Pagsusuri ng kahusayan ng isang rocket engine

Malinaw na ang pagiging epektibo ng RD ay maaari lamang masuri mula sa pananaw ng sasakyang panghimpapawid, i.e. Ang pamantayan ng kalidad ng RD ay dapat sundin mula sa mga layunin ng sasakyang panghimpapawid bilang isang bagay ng pinakamataas na antas ng hierarchy. Alam mula sa kursong OULA na ang pamantayan para sa pagiging epektibo ng UBR ay ang huling bilis ng yugto o L A sa dulo ng aktibong seksyon: kaysa higit na halaga , mas mahaba ang hanay ng flight na may nakapirming payload. Ang perpektong halaga ng pangwakas na bilis sa pagtatapos ng aktibong yugto ng paglipad (tanging ang puwersa ng propulsion ang kumikilos, walang atmospera at ang gravitational field ng Earth) ay tinutukoy ng formula ng K.E. Tsiolkovsky:

, (3.1)
nasaan ang numero ng masa;

- huling misa sa pagtatapos ng OUT;

- ayon sa pagkakabanggit, ang masa ng gasolina, disenyo ng rocket at kargamento;

- epektibong bilis ng pag-expire ng working fluid.

Mula dito ay malinaw na kinakailangan upang madagdagan ang halaga ng tiyak na salpok

(), dagdagan ang masa ng gasolina sa board at bawasan ang masa ng istraktura ng propulsion system. Mahirap lumikha ng mga makina, ngunit mayroong isang exogenous na katangian ng mga layunin, i.e. ang kanilang pasulong na kalinawan sa mga developer.

Mula sa (3.1) sumusunod na ang panghuling tulin ay nakadepende nang linear sa tiyak na salpok sa isang pare-parehong numero ng masa . Ang hindi maiiwasang pagkawala ng bilis upang malampasan ang gravity, atmospheric resistance at atmospheric backpressure (pagbawas ng tiyak na salpok) na may pagkakaiba-iba sa tiyak na salpok na may kaugnayan sa pagsasaalang-alang ng iba't ibang mga gasolina ay nag-iiba sa iba't ibang paraan depende sa mga paghihigpit sa pagkarga sa thrust, fuel mass , at itinulak ang sarili. Ang impluwensya ng tiyak na salpok ay tumataas sa pagtaas ng saklaw ng paglipad. Para sa isang UBR na may hanay na 12,000 km at isang vacuum specific na impulse na 2,500 m/s, ang pagtaas ng 1% ay humahantong sa pagtaas ng saklaw ng 600 km. Para sa isang medium-range na UBR (L=2500 km) na may parehong halaga ng tiyak na impulse, ang pagtaas ng 1% ay humahantong sa pagtaas ng saklaw ng 70 km lamang.

Ang antas ng impluwensya ng masa ng istraktura ng propulsion system sa huling bilis ng sasakyang panghimpapawid ay nakasalalay sa yugto kung saan ito naka-install. Para sa unang yugto, ang masa ng rocket ay mahalagang mas masa disenyo ng sistema ng pagpapaandar at samakatuwid ang epekto ng pagbabago ng masa ng istraktura ng pagpapaandar sa huling bilis ng huling yugto ay hindi gaanong mahalaga. At ang masa ng istraktura ng engine ng huling yugto ay nag-aambag sa mga halaga at may malaking epekto sa huling bilis ng sasakyang panghimpapawid.

Ano ang unang pumapasok sa isip mo kapag narinig mo ang pariralang "rocket engines"? Siyempre, ang mahiwagang espasyo, mga paglipad sa pagitan ng mga planeta, ang pagtuklas ng mga bagong kalawakan at ang kaakit-akit na ningning ng malalayong bituin. Sa lahat ng oras, ang langit ay nakakaakit ng mga tao sa sarili nito, habang nananatiling isang hindi nalutas na misteryo, ngunit ang paglikha ng unang space rocket at ang paglulunsad nito ay nagbukas ng mga bagong abot-tanaw ng pananaliksik para sa sangkatauhan.

Ang mga rocket engine ay mahalagang mga ordinaryong jet engine na may isang mahalagang katangian: hindi sila gumagamit ng atmospheric oxygen bilang fuel oxidizer upang lumikha ng jet thrust. Ang lahat ng kailangan para sa operasyon nito ay matatagpuan alinman nang direkta sa katawan nito, o sa oxidizer at mga sistema ng supply ng gasolina. Ito ang tampok na ito na ginagawang posible na gumamit ng mga rocket engine sa kalawakan.

Mayroong maraming mga uri ng mga rocket engine at lahat sila ay naiiba sa bawat isa hindi lamang sa mga tampok ng disenyo, kundi pati na rin sa prinsipyo ng operasyon. Iyon ang dahilan kung bakit ang bawat uri ay dapat isaalang-alang nang hiwalay.

Kabilang sa mga pangunahing katangian ng pagganap ng mga rocket engine, ang espesyal na pansin ay binabayaran sa tiyak na salpok - ang ratio ng jet thrust sa masa ng gumaganang likido na natupok sa bawat yunit ng oras. Ang tiyak na halaga ng impulse ay sumasalamin sa kahusayan at ekonomiya ng makina.

Mga kemikal na rocket engine (CRD)

Ang ganitong uri ng makina ay kasalukuyang ang isa lamang na malawakang ginagamit para sa paglulunsad ng spacecraft sa kalawakan; bilang karagdagan, ito ay nakahanap din ng aplikasyon sa industriya ng militar. Ang mga kemikal na makina ay nahahati sa solid at likidong gasolina depende sa estado ng pagsasama-sama rocket fuel.

Kasaysayan ng paglikha

Ang mga unang rocket engine ay solid propellant, at lumitaw ang mga ito ilang siglo na ang nakalilipas sa China. Sa oras na iyon, wala silang gaanong kinalaman sa espasyo, ngunit sa kanilang tulong posible na maglunsad ng mga rocket ng militar. Ang isang pulbos ay ginamit bilang gasolina, na kahawig ng pulbura sa komposisyon, ang porsyento lamang ng mga bahagi nito ay binago. Bilang isang resulta, sa panahon ng oksihenasyon, ang pulbos ay hindi sumabog, ngunit unti-unting nasunog, naglalabas ng init at lumilikha ng jet thrust. Ang ganitong mga makina ay pino, pinahusay at pinahusay na may iba't ibang antas ng tagumpay, ngunit ang kanilang tiyak na salpok ay nanatiling maliit, iyon ay, ang disenyo ay hindi mabisa at hindi matipid. Di-nagtagal, lumitaw ang mga bagong uri ng solid fuel na naging posible upang makakuha ng mas tiyak na salpok at magkaroon ng mas malaking traksyon. Ang mga siyentipiko mula sa USSR, USA at Europe ay nagtrabaho sa paglikha nito sa unang kalahati ng ika-20 siglo. Nasa ikalawang kalahati ng 1940s, isang prototype ng modernong gasolina ang binuo, na ginagamit pa rin ngayon.

Rocket engine Ang RD - 170 ay tumatakbo sa likidong gasolina at oxidizer.

Ang mga liquid rocket engine ay isang imbensyon ng K.E. Tsiolkovsky, na nagmungkahi sa kanila bilang isang power unit para sa isang space rocket noong 1903. Noong 1920s, ang trabaho sa paglikha ng isang rocket engine ay nagsimulang isagawa sa USA, noong 1930s - sa USSR. Sa simula na ng Ikalawang Digmaang Pandaigdig, ang mga unang pang-eksperimentong sample ay nilikha, at pagkatapos nito, nagsimulang gawing mass-produce ang LRE. Ginamit ang mga ito sa industriya ng militar upang magbigay ng mga ballistic missiles. Noong 1957, sa unang pagkakataon sa kasaysayan ng sangkatauhan, inilunsad ang isang artipisyal na satellite ng Sobyet. Upang ilunsad ito, ginamit ang isang rocket na nilagyan ng Russian Railways.

Ang aparato at prinsipyo ng pagpapatakbo ng mga kemikal na rocket engine

Ang isang solidong propellant na makina ay naglalaman ng gasolina sa katawan nito at isang oxidizer sa isang solidong estado ng pagsasama-sama, at ang lalagyan ng gasolina ay isa ring silid ng pagkasunog. Ang gasolina ay karaniwang nasa anyo ng isang baras na may gitnang butas. Sa panahon ng proseso ng oksihenasyon, ang baras ay nagsisimulang masunog mula sa gitna hanggang sa paligid, at ang mga gas na nakuha bilang resulta ng pagkasunog ay lumabas sa pamamagitan ng nozzle, na bumubuo ng thrust. Ito ang pinakasimpleng disenyo sa lahat ng rocket engine.

Sa likidong propellant na makina, ang gasolina at oxidizer ay nasa likidong estado ng pagsasama-sama sa dalawang magkahiwalay na tangke. Sa pamamagitan ng mga channel ng supply, pumapasok sila sa silid ng pagkasunog, kung saan sila ay halo-halong at nagaganap ang proseso ng pagkasunog. Ang mga produkto ng pagkasunog ay lumalabas sa pamamagitan ng nozzle, na bumubuo ng thrust. Ang likidong oxygen ay karaniwang ginagamit bilang isang oxidizer, at ang gasolina ay maaaring iba: kerosene, likidong hydrogen, atbp.

Mga kalamangan at kahinaan ng kemikal na RD, ang kanilang saklaw

Ang mga bentahe ng solid propellant RD ay:

• pagiging simple ng disenyo;
• comparative kaligtasan sa mga tuntunin ng ekolohiya;
• mababa ang presyo;
• pagiging maaasahan.

Mga disadvantages ng RDTT:

• limitasyon sa oras ng pagpapatakbo: ang gasolina ay nasusunog nang napakabilis;
• ang imposibilidad ng pag-restart ng makina, paghinto nito at pag-regulate ng traksyon;
• maliit na tiyak na gravity sa loob ng 2000-3000 m/s.

Pag-aaral ng mga kalamangan at kahinaan ng solid propellant rocket motors, maaari nating tapusin na ang kanilang paggamit ay makatwiran lamang sa mga kaso kung saan kailangan ang isang medium-power power unit, na medyo mura at madaling ipatupad. Ang saklaw ng kanilang paggamit ay ballistic, meteorological missiles, MANPADS, pati na rin ang side boosters ng space rockets (sila ay nilagyan ng American missiles, hindi sila ginamit sa Soviet at Russian missiles).

Mga kalamangan ng likido RD:

• mataas na tiyak na salpok (mga 4500 m/s pataas);
• ang kakayahang kontrolin ang traksyon, ihinto at i-restart ang makina;
• mas magaan na timbang at siksik, na ginagawang posible na maglunsad ng kahit na malalaking multi-toneladang load sa orbit.

Mga disadvantage ng LRE:

• kumplikadong disenyo at commissioning;
• sa walang timbang na mga kondisyon, ang mga likido sa mga tangke ay maaaring gumalaw nang random. Para sa kanilang pagtitiwalag kinakailangan na gumamit ng karagdagang mga mapagkukunan ng enerhiya.

Pangunahing astronautics ang saklaw ng LRE, dahil masyadong mahal ang mga makinang ito para sa mga layuning militar.

Sa kabila ng katotohanan na sa ngayon ang mga kemikal na rocket engine ay ang tanging may kakayahang tiyakin ang paglulunsad ng mga rocket sa kalawakan, ang kanilang karagdagang pagpapabuti ay halos imposible. Ang mga siyentipiko at taga-disenyo ay kumbinsido na ang limitasyon ng kanilang mga kakayahan ay naabot na, at iba pang mga mapagkukunan ng enerhiya ay kinakailangan upang makakuha ng mas malakas na mga yunit na may mataas na tiyak na salpok.

Nuclear rocket engine (NRE)

Ang ganitong uri ng RD, hindi tulad ng mga kemikal, ay bumubuo ng enerhiya hindi sa pamamagitan ng pagsunog ng gasolina, ngunit sa pamamagitan ng pag-init ng gumaganang likido na may enerhiya ng mga reaksyong nuklear. Ang NRE ay isotopic, thermonuclear at nuclear.

Kasaysayan ng paglikha

Ang disenyo at prinsipyo ng pagpapatakbo ng NRE ay binuo noong 50s. Nasa 70s na, ang mga eksperimentong sample ay handa na sa USSR at USA, na matagumpay na nasubok. Ang solid-phase Soviet RD-0410 engine na may thrust na 3.6 tonelada ay nasubok sa isang bench base, at ang American NERVA reactor ay dapat na mai-install sa Saturn V rocket bago ang sponsorship ng lunar program ay itinigil. Kaayon, isinagawa din ang gawain sa paglikha ng mga gas-phase na NRE. Aktibo na ngayon mga programa sa agham sa pagbuo ng nuclear RD, ang mga eksperimento ay isinasagawa sa mga istasyon ng kalawakan.

