Летење у свемир је без сумње једно од најневероватнијих достигнућа наше цивилизације. Славни Гагарин "иди!" и први корак Армстронга на лунарној површини - историјске прекретнице на путу до удаљених планета и других звјезданих система. Ништа се не би догодило без ракетног мотора, што нам је омогућило да превазиђемо гравитациону силу планете и омогућили да идемо у орбиту Земље.
Уређај ракетног мотора је, с једне стране, тако једноставан да га можете сами изградити код куће, трошећи буквално три копеке на њему. Али, с друге стране, пројектовање свемирских и војних ракета је толико сложено да само неколико држава у свету има своју производну технологију.
Ракетни мотор (РД) је врста млазног мотора, чији је радно тијело и извор енергије директно у зракоплову. То је његова главна разлика од млазних мотора. Дакле, стаза за вожњу не зависи од кисика у атмосфери и стога се може користити за летове у свемирском (безваздушном) простору.
Русија је један од светских лидера у области изградње ракетних мотора. Заостатак који је наслиједио од Совјетског Савеза је импресиван. Домаћа индустрија је у стању да произведе најбоље ракетне моторе различитих намена. Доказ за то је ракетни мотор РД-180, који се користи у америчком атласу. Испоруке у Сједињене Државе почеле су 2000. године и настављају се до данас. Постоје и други занимљиви догађаји, а говоримо не само о снажним моторима за свемирске или балистичке ракете, већ ио стазама за кретање разних оружаних система.
Тренутно су најчешћи такозвани кемијски ракетни мотори, у којима се специфични импулс формира због сагоријевања горива. Поред ових, постоје и нуклеарни и електрични мотори. У овом чланку ћемо говорити о томе како ракетни мотор ради, причати о његовим предностима и недостацима, а такође и представити тренутну класификацију стаза за пјешачење.
Нека физика или како ради
Различити типови ракетних мотора имају значајне разлике у дизајну, али рад сваког од њих заснован је на Њутновом трећем закону, који каже да "свака акција има једнак отпор". РД емитује млаз радног флуида у једном правцу, а сам, у складу са Невтоновим постулатом, креће се у супротном смеру. Производи сагоревања горива пролазе кроз млазницу, формирајући жељу - то су основе теорије ракетних мотора.
Ако стојите у чамцу, баците камен са крме, онда ће ваш брод испловити мало испред. Ово је визуелни модел функционисања свих ракетних мотора. Други примјер би био рад ватрогасног цријева, из којег се вода избацује под високим тлаком. Да бисте је задржали, морате се потрудити. Ако ставите ватрогасца на скатебоард и пружите му црево, он ће се кретати прилично великом брзином.
Главна карактеристика која одређује ефикасност таквих система је потисак (сила потиска). Настаје као резултат трансформације почетне енергије у кинетички млаз радног флуида. У метричком систему, потисак ракетног мотора се мери у невтонима, док Американци то рачунају у фунти.
Још један важан параметар ракетних мотора је специфичан импулс. Ово је однос силе потиска (или количине кретања) према потрошњи горива по јединици времена. Овај параметар се разматра као степен савршенства одређене возне стазе и представља меру његове ефикасности.
Хемијски мотори раде због егзотермне реакције сагоревања горива и оксиданта. Овај тип РД има две компоненте:
- Млазница у којој се топлотна енергија претвара у кинетичку;
- Комора за сагоревање, где се одвија процес сагоревања, односно конверзија хемијске енергије горива у топлоту.
Из историје овог броја
Ракетни мотор је један од најстаријих типова мотора познатих човјечанству. Не можемо прецизно одговорити на питање када је направљена прва ракета. Постоји претпоставка да су то урадили стари Грци (дрвени голуб архитекта Тарента), али већина историчара сматра да је Кина родно место овог проналаска. То се догодило око 3. века наше ере, убрзо након открића барута. Првобитно, ракете су се користиле за ватромет и другу забаву. Прашкасти ракетни мотор је био прилично учинковит и једноставан за производњу.
Вјерује се да су те технологије дошле у Еуропу негдје у КСИИИ стољећу, проучавали су енглеског природњака Рогера Бацона.
Прву борбену ракету развио је 1556. године Конрад Хаас, који је измислио разне врсте оружја за цара Фердинанда И. Овај изумитељ може се назвати првим творцем теорије ракетних мотора, а аутор је и идеја о вишестепеној ракети - механизму рада авиона који се састоји од из две ракете. Анкету је наставио Пољак Казимир Семенович, који је живио средином 17. века. Међутим, сви ови пројекти су остали на папиру.
Практична употреба ракета почела је тек у КСИКС вијеку. Године 1805. британски официр Виллиам Цонгреве је показао прашкасте ракете, које су тада имале невиђену моћ. Презентација је била импресионирана, а Цонгревеове ракете усвојила је британска војска. Њихова главна предност, у поређењу са артиљеријом бачве, била је висока покретљивост и релативно ниска цена, а главни недостатак је била тачност пожара, што је оставило много да се пожели. До краја 19. века, наоружани топови су били широко распрострањени, они су пуцали врло прецизно, тако да су ракете уклоњене из службе.
