложнена конструкция на корпуса, наподобяваща тази на фюзелажа на самолетите. Формата на корпуса се задава от множество здрави рамки с пръстеновидна форма, съединени помежду си с метални елементи, простиращи се надлъж по ракетата и наричани стрингери. От външната страна на този „скелет”се поставя обшивката, която посреща въздушното натоварване и го предава равномерно на силовите елементи – рамките.

Това е външният резервоар на космическата совалка – можете да видите неговата конструкция, която е подобна на тази на повечето големи ракети. Изображение: NASA

Типът на ракетата също оказва влияние върху конструкцията на корпуса й. Например ракетите, използващи твърдо гориво, извършват изгарянето му направо в корпуса на ракетата. Това означава, че корпусът трябва да понася допълнително натоварване от високото налягане вътре и следователно обшивката ще бъде по-дебела. Най-голямата твърдогоривна ракета (твърдогоривните ускорители на американската космическа совалка)  има обшивка, дебела 1,217 cm. Като се има предвид, че ускорителят е висок 45,46 m и има вътрешен радиус  184,25 cm можем да изчислим, че само на обшивката се падат 7 кубични метъра, които при плътността на алуминиевите сплави, използвани за направата й, дават над 20 тона. 20 тона само за обшивката!

  • Двигателна установка

Задвижването на ракетите е голяма тема от инженерна гледна точка. Толкова голяма, че ще я разгледаме някой друг път малко по-подробно. Сега-засега можем да кажем само, че в огромното мнозинство от ракетите реактивната сила се създава посредством химическа реакция – изгаряне на гориво. Затова и тези ракети се наричат химически. Забележете на първата картинка по-горе, че ракетите се зареждат както с гориво, така и с окислител. Всички останали конвенционални горивни двигатели използват за изгарянето на горивото кислород от атмосферата. Ракетите обаче летят на височина, където кислородът е крайно недостатъчно, ако изобщо го има, и затова те се зареждат освен с гориво и с кислород съдържащи съединения.

Естествено  има и други химически реакции освен горенето на гориво, които също вършат работа за създаване на реактивна сила. Поне донякъде. Например смесването на ментови бонбонки с диетична кола, води до забележителни резултати, както можете да се убедите:

  • Сопло

Соплото всъщност е неделима част от двигателната установка, но поради важността му, то често се разглежда отделно. Важно е, защото от неговата конструкция зависи с каква скорост газовете, получени при изгарянето на горивото, ще напуснат ракетата. Както си спомняте от теорията на ракетното движение, тази скорост трябва да бъде колкото се може по-висока, за да бъде ракетата максимално бърза.

Принципът е следният – в горивната камера сме получили газове с високо налягане, което по законите на механиката на флуидите, трябва да преобразуваме в кинетична енергия – т.е. скорост на газа. За целта се използва ефектът на Бернули: ако имаме една тръба със стесняващо се сечение и в нея протича някакъв флуид – течност или газ –  той непрекъснато увеличава скоростта си, докато тръбата се стеснява, а същевременно налягането му намалява. Ето така:

Тъмните цветове означават високо налягане, а светлите – ниско. Изображение: wikipedia.org / Thierry Dugnolle

Нещо подобно наблюдаваме и в природата при реките – там, където речното корито е широко, течението на водата е бавно, а при стеснените участъци се получават бързеи.