Kaya, mayroon nang mga gumaganang modelo ng mga nuclear rocket engine, ngunit hanggang ngayon wala pa sa mga ito ang ginagamit sa labas ng mga laboratoryo o mga baseng pang-agham. Ang potensyal ng naturang mga makina ay medyo mataas, ngunit ang panganib na nauugnay sa kanilang paggamit ay malaki din, kaya sa ngayon ay umiiral lamang sila sa mga proyekto.

Device at prinsipyo ng pagpapatakbo

Ang mga nuclear rocket engine ay gas-, liquid- at solid-phase, depende sa estado ng pagsasama-sama ng nuclear fuel. Ang gasolina sa solid-phase na NRE ay mga fuel rod, katulad ng sa mga nuclear reactor. Matatagpuan ang mga ito sa pabahay ng engine at sa proseso ng pagkabulok ng fissile material ay naglalabas sila ng thermal energy. Ang gumaganang likido - gaseous hydrogen o ammonia - na nakikipag-ugnay sa elemento ng gasolina, sumisipsip ng enerhiya at nagpapainit, tumataas ang dami at lumiliit, pagkatapos nito ay lumabas sa ilalim ng nozzle sa ilalim. mataas na presyon.

Ang prinsipyo ng pagpapatakbo ng isang liquid-phase NRE at ang disenyo nito ay katulad ng mga solid-phase, tanging ang gasolina ay nasa likidong estado, na ginagawang posible upang madagdagan ang temperatura, at samakatuwid ay ang thrust.

Ang mga gas-phase na NRE ay gumagana sa gasolina sa isang gas na estado. Karaniwang ginagamit nila ang uranium. Ang gaseous fuel ay maaaring itago sa kaso ng isang electric field o maaari itong nasa isang selyadong transparent flask - isang nuclear lamp. Sa unang kaso, mayroong isang contact ng gumaganang likido sa gasolina, pati na rin ang isang bahagyang pagtagas ng huli, samakatuwid, bilang karagdagan sa karamihan ng gasolina, ang makina ay dapat magkaroon ng reserba nito para sa pana-panahong muling pagdadagdag. Sa kaso ng isang nuclear lamp, walang pagtagas, at ang gasolina ay ganap na nakahiwalay mula sa daloy ng gumaganang likido.

Mga kalamangan at kawalan ng YARD

Ang mga nuclear rocket engine ay may malaking kalamangan sa mga kemikal - ito ay isang mataas na tiyak na salpok. Para sa mga solid-phase na modelo, ang halaga nito ay 8000-9000 m/s, para sa mga liquid-phase na modelo ito ay 14000 m/s, para sa gas-phase na mga modelo ito ay 30000 m/s. Gayunpaman, ang kanilang paggamit ay nangangailangan ng kontaminasyon ng atmospera na may mga radioactive emissions. Ngayon ay isinasagawa ang trabaho upang lumikha ng isang ligtas, environment friendly at mahusay na nuclear engine, at ang pangunahing "kandidato" para sa papel na ito ay isang gas-phase NRE na may isang nuclear lamp, kung saan ang radioactive substance ay nasa isang selyadong flask at hindi lumalabas sa labas. na may jet flame.

Mga electric rocket engine (EP)

Ang isa pang potensyal na katunggali sa mga kemikal na rocket engine ay isang electric rocket engine na pinapagana ng enerhiyang elektrikal. Ang ERD ay maaaring electrothermal, electrostatic, electromagnetic o pulsed.

Kasaysayan ng paglikha

Ang unang EJE ay idinisenyo noong 30s ng Sobyet na taga-disenyo na si V.P. Glushko, kahit na ang ideya ng paglikha ng naturang makina ay lumitaw sa unang bahagi ng ikadalawampu siglo. Noong 60s, ang mga siyentipiko mula sa USSR at USA ay aktibong nagtatrabaho sa paglikha ng isang EJE, at noong 70s, ang mga unang sample ay nagsimulang gamitin sa sasakyang pangkalawakan bilang mga control engine.

Device at prinsipyo ng pagpapatakbo

Ang isang electric propulsion system ay binubuo ng EJE mismo, ang istraktura nito ay depende sa uri nito, ang mga sistema para sa pagbibigay ng gumaganang fluid, kontrol at power supply. Pinapainit ng Electrothermal RD ang daloy ng gumaganang likido dahil sa init na nabuo ng elemento ng pag-init, o sa isang electric arc. Ang helium, ammonia, hydrazine, nitrogen at iba pang mga inert na gas, na mas madalas na hydrogen, ay ginagamit bilang isang gumaganang likido.

Ang Electrostatic RD ay nahahati sa colloidal, ionic at plasma. Sa kanila, ang mga sisingilin na particle ng gumaganang likido ay pinabilis ng electric field. Sa colloidal o ionic RD, ang gas ionization ay ibinibigay ng isang ionizer, isang high-frequency na electric field, o isang gas-discharge chamber. Sa plasma RDs, ang working fluid, xenon, isang inert gas, ay dumadaan sa isang annular anode at pumapasok sa isang gas-discharge chamber na may compensating cathode. Sa mataas na boltahe, ang isang spark ay nag-aapoy sa pagitan ng anode at cathode, na nag-ionize ng gas, na nagreresulta sa isang plasma. Ang mga positibong sisingilin na ion ay lumalabas sa pamamagitan ng nozzle sa isang mataas na bilis, na nakuha dahil sa acceleration ng isang electric field, at ang mga electron ay inilalabas ng isang compensating cathode.

Ang Electromagnetic RD ay may sariling magnetic field - panlabas o panloob, na nagpapabilis sa mga sisingilin na particle ng working fluid.

Impulse RD work dahil sa pagsingaw ng solid fuel sa ilalim ng pagkilos ng mga electrical discharges.

Mga kalamangan at kawalan ng ERD, saklaw ng paggamit

Kabilang sa mga pakinabang ng ERD:

• mataas na tiyak na salpok, ang pinakamataas na limitasyon nito ay halos walang limitasyon;
• mababang pagkonsumo ng gasolina ( working fluid).