У Русији је ово питање водио генерал Засајко. Он не само да је побољшао Цонгриве ракете, већ је и први предложио њихово коришћење за лет у свемир. Године 1881, руски изумитељ Кибалцхицх је створио своју теорију ракетних мотора.
Други наш сународник, Константин Циолковски, дао је огроман допринос развоју ове технологије. Међу његовим идејама је и летећи ракетни мотор (ЛРЕ), који ради на мешавини кисеоника и водоника.
Почетком прошлог века, ентузијасти у многим земљама света били су ангажовани на стварању течног РД-а, а први је успео амерички проналазач Роберт Годдард. Његова ракета, која ради на мешавини бензина и течног кисеоника, успешно је лансирана 1926. године.
Други светски рат је био период повратка ракетног оружја. Године 1941. Црвеном армијом је усвојена инсталација одбојне ватре БМ-13, познате Катјуше, а 1943. године Немци су почели да користе балистички В-2 са ракетним мотором са течним горивом. Развијен је под водством Вернера вон Брауна, који је касније водио амерички свемирски програм. Немачка је такође овладала производњом КР В-1 са директним млазним мотором.
Након завршетка рата између СССР-а и САД-а, почела је права “ракетна” трка. Совјетски програм је предводио Сергеј Королев, истакнути дизајнер ракетних мотора, под његовим руководством је створен домаћи ИЦБМ Р-7, а касније је лансиран први вештачки сателит и извршен је свемирски лет.
Током година направљени су покушаји стварања ракетних мотора који раде на рачун енергије нуклеарног пропадања (синтезе), али никада није дошло до практичне употребе таквих електрана. Седамдесетих година прошлог века почела је употреба електричних ракетних мотора у СССР-у и САД-у. Данас се користе за исправљање орбита и кретања летилица. У 70-им и 80-им годинама постојали су експерименти са КСРД-ом у плазми, за које се вјерује да имају добар потенцијал. Велике наде приписују се ракетним моторима јона, чија употреба би теоретски могла значајно убрзати летилице.
Међутим, до сада су скоро све ове технологије у повоју, а главно средство истраживача свемира остаје добра стара "хемијска" ракета. Тренутно, амерички Ф-1, који је учествовао у лунарном пројекту, и совјетски РД-170/171, који је кориштен у програму "Енергија-Буран", натјечу се за титулу "најмоћнијег ракетног мотора у свијету".
Какви су?
Класификација ракетних мотора заснива се на методи добијања енергије за одбацивање радног флуида. На основу овог параметра, возне стазе су:
- хемијска;
- нуклеарна (термонуклеарна);
- електрична (електрична ракета);
- гас.
Сваки од горе наведених типова може се поделити у мање категорије. Хемијски мотори (ХДР), на пример, у зависности од агрегатног стања горива, су чврста горива и течна горива. Ту је и хемијски хибридни ракетни мотор (ГРД). ХДР такође укључује клинасти ваздушни ракетни мотор, који има другачији облик и дизајн дизне. Постоје гасне и чврсте фазе нуклеарног електролита. Постоји неколико врста електрана.
Хемијска РД: предности и недостаци
Овај тип ракетног мотора је најчешћи и добро савладан. Можемо рећи да је то био ХРД који је дао простор човјечанству. Делује због егзотермне хемијске реакције, а гориво и оксиданс се налазе у авиону и заједно чине гориво. Он такође служи као извор енергије и основа за радни флуид.
ХДД-и имају релативно мали специфични импулс (у поређењу са електричним), али им омогућавају да развију већу вучу. Ово је посебно важно за лансирање ракетних мотора и за уклањање терета у орбиту.
У течним моторима, оксиданс и гориво су у течној фази. Помоћу система за гориво, они се уносе у комору, где се спаљују и протичу кроз млазницу.
У чврстом гориву РД, смеша горива и оксидатора се ставља директно у комору за сагоревање. По правилу, гориво има облик штапа са централним каналом. Процес сагоревања иде од центра ка периферији, а гасови, који излазе кроз млазницу, формирају потисак. Ови мотори имају неколико предности: релативно су једноставни, јефтини, еколошки прихватљиви и поуздани.
Недостаци хемијског мотора са чврстим горивом укључују ограничено трајање његовог рада, мали индикатор специфичног импулса (у поређењу са течним КСРД) и немогућност поновног покретања - након стартовања више се не може зауставити. Наведене карактеристике одређују опсег употребе чврстих погонских стаза - то су балистичке и метеоролошке ракете, ракете, ракете, ракете, ракетни пројектили за ватрогасне суставе. Чврста горива се такође користе за покретање ракетних мотора.
