Время работы ракетного двигателя

Обзор двигателей. ЖРД и РДТТ. Почему американцы дерутся между собой за российские двигатели?

На сегодняшний день ракеты различных классов стали одним из основных вооружений самых различных классов, включая собственный род войск – ракетные войска стратегического назначения, и единственным способом вывода полезной нагрузки и человечества в космическое пространство. Одним из наиболее сложных элементов ракет был и остается ракетный двигатель. Появившись более двух тысяч лет назад, ракеты и двигатели, к сегодняшнему дню, эволюционировали, достигнув совершенства, а касательно двигателей, можно сказать, что и теоретического предела.

Исторически, первые ракеты использовали простейший пороховой двигатель. В современной терминологии – ракетный двигатель на твёрдом топливе (РДТТ). В течение своего развития такие двигатели получили новые топлива, корпуса из новых материалов, управляемые сопла различных конфигураций, сохранив при этом простоту конструкции и высокую надежность, что предопределило широкое применение этого типа двигателей в технике военного назначения. Основное же достоинство таких двигателей – это постоянная готовность к применению и минимизация операций и времени предстартовой подготовки. При этом, приходится мириться с такими недостатками РДТТ, как сложность организации выключения двигателя, многократность включения и управление тягой.

Основные параметры РДТТ определяются применяемым в нем топливом, возможностью управления вектором тяги, а также конструкцией корпуса. Также, стоит заметить, что рассмотрение твердотопливных двигателей в отрыве от ракет бессмысленно, потому как камера сгорания двигателя, является одновременно и топливным баком и включена в конструкцию ракеты.

Если говорить о сравнении РДТТ отечественных и западных, то тут стоит отметить, что на западе применяются твердые смесевые топлива с более высокой энергетикой, что позволяет создавать двигатели с большим удельным импульсом. В частности, повышается отношение максимальной развиваемой двигателем к массе топлива. Это позволяет снизить стартовые массы ракет. Особенно это заметно при рассмотрении характеристик баллистических ракет.

Первые боевые МБР с РДТТ появились в США в 60-х годах («Поларис» и «Минитмэн»), в СССР же только в 80-х («Тополь» и Р-39).

Поскольку, в таких ракетах основную стартовую массу составляет запас топлива, то сравнивая их и дальности пуска можно судить о эффективности примененных РДТТ.

Для современной американской МБР «Минитмэн-3» стартовая масса и дальность пуска составляют 35400 кг и 11000-13000 км. Для Российской ракеты РС-24 «Ярс» – 46500 – 47200 кг и 11000 км. При забрасываемой массе для обеих ракет в районе 1200 кг, явное преимущество по силовой установке имеет американская ракета. Также, в более лёгких классах РДТТ, включая авиационные ракеты, американцы чаще применяют управление вектором тяги используя отклоняемое сопло. У нас же – это интерцепторы в газовой струе. Последние, снижают КПД двигателя на 5%, отклоняемое сопло – на 2-3%.

С другой стороны, российскими химиками разработана сухая смесь для РДТТ, остатки которой могут быть подорваны. Двигатель с таким топливом применен в ПЗРК «Игла-С», где этот эффект используется для усиления воздействия БЧ. При этом, её американский аналог “Stinger” за счет быстрейшего выгорания топлива развивает большую скорость на активном участке полёта, длительность которого значительно меньше.

Еще одно военное применение РДТТ – в качестве двигателей мягкой посадки на десантируемых платформах. В настоящее время только в России продолжают развиваться десантируемые платформы, обеспечивающие выброску бронетехники с экипажами. Одной из особенностей таких систем является применение тормозных РДТТ. Технология эта позаимствована из космической отрасли, где подобные двигатели применяются для мягкой посадки спускаемых аппаратов.

В мирном космосе РДТТ получили распространение в качестве силовых установок верхних ступеней ракетоносителей и стартовых ускорителей, разгонных блоков космических аппаратов, а также двигателях мягкой посадки. На сегодняшний день одни из мощнейших РДТТ стартовых ускорителей созданы для европейского РН «Ариан».

Также, на западе РДТТ получили распространение в качестве силовых установок РН лёгкого класса, таких как европейская «Вега».

У России сохраняется приоритет в строительстве спускаемых космических аппаратов, оснащенных РДТТ мягкой посадки. На сегодняшний день, спускаемый аппарат корабля «Союз».

РДТТ применяются и для спасения экипажей космических кораблей до старта. Катапультные кресла в авиации, также. Снабжаются РДТТ, и лучшим на сегодняшний день во всем мире признан российский комплекс спасения с креслом К-36.