Bahid:

• mataas na antas ng pagkonsumo ng kuryente;
• pagiging kumplikado ng disenyo;
• maliit na traksyon.

Sa ngayon, ang paggamit ng mga ERE ay limitado sa kanilang pag-install sa mga satellite sa kalawakan, at ang mga solar na baterya ay ginagamit bilang mga mapagkukunan ng kuryente para sa kanila. Kasabay nito, ang mga makina na ito na maaaring maging mga power plant na gagawing posible upang galugarin ang espasyo, samakatuwid, ang paggawa ng kanilang mga bagong modelo ay aktibong isinasagawa sa maraming mga bansa. Ito ang mga power plant na madalas na binanggit ng mga manunulat ng science fiction sa kanilang mga gawa na nakatuon sa pagsakop sa kalawakan, maaari rin silang matagpuan sa mga pelikulang science fiction. Sa ngayon, ang ERD na ang pag-asa na makakapaglakbay pa rin ang mga tao sa mga bituin.

Ang mga rocket engine ay isa sa mga pinakasikat teknikal na pag-unlad. Mga materyales na gumagana sa limitasyon, daan-daang mga atmospheres, libu-libong degree at daan-daang toneladang thrust - hindi ito maaaring hindi matuwa. Ngunit mayroong maraming iba't ibang mga makina, alin ang pinakamahusay? Kaninong mga inhinyero ang aakyat sa podium? Sa wakas ay dumating na ang oras upang sagutin ang tanong na ito nang buong katapatan.

Sa kasamaang palad, sa pamamagitan ng hitsura ang makina ay hindi masasabi kung gaano ito kahanga-hanga. Kailangan mong maghukay sa mga boring na numero ng mga katangian ng bawat makina. Pero marami, alin ang pipiliin?

Mas makapangyarihan

Sa kabila ng lahat ng kapangyarihan, ang mga solid-fuel boosters ay halos hindi matatawag na simbolo ng teknolohikal na pag-unlad, dahil sa istruktura sila ay isang bakal (o composite, ngunit hindi mahalaga) na silindro na may gasolina. Pangalawa, ang mga booster na ito ay namatay kasama ng mga shuttle noong 2011, na nagpapahina sa impresyon ng kanilang tagumpay. Oo, ang mga sumusunod sa balita tungkol sa bagong American super-heavy rocket na SLS ay magsasabi sa akin na ang mga bagong solid-propellant boosters ay binuo para dito, ang thrust nito ay magiging 1600 tonelada na, ngunit, una, ang rocket na ito ay hindi lilipad. sa lalong madaling panahon, hindi bago ang katapusan ng 2018. At pangalawa, ang konsepto ng “take more segments with fuel para mas malaki pa ang thrust” ay isang malawak na development path, kung gugustuhin mo, maaari kang maglagay ng higit pang mga segment at makakuha ng mas maraming thrust, ang limitasyon ay hindi pa naabot dito , at hindi mahahalata na ang landas na ito ay humantong sa teknikal na kahusayan.

Ang pangalawang lugar sa mga tuntunin ng thrust ay hawak ng domestic liquid engine RD-171M - 793 tonelada.

Apat na combustion chamber ang isang makina. At isang lalaki para sa sukat

Mukhang - narito siya, ang ating bayani. Ngunit, kung ito ang pinakamahusay na makina, nasaan ang tagumpay nito? Okay, ang Energia rocket ay namatay sa ilalim ng mga durog na bato ng isang gumuho Uniong Sobyet, at tinapos ng "Zenith" ang patakaran ng mga relasyon sa pagitan ng Russia at Ukraine. Ngunit bakit ang Estados Unidos ay bumili mula sa amin hindi ang kahanga-hangang makina na ito, ngunit kalahati ng laki ng RD-180? Bakit ang RD-180, na nagsimula bilang isang "kalahati" ng RD-170, ngayon ay gumagawa ng higit sa kalahati ng thrust ng RD-170 - kasing dami ng 416 tonelada? Kakaiba. Hindi maliwanag.

Ang ikatlo at ikaapat na lugar sa mga tuntunin ng thrust ay inookupahan ng mga makina mula sa mga rocket na hindi na lumilipad. Sa ilang kadahilanan, ang solid-fuel na UA1207 (714 tonelada), na nasa Titan IV, at ang bituin ng lunar program, ang F-1 engine (679 tonelada), sa ilang kadahilanan ay hindi nakatulong upang mabuhay hanggang sa araw na ito, natitirang mga numero ng kapangyarihan. Siguro ang ilang iba pang mga parameter ay mas mahalaga?

Mas mahusay

Tiyak na salpok nagpapakita kung gaano karaming mga segundo ang engine ay maaaring bumuo ng isang thrust ng 1 Newton sa isang kilo ng gasolina

Ang mga may hawak ng thrust record ay, sa pinakamaganda, nasa gitna ng listahan kapag pinagbukud-bukod ayon sa tiyak na impulse, at ang mga F-1 na may solidong booster ay nasa likod ng buntot. Tila ito ang pinakamahalagang katangian. Ngunit tingnan natin ang mga pinuno ng listahan. Sa indicator na 9620 segundo, ang hindi kilalang HiPEP electric jet engine ay nangunguna.

Ito ay hindi isang sunog sa microwave, ngunit isang tunay na rocket engine. Totoo, mayroon pa rin siyang napakalayo na kamag-anak ng microwave ...

Ang HiPEP engine ay binuo para sa saradong proyekto ng Jupiter moon probe at itinigil noong 2005. Sa mga pagsubok, ang prototype engine, ayon sa isang opisyal na ulat ng NASA, ay bumuo ng isang tiyak na salpok ng 9620 segundo, na kumonsumo ng 40 kW ng enerhiya.

Ang pangalawa at pangatlong lugar ay inookupahan ng VASIMR (5000 segundo) at SUSUNOD (4100 segundo), na hindi pa lumilipad, ay nagpakita ng kanilang mga katangian sa mga test bench. At ang mga makina na lumipad sa kalawakan (halimbawa, isang serye ng mga domestic SPD engine mula sa OKB Fakel) ay may pagganap hanggang 3000 segundo.

Mga makina ng serye ng SPD. Sino ang nagsabi ng "mga cool na backlit speaker"?

Bakit hindi pa pinapalitan ng mga makinang ito ang lahat ng iba pa? Ang sagot ay simple kung titingnan natin ang kanilang iba pang mga parameter. Ang thrust ng mga electric jet engine ay sinusukat, sayang, sa gramo, at sa kapaligiran ay hindi sila maaaring gumana. Samakatuwid, hindi gagana ang pag-assemble ng isang ultra-efficient na sasakyan sa paglulunsad sa mga naturang makina. At sa kalawakan, nangangailangan sila ng kilowatts ng enerhiya, na hindi kayang bayaran ng lahat ng satellite. Samakatuwid, ang mga electric propulsion engine ay pangunahing ginagamit lamang sa mga interplanetary station at geostationary communication satellite.

Well, well, sasabihin ng mambabasa, itapon natin ang mga electric propulsion engine. Sino ang hahawak ng rekord para sa tiyak na salpok sa mga makinang kemikal?

Sa indicator na 462 segundo, ang domestic KVD1 at ang American RL-10 ay magiging kabilang sa mga nangunguna sa mga chemical engine. At kung ang KVD1 ay lumipad lamang ng anim na beses bilang bahagi ng Indian GSLV rocket, kung gayon ang RL-10 ay isang matagumpay at iginagalang na makina para sa itaas na mga yugto at itaas na mga yugto, na gumagana nang perpekto sa maraming taon. Sa teorya, posible na mag-ipon ng isang paglulunsad ng sasakyan nang buo mula sa naturang mga makina, ngunit ang thrust ng isang makina na 11 tonelada ay nangangahulugan na dose-dosenang mga ito ang kailangang ilagay sa una at pangalawang yugto, at walang mga tao na nais. gawin ito.

Posible bang pagsamahin ang high thrust at high specific impulse? Ang mga makinang kemikal ay nagpahinga laban sa mga batas ng ating mundo (mabuti, ang hydrogen na may oxygen na may tiyak na salpok na higit sa ~ 460 ay hindi nasusunog, ipinagbabawal ito ng pisika). Mayroong mga proyekto ng atomic engine (,), ngunit hindi pa ito lumalampas sa mga proyekto. Ngunit, sa pangkalahatan, kung ang sangkatauhan ay maaaring tumawid sa mataas na thrust na may mataas na tiyak na salpok, gagawin nitong mas madaling ma-access ang espasyo. Mayroon bang iba pang mga tagapagpahiwatig kung saan maaari mong suriin ang makina?

mas matindi

Ang silid ng pagkasunog RD-180 sa museo. Bigyang-pansin ang bilang ng mga stud na may hawak na takip ng silid ng pagkasunog at ang distansya sa pagitan ng mga ito. Kitang-kita mo kung gaano kahirap panatilihin ang mga gustong tanggalin ang takip ng 258 atmospheres ng pressure

Ang ika-apat na puwesto ay kabilang sa Soviet RD-0120 (216 atm), na nangunguna sa mga hydrogen-oxygen engine at dalawang beses na lumipad sa sasakyang panglunsad ng Energia. Ang ikalimang lugar ay kasama rin ng aming makina - RD-264 sa isang pares ng gasolina ng asymmetric dimethylhydrazine / nitrogen tetroxide sa Dnepr launch na sasakyan na nagpapatakbo na may presyon na 207 atm. At sa ikaanim na puwesto lamang ang American Space Shuttle RS-25 engine na may dalawang daan at tatlong atmospheres.

mas maaasahan

Malaking link ng larawan

Ang kabaligtaran ay totoo rin - ang isang makina na walang natitirang thrust o tiyak na mga halaga ng impulse, ngunit maaasahan, ay magiging popular. Kung mas mahaba ang kasaysayan ng paggamit ng makina, mas maraming istatistika, at mas maraming mga bug ang nagawa nitong mahuli sa mga aksidenteng nangyari na. Ang mga makina ng RD-107/108 sa Soyuz ay nagmula sa parehong mga makina na naglunsad ng unang Sputnik at Gagarin, at, sa kabila ng mga pag-upgrade, ay may mababang mga parameter ngayon. Ngunit ang pinakamataas na pagiging maaasahan sa maraming paraan ay nagbabayad para dito.

mas accessible

Merlin-1D engine. Exhaust mula sa gas generator tulad ng sa Atlases animnapung taon na ang nakalipas, ngunit magagamit

TWR

Presyo

Konklusyon

Ang pinakamahusay na rocket engine ay isa na na maaari mong gawin / bilhin, habang magkakaroon ito thrust sa hanay na kailangan mo(hindi masyadong malaki o maliit) at magiging napakaepektibo( tiyak na salpok, presyon sa silid ng pagkasunog) na ito presyo ay hindi magiging hindi mabata para sa iyo.

At, sa konklusyon, isang maliit na hit parade ng mga makina na personal kong itinuturing na pinakamahusay:

RD-170/180/190 pamilya. Kung ikaw ay mula sa Russia o maaaring bumili ng mga makina ng Russia at kailangan mo ng makapangyarihang mga makina para sa unang yugto, kung gayon ang pamilyang RD-170/180/190 ay magiging isang mahusay na pagpipilian. Mahusay, may mataas na pagganap at mahusay na mga istatistika ng pagiging maaasahan, ang mga makinang ito ay nangunguna sa pag-unlad ng teknolohiya.

Be-3 at RocketMotorTwo. Ang mga makina ng mga pribadong kumpanya na kasangkot sa suborbital na turismo ay nasa kalawakan lamang ng ilang minuto, ngunit hindi nito pinipigilan ang mga ito na humanga sa kagandahan ng mga teknikal na solusyon na ginamit. Ang BE-3 hydrogen engine, wide range restartable at throttling, hanggang 50 tonelada ng thrust at orihinal na open-phase na disenyo, na binuo ng medyo maliit na team ay cool. Para naman sa RocketMotorTwo, para sa lahat ng pag-aalinlangan kay Branson at SpaceShipTwo, hindi ko maiwasang humanga sa kagandahan at pagiging simple ng solid fuel/gaseous oxidizer hybrid na disenyo ng makina.

F-1 at J-2 Noong 1960s, ito ang pinakamalakas na makina sa kanilang klase. At imposibleng hindi mahalin ang mga makina na nagbigay sa amin ng gayong kagandahan.

Na matatagpuan sa mismong sasakyan. Ang rocket engine ay ang tanging uri ng makina na halos pinagkadalubhasaan para sa paglulunsad ng isang payload sa orbit ng isang artipisyal na satellite ng Earth at paggamit nito sa mga kondisyon ng vacuum. Ang iba pang mga uri ng mga makina na angkop para sa paggamit sa espasyo (halimbawa,) ay hindi pa umalis sa yugto ng teoretikal at / o eksperimentong pag-unlad.

Ang thrust force sa isang rocket engine ay lumitaw bilang isang resulta ng conversion ng paunang enerhiya sa isang jet stream ng working fluid. Depende sa uri ng enerhiya na na-convert sa kinetic energy ng jet, mayroong mga kemikal na rocket engine, mga nuclear rocket engine at mga de-koryenteng rocket na motor.

Ang katangian ng kahusayan ng isang rocket engine ay (isa pang pangalan ay tiyak na tulak) ay ang ratio ng thrust na binuo ng rocket engine sa pangalawang mass flow rate ng working fluid. Ang tiyak na salpok ay may sukat (N × s) / kg at sa pagsasanay ay karaniwang nabawasan sa m / s, iyon ay, ang sukat. Para sa isang perpektong rocket engine, ang tiyak na salpok ay katumbas ng numero sa bilis ng pag-agos ng gumaganang likido mula sa nozzle.

Mga kemikal na rocket engine

Ang pinakakaraniwang mga kemikal na rocket engine, kung saan, bilang resulta ng isang exothermic na kemikal na reaksyon, at (sama-samang tinutukoy bilang) mga produktong pagkasunog ay pinainit sa mataas na temperatura, ay pinabilis sa supersonic nozzle at umaagos palabas.

Ang pinakasimpleng disenyo (RDTT), kung saan ang gasolina at oxidizer ay naka-imbak sa anyo ng mga solido, at ang tangke ng gasolina ay sabay-sabay na kumikilos bilang isang silid ng pagkasunog. Ang mga solidong propellant na makina ay madaling patakbuhin at iimbak, ngunit hindi gaanong mahusay kaysa sa likido. Ang tiyak na impulse ng solid propellant engine ay 2-3 km/s.

Nuclear rocket engine

Nuclear rocket engine (NRE)- isang makina kung saan ang gumaganang likido (halimbawa, hydrogen, ammonia, atbp.) ay pinainit dahil sa enerhiya na inilabas sa panahon ng isang nuclear reaction o radioactive decay. Mayroong radioisotope, nuclear at thermonuclear rocket engine.

Ginagawa ng mga nuclear rocket engine na makamit ang isang makabuluhang mas mataas (kumpara sa mga chemical rocket engine) na halaga ng tiyak na salpok dahil sa mataas na bilis ng pag-expire ng working fluid (mula 8,000 m/s hanggang 50 km/s o higit pa). Kasabay nito, ang thrust ng mga nuclear rocket engine ay maaaring maihambing sa thrust ng mga kemikal na rocket engine, na lumilikha ng mga kinakailangan para sa pagpapalit ng mga kemikal na rocket engine sa mga nuklear sa hinaharap.

Ang pangunahing problema sa paggamit ng NRE ay radioactive contamination. kapaligiran, na hindi pinapayagan ang paggamit ng mga NRE (maliban, posibleng, mga gas-phase - tingnan sa ibaba) sa unang dalawang yugto ng mga sasakyang inilunsad.

Ang mga NRE ay nahahati sa solid- at gas-phase. Sa solid-phase NREs, ang fissile substance, tulad ng sa mga conventional, ay inilalagay sa mga rod assemblies na may binuo na ibabaw, na nagbibigay-daan para sa mahusay na pag-init (ang nagliliwanag na enerhiya ay maaaring napapabayaan sa kasong ito) (karaniwang -), na sabay-sabay na isang coolant na nagpapalamig sa mga elemento ng istruktura at sa mga asembliya mismo. Ang temperatura ng RT ay nililimitahan ng maximum na pinapayagang temperatura ng mga elemento ng istruktura (hindi hihigit sa 3,000 °K), na naglilimita sa rate ng pag-agos.

Sa gas-phase NREs, ang fissile material, gayundin ang RT, ay nasa gaseous state at pinananatili sa working area. electromagnetic field. Sa kasong ito, mayroong isang maliit na pagtagas ng fissile na materyal sa panlabas na kapaligiran. Ang RT (hydrogen) ay naglalaman ng mga particle dahil umiinit ito dahil sa pagsipsip ng radiant energy. Ang mga istrukturang elemento sa NRE ng ganitong uri ay hindi isang deterrent, kaya ang bilis ng tambutso ng RT ay maaaring lumampas sa 30,000 m/s sa isang makabuluhang rate ng daloy. Ito ay pinaniniwalaan na ang gas-phase NREs ay maaaring gamitin bilang mga unang yugto ng makina, sa kabila ng pagtagas ng fissile material.

Sa kasalukuyan, ang mga nuclear rocket engine na may fissile material sa solid phase ay nasa yugto ng experimental testing. Sa Unyong Sobyet at sa USA, ang mga naturang NRE ay aktibong nasubok sa mga taon ng siglo. Ang Nerva reactor ay handa nang gamitin bilang isang makina para sa ikatlong yugto ng isang paglulunsad ng sasakyan, ngunit ang lunar na programa ay sarado sa oras na iyon, at walang iba pang mga gawain para sa mga sasakyang ito ng paglulunsad.

Ang mga gas-phase NRE ay kasalukuyang nasa yugto ng teoretikal na pag-unlad, gayunpaman, kapwa sa USSR at sa USA, pang-eksperimentong pag-aaral. Inaasahan na ang isang bagong impetus upang gumana sa mga gas-phase engine ay ibibigay ng mga resulta ng eksperimento ng Plasma Crystal, na isinagawa sa mga rocket engine at electromagnetic rocket engine.

Ang mga tampok (karaniwang itinuturing na disadvantages) ng mga electric rocket engine ay kinabibilangan ng mababang thrust (hindi hihigit sa mga yunit para sa pinakamakapangyarihang mga electric rocket engine) at ang kawalan ng kakayahang magtrabaho sa mga kondisyon ng atmospera sa mga altitude na mas mababa sa 100 km. Ang lahat ng ito ay nagpapaliit sa saklaw ng mga electric rocket engine.