Течни путеви имају већи специфични импулс, могу се поново зауставити и поново покренути, а потиснути - регулисати. Поред тога, у поређењу са чврстим горивом, они су лакши и компактнији. Али ту је и муха у масти: флуидни мотори имају сложену структуру и високу цену, тако да је главна област њихове употребе астронаутика.
Као компоненте горива за течне КСРД користе се различите комбинације. На пример, кисеоник + водоник или азот тетраоксид + асиметрични диметил хидразин. Последњих година ракете за кисеоник и керозин постале су веома популарне. Гориво се може састојати од пет или више делова. Метански ракетни мотори се сматрају веома обећавајућим, а данас су у стварању у неколико земаља света одједном. Између осталих занимљивих дешавања у овој области, можемо споменути тзв. Детонацијски ракетни мотор, чије гориво не гори, већ експлодира.
Рад на побољшању ХДР-а се не зауставља, али је вероватно да су његове границе већ постигнуте - дизајнери су „истиснули“ све што су могли из хемијског горива. Озбиљан проблем ХДР-а је огромна маса горива коју ваздухоплов мора подићи. А ово је веома неефикасно. Схема са одвојивим корацима донекле је побољшала ситуацију, али очигледно није постала панацеја.
Треба напоменути да се хемијски ракетни мотори користе не само за истраживање свемира. Међутим, нашли су своју употребу на Земљи, углавном само у војним пословима. Све борбене ракете, почевши од малог авиона или против-тенка, а завршавају се великим ИЦБМ, опремљене су ХРА. Већином имају једноставнији и поузданији мотори на чврсто гориво. Пример мирољубиве употребе ХРД-а су геофизичке и метеоролошке ракете.
На атомском броду до звезда!
Течни ракетни мотор је дао човеку простор и помогао да дође до најближих планета. Брзина издувних гасова млазних млазова на течно гориво не прелази 4,5-5 м / с, што га чини неприкладним за удаљене мисије - то захтева десетине метара у секунди. Свемирски брод са људским ресурсима за људска права је још увек у стању да достави особу до најближих планета - као што су Марс или Венера - али да би путовали у удаљене објекте Сунчевог система, мораћемо да смислимо нешто ново. Један од начина да се изађе из ове слијепе улице чини се употреба енергије сакривене у атомском језгру.
Нуклеарни ракетни мотор (ИАРД) је врста електране у којој се радни флуид загрева нуклеарном фисијом или енергијом синтезе. У зависности од стања горива, то може бити чврста, течна или гасна фаза. Водоник или амонијак се обично користе као радни медијум. Трацтион ИАРД је прилично упоредив са хемијским моторима, док они имају висок специфичан импулс. Али постоји један проблем - загађење атмосфере радиоактивним издувним гасом.
Историја нуклеарних мотора почела је средином 50-их година, двије земље у свијету - Сједињене Државе и Совјетски Савез - биле су ангажиране у њиховој практичној изради. Већ 1958. године, Американци су поставили задатак стварања дворишта за летове на Мјесец и Марс (програм НЕРВА). Отприлике у исто време, совјетски дизајнери су се такође бавили сличним питањима. До краја 70-их година, створен је РД-0410 нуклеарни ракетни мотор, али није прошао комплетне тестове.
Тренутно су најперспективнији гасни фазни нуклеарни мотори у којима је гориво у гасовитом стању у специјалној запечаћеној боци. Тиме се елиминише његов контакт са радним флуидом и значајно се смањује вероватноћа радиоактивног загађења. Упркос чињеници да су главни технички проблеми стварања НРЕ-а одавно ријешени, до сада ниједна од њих није нашла своју примјену у пракси. Иако, овај ЈАРД изгледа најперспективнији са тачке гледишта стварне употребе.
Електрични ракетни мотори, њихове карактеристике, предности и недостаци
Још један могући конкурент, који има шансу да замени ХРД, је електрични ракетни мотор (ЕРЕ), који користи електричну енергију да распрши радни флуид.
Идеја о стварању такве електране рођена је почетком 20. века, а тридесетих година прошлог века совјетски научник Глушко је то применио у пракси. Активни рад на електричном погону почео је у Сједињеним Америчким Државама и СССР-у шездесетих година, а 1970-их су први ракетни мотори овог типа већ били инсталирани на свемирским летелицама.
Постоји неколико типова ЕРД:
- елецтротхермал;
- електростатички;
- електромагнетни;
- плазма
Електрични ракетни мотори имају високу специфичну брзину импулса, што им омогућава да економично троше радни флуид, али им је потребно и много енергије, што је озбиљан проблем. До сада је једини прави извор електричног погона соларни панели. Они имају низак потисак, који им не дозвољава да се користе у Земљиној атмосфери - лансирни ракетни мотор из погонског мотора дефинитивно неће радити. Тренутно се користе као маневрирање - за корекцију орбита летилица.
