Ракетная двигательная установка — это увлекательная технология. Технология, которая генерирует достаточную тягу для перемещения летательных аппаратов по воздуху. Но знаете ли вы, что ракетная технология была изобретена китайцами в 13 веке?
Конечно, тогда ракеты использовались не для запуска космических аппаратов, а для военных целей. В 1380 году мир увидел свою первую ракетную установку, которая на самом деле была огненной стрелой, названной «осиное гнездо», созданное династией Мин.
До середины 20 века ракеты не использовались в промышленных или научных работах. Фактически, первая ракета, которая могла летать достаточно высоко, чтобы выйти из земной атмосферы, была впервые запущена в 1942 году Германией. В 1957 году Советский Союз запустил первую ракету, которая вывела на эллиптическую низкую околоземную орбиту первый искусственный спутник (Спутник 1).
С тех пор космические агентства и научно-исследовательские центры разработали многочисленные ракетные технологии для получения эффективной тяги. Мы перечисляем самые популярные из них, которые привлекли внимание людей за последние семь десятилетий.
Так сколько на самом деле типов ракет? По сути, ракеты можно разделить на две категории:
На основе движущей силы
1. Твердотопливная Ракета
Все старые ракеты приводились в движение твердотопливными двигателями. Однако теперь появились новые конструкции, более современные виды топлива и функции с использованием твердого топлива. В настоящее время усовершенствованные твердотопливные двигатели в основном используются на разгонных блоках серии Delta и на сдвоенных разгонных блоках «Спейс шаттла».
Твердое топливо может быть изготовлено из многочисленных соединений, например, черного порошка (содержит древесный уголь, серу и нитрат калия), цинк-серы, нитрата калия и композиционных топлив на основе нитрата аммония или перхлората аммония.
Поскольку эти ракеты могут быть надежно запущены в короткие сроки, а твердое топливо может храниться в течение длительного периода времени, они часто используются в военных целях. Маленькие ракеты, такие как Nike Hercules и Honest John, и большие баллистические ракеты, такие как Vanguard и Polaris, используют двигатели на твердом топливе.
Хотя эти ракеты могут обеспечить высокую тягу при относительно низкой стоимости, они не столь эффективны, как современные ракеты на жидком топливе. Они могут использоваться только для выведения на низкую околоземную орбиту до 2 тонн полезной нагрузки.
2. Ракета на жидком топливе
Как следует из названия, жидкостные ракеты используют жидкое топливо для создания тяги. В отличие от твердого топлива, жидкие состоят либо из одного, либо из двух химических веществ (бипропелленты). Жидкое топливо в значительной степени предпочтительнее твердого топлива из-за его высокой плотности и высокого массового соотношения для ракеты.
Инертный газ хранится в баке двигателя под чрезвычайно высоким давлением для принудительного ввода топлива в камеру сгорания. Хотя двигатели имеют меньшее массовое соотношение, они более надежны и поэтому в основном используются в спутниках для поддержания орбиты.
Жидкие ракеты можно далее разделить на три группы: монотопливные ракеты (с одним топливом), двухтопливные ракеты (с двумя различными видами топлива) и более совершенные трехтопливные ракеты (с тремя видами топлива).
Наиболее популярными являются двухтопливные ракеты, работающие на жидком топливе (углеводороде или жидком водороде) и жидкостном окислителе (жидкий кислород). В ракете может также использоваться криогенный двигатель, в котором и окислитель, и топливо — это газы, которые при низких температурах превращаются в жидкость.
Первый зарегистрированный полет такой ракеты состоялся в 1926 году, когда профессор Роберт Х.Годдард экспериментировал с аппаратом, использующим жидкий кислород и бензин в качестве топлива.
3. Плазменная ракета
В плазменном двигателе тяга создается из квазинейтральной плазмы (где ионы и электроны упакованы в равных количествах). Это тип электрического двигателя, который использует токи и потенциалы (производимые внутри плазмы) для ускорения заряженных частиц в плазме.
За последние два десятилетия многие институты работали или в настоящее время работают над плазменными двигателями, включая Иранское космическое агентство, Австралийский национальный университет и Европейское космическое агентство.
Плазменные ракеты могут быть легко построены и использованы не один раз из-за их простой теории работы и дешевого топлива (большое количество газов, а также их комбинации могут быть использованы в качестве топлива). В отличие от обычных химических ракет, плазменные ракеты не используют все свое топливо сразу, что делает их легко пригодными для использования в полете.
Однако самая большая проблема с плазменными ракетами — это производство достаточного количества электричества для превращения газов в плазму. И из-за их относительно низкой тяги они не подходят для запуска тяжелых спутников. В среднем плазменная ракета может производить примерно 1/2 килограмма тяги. Более того, при использовании плазменных двигателей всегда существует вероятность разрушения ракеты.
VASIMR (переменная удельная импульсная магнитоплазменная ракета) — это новейшие типы ракетных двигателей, работающих на плазме, которые ионизируют топливо в плазму с помощью радиоволн. Одним из многих преимуществ плазменного двигателя является его более высокое удельное значение импульса или Isp, чем у любого другого типа ракет.
Хотя плазменные двигатели до сих пор не используются в коммерческих целях, несколько небольших версий уже успешно развернуто и протестировано. В 2011 году НАСА совместно с компанией по производству двигателей, базирующейся в Массачусетсе, запустило в космос на борту экспериментального спутника Tacsat-2 первый в истории подруливающий аппарат Холла (плазменный).
4. Ионная ракета
Ионные двигатели — это еще одна форма электрического движения, которая использует электрический ток для ускорения положительных ионов. Более конкретно, они используют электростатическую или электромагнитную силу для ускорения ионов и создания тяги.
Ионные двигатели ионизируют топливо, добавляя/удаляя электроны для получения ионов. Ксенон в основном используется в качестве топлива из-за его ионизирующих возможностей и высокой атомной массы, которая производит достаточное количество тяги при ускорении ионов.
Поскольку ксенон является инертным газом с впечатляющей плотностью хранения, его можно эффективно хранить на космических аппаратах. Большинство ионных двигателей используют процесс, известный как термоэмиссия для получения электронов.
Ионные двигатели не могут работать в атмосфере Земли, где ионы присутствуют вне двигателя. Они не могут преодолеть никакого заметного сопротивления воздуха и работают только в вакууме пространства. В настоящее время ионные двигатели (разработанные НАСА) используются для поддержания более чем 100 геосинхронных спутников связи в надлежащем положении.
Первой в мире успешной миссией в дальнем космосе с использованием ионных двигателей была НАСА Deep Space 1 (в 1990 году). Позже JAXA запустила космический корабль Hayabusa в 2003 году, который все еще находится в эксплуатации.
На данный момент НАСА работает над двумя различными ионными двигателями — кольцевым двигателем и эволюционным ксеноновым двигателем НАСА, чтобы увеличить срок эксплуатации космических аппаратов и снизить эксплуатационные расходы.
На основе использования
5. Ракетный автомобиль
Возможно, вы слышали о реактивных машинах, но что насчет ракетных машин? В отличие от реактивного автомобиля, ракетный автомобиль несет и топливо, и окислитель, что устраняет необходимость в компрессоре и воздухозаборнике, что, в свою очередь, снижает общий вес и минимизирует сопротивление.
Эти автомобили могут работать на своих двигателях в течение коротких промежутков времени (<20 секунд), и благодаря их великолепному соотношению тяги к весу они могут быстро достигать высокой скорости.
Ракетные автомобили когда-то были популярны среди гонщиков драг-рейсинга в Соединенных Штатах, но после огромного роста цен на перекись водорода они потеряли свое преимущество и в конечном итоге были запрещены в стране по соображениям безопасности. Тем не менее они все еще работают в некоторых частях Европы.
В 2018 году Tesla Motors обнародовала свои планы по производству дорожных автомобилей с ракетным двигателем. Он будет доступен в качестве дополнительной комплектации в моделях Roadster. Компания будет интегрировать двигательное оборудование (двигатели с холодным газом), которые используют сжатый воздух для повышения производительности.
6. Ракетный ранец
Концепция ракетного ранца существует почти столетие, но она не стала популярной вплоть до 1960-х годов. Это маломощная силовая установка, которая перевозит людей из одного места в другое на небольшие расстояния.
В ракетных пакетах обычно используется перекись водорода в качестве топлива для перемещения человека по воздуху. Однако технология ракетного блока практически не продвинулась с 1950-х гг. Общий массовый коэффициент, по-видимому, является главным виновником, который ограничивает время полета до секунд.
Хотя легкие двигатели, работающие на кислороде и паре, могут обеспечить приличную величину тяги, ракета дает относительно низкую скорость выхлопа и, следовательно, слабый удельный импульс. Существующие реактивные ранцы могут летать только приблизительно 30 секунд, с максимальной скоростью около 120 км/ч.
Реактивные ранцы также могут быть построены с турбореактивными двигателями, работающими на керосиновом реактивном топливе. Они могут достигать большей высоты и более длительного полета, длящегося несколько минут, но их сложно построить и слишком дорого. До сих пор был изготовлен только один рабочий прототип, который прошел летные испытания в 1960-х годах.
7. Ракетный самолет
Ракетные двигатели также могут быть использованы в авиации. Ракетные самолеты могут достигать гораздо более высоких скоростей, чем самолеты аналогичного размера, но только на небольших расстояниях. А поскольку им не нужен атмосферный кислород, они идеально подходят для полетов на больших высотах.
Ракетные самолеты были впервые спроектированы немцами во время Первой мировой войны. Однако у этих первоначальных конструкций были некоторые серьезные проблемы с производительностью, которые позже были устранены британскими инженерами в 1950-х годах, когда они разработали свои очень эффективные турбореактивные конструкции. Они могут обеспечить более короткие взлеты и намного более высокое ускорение.
Из-за интенсивного использования ракетных двигателей ракетные двигатели в основном используются в самолетах-перехватчиках и космических самолетах. X-15 является одним из самых популярных образцов ракетных самолетов. Это был ракетообразный самолет с своеобразным клиновидным вертикальным хвостом и короткими крыльями, построенный Североамериканской авиацией. На этапе эксплуатации он установил рекорд высоты и скорости в 354 200 футов и 4 520 миль в час.