Sa ngayon, ang mga electric rocket engine ay ginagamit bilang mga pangunahing makina at orientation engine sa mga awtomatiko. Dahil sa mataas na tiyak na impulse (bilis ng tambutso), ang pagkonsumo ng working fluid (RT) ay maliit, na ginagawang posible upang matiyak ang isang mahabang panahon ng aktibong pag-iral ng spacecraft.

Ang pagbuo ng isang proyekto para sa isang gumaganang modelo ng isang rocket ay malapit na konektado sa tanong ng engine. Anong makina ang mas mahusay na ilagay sa modelo? Alin sa mga katangian nito ang pangunahing? Ano ang kanilang kakanyahan? Ito ay kinakailangan para sa modeler na maunawaan ang mga isyung ito.

Sa kabanatang ito, bilang elementarya hangga't maaari, ay pinag-uusapan ang mga katangian ng makina, iyon ay, ang mga salik na tumutukoy sa mga tampok nito. Ang isang malinaw na pag-unawa sa halaga ng engine thrust, oras ng pagpapatakbo nito, kabuuan at tiyak na salpok at ang kanilang impluwensya sa kalidad ng paglipad ng model rocket ay makakatulong sa model-stu-designer na piliin ang tamang engine para sa model rocket, at samakatuwid tiyakin ang tagumpay sa mga kumpetisyon.

Ang mga pangunahing katangian ng isang rocket engine ay:

• 1. engine thrust P (kg)
• 2. Oras ng pagpapatakbo t (seg)
• 3. Partikular na thrust Р ud (kg s/kg)
• 4. Kabuuang (kabuuan) momentum J ∑ (10 n s ≈ 1 kg s)
• 5. Timbang ng gasolina G T (kg)
• 6. Pangalawang pagkonsumo ng gasolina ω (kg)
• 7. Bilis ng pag-agos ng mga gas W (m/s)
• 8. Timbang ng makina G dv (kg)
• 9. Mga sukat ng motor l, d (mm)

1. engine thrust

Sa kaso ng isang bukas na nozzle (Larawan 11, b), ang mga gas sa silid ng pagkasunog sa ilalim ng presyon ay dumadaloy sa nozzle sa mataas na bilis. Sa kasong ito, ang bahagi ng kamara sa tapat ng nozzle ay hindi balanse. Ang mga puwersa ng presyon na kumikilos sa bahaging iyon ng lugar sa ilalim ng silid, na nasa tapat ng pagbubukas ng nozzle, ay hindi rin balanse, bilang isang resulta kung saan ang thrust ay lumitaw.

Kung isasaalang-alang lamang natin ang paggalaw ng pagsasalin ng mga gas sa kahabaan ng silid ng pagkasunog at nguso ng gripo, kung gayon ang pamamahagi ng bilis ng gas sa landas na ito ay maaaring makilala ng isang curve (Larawan 12, a). Ang presyon sa mga elemento sa ibabaw ng kamara at nguso ng gripo ay ipinamamahagi tulad ng ipinapakita sa Fig. 12b.

Ang halaga ng uncompensated na lugar ng ilalim ng combustion chamber ay katumbas ng lugar ng pinakamaliit na seksyon ng nozzle. Malinaw, mas malaki ang lugar ng seksyong ito, ang malaking dami ang mga gas ay makakaalis sa combustion chamber sa isang yunit ng oras.

Kaya, maaari nating tapusin na ang engine thrust ay nakasalalay sa dami ng mga gas na umaalis sa combustion chamber bawat yunit ng oras bilang resulta ng uncompensated area at ang rate ng outflow ng mga gas dahil sa pressure imbalance.

Upang makakuha ng quantitative dependence, isaalang-alang ang pagbabago sa momentum ng mga gas habang dumadaloy ang mga ito palabas ng combustion chamber. Ipagpalagay natin na sa panahon ng t, ang isang tiyak na halaga ng gas ay umalis sa silid ng pagkasunog ng makina, ang masa nito ay tinutukoy ng m. Kung ipagpalagay natin na ang bilis ng pagsasalin ng mga gas sa silid ng pagkasunog ay zero, at sa ang paglabas mula sa nozzle ay umabot sa halagang W m/s, kung gayon ang pagbabago sa bilis ng gas ay magiging katumbas ng W m/sec. Sa kasong ito, ang pagbabago sa momentum ng nabanggit na masa ng gas ay isusulat bilang isang equation:

Gayunpaman, ang isang pagbabago sa momentum ng mga gas ay maaaring mangyari lamang kung ang isang tiyak na puwersa P ay kumikilos sa gas sa loob ng ilang oras t, pagkatapos

Ang pagpapalit ng halaga ng ΔQ sa formula (1) ng J ∑ =P t, nakukuha natin:

Alinsunod sa mga batas ng mekanika, ang puwersa kung saan kumikilos ang mga dingding ng kamara at nozzle sa gas ay katumbas ng magnitude sa puwersa P, kung saan ang gas naman ay kumikilos sa mga dingding ng kamara at nguso ng gripo. Ang puwersang P na ito ay ang thrust ng makina.

Pagpapalit sa formula (5) sa halip na ang masa ng gas m ang kahalintulad na halaga nito mula sa formula (6), nakukuha natin:

Kaya, ang panghuling rocket engine thrust formula ay:

Upang kalkulahin ang thrust, maaari kang gumamit ng formula na may katulad na kahulugan sa formula (5), na may P=const:

Sa patuloy na halaga ng thrust, kadalasang ginagamit ang formula

Sa mga kaso ng hindi tuluy-tuloy na thrust, halimbawa, kapag tinutukoy ang inisyal, maximum, average na thrust at thrust sa anumang oras sa panahon ng pagpapatakbo ng engine, kinakailangang ipasok ang totoong U at F na halaga ng ibinigay na makina sa formula na ito.

Kaya, ang thrust ay ang produkto ng epektibong gas outflow velocity W at ang mass per second fuel consumption ω/g.

Gawain 1. Tukuyin ang thrust ng isang rocket engine type DB-Z-SM-10, na mayroong sumusunod na data: R beats =45.5 kg·s/kg; G T =0.022 kg; t=4 seg.

Solusyon. Ang epektibong bilis ng pag-agos ng mga gas mula sa nozzle:

Gawain 2. Tukuyin ang thrust ng rocket engine type DB-Z-SM-10, pagkakaroon ng sumusunod na data: 1 kg s; G T =0.022 kg; t=4 seg.

Solusyon. Gumagamit kami ng formula (11):

2. Bilis ng pag-agos ng mga gas

Ang rate ng pag-agos ng mga gas ay nakasalalay sa iba't ibang mga kadahilanan. Ang pinakamahalagang parameter na nagpapakilala sa estado ng mga gas sa silid ng pagkasunog ay temperatura (T°K). Ang rate ng daloy ay direktang proporsyonal parisukat na ugat mula sa temperatura ng mga gas sa silid. Ang temperatura, sa turn, ay depende sa dami ng init na inilabas sa panahon ng pagkasunog ng gasolina. Kaya, ang rate ng pag-agos ay pangunahing nakasalalay sa kalidad ng gasolina, ang mapagkukunan ng enerhiya nito.

3. Tiyak na tulak at tiyak na salpok

Ang mga modernong modelo ng solid propellant rocket motor ay may mababang halaga ng tiyak na thrust: mula 28 hanggang 50 kg s/kg. Mayroon ding mga bagong makina na may partikular na thrust na 160 kg·s/kg at mas mataas, na may mas mababang limitasyon ng presyon na hindi hihigit sa 3 kg/cm 2 at medyo mataas ang specific gravity ng gasolina - higit sa 2 g/cm 3 .

Ang partikular na thrust ay nagpapakita ng kahusayan ng paggamit ng isang kilo ng gasolina sa isang partikular na makina. Kung mas mataas ang tiyak na thrust ng makina, mas kaunting gasolina ang ginagastos upang makuha ang parehong kabuuang impulse ng engine. Nangangahulugan ito na sa parehong bigat ng gasolina at mga laki ng makina, ang isa na may mas mataas na tiyak na thrust ay mas kanais-nais.

Gawain 3. Tukuyin ang bigat ng gasolina sa bawat isa sa apat na makina na may kabuuang impulse na 1 kg s, ngunit may iba't ibang partikular na thrust: a) Р beats =28 kg-s/kg; b) R beats =45.5 kg·s/kg; c) R beats =70 kg·s/kg; d) R beats =160 kg s/kg.

Solusyon. Ang bigat ng gasolina ay tinutukoy mula sa formula:

Ang tiyak na impulse J beats ay nauunawaan bilang ratio ng kabuuang thrust impulse sa panahon ng t ng operasyon ng engine sa bigat ng gasolina na natupok sa panahong ito G T .

Sa patuloy na pag-tulak, ibig sabihin, sa pare-parehong presyon sa silid ng pagkasunog at pagpapatakbo ng makina sa lupa, J beats =P beats.

4. Pagkalkula ng mga katangian ng engine DB-1-SM-6

Gawain 4. Kalkulahin ang mga pangunahing katangian ng DB-1-SM-6 engine, kung saan ang katawan ay isang 12-gauge paper hunting sleeve. Ang gasolina ay pinaghalong No. 1 (potassium nitrate - 75, sulfur - 12 at uling - 26 na bahagi). Compaction density (fuel specific gravity) γ=1.3-1.35 g/cm 2 , R beats =30 kg·sec/kg, K=100. Itinakda namin ang pinakamataas na presyon sa silid ng pagkasunog sa loob ng 8 kg / cm 2. Ang rate ng pagkasunog ng gasolina na ito bilang isang function ng presyon sa normal na temperatura ng kapaligiran ay ipinapakita sa graph sa fig. 13.

Solusyon. Una sa lahat, kinakailangan upang gumuhit ng kaso ng engine, ibig sabihin, isang 12-gauge na manggas (Zhevelot), na ginagawang posible na biswal na sundin ang pag-usad ng mga kalkulasyon (Larawan 14). Ang pabahay ng makina (manggas) ay may yari na nozzle (butas para sa Zhevelo piston). Hole diameter 5.5 mm, haba ng manggas 70 mm, panloob na diameter 18.5 mm, panlabas na diameter 20.5 mm, haba ng nozzle 9 mm. Ang bloke ng gasolina ng makina ay dapat magkaroon ng libreng espasyo - isang paayon na channel, salamat sa kung saan posible na dalhin ang lugar ng pagkasunog ng gasolina sa engine sa isang maximum na halaga. Ang hugis ng channel ay isang pinutol na kono, ang mas mababang base na tumutugma sa laki ng butas sa manggas (5.5 mm), at sa panahon ng pagkakalibrate maaari itong katumbas ng 6 mm. Diameter ng tuktok na batayan - 4 mm. Ang itaas na base ay medyo mas maliit dahil sa mga teknolohikal na pagsasaalang-alang at pag-iingat sa kaligtasan kapag inaalis ang metal cone mula sa masa ng pulbos. Upang matukoy ang haba ng kono (rod), kinakailangan ang paunang data, na nakuha sa sumusunod na pagkakasunud-sunod.

Gamit ang formula (15), ang posibleng pinakamataas na lugar ng pagkasunog ay tinutukoy:

Haba ng channel l \u003d h 1 -r \u003d 4.27-0.7 \u003d 3.57 cm.. Agad naming ilalagay ang mga resultang sukat sa pagguhit (Larawan 15). Ang haba ng baras para sa pagpindot: 3.57 + 0.7 \u003d 4.27 cm (0.7 cm - ang taas ng base ng manggas).

Magpatuloy tayo sa pagtukoy sa taas ng nagmamartsa na bahagi ng fuel checker. Ang bahaging ito ng cartridge ng gasolina ay walang channel, i.e. ito ay pinindot nang solid. Ang layunin nito ay, pagkatapos maabot ang pinakamalaking halaga traksyon upang makakuha ng isang seksyon ng pagmamartsa, mas mabuti na may patuloy na traksyon. Ang taas ng nagmamartsa na bahagi ng checker ay dapat na mahigpit na tinukoy. Ang pagkasunog ng pangunahing bahagi ng propellant ay nagpapatuloy sa makina na may bahagyang presyon na 0.07-0.02 kg/cm 2 . Batay dito, ayon sa graph sa Fig. 13 tinutukoy namin ang nasusunog na rate ng pangunahing bahagi ng gasolina: U = 0.9 cm / s.

Ang taas ng marching part h 2 para sa oras ng pagsunog t=1.58 sec. magpapaganda.