Club Aurora

Твоят прозорец към космоса.

Ракетите: ІІІ част – ракетни двигатели
Днес ще се върнем към темата за ракетите, като ви разкажа за техния най-важен елемент – ракетния двигател. Преди това обаче е желателно да... Ракетите: ІІІ част – ракетни двигатели

Днес ще се върнем към темата за ракетите, като ви разкажа за техния най-важен елемент – ракетния двигател. Преди това обаче е желателно да се запознаете (освен ако вече не сте го сторили) със статията за физиката на ракетното движение и статията за основните компоненти на ракетите.

Как ще осигурим теглителната сила за ракетата или с други думи какъв да е нейният двигател зависи изцяло от предназначението на ракетата и условията на работа – наземни (в атмосферна среда) или космически (във вакуум). Днес почти всички конвенционални типове ракетни двигатели извършват в себе си термодинамично разширение на флуид, при което вътрешната му енергия се преобразува в кинетична енергия, изразходвана за движението. Има няколко принципни варианта за постигането на този ефект.

  • Прости реактивни двигатели

Най-лесният от тях е в ракетата да бъде зареден газ под налягане, който регулируемо да се изпуска, така че реакцията от изтичането му да задвижва ракетата – подобно на изпускащ въздух детски балон. Тази идея има едно-единствено предимство (простота) и един-единствен огромен недостатък (нищожна ефективност), правещи я подходяща най-вече за задвижването на ракети-играчки. Сред ракетомоделистите има много популярна модификация на този начин на задвижване – т.нар. водни ракети. (Подробен любителски сайт, в който можете да откриете всевъзможна информация за изработването на тези ракети е http://www.aircommandrockets.com) За направата им ракетомоделистите взимат пластмасова (или алуминиева) бутилка и я пълнят донякъде с вода. В оставащия обем с обикновена крачна помпа или въздушен компресор се вкарва въздух, чието налягане в бутилката на някои любителски конструкции достига до 10 atm. При запуск на ракетата въздухът тръгва да излиза с висока скорост, като увлича със себе си и водата, която поради по-голямата си плътност, създава по-висока тяга на ракетата, отколкото ако изтичаше само въздух. В резултат получената ракета достига височина от няколко десетки до няколкостотин метра, както можете да се убедите от това видео:

Всъщност подобен принцип на задвижване се използва не само при любителски ракети, а и при задвижването на малки сателити. В космоса няма въздушно съпротивление, така че и малките ускорения вършат работа. Неголям  резервоар с газ под високо налягане (най-често азот или инертен газ), клапан и сопло могат да осигурят маневрирането на малки и непретенциозни сателити. Тази система е била използвана масово при първите сателити, а днес с широкото навлизане на микро и наносателити изживява ренесанс.

Този прост реактивен двигател, използващ охладен ксенон за работно вещество, е интегриран в редица сателити, включително европейската изследователска мисия PROBA-2. Снимка: Surrey Satellite Technology Limited

Подобна система на задвижване се използва и при маневрирането на космонавти. Или поне се използваше в не толкова далечното минало. Свободно реещият се човек в космоса на тази снимка е Робърт Стюърт, нарамил установката Manned Maneuvering Unit (MMU) по време на мисия със совалката Чаленджър. Снимка: NASA

 

  • Химически ракетни двигатели

Начините за създаване на реактивна сила са много разнообразни, но ако искаме да произведем голяма тяга, един от тях просто отвява конкуренцията – нужна ни е контролираната химична реакция, при която изгаря някакво гориво. При тази реакция между две вещества – гориво и окислител – се получават продукти, чиято температура в горивната камера може да достигне достигне до 2 500 и 4 1000 С, и те се ускоряват през ракетното сопло до скорости от порядъка на 1 800 до 4 500 m/s. Тези огромни температури и скорости поставят също толкова огромни инженерни предизвикателства и извеждат иначе така простите по принцип ракети до върховете на техническата мисъл днес. Но въпреки това сред ракетите подобни двигатели са точно толкова разпространени, колкото са двигателите с вътрешно горене сред автомобилите. Само че видовото им разнообразие е далеч по-широко.

