Ракетная двигательная установка — это захватывающая технология, создающая силу тяги, необходимую для движения летательных аппаратов в воздухе. Знаете ли вы, что её изобрели китайцы еще в XIII веке?
Для военных нужд в то время ракеты использовались вместо запуска космических аппаратов. В 1380 году мир впервые увидел ракетную установку — огненную стрелу, названную «осиное гнездо», созданную династией Мин.
Ракетами до середины XX века не пользовались в промышленных и научных целях. Первая ракета, способная летать достаточно высоко для выхода из земной атмосферы, была запущена Германией в 1942 году. В 1957 году Советский Союз запустил ракету, выведя на эллиптическую низкую околоземную орбиту первый искусственный спутник (Спутник 1).
С тех пор космические агентства и научные центры создали множество технологий ракетных двигателей с большой тягой. Среди них выделяются наиболее известные за прошедшие семь десятилетий.
Сколько существует типов ракет по существу? Ракеты делятся на две категории.
На основе движущей силы
1. Твердотопливная Ракета
Раньше все ракеты работали на твердом топливе, но сейчас появились новые конструкции, более современные виды топлива и функции с его применением. В настоящее время усовершенствованные твердотопливные двигатели преимущественно применяют на разгонных блоках серии Delta и на двойных разгонных блоках «Спейс шаттла».
Твердое топливо получают из различных соединений, таких как черный порошок (состоит из древесного угля, серы и нитрата калия), цинк-сера, нитрат калия и композиционные топлива на основе нитрата аммония или перхлората аммония.
Из-за возможности надежного запуска за короткий срок и длительного хранения топлива эти ракеты часто применяются в военных целях. В них могут быть использованы двигатели на твердом топливе, как у малых ракет типа Nike Hercules и Honest John, так и у больших баллистических ракет, например Vanguard и Polaris.
Эти ракеты обеспечивают высокую тягу по сравнительно низкой цене, но не так эффективны, как современные жидкие ракетные двигатели. Их можно использовать лишь для запуска на низкую околоземную орбиту масс до двух тонн полезной нагрузки.
2. Ракета на жидком топливе
Жидкостные ракеты получают тягу за счёт жидкого топлива. В отличие от твердого, жидкое может состоять из одного или двух химических веществ (бипропелленты). Жидкое топливо предпочтительнее по плотности и массе для ракеты в сравнении с твёрдым.
Инертный газ хранится в баке двигателя под высоким давлением для подачи топлива в камеру сгорания. Двигатели отличаются малым весом и высокой надёжностью, поэтому их чаще всего используют на спутниках для удержания орбиты.
Жидкие ракеты делятся на три категории: однотипные, работающие на одном виде топлива; двухкомпонентные, использующие два разных вида топлива; и трёхкомпонентные, самые совершенные, применяющие три типа топлива.
Двухтопливные ракеты, работающие на жидком углеводороде или жидком водороде с жидким кислородом в качестве окислителя, считаются самыми распространенными. В некоторых ракетах применяются криогенные двигатели, где и топливо, и окислитель представляют собой газы, охлажденные до состояния жидкости.
В 1926 году профессор Роберт Х. Годдард провел первый зарегистрированный полет ракеты, используя аппарат на жидком кислороде и бензине как топливо.
3. Плазменная ракета
В плазменном двигателе тяга возникает из-за квазинейтральной плазмы, где количество ионов равно количеству электронов. Это электрический двигатель, который использует токи и потенциалы, создаваемые внутри плазмы, для ускорения заряженных частиц в ней.
В течение последних двух десятилетий множество институтов занимались разработкой плазменных двигателей, среди которых Иранское космическое агентство, Австралийский национальный университет и Европейское космическое агентство.
Плазменные ракеты просты в изготовлении и многоразовом применении благодаря простой конструкции и доступному топливу (возможны различные газы или их комбинации). В отличие от химических ракет, плазменные не расходуют все топливо за один раз, что увеличивает возможность их использования в полете.
Самая главная трудность с плазменными ракетами — производство необходимого количества электричества для преобразования газов в плазму. Из-за сравнительно низкой тяги их нельзя использовать для запуска тяжелых спутников. В среднем плазменная ракета может создавать около полукилограмма тяги. Кроме того, при работе плазменных двигателей всегда есть риск разрушения ракеты.
VASIMR (переменная удельная импульсная магнитоплазменная ракета) – это новые типы двигателей, работающих на плазме. Радиоволны ионизируют топливо в плазму. Одним из преимуществ такого двигателя является более высокое значение удельного импульса, чем у других типов ракет.
Несмотря на то, что плазменные двигатели пока не применяются в коммерции, ряд малых моделей успешно запущено и испытан. В 2011 году НАСА совместно с компанией из Массачусетса отправило в космос на борту спутника Tacsat-2 первый подруливающий аппарат Холла (плазменный).
4. Ионная ракета
Ионные двигатели представляют собой вид электрического привода, применяющего электрический ток для ускорения заряженных частиц с положительным знаком. Для этого используются электростатические или электромагнитные силы.
Ионные двигатели осуществляют ионизацию топлива, изменяя число электронов. Хлор применяется в основном как топливо за счёт свойств, позволяющих его ионизировать, а также высокой атомной массы, обеспечивающей достаточное тяговое усилие при ускорении ионов.
Благодаря своей инертности и высокой плотности хранения ксенона возможно эффективное размещение на космических аппаратах.
Большинство ионных двигателей применяют для получения электронов термоэмиссию.
Ионные двигатели функционируют только в условиях вакуума, так как ионы за пределами двигателя препятствуют их работе. Из-за отсутствия заметного сопротивления воздуха в таком среде двигатели эффективно работают. В настоящее время разработанные НАСА ионные двигатели поддерживают положение более ста спутников связи на геостационарной орбите.
Впервые в мире успешной миссией в дальнем космосе с применением ионных двигателей стала Deep Space 1 от НАСА (1990 год). Позже JAXA запустила космический аппарат Hayabusa в 2003 году, продолжающий свою работу.
В настоящее время НАСА разрабатывает два типа ионных двигателей: кольцевой и эволюционный ксеноновый двигатель, для продления срока службы космических аппаратов и уменьшения расходов на их использование.
На основе использования
5. Ракетный автомобиль
Возможно, вы знакомы с реактивными машинами, но как насчет ракетных? В отличие от автомобиля с реактивным двигателем, ракетный автомобиль переносит как топливо, так и окислитель. Это исключает необходимость в компрессоре и воздухозаборнике, что снижает общую массу и минимизирует сопротивление.
Эти автомобили способны функционировать на собственных силовых установках краткое время (<20 секунд), и отличное соотношение тяги к массе позволяет им стремительно развивать высокую скорость.
Ракетные автомобили когда-то пользовались популярностью у гонщиков д drag-рейсинга в США, но после резкого скачка цен на перекись водорода проиграли в конкуренции и были запрещены по соображениям безопасности. В некоторых европейских регионах их всё ещё применяют.
В 2018 году Tesla Motors объявила о планах выпуска дорожных автомобилей с ракетными двигателями. Такой двигатель станет опцией для моделей Roadster. Компания планирует использовать оборудование, которое включает двигатели с холодным газом и сжатый воздух для увеличения производительности.
6. Ракетный ранец
Идея ракетного ранца появилась почти сто лет назад, однако широкого распространения не получила до 1960-х годов. Эта маломощная система используется для перемещения людей на короткие дистанции.
В ракетах для перемещения людей по воздуху применяют перекись водорода в качестве топлива. Но само устройство ракетного блока практически не изменилось с 1950-х годов. Вероятнее всего, общий массовый коэффициент — главный фактор, ограничивающий продолжительность полета несколькими секундами.
Легкие двигатели, работающие на кислороде и паре, обеспечивают приличный тяги, но ракета обладает низкой скоростью выхлопа и слабым удельным импульсом. Существующие реактивные ранцы летают около 30 секунд со скоростью примерно 120 км/ч.
Реактивные ранцы могут быть созданы с турбореактивными двигателями, работающими на керосиновом топливе. Такое устройство способно достигать большей высоты и совершать полеты продолжительностью несколько минут, но его постройка сложна и затратна. До настоящего времени изготовлен лишь один рабочий прототип, который прошел испытания в 1960-х годах.
7. Ракетный самолет
Ракетные двигатели применяются и в авиации. Ракetные самолёты развивают скорости выше самолётов такого же размера, но лишь на коротких дистанциях. Ввиду неиобходимости атмосферного кислорода, они подходят для полётов на большой высоте.
Ракетные самолеты впервые спроектировали немцы во время Первой мировой войны. Эти ранние конструкции имели серьезные проблемы с производительностью, которые британские инженеры устранили в 1950-х годах, разработав эффективные турбореактивные модели. Последние обеспечивают более короткие взлеты и значительно больше ускорения.
Ракетодвигатели преимущественно применяются в самолетах-перехватчиках и космических аппаратах из-за интенсивного использования. X-15 — один из самых известных образцов ракетных самолетов. Это ракетообразный самолет с характерным клиновидным вертикальным хвостом и короткими крыльями, созданный Североамериканской авиацией. В ходе эксплуатации он установил рекорды высоты (354 200 футов) и скорости (4 520 миль в час).