Ракетните сопла приличат именно на стесняваща тръба, в която газът се ускорява. Но при повечето ракети това е само половината от историята. Изгорелите газове се ускоряват до звукова скорост в стесняващото се сопло и тогава се случва нещо странно. Соплото почва да разширява сечението си, а при това вече свръхзвуковите газове не губят скорост, а продължават да се ускоряват! Това е така, защото свръхзвуковият поток се държи противоположно на дозвуковия – скоростта му се увеличава в разширяваща се тръба и се намалява  в стесняваща се. В крайна сметка за да ускорим ракетните газове до свръхзвукова скорост, формата на соплото (наричано в този случай сопло на Лавал) трябва да е първоначално стесняваща се, а след това разширяваща се:

Тази графика показва как се изменят температурата, налягането и скоростта на изходящия газ в зависимост от сечението на соплото. С М = 1 е отбелязан участъка, за който скоростта на газа е свръхзвукова. Изображение: wikipedia.org

Формата на соплата  е от решаващо значение за представянето на ракетата. Експериментално е установено, че формата на стесняващата се секция и „гърлото” не играят голяма роля, но разширяващият се участък е важен. Дали той трябва да е камбанообразен или пък конусообразен? В първите ракети били използвани конусообразни сопла, поради простотата на изработката им. Най-добри са продълговатите сопла с малък ъгъл на конусност, но те увеличават масата на ракетата и сложността на конструкцията, така че оптималният ъгъл всъщност е по-висок, отколкото трябва – между 12 и 18 градуса.

Днес мнозинството от ракетите имат камбанообразна форма на соплото – първоначално ъгълът му на разширяване е голям (до 50 градуса) и към края се стеснява. По този начин векторът на скоростта  на газовите частици става успореден на оста на ракетата и от тук движението  е по-ефективно. (При конусът имаме газови частици, които излизат под някакъв ъгъл спрямо оста и така допринасят по-малко за възходящото движение на ракетата).

Но това е идеалната ситуация. В действителност формата на соплото, точно като обтекателя, е оптимална само за една височина. За всички останали височини тя води до нежелани загуби от тягата:

Изображение: http://www.aerospaceweb.org

  • Система за управление на полета

Построяването на добър ракетен двигател е само част от проблема по конструирането на добра ракета. Също толкова големи усилия трябва да се вложат за осигуряването на устойчивост и управляемост на ракетата. Всички ротации и осцилации на ракетата са нежелателни и е необходимо да се предвидят средства за парирането им. Най-просто е това да стане чрез аеродинамична компенсация – стабилизатори, които се поставят в края на ракетата. Ако ракетата се отклони мъничко, въздушният поток няма да я обтича симетрично, а ще създаде сила F в стабилизаторите (приложена в т.нар. център на налягането), която ще се стреми да завърти ракетата около центъра на тежестта Cg докато оста й отново не стане успоредна на вектора на скоростта. Така че необходимото условие ракетата да бъде устойчива, е центърът на налягането да бъде разположен след центъра на тежестта. А ако искаме да управляваме полета на ракетата, можем да сложим в края на стабилизаторите отклоняеми кормила, чието завъртане около оста им води до завъртане на цялата ракета.

Този начин на управление на ракетата обаче е ефективен само на височини, при които въздухът е достатъчно плътен за да създаде напор в кормилата с необходим интензитет. Във високата атмосфера или космоса такова управление е напълно безсмислено. А има и друг проблем – стабилизаторите увеличават въздушното съпротивление и така намаляват крайната скорост и максималната далечина на ракетата.

По-хитрият вариант за управление и стабилизация  на ракетата е да отклоняваме изходящата струя газове чрез система за управление на вектора на тягата (УВТ). Най-общо тази система се състои от индикатор за положението на ракетата, изчислително устройство и механизъм, изменящ посоката на вектора на тягата. За първи път система за УВТ е била използвана при немската ракета V-2, която в края на Втората световна война е вгорчавала живота на Съюзниците. Тя се е състояла от жироскопи, показващи на какъв ъгъл спрямо желания курс и тангаж се е отклонила надлъжната ос на ракетата, и електрическа система, предаваща отклонението на жироскопите към двигателя.  В соплото на двигателя, директно в реактивната струя, били разположени четири графитни кормила, които според електрическия сигнал от жироскопите се отклонявали на известен ъгъл и така се променял вектора на тягата. Макар че кормилата създавали скокове на уплътнение в свръхзвуковия изходящ поток и така намалявали ефективната тяга, тази система била изключително надеждна и силно допринесла за успеха на ракетите V-2. В действителност подобни кормила се използват и до днес при конструирането на системи за УВТ.

Пленена ракета V-2, атракция във въздушно шоу след края на Втората световна война. Подобно на тази ракета нейният създател – Вернер фон Браун също попада в ръцете на американците и става архитектът на американската космическа програма. Снимка: Midmarsh John

В съвременните ракети най-разпространените начини за УВТ са два  – чрез отклоняване на целия двигател, свързан с карданно съединение към ракетата (при течногоривните ракети) или чрез отклоняване на самото сопло (при твърдогоривните ракети). Карданното отклонение на двигателите има важни предимства пред останалите начини за УВТ – реализира се сравнително просто, може да се използва по време на целя полет, докато работи двигателя, а загубите на теглителна сила са много малки. Проблемът е, че се намалява надеждността на ракетата, тъй като се поставят изисквания за гъвкавост на линиите, по които се доставя горивото.

При големите ракети е критичен контролът върху управляемостта на твърдогоривните ускорители, които в началния етап от полета създават най-голяма тяга. При тях обаче УВТ е възможно единствено чрез отклонение на соплото, което се закрепя шарнирно към ракетата. Отклонението се извършва чрез хидравлични и пневматични задвижвания, а при малки мощности – и чрез електромеханично задвижване. Соплото трябва да се отклонява на ъгли до 120 спрямо надлъжната ос на ракетата за ефективно управление на полета, което е голямо инженерно предизвикателство, особено при мощни ускорители – механизмът за преместване трябва да противодейства на голямото налягане на изходящите газове и да работи в условия на много високи температури и вибрации. Освен това възниква и нуждата от специални уплътнения на лагерите на соплото, които да не позволяват на реактивната струя да изтича през  тях. Затова се търсят начини за УВТ, при които не се използват движещи се части. По принцип най-добре от инженерна гледна точка е да постигнем целите си, без да прибягваме до механиката.

Отклоняемо сопло

Решение в тази насока е следният способ: да се впръсква в изходящата струя от соплото малко количество охладена, плътна течност. За тази цел по вътрешната повърхност на соплото се разполагат радиално инжектори, а впръскваната течност отнема топлина за изпаряването си от изходящата струя и по този начин създава асиметрия в налягането на струята. Така ракетата се накланя към тази страна, в която е впръсната течност в соплото. УВТ се свежда просто до управление на инжекторите в соплото, но недостатъкът на това управление е, че то не е толкова ефективно като отклоняемото сопло и води до намаляване на теглителната сила.. А пък и течностите, използвани за охлаждане на струята, обикновено са силно отровни…

Най-добре е да имаме повече от един ракетни двигатели разположени радиално един до друг. Чрез контролиране на изходящата струя на четири отделни и неподвижни двигатели се постига пълен контрол върху тангажа и курса на ракетата, а теглителната сила на ракетата намалява само в рамките на 2 – 15 % от номиналната.

  • Ракетните степени

Една от основните задачи на Константин Циолковски, изследвайки ракетното движение, е била да докаже, че е възможно ракета да  напусне Земята и да отиде в орбита около нея. Резултатите, които получил ученият обаче не били обнадеждаващи. Барутните ракети по онова време имали максимална ефективна скорост от около 2 000 m/s. От долната графика се вижда, че при това положение максималната скорост, която може да придобие ракетата, е от порядъка на 6 km/s и то при невъзможно голямо съотношение на масите.

Дори тогава обаче ракетата не би могла да отиде в околоземна орбита, тъй като минимална скорост за това (нарича се първа космическа скорост) е 7,9 km/s. При това положение Циолковски предложил два подхода за повишаване на максималната скорост на ракетите, които всъщност са белязали подема на тяхното развитие през ХХ век. Според единия подход трябва да се увеличава специфичния импулс на ракетата, което ще рече да се повишава температурата в горивната камера и да се използват горива с ниска молекулярна маса. Идеалният вариант в случая на ракетите, задвижвани от химическа реакция, е течногоривна ракета, използваща течен водород и кислород, при което се достига ефективна скорост от около 4 000 m/s. Една такава ракета би могла да бъде построена и изпратена в орбита, но тя би била огромна, тъй като необходимото съотношение на масите ще е около  практическата граница (10). Ето защо се налага качествено различен подход при конструирането на ракети – използването на няколко ракетни степени. Това именно е другата идея, изложена от Циолковски през 1924 г. в неговата статия „Космические ракетные поезда” („Космически ракетни влакове”).

В основата на идеята за използване на множество ракетни степени стои много прост, интуитивен принцип – когато вече сме изчерпали горивото в даден отсек от ракетата, ние вече не се нуждаем от този отсек, за нас той става излишен багаж, от който трябва да се отървем. Теглителната сила ще остане същата, но масата на ракетата ще намалее, с което ще увеличи ускорението й. Ракетните степени всъщност представляват отделни ракети с отделни двигатели, които след изчерпване на горивото си се отделят от конфигурацията с полезния товар. В този случай промяната на скоростта на цялата ракета е равна на сумата от промените на скоростта за всяка една от степените:

Тук ΔVi се определя като ΔVi =  u * ln (M0i / mi), където u e скоростта на изходящите газове, M0i е масата на цялата ракета в момента на възпламеняване на степента i, а mi е масата на ракетата, след като степента е изгорила горивото си, но преди тя да бъде изхвърлена.

Ориентировъчно една двустепенна ракета би достигнала до около 25% по-висока максимална скорост спрямо едностепенна ракета при едни и същи маси и двигатели; а ако ракетата е тристепенна, максималната й скорост би била с около 30%  по-висока спрямо едностепенната. При това тези сметки са извършени, при условие че горивото е равно разпределено в степените на ракетата, които имат еднакви собствени маси и еднакви параметри на двигателите.  В действителност многостепенните ракети не се конструират така и най-често имат различни маси и различни двигатели. За да бъде полетът максимално ефективен, най-общо всяка следваща степен трябва да има по-малка маса и по-голям специфичен импулс.  Но посоченият по-горе пример показва друга характерна особеност при многостепенните ракети – с увеличаване на степените максималната скорост се увеличава все по-малко и е практически неизгодно да се използва конфигурация с повече от четири степени, още повече че с всяка следваща степен се усложнява конструкцията на ракетата и се увеличава вероятността за отказ и провал на полета.

Ракетните степени могат да се разполагат последователно или паралелно. При последователно разполагане степените се стартират една след друга, докато при паралелната конфигурация те работят едновременно. При паралелната многостепенна ракета първата (наричана и нулева) степен има вида на няколко (2 – 6) по-малки ракети – ускорители (или още бустери), които са разположени около главната степен. Чрез тях се повишава теглителната сила на ракетата в началната фаза от полета, когато теглото и аеродинамичните съпротивления са най-големи. След като изразходят горивото си, ускорителите (обикновено те са твърдогоривни) се отделят от главната степен, като по този начин може да се контролира и траекторията на ракетата.

Следва продължение…

avatar

About Еmil Petkov

Емил е авиационен инженер, който се опитва да предаде тук своите знания и опит. Намира космоса за вълнуващо място и се интересува как чрез новите технологии ще се приближим до него.

2 Responses to Ракетите: II част – конструктивни особености

    • avatar
      Виктор Малеев says:

      Жалко,нещо не е наред!Останах без отговор,а любопитството ми ме човърка ли човърка.

Вашият коментар

Вашият имейл адрес няма да бъде публикуван. Задължителните полета са отбелязани с *
css.php
Page generated in 0,440 seconds. Stats plugin by www.blog.ca