Исторически първо са възникнали ракетите, използващи твърдо гориво. В този случай ракетното гориво (ракетно гориво ще наричаме химическа смес от самото гориво и окислителя, за чието изгаряне не е необходимо наличието на атмосферен въздух) има вида на твърд цилиндричен блок, разположен в корпуса на ракетата.В средата на този блок по оста му има отвор, в който става изгарянето на гориво. Газовете напускат ракетата през свръхзвуково сопло. От отвора в горивния блок зависи как ще се изменя създаваната тяга по време на полета – например при цилиндричен отвор теглителната сила първоначално е малка, но непрекъснато се увеличава с увеличаването на диаметъра на отвора (от което расте площта на изгаряното гориво). Тъй като подобна характеристика е нежелателна (теглителната сила трябва да е максимална в началото на полета), отворите обикновено се изработват под формата на звезда, чрез което се гарантира по-голяма тяга в началото на полета.

Възпламеняването на горивото най-често става с електрически нажежаеми проводници, намиращи се в срещуположния на соплото край на ракетата. Чрез тях се запалва малко количество ракетно гориво, горящо при по-ниска температура, от което се запалва основното ракетно гориво. Веднъж започнала, нищо не може да спре реакцията на горене и това всъщност е един от основните недостатъци на този вид ракети. Не съществува начин за контролиране на полета на ракетата, чрез контролиране на работата на двигателя й (т.е. да се спира и запуска). Твърдогоривните ракети се отличават с простата си конструкция, но сравнително малък специфичен импулс – около 250 s, и поради това те предимно се използват като първи степени и ускорители на космически ракети, като военни балистични ракети, за ПВО, и като метеорологични ракети (суборбитални). Ракетното гориво на най-съвременните твърдогоривни ракети представлява смес от полимери и прахообразен алуминий, а основният окислител е амониев перхлорат (NH4ClO4). За повишаване на температурата на горене като допълнителен окислител се добавя и малко железен оксид, който при контакт с алуминия започва бурна термитна реакция.

Да обобщим – твърдогоривните двигатели имат проста конструкция, но не са много ефективни. Ако искаме да отидем в орбита около Земята, такава ракета няма да ни свърши работа. За тази цел ни трябва ракета с течногоривен двигател. Само че този двигател е доста по-сложен. Течногоривните ракети използват гориво в течна фаза, което се пълни в резервоари. Най-често резервоарите са два – един за горивото и един за окислителя, но може да бъде и само един – ако горивото е еднокомпонентно. Големият проблем в случая е как да накараме горивото да отиде от резервоарите в горивната камера, където да изгори. Може например да направим така, че налягането в резервоарите да е по-голямо от налягането в горивната камера. В този случай ни е необходим още един трети резервоар с инертен газ под много високо налягане, който притиска горивото и окислителя в другите два резервоара (виж фигурата долу).

 

Ракетите използващи такава система обаче имат малка тяга, поради ограниченото статично налягане от газовия резервоар, който освен това трябва да е много здрав и масивен, за да удържа на налягането. По-добро решение на проблема с постъпването на ракетно гориво в горивната камера е да се използват турбопомпи, задвижвани от турбина, която се завърта при изгарянето на малка част от горивокислородна смес, постъпваща към горивната камера.

Така именно се правят повечето течногоривни ракети. Горивото и окислителят се впръскват в горивната камера с помощта на инжектори, които ги дозират по необходимия начин. В камерата те се смесват и изгарят, а получените продукти излизат през соплото. Възпламеняването може да се получи от източник на електрическа искра, а ако се използва т.нар. хиперголично гориво това не е необходимо – двата компонента започват да горят, веднага след като осъществят контакт.

Всичко това води до факта, че течногоривните ракети са близо два пъти по ефективни от твърдогорвините си събратя (специфичният им импулс достига 450 s). И по-сложни. Фактът, че горивото е в течна фаза води до редица потенциални проблеми, на които трябва да се обърне внимание. Необходимо е да се вземат мерки срещу декомпресията на резервоарите (в тях трябва да се поддържа определено налягане, за да не се спукат в условия на вакуум); утечките на гориво (много сериозно предизвикателство предвид широката употреба на криогенно гориво с нисък вискозитет – например течен водород); загубата на устойчивост на ракетата, докато намалява горивото в резервоарите; стабилността на горивния процес и пр. Допълнителни недостатъци са големият брой движещи се части, отказът на някоя от които би довел до провал на ракетата; необходимостта от системи за смазване и охлаждане; както и продължителният предстартов период на зареждане и тестване на ракетата.

Основателят на SpaceX Елън Мъск редом до ракетния двигател Merlin 1D, използван в първата ракета на компанията – Falcon 9. Снимка: SpaceX

Но пък има и едно огромно предимство на течногоривните ракети – възможността горивният процес да се контролира по време на полет, т.е. двигателят да може да се спира и пуска, което води и до по-дълъг период на управляемост на полета спрямо твърдогоривните ракети. Всички тези особености на течногоривните ракети ги правят подходящи за космически ракети, но не и за военни нужди. Основните типове течно ракетно гориво са: криогенно гориво (течен водород и течен кислород; керосин и течен кислород); хиперголично гориво (за разлика от криогенното, то се съхранява при стайна температура) и еднокомпонентно ракетно гориво – хидразин N2H4 (изгарянето на такова гориво става при контакт с вещество-катализатор на реакцията, в случая на хидразина това е алуминиев оксид). Хиперголичните горива първоначално са проучвани за военни цели, тъй като стайната им температура на съхранение позволява предварително да се заредят в ракетите – т.е. по този начин се елиминира дългото зареждане (няколко часа) непосредствено преди старта. Те обаче са много взривоопасни и трябва да се вземат допълнителни мерки срещу евентуалния контакт между горивото и окислителя. Освен това са и силно отровни и корозивни, което обезсмисля ползата от продължително съхранение в ракетата.

Идеята за течногоривна ракета се появява първо в ума на Константин Циолковски, като той пише през 1903 г. в труда си „Исследование мировых пространств реактивными приборами” („Изследване на космоса посредством реактивни устройства”), че единственият реалистичен начин за напускане на Земята е чрез течногоривна ракета. Дълги години никой не се заемал да изпълни тази идея. Едва две десетилетия по-късно през 1926 г. американският професор Робърт Годард, създал първият образец на течногоривна ракета. Тя използвала течен кислород и бензин за полета си, продължил 2,5 секунди, за които ракетата се издигнала на зашеметяващите 12 m.
`
Този тест, макар и с нищожен мащаб, оказал силно въздействие върху тогавашните ракетни инженери и концепцията била доразвита в началото на 30-те от немската любителска група Verein für Raumschiffahrt („Сдружение за космически полети”), в която започнали кариерата си най-големите немски ракетни инженери Херман Оберт и Вернер фон Браун. По време на войната разработките в тази група послужили за основа на може би най-напредничавата за времето си ракета – V-2.

Твърдогоривните и течногоривни ракети са много различни типово, но съществуват концепции за обединяване на предимствата на двата вида – това са т.нар. ракети с хибриден двигател. При тях горивото е в твърда фаза и има вида на монолитен блок с отвор по оста си (като при твърдогоривните ракети), а окислителят е в течна фаза и се впръсква в отвора. Горивото при хибридните ракети е най-често полимер – полиетилен, полистирен и др.; окислителят е или течен кислород или азотен оксид.

