Чим заправляють ракети?
ПроДуже часто, вивчаючи тему "Реактивний рух", учні запитують: "А чим заправляють ракети?" Питання чисто хімічне, але ж не будеш весь час відправляти їх за роз'ясненнями до вчителя хімії.
Тож чим заправляють ракети?
Паливо для ракет існує у двох агрегатних станах – рідкому та твердому. Тому існують рідинні реактивні двигуни (ЖРД) та твердопаливні реактивні двигуни (ТТРД).
Над питанням про паливо для ракет всерйоз замислилися у 20–30-ті роки. минулого століття. Найбільшого успіху досягли вчені СРСР та Німеччини. Але перед самою війною наші фахівці з різних причин стали відставати.
Ракетникам Німеччини під керівництвом Вернера фон Брауна довелося вирішувати питання, що краще підійде як пальне для ракет ФАУ-1 і ФАУ-2 (“ФАУ” – від першої літери німецького слова Vеrgeltungswaffe – зброя відплати). Але спершу спробуємо зрозуміти, що таке ЖРД. ЖРД – відпрацьовані, доведені до досконалості теплові машини, які характеристики на 90 % залежить від застосовуваного палива.
Зрозуміло, що від якості палива багато в чому залежатиме корисне навантаження ракети, дальність польоту та інші характеристики. Ідеальне паливо, що дає максимальну енергетичну віддачу, повинне складатися з елементів початку таблиці Менделєєва. Але це ще не всі вимоги до палива: 1) воно має бути стабільним під час зберігання; 2) конструкційні матеріали мають бути інертними по відношенню до палива; 3) паливо має бути недорогим; 4) щільність палива має бути максимально великою (що більше маса палива, тим довше працює двигун і т.д.). Окрім палива ракета везе із собою й окислювач.
Німецькі ракетники як пальне застосували етанол, а окислювача – рідкий кисень. Дальність польоту ракет ФАУ-1 та ФАУ-2 склала 270 км. Ці ракети стали найвищим досягненням тогочасної ракетної техніки.
Потім естафетну паличку перехопили наші ракетники. Балістичні ракети Р-1, Р-2, Р-5, створені в КБ С.П.Корольова, довели радянському керівництву перспективність цього виду зброї, але знову підтвердилося, що рідкий кисень – невідповідний окислювач. Навіть успішне випробування ракети Р-5М із ядерною боєголовкою не переконало військових. Адже кожну ракету треба було заправляти перед стартом. Ракетники ж вимагали паливо, яке стабільно зберігалося в діапазоні температур від –55 °С до +60 °С.
Розрахунки показали, що й узяти як пального дизельне паливо, а ролі окислювача – азотну кислоту, то дальність польоту зросте на 25 %, тобто. досягне 330-340 км.
АЗотна кислота дуже підходила на роль окислювача, але. У чому зберігати цю надзвичайно агресивну рідину? Такий посуд у 1930–1940 роках. не було. Чи не робити баки для окислювача зі скла? Хоча солі азотної кислоти (нітрати) давно використовувалися в порохових ракетах.
Молекула азотної кислоти HNO3 - Майже ідеальний окислювач. Вона містить як "баласт" атом азоту і "половинку" молекули води, а два з половиною атоми кисню можна використовувати для окислення палива. Але не тут було! Справа в тому, що концентрована азотна кислота - "хитра" хімічна сполука, настільки дивна, що постійно реагує сама з собою. Як кажуть хіміки, концентрована азотна кислота сильно автоіонізована.Атоми водню від однієї молекули кислоти відщеплюються та приєднуються до іншої, утворюються при цьому дуже неміцні, але надзвичайно агресивні хімічні сполуки. Через це навіть чиста азотна кислота, виявляється, містить домішки! Дуже важко при цьому підібрати конструкційні матеріали для баків, труб, камер згоряння ЗРД.
Проте азотна кислота має також незаперечні переваги: вона дуже дешева, досить стабільна, пожежо- та вибухобезпечна, важко випаровується.
Майже 20 років шукали потрібну тару для азотної кислоти. Але навіть найстійкіші сорти нержавіючої сталі повільно, але чітко руйнувалися під впливом концентрованої азотної кислоти, і на дні бака осаджувався густий зелений "кисіль" із солей металів, який в жодному разі не можна подавати в камеру згоряння - він миттєво заб'є її і РР вибухне . (І вибухали – згадаємо аварії з МЕ-262, МІГ-9, Скайрокет, Р-2, Р-5 і т.д.) Для зменшення корозійної активності азотної кислоти ракетники зазнавали різних присадок, намагаючись методом проб та помилок знайти оптимальний варіант.Але вдала добавка була знайдена лише наприкінці 1950-х років. Наші вчені затрималися у цьому питанні ще років на 15. Виявилося, що добавка всього 0,5% плавикової (фтороводородної) кислоти зменшує швидкість корозії нержавіючої сталі у 10 разів!
Однак у першому радянському ракетному винищувачі БІ-1 були використані для польотів азотна кислота та гас. Баки та труби довелося виготовляти з монель-металу – сплаву нікелю та міді. Цей сплав отримували з деяких поліметалевих руд, став дуже популярним конструкційним матеріалом у ракетників. Радянські рублі були майже на 95% зроблені з цього металу.Щоправда, під час війни не вистачало і нержавіючої сталі, і міді, і нікелю. Використовували сталь, яку покривали хромом. Тонкий шар хрому швидко проїдався кислотою, тому після кожного запуску двигуна авіамеханіки проробляли неприємну процедуру - скребками зіскабливали залишки паливної суміші в камері згоряння, дихаючи мимоволі отруйними парами. Льотчик-випробувач В.Л.Расторгуєв розповідав: літати на ЯК-15 із ЖРД-прискорювачем – однаково, що “з тигрицею цілуватися”. Кабіна винищувача часто заповнювалася отруйними парами кислоти.
Крім антикорозійної добавки кислоту стали додавати речовини, які підвищували її ефективність як окислювача. Найбільш відповідним речовиною виявився діоксид азоту NO2. Він теж має низку цікавих хімічних властивостей: за звичайних умов – це газ бурого кольору, з дуже різким неприємним запахом, але варто лише його трохи охолодити, як він перетворюється на рідину. Дві молекули NO2 зчіплюються, і виходить тетраоксид азоту N2O4. При атмосферному тиску азотний тетраоксид кипить за температури +21 °С, а замерзає при –11 °С. При температурах, близьких до точки затвердіння, колір сполуки стає блідо-жовтим, а в твердому стані тетраоксид азоту майже безбарвний. Подібні перетворення відбуваються тому, що газ складається майже повністю з молекул оксиду, рідина – з молекул оксиду та тетраоксиду, а тверда речовина містить лише подвійні молекули тетраоксиду.
Яку користь приносить добавка тетраоксиду азоту до азотної кислоти? По-перше, зменшується корозійна активність, по-друге, зростає щільність розчину окислювача (в бак входить велика маса палива), досягаючи максимуму при вмісті тетраоксиду 14%. Такий варіант окислювача обрали у США.
А наші ракетники вчинили інакше. Треба було наздоганяти США за будь-яку ціну, тому окислювачі радянських марок – АК-20 та АК-27 – містили 20 та 27 % тетраоксиду.
Зробимо невелике додавання: секунди люблять рахунок! Небагато технічної фізики в оповіданні не завадить. Ефективність роботи реактивних двигунів вимірюється питомим імпульсом (тягою) двигуна. У системі СІ питома імпульс вимірюється в м/с, але інженери вперто тримаються за старі одиниці. Тяга вимірюється зазвичай, у кілограмах сили кгс (1 кгс = 9,8 М), а витрата робочого тіла, зрозуміло, – у кілограмах маси (кг). Отримуємо розмірність питомої імпульсу – (кгс/кг)?с. Тоді питомий імпульс приймає дуже наочний фізичний зміст: це потяг у кілограмах сили, що розвивається при викиді робочого тіла в 1 кг за 1 с. Найбільше тепла виділяється при спалюванні чистого водню в чистому кисні. Такий двигун і має найбільший питомий імпульс - 450 с (такий питомий імпульс мають двигуни "шатлів"). Для двигуна РД-107 (Росія, створений для міжконтинентальної балістичної ракети), він становить 314 с, двигунів другого ступеня ракети Титан-4 (США) – 316 с, твердопаливних двигунів євроракети Аріан-5 – 217 с.
ПроОсобистий окислювач був знайдений, але треба було підібрати і відмінне паливо.
Потрібно, щоб під час вступу в камеру згоряння компоненти самозаймалися.
Проблема полягає в тому, що ні гас, ні бензин, ні дизельне паливо при безпосередньому контакті з азотною кислотою не займаються.
Старт ракети з космічним кораблем "Союз" (Байконур)
Фото із сайту http://lensart.mhost.ru/picturecontent-pid-136a5.jpg
Ось така "весела" процедура передувала пуску першої міжконтинентальної ракети Р-7.(Вона, до речі, вивела на орбіту корабель з Ю.А.Гагаріним на борту.) У ній використовувалася паливна пара: гас – рідкий кисень. При підготовці ракети до пуску потрібно вручну вставити в кожне сопло (їх всього 32! 20 маршових сопел і 12 кермових) запальні шашки з проводами, які їх спалахують, вивірити подачу імпульсу. (Не дай боже, запалення пройде неодночасно, і тоді неминучий вибух на стартовому столі, загибель космонавтів. Ще гірше, якщо це бойова ракета з ядерним зарядом.) Крім цього, треба було провести масу перевірочних тестів.
Вже ракети Р-12 було передбачено самозаймання пального за контакту з азотної кислотою. Час підготовки ракети до запуску скоротився з 72 год до 2 год. Щоправда, знадобилася добавка третього компонента. Якщо це комерційний запуск, такий варіант є прийнятним, а для бойової ракети – ні.
Хімікам допомогли "гіперголіки". Що таке?
Гіперголіки – речовини, які мають надмірну спорідненість одна з одною.
Хіміки встановили, що найкраще спалахують у контакті з азотною кислотою ті речовини, які мають у своєму складі вуглець, водень та азот. Але краще, менше, більше тощо. - Це не наукова мова. Вченому потрібна кількісна оцінка. І ще один “сюрприз” зробили гіперголіки – затримка запалювання.
А якщо пального та окислювача в камері накопичилося багато, що тоді? Змітає все, що є поблизу. (Прикладів багато, але найтрагічніший – вибух ракети Р-16 1960 р. на випробуваннях на Байконурі – забрав життя понад 100 людина, крім отруєних, обпалених і поранених. Тоді загинуло кілька генералів і головком Ракетних військ маршал М.І.Недєлін .)
У ході лабораторних досліджень було встановлено: є чудовий гіперголік – гідразин (N2H4), фізичні властивості у нього дуже нагадують аналогічні параметри води. Температура плавлення дорівнює +1,5 °С, кипіння - +113 °С, щільність на кілька відсотків вище, в'язкість та інші параметри - такі ж. Щоправда, запах дуже специфічний. Гідразін був відкритий наприкінці XIX ст., а для заправки ракет його застосували в Німеччині в 1933 р., але як добавка для самозаймання.
Крім корисних властивостей, гідразин має і ряд недоліків з точки зору ракетників: він дорогий, його точка замерзання вища, ніж у води. Як в автомобільний радіатор заливають антифриз, що знижує точку замерзання рідини в ньому, так для гідразину знадобилася така ж речовина. Цією речовиною виявився спирт (етанол). Вернер фон Браун при запуску першого в США супутника "Експлорер" застосував "гідін" - суміш 60% гідразину та 40% спирту. Таке пальне покращило розгінні характеристики першого ступеня, але за все треба платити, довелося неабияк подовжити баки. Гідразин може дати питомий імпульс близько 300 секунд.
Пошуки різних видів палива в СРСР і США йшли майже однаковим шляхом, але якщо наші ракетники робили ставку на рідинні ракети, то США вирішили будувати твердопаливні ракети. У СРСР хіміки відкрили несиметричний диметилгідразин (НДМГ). На превеликий жаль, це дуже отруйна речовина. Традиційний протигаз не захищав особовий склад від отруєнь. Довелося використовувати ізолюючий костюм чи спеціальний патрон, який знижував концентрацію НДМГ до безпечних меж.
Метильовані похідні гідразину були менш вибухонебезпечними, менше вбирали водяні пари, підвищилася термостійкість.
Але виникли й недоліки: температура кипіння знизилася, знизилася і щільність.
А далі ракети сховалися в шахти для захисту від першого удару супротивника. Там, як відомо, температура вища за нуль. Отже, можна використовувати чистий тетраоксид азоту, що кипить при кімнатній температурі. Тиск у ракетних баках вищий за атмосферний, і температура кипіння вища. Корозія баків і трубопроводів зменшилася настільки, що заправлену ракету можна було зберігати роками. Ракета УР-100, виготовлена в КБ В.Н.Челомея, була в боєздатності протягом 10 років. Через рік на озброєння поставили ракету Р-36 КБ М.І.Янгеля, що нині справно несе службу її остання модифікація Р-36М2.
Тепер можна сказати, що у двох пар: рідкий кисень-гас і тетраоксид азоту-несиметричний диметилгідразин (НДМГ) робочі параметри дуже близькі, тобто. питомі імпульси майже однакові, але застосування їх по-різному.
Пару кисень-гас застосовують у мирному космосі. Вона виводила кораблі “Прогрес” та “Союз-ТМ”, вона ж виводила до космосу “Аполлони” до Місяця.
Друга пара працювала у ракетних частинах. Головна перевага ЖРД - дуже точне наведення на ціль. Сучасна ракета Х-55 має відхилення від мети (за дальності польоту 3000-4000 км) всього 46 метрів. Вона аналогічна ракеті США AGM-86B ALCM. Маси їх майже однакові, тоді й боєзаряди мають бути рівними. А у ракети США стоїть боєголовка, еквівалентна 200 кг ТНТ (тринітротолуол). Можна схибити і на 300 метрів! Але нехай краще друга пара зовсім не працює або працює віртуально в іграх генералів, а перша пара працює на благо світу.
Військова авіація. Довідник Кн. 2. Мінськ: Попурі, 2000; Ненахов Ю.Ю. Чудо-зброя третього рейху.Мінськ: Харвест, 1999; Remy H. Lehrbuch der anorganischen Chemi. B. 1. Leipzig, 1965.
Ракетні двигуни: від китайських феєрверків до космічних кораблів
Польоти в космос – без сумніву, одне з найприголомшливіших досягнень нашої цивілізації. Знамените гагаринське «поїхали!» і перший крок Армстронга по місячній поверхні - історичні віхи на шляху до далеких планет та інших зоряних систем. Нічого цього не було б без ракетного двигуна, який дозволив нам подолати силу гравітації планети і дав можливість вийти на навколоземну орбіту.
Пристрій ракетного двигуна, з одного боку, настільки нехитро, що ви можете побудувати його вдома самостійно, витративши на це буквально три копійки. Але, з іншого боку, конструкція космічних і військових ракет настільки складна, що лише кілька держав у світі мають технології їх виготовлення.
Ракетний двигун (РД) – це різновид реактивного двигуна, робоче тіло та джерело енергії якого знаходиться безпосередньо на борту літального апарату. Це його головна відмінність від повітряно-реактивних двигунів. Таким чином, РД не залежить від кисню атмосфери, і тому може використовуватися для польотів у космічному (безповітряному) просторі.
Росія є одним із світових лідерів у галузі ракетного двигунобудування. Заділ, що дістався нам від Радянського Союзу, вражає. Вітчизняна промисловість здатна виробляти кращі ракетні двигуни різного призначення. Доказом цього ракетний двигун РД-180, який використовується на американських «Атласах». Постачання в США почалися ще в 2000 році і продовжуються досі.Існують й інші цікаві напрацювання, причому йдеться не лише про потужні двигуни для космічних або балістичних ракет, а й РД для різних систем зброї.
Нині найбільш поширені звані хімічні ракетні двигуни, у яких питомий імпульс утворюється з допомогою згоряння палива. Крім них, існують також ядерні та електричні двигуни. У цій статті ми розповімо про те, як працює ракетний двигун, розповімо про його переваги та недоліки, а також представимо сучасну класифікацію РД.
Небагато фізики або як це працює
Різні типи ракетних двигунів мають суттєві відмінності у своїй конструкції, але робота будь-якого з них базується на знаменитому третьому законі Ньютона, який свідчить, що «кожній дії є однакова протидія». РД викидає струмінь робочого тіла в одному напрямку, а сам, відповідно до ньютонівського постулату, рухається в протилежний. Продукти згоряння палива виходять через сопло, утворюючи потяг – це основи теорії ракетних двигунів.