А вот на разгонных блоках космических аппаратов РДТТ применяются только в США и Европе. Применение же РДТТ в верхних ступенях ракетоносителей гражданского назначения в России характерно для конверсионных РН, созданных на базе МБР.

Стоит, также указать, что NASA отработала технологию многоразовых ТРДД, которые после выгорания топлива можно было заправить и использовать повторно. Речь идёт о стартовых ускорителях космического челнока, и, хотя, эта возможность никогда не использовалась, само её существование говорит о богатом накопленном опыте конструирования и эксплуатации мощных ТРДД. Отставание России в области создания РДТТ большой тяги для космических аппаратов, причиной чего, в основном, является отсутствие наработок в области высокоэнергетического твердого топлива, вызвано историческим упором на ЖРД, как более мощные и обеспечивающие большую топливную эффективность. Так, до сих пор для отечественных твердых и смесевых топлив срок гарантийного хранения составляет 10-15 лет, в то время как в США достигнуты сроки хранения ракет с РДТТ в 15-25 лет. В области же микро- и мини- РДТТ для применения в системах различного военного и гражданского назначения Россия вполне может конкурировать с мировыми образцами, а в некоторых сферах применения обладает уникальными технологиями.

В части же технологий изготовления корпусов, на сегодняшний момент, нельзя выделить чьего-либо однозначного приоритета. Различные методы применяются в зависимости от того, с какой ракетой предстоит увязывать создаваемый РДТТ. Стоит, только указать на то, что в связи с большей энергетикой американских смесевых топлив, корпуса двигателей рассчитаны на более высокую температуру горения.

Появившиеся гораздо позже, жидкостные ракетные двигатели (ЖРД) за более короткий срок своего существования достигли максимально возможного технического совершенства. Возможность многократного включения и плавного регулирования тяги определили применение таких двигателей в космических ракетоносителях и аппаратах. Значительные наработки в области создания двигателей для боевых комплексов были достигнуты в СССР. В частности, ракеты с ЖРД до сих пор стоят на дежурстве в составе РВСН, не смотря на присущие данному типу недостатки. К недостаткам относится, прежде всего, сложность хранения и эксплуатации заправленной ракеты, сложность самой заправки. Тем не менее, советским инженерам удалось создать технологии ампулирования топливных баков, обеспечивающие сохранение высококипящих компонентов топлива в них сроком до 25 лет, в результате чего были созданы самые мощные МБР в мире. Сегодня же, по мере вывода их с боевого дежурства эти МБР применяются для запуска в космическое пространство полезной нагрузки, в том числе, и мирного назначения. По этому рассмотрим их вместе с другими гражданскими РН.

Современные ЖРД можно разделить на несколько классов по различным критериям. Среди них – способ подачи топлива в камеру сгорания (турбонасосный закрытого и открытого типа, вытеснительный), количество камер сгорания двигателя (одно- и многокамерные), и самое главное, компоненты топлива.

Следует сказать, что выбор топлива для двигателя есть вводная для создания двигателя, так как в большей степени тип топлива и окислителя определяется конструкцией и параметрами ракеты.

Так как большинство современных ракет с ЖРД применяются исключительно для выведения космических аппаратов, есть возможность проведения длительных предстартовых подготовок. Это дает возможность использовать в них низкокипящие компоненты топлива – то есть такие, температура кипения которых значительно ниже нуля. К таковым относится, в первую очередь, используемый в качестве окислителя жидкий кислород и, в качестве топлива, жидкий водород. Самым мощным кислород-водородным двигателем остается американский двигатель RS-25, созданный по программе многоразового транспортного космического корабля. То есть, кроме того, что это самый мощный двигатель на указанных компонентах топлива, его ресурс составляет 55 полётных циклов (с обязательной переборкой после каждого полёта). Двигатель построен по схеме с дожиганием генераторного газа (закрытого цикла). Тяга данного ЖРД составляла 222 тонн-силы в вакууме и 184 на уровне моря.

Его аналогом в СССР был двигатель для второй ступени РН «Энергия» – РД-0120, но с несколько худшими параметрами, не смотря на большее давление газа в камере сгорания (216 атмосфер против 192), при этом масса его была выше, а тяга меньше.

Современные же кислород-водородные двигатели, такие как «Вулкан» европейского РН «Ариан» созданы с использованием открытого цикла газогенератора (сброс газогенераторного газа), и в результате этого, обладает худшими параметрами.