Така конструираните ракети са прости, безопасни и евтини, специфичният им импулс се доближава до този на ракетите с криогенно гориво – около 400 s, двигателят им може да се спира и пуска, подобно на течногоривните ракети, а тягата да се регулира посредством обикновен дросел на изхода на окислителния резервоар. Разработването на хибридни ракети e сред перспективните области в съвременното ракетостроене. Хибриден двигател например е използван при суборбиталния самолет на Scaled Composites – SpaceShipOne, който през 2004 г. достигна височина от 112 km.

В друга по-нетрадиционна концепция за задвижване на ракетите се използват едновременно химически ракетен двигател и още един турбореактивен двигател, който е широко разпространен в съвременната авиация. Това е удобно, ако ракетата се движи само във въздушна среда, тъй като турбореактивните двигатели работят само при приток на въздух от атмосферата. Такъв е случая на балистичните ракети земя-земя. Ракетите Tomahawk например са двустепенни и имат твърдогоривен ускорител за първа степен. След отделянето му се включва втората степен с турбореактивен двигател, който поддържа постоянна дозвукова скорост на ракетата. Подобна конфигурация е много ефективна, тъй като окислителят, необходим за горенето, се получава от въздуха, а не се съдържа в ракетата, така че в крайна сметка тя олеква съществено и отива по-далеч.

В тази насока съществуват и по-странни варианти, които може би тепърва ще бъдат развити. Особено перспективно е разработването на двигатели, които комбинират в себе си ракетен химически двигател и правопоточен реактивен двигател (ramjet). Правопоточният реактивен двигател подобно на турбореактивния двигател също може да работи единствено във въздушна среда. Но докато един турбореактивен двигател съдържа в себе си множество въртящи се части, то за правопоточния двигател е характерна липсата на каквито и да е движещи се елементи – с изключително опростения си дизайн на практика той представлява една тръба с по-особена форма. Идеята за него е много стара, но поради една причина той не е намерил особено приложение и до днес. Проблемът е, че за да работи този двигател, въздухът трябва да влиза в него със скорост по-висока от свръхзвуковата. А за да се осигури такава скорост на въздушния поток, летателният апарат трябва преди това по някакъв начин да се ускори до скорост над Мах 1. Този недостатък се избягва, ако имаме ракета, която в началото на полета си използва обикновен твърдогоривен двигател за достигане на свръхзвукова скорост, а след това полетът й се поддържа от правопотичния двигател. На долната картинка е показана такава концепция.

След изгаряне на ракетно гориво в корпуса, в челния край на ракетата започва през въздухозаборник да навлиза въздух. Докато ракетата се движи, въздухът се компресира като при правопоточен двигател и заедно с това се увеличава количеството на окислителя. В атмосферата една такава ракета може да бъде много ефективна (със специфичен импулс от порядъка на 500 s), а остатък от ракетното гориво с окислител позволява да се запази и ограничена работоспособност извън атмосферата.

  • Електрически ракетни двигатели

Електричеството ни дава възможност да загреем реактивното работно вещество на ракетата, без да ни е необходима химическа реакция (горене). Всъщност идеи за ракетни двигатели с електрическо задвижване има още от началото на ХХ век (познайте кой – Циолковски!), но едва в последно време те се превърнаха в реалност с практическо значение (добра илюстрация са междупланетните апарати на NASA и ESA – Deep Space 1, SMART 1 и Dawn, които се задвижват от йонни двигатели). Малко вероятно е този тип ракетно задвижване да бъде внедрен изобщо някога при наземните ракети, но на лице са предпоставки електрическите двигатели да станат доминиращ тип в космически условия – за задвижване на сателити и изследователски мисии.

Съществуват много вариации на тема „електрически реактивен двигател”. Най-простата от тях е на термоелектричния принцип – т.нар. резистоджети. Тук работното вещество (инертен флуид) се загрява посредством ток, който протича по нагреваем проводник или чрез електрическа дъга. Необходимото електричество за целта се взема от слънчеви панели, батерии или от топлината при разпада на малко количество радиоактивен изотоп. Обаче както обикновено и тук простотата на дизайна се заплаща с ниска ефективност.

Оказва се, че от гледна точка на физиката много по-удачно е газът-работно вещество да се йонизира, преди да бъде изхвърлен. Получените при йонизацията заредени частици могат да бъдат ускорени чрез външно магнитно или електростатично поле, така че да напускат ракетата с много по-висока скорост, отколкото се постига по химически път. Тези йонни двигатели също имат разнообразен дизайн. На схемата долу е представен един вариант, при който йоните се ускоряват по електростатичен път.

 

От катода чрез термоелектронна емисия се излъчват електрони, които йонизират неутралните газови атоми (обикновено ксенон). За да се увеличи количеството йонизирани атоми, потокът от електрони минава през магнитно поле, което изкривява в спирала траекторията им. По-нататък положителните ксенониеви йони се ускоряват от 2 до 3 последователни електродни мрежи, всяка следваща от които е с по-нисък потенциал (разликата между вътрешния и външен електрод е около 1 kV), и те напускат двигателя с много висока скорост – до 40 km/s. Тъй като от двигателя се изхвърлят само положителните йони, има опасност от натрупване на голямо количество некомпенсирани заряди – поради това чрез друг термоемисионен катод (неутрализатор) се отделят електрони в изходящата йонна струя.

Йонният двигател на европейският космически апарат SMART 1. Изображение: ESA

Подобни йонни двигатели са най-ефективните ракетни двигатели днес със специфичен импулс до около 3 000 s. Но както бях писал преди ефективен не означава мощен. Не възможно да се йонизират големи количества газ, поради което изхвърляната през соплото маса е много малка. Това води до като цяло много по-ниска теглителна сила. Типично около или под 1 N. При толкова ниска тяга са необходими седмици и дори месеци за ускоряване на космическия апарат, което прави йонните двигетели пригодни за употреба, само ако няма изискване за бързо маневриране и ускоряване. Освен това поради необходимостта от външен източник на електрическа енергия (който най-често е по-масивен от самия двигател) собствената маса на ракетата (космическия апарат) нараства, което води до значително намаляване на съотношението на масите. Но изключителната икономичност на йонните двигатели все пак ги прави атрактивни и сега те са нещо като технологичен хит за реактивно задвижване в космоса.

В тази статия очертах съвсем бегло основните способи за създаване на реактивно движение, без изобщо да изчерпвам тази толкова богата тема. Описаните двигатели са повече или по-малко стандартни, но освен тях към днешна дата има още безчет концепции за „ракети”, които съществуват само на теория. Някои граничат с фантастиката, ала други вече имат свои работещи прототипи. С най-популярните от тях ще се опитам да ви запозная следващия път. Доскоро!

Използвана литература:

В тази и в предходните две статии по темата са използвани основно материали (описания и схеми) от:

1. George P.Sutton, Oscar Biblarz. “Rocket propulsion elients: an introduction to the engineering of rockets” (7th edition), John Wiley & Sons Inc., ISBN 0-471-32642-9, 2001.

2. Martin J.L. Turner. “Rocket and spacecraft propulsion: principles, practice and new developments” (3th edition), Springer – Praxis Publishing Ltd., ISBN 978-3-540-69202-7, 2009.

3. Richard Garwin. “A cruise missile system for Europe” , Sack Miorial Lecture, Cornell University, Septiber 26, 1978.

4. Vladislav Pustõnski. „Introduction to astronautics”, Tallinn University of Technology

5. http://www.braeunig.us/space/propuls.htm#engine

6. http://www.vectorsite.net/tarokt_1.html

7. http://www.britannica.com/EBchecked/topic/1357360/rocket-and-missile-system

8. http://large.stanford.edu/courses/2011/ph241/hamerly1/

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.

No comments so far.

Be first to leave comment below.

Вашият имейл адрес няма да бъде публикуван. Задължителните полета са отбелязани с *

Page generated in 0,641 seconds. Stats plugin by www.blog.ca