Якщо ви, стоячи в човні, відкинете від корми камінь, ваше судно трохи спливе вперед. Це і є модель функціонування всіх ракетних двигунів. Ще одним прикладом може бути робота пожежного шланга, з якого під високим тиском викидається вода. Для його утримання необхідно докласти певних зусиль. Якщо поставити пожежного на скейборд і дати йому в руки шланг, він рухатиметься з досить високою швидкістю.
Головною характеристикою, що визначає ефективність таких систем, є тяга (сила тяги). Вона утворюється в результаті перетворення вихідної енергії в кінетичний реактивний струмінь робочого тіла.У метричній системі тяга ракетного двигуна вимірюється у ньютонах, а американці вважають її у фунтах.
Схема роботи найпростішого рідинного ракетного двигуна.
Ще одним найважливішим параметром ракетних двигунів є питомий імпульс. Це відношення сили тяги (або кількості руху) до витрат палива за одиницю часу. Даний параметр розглядається як ступінь досконалості того чи іншого РД, і є мірою його економічності.
Хімічні двигуни працюють за рахунок екзотермічної реакції згоряння пального та окислювача. Цей тип РД має дві складові:
- Сопло, в якому теплова енергія перетворюється на кінетичну;
- Камеру згоряння, де відбувається процес горіння, тобто перетворення хімічної енергії палива на теплову.
З історії цього питання
Ракетний двигун – один із найстаріших видів двигуна, відомих людству. Ми не можемо точно відповісти на питання, коли саме було виготовлено першу ракету. Є припущення, що це зробили ще давні греки (дерев'яний голуб Архіта Тарентського), але більшість істориків вважає батьківщиною цього винаходу Китай. Це сталося приблизно III столітті нашої ери, невдовзі після відкриття пороху. Спочатку ракети використовували для феєрверків та інших розваг. Пороховий ракетний двигун був досить ефективним і простим у виготовленні.
Вважається, що ці технології потрапили до Європи десь у XIII столітті, їх вивченням займався англійський натураліст Роджер Бекон.
Перша бойова ракета була розроблена в 1556 Конрадом Хаасом, який вигадував різні види озброєнь для імператора Фердинанда I.Цього винахідника можна назвати першим творцем теорії ракетних двигунів. Дослідження продовжив поляк Казимир Семенович, який жив у середині XVII століття. Однак усі ці проекти так і залишились на папері.
Практичне використання ракет почалося лише у XIX столітті. У 1805 році британський офіцер Вільям Конгрів продемонстрував порохові ракети, які мали небувалу на той час потужність. Презентація справила належне враження, і ракети Конгріва були прийняті на озброєння англійської армії. Їхньою головною перевагою, порівняно зі ствольною артилерією, була висока мобільність та відносно невелика вартість, а основним недоліком – купність вогню, яка залишала бажати кращого. Наприкінці ХІХ століття стала вельми поширеною отримали нарізні гармати, стрелявшие дуже точно, тому ракети було знято з озброєння.
У Росії цим питанням займався генерал Засядко. Він не лише вдосконалив ракети Конгріва, а й першим запропонував використати їх для польоту до космосу. 1881 року російський винахідник Кібальчич створив власну теорію ракетних двигунів.
Величезний внесок у розвиток цього напряму техніки зробив ще один наш співвітчизник – Костянтин Ціолковський. Серед його ідей рідинний ракетний двигун (ЖРД), що працює на суміші кисню та водню.
На початку минулого століття ентузіасти в багатьох країнах світу займалися створенням рідинного РД, першим досяг успіху американський винахідник Роберт Годдард. Його ракета, що працює на суміші бензину та рідкого кисню, успішно стартувала у 1926 році.
Друга світова війна стала періодом повернення ракетної зброї. У 1941 році на озброєння Червоної армії було прийнято встановлення залпового вогню БМ-13 – знаменита «Катюша», а у 1943 – німці почали використання балістичної Фау-2 з рідинним ракетним двигуном. Вона була розроблена під керівництвом Вернера фон Брауна, який згодом очолив американську космічну програму. Німеччиною також було освоєно виробництво КР Фау-1 із прямоточним реактивним мотором.
Ракета Фау-2. Німці називали її «зброю відплати». Щоправда, воно не надто допомогло Гітлеру
Після закінчення війни між СРСР і США почалися справжні «ракетні» перегони. Радянську програму очолив Сергій Корольов – видатний конструктор ракетних двигунів, саме під його керівництвом було створено вітчизняну МБР Р-7, а пізніше запущено першого штучного супутника та здійснено політ людини в космос.
У різні роки робилися спроби створення ракетних двигунів, що працюють за рахунок енергії ядерного розпаду (синтезу), але до практичного застосування таких силових установок так і не дійшло. У 70-ті роки в СРСР та США почалося використання електричних ракетних двигунів. Сьогодні вони застосовуються для корекції орбіт та курсу космічних апаратів. У 70-ті та 80-ті роки були експерименти з плазмовими РД, вважається, що вони мають хороший потенціал. Великі надії пов'язують із іонними ракетними двигунами, використання яких теоретично може значно прискорити космічні апарати.
Однак поки що майже всі ці технології перебувають у зародковому стані, і основним транспортним засобом підкорювачів космосу залишається стара добра «хімічна» ракета.В даний час за титул "найпотужніший ракетний двигун у світі" змагається американський F-1, який брав участь у місячному проекті, і радянський РД-170/171, який використовувався в програмі "Енергія-Буран".
Якими вони є?
Класифікація ракетних двигунів побудована способі отримання енергії для відкидання робочого тіла. Виходячи з цього параметра, РД бувають:
- хімічні;
- ядерні (термоядерні);
- електричні (електроракетні);
- газові.
Кожен із перелічених вище типів може підрозділятися більш дрібні категорії. Хімічні двигуни (ХРД), наприклад, залежно від агрегатного стану палива бувають твердопаливними та рідкопаливними. Існує й хімічний гібридний ракетний двигун (ГРД). До ХРД також відноситься клиноповітряний ракетний двигун, який має іншу форму та конструкцію сопла. Розрізняють газофазні та твердофазні ядерні РД. Існує кілька типів електричних силових установок.
Хімічний РД: переваги та недоліки
Цей тип ракетних двигунів є найпоширенішим і добре освоєним. Можна сказати, що саме ХРД подарував людству космос. Він працює за рахунок екзотермічної хімічної реакції, причому і пальне та окислювач знаходиться на борту літального апарату та разом утворюють паливо. Воно одночасно є і джерелами енергії, і основою для робочого тіла.
ХРД мають порівняно невеликий питомий імпульс (якщо порівнювати їх з електричними), але дозволяють розвивати велику тягу. Це особливо важливо для стартових ракетних двигунів та при виведенні корисного навантаження на орбіту.
У рідинних двигунах окислювач та пальне знаходиться у рідкій фазі.За допомогою паливної системи вони подаються в камеру, де згоряють і стікаючи через сопло.
Старт американського космічного корабля "Спейс шатл". У ньому використано два види хімічних ракетних двигунів: бічні прискорювачі використовують тверде паливо, а маршові двигуни рідке
У твердопаливному РД суміш пального та окислювача розміщено безпосередньо в камері згоряння. Як правило, паливо має форму стрижня із центральним каналом. Процес горіння йде від центру до периферії, гази, виходячи через сопло, утворюють тягу. Подібні двигуни мають низку переваг: вони порівняно прості, дешеві, безпечні в плані екології та надійні.
До недоліків твердопаливного хімічного двигуна можна віднести обмеженість часу його роботи, невеликий показник питомого імпульсу (у порівнянні з рідинними РД) та неможливість перезапуску – після старту його вже не можна зупинити. Вищезазначені особливості визначають сферу використання твердопаливних РД – це балістичні та метеорологічні ракети, ЗУР, НАР, реактивні снаряди для систем залпового вогню. Тверде паливо також використовують у стартових ракетних двигунах.
Рідинні РД мають вищий показник питомого імпульсу, їх можна зупиняти і перезапускати знову, а тягу – регулювати. Крім того, у порівнянні з твердопаливними, вони мають меншу вагу і компактніші. Але є і ложка дьогтю: рідинні двигуни відрізняються складною конструкцією та високою вартістю, тому основна сфера їх застосування – це космонавтика.
Як компоненти палива для рідинних РД використовують різні комбінації. Наприклад, кисень + водень чи азотний тетраоксид + несиметричний диметилгідразин.В останні роки дуже популярні ракети, які використовують кисень та гас. Паливо може складатися з п'яти та більше частин. Дуже багатообіцяючими вважаються метанові ракетні двигуни, їх створенням сьогодні займаються відразу в кількох країнах світу. З інших цікавих розробок у цій галузі можна назвати так званий детонаційний ракетний двигун, паливо якого не горить, а вибухає.
Роботи над покращенням ХРД не припиняються, але, ймовірно, межа його можливостей вже досягнута – конструктори «вичали» з хімічного пального все, що могли. Серйозною проблемою ХРД є величезна маса палива, яку має піднімати літальний апарат. І це дико неефективно. Схема з сходами, що відокремлюються, дещо покращила ситуацію, але явно не стала панацеєю.
Слід зазначити, що хімічні ракетні двигуни використовуються як для підкорення космосу. Вони знайшли своє застосування і на Землі, щоправда, переважно лише у військовій справі. Усі бойові ракети, починаючи з маленьких авіаційних чи протитанкових, і до величезних МБР, оснащуються ХРД. У переважній більшості вони мають простіші та надійніші твердопаливні двигуни. Прикладом мирного використання ХРД є геофізичні та метеорологічні ракети.
На атомному кораблі до зірок!
Рідкісний ракетний двигун подарував людині космос і допоміг дістатися найближчих планет. Швидкість закінчення реактивного струменя ракети на рідкому паливі не перевищує 4,5-5 м/с, що робить його малопридатним для далеких місій - для цього необхідні десятки метрів на секунду.Космічні апарати з ХРД ще здатні доставити людину до найближчих планет – типу Марса чи Венери – але для подорожей до далеких об'єктів Сонячної системи нам доведеться вигадати щось нове. Одним із виходів із цього глухого кута бачиться використання енергії, прихованої в атомному ядрі.
Ядерний ракетний двигун (ЯРД) - це тип силової установки, в якій робоче тіло нагрівається за рахунок енергії ядерного поділу або синтезу. Залежно від стану палива він може бути твердо-, рідко-або газофазним. Як робоче тіло зазвичай використовується водень або аміак. Тяга ЯРД цілком можна порівняти з хімічними двигунами, у своїй вони мають високий питомий імпульс. Але є одна проблема – забруднення атмосфери радіоактивним вихлопом.
Схема твердофазного ЯРД. Поки що вони є лише на кресленнях або в макетах
Історія ядерних двигунів почалася ще в середині 50-х років, їх практичним виробництвом займалися дві країни у світі – США та Радянський Союз. Вже 1958 року американці поставили завдання створення ЯРД для польотів на Місяць і Марс (програма NERVA). Приблизно в цей час подібними питаннями займалися і радянські конструктори. До кінця 70-х років було створено ядерний ракетний двигун РД-0410, але так і не пройшов повноцінних випробувань.
В даний час найбільш перспективно виглядають газофазні ядерні двигуни, в яких паливо знаходиться в газоподібному стані спеціальної герметичної колби. Це виключає його контакт із робочим тілом і значно зменшує ймовірність радіоактивного зараження. Незважаючи на те, що основні технічні проблеми створення ЯРД вже давно вирішені, досі жоден з них не знайшов свого застосування на практиці.Хоча саме цей ЯРД виглядає найперспективнішим з погляду реального застосування.
Електричні ракетні двигуни, їх особливості, переваги та недоліки
Ще одним можливим конкурентом, який має шанси замінити ХРД, є електричний ракетний двигун (ЕРД), який використовує для розгону робочого тіла електричну енергію.
Іонний двигун. Можливо, що саме він доставить людину до зірок.
Ідея створення подібної силової установки народилася ще на початку XX століття, у 30-ті роки її на практиці реалізував радянський вчений Глушко. типу вже було встановлено на космічних апаратах.
Існує кілька типів ЕРД:
- електротермічний;
- електростатичний;
- електромагнітний;
- плазмовий.
Електричні ракетні двигуни мають високий показник питомого імпульсу, що дозволяє їм дуже економно витрачати робоче тіло, але при цьому вони потребують великої кількості енергії, що є серйозною проблемою. не дозволяє використовувати їх у межах земної атмосфери - стартовий ракетний двигун з ЕРД точно не вийде. В даний час вони використовуються як маневрові - для корекції орбіт космічних апаратів.