Другая топливная пара – низкокипящий кислород в качестве окислителя и высококипящий керосин, применяются в самом мощном ЖРД РД-170. Построенный по четырехкамерной схеме (один турбонасосный агрегат обеспечивает подачу топлива в 4 камеры сгорания), с закрытым циклом, двигатель обеспечивает тягу в 806 тонн-сил в вакууме, при этом рассчитан на 10 полётных циклов. Двигатель создавался для первой ступени РН «Энергия» (стартовые ускорители). Сегодня его вариант РД-171, обеспечивающий газодинамическое управление по всем трём осям (РД-170 только по двум) используется на РН «Зенит», являющийся, по-сути, самостоятельным стартовым ускорителем от РН «Энергия». Масштабирование двигателя позволило создать двухкамерный РД-180 и однокамерный РД-191, для американской РН Атлас и российской Ангара соответственно.

Наиболее мощным РН на сегодняшний день, является российский «Протон-М», оснащенный ЖРД на высококипящих компонентах РД-275 (первая ступень), и РД-0210 (вторая ступень). Применение высококипящих компонентов, указывает, на, отчасти, военное прошлое данного РН.

РД-275 выполнен по однокамерной схеме, закрытого цикла. Компоненты топлива – гептил и окислитель – N2O4, являются высокотоксичными. Тяга в пустоте – 187 тонн. По всей видимости, это вершина развития ЖРД на высококипящих компонентах, потому как на перспективных космических РН буду применятся нетоксичные кислород-керосиновые или кислород-водородные двигатели, а на боевых БР, включая МБР применяются РДТТ.

Местом, где сохраняется возможность и перспективы применения ЖРД на токсичных компонентах является открытый космос. То есть применение таких ЖРД возможно на разгонных блоках. Так, на российском РБ «Бриз-М» установлен двигатель С5.98М, работающий на тех же компонентах, что и РД-275.

В целом, стоит отметить, что на сегодняшний день российские ЖРД лидируют на мировом рынке как по количеству выведенной нагрузке, так и по распространению на РН различных государств.

При этом продолжаются работы по созданию новых типов двигателей, таких как трехкомпонентные ЖРД, обеспечивающие универсальность применения в атмосфере и за её пределами. Поскольку созданные двигатели достигли предела технического совершенства превзойти их будет очень сложно, а с учетом необходимых на это финансовых затрат – и вовсе бессмысленно. Таким образом, у нас есть лучшая в мире конструкторская школа в этой области, вопрос только в достаточном финансировании, для ее сохранения и развития.

Худзицкий Михаил, инженер-конструктор систем наведения

Создание ракетного двигателя РД-0105 для лунной миссии

2 января 1959 года со стартовой позиции Научно-исследовательского испытательного полигона № 5 Министерства обороны СССР (впоследствии получившего открытое название — Байконур) был впервые в истории человечества осуществлен запуск космического объекта в район Луны. Именуемая в рабочих документах «аппаратом Е-1», в полет отправилась автоматическая лунная станция «Луна-1», которая была представлена в средствах массовой информации, как искусственная планета «Мечта», запущенная к Луне.

Следует сказать, что проект Е-1 был уже не первой попыткой выполнения лунной миссии. Две предыдущие, выполнявшиеся в 1958 году, не увенчались успехом. И 2 января 1959 года был совершен первый в мире успешный старт космического аппарата за пределы околоземной орбиты! А произошло это благодаря разгону ракеты-носителя до второй космической скорости (11,2 км/с), чему способствовал успешно сработавший двигатель третей ступени, произведенный совместно двумя воронежскими предприятиями – Воронежским механическом заводе и ОКБ-154, впоследствии получившем известность как Конструкторское Бюро Химавтоматки или, короче, КБХА.

История КБХА началась в июле 1940 года, когда на Московском авиационном карбюраторном заводе № 33 было создано конструкторское бюро (КБ-2), которое начало заниматься разработкой агрегатов непосредственного впрыска (НВ) топлива в цилиндры авиационных моторов. Его начальником был назначен заместитель главного конструктора завода Семён Ариевич Косберг. 13 октября 1941 года преобразованное в самостоятельную организацию, ОКБ С.А. Косберга было и эвакуировано в город Бердск, а оттуда в апреле 1946 году перебазировалось в Воронеж на номерной завод Министерства авиационной промышленности, где согласно номеру завода стало именоваться ОКБ при заводе N154.

Главный конструктор ОКБ-154 С.А. Косберг

Послевоенные годы ознаменовались началом развития реактивной авиации, поэтому ОКБ №154 под руководством С.А. Косберга, наряду с продолжением работ по агрегатам НВ, начало разработку различных агрегатов для турбореактивных и турбовинтовых двигателей. Успешные результаты работы послужили основанием для преобразования ОКБ при заводе N154 в самостоятельное ОКБ-154 с полным наименованием «Государственное Союзное ОКБ по разработке и созданию авиационных ЖРД и совершенствованию поршневых авиационных двигателей», которому так же была поручена и разработка ракетных двигателей. А началом этих работ, связанных с освоением космоса, стала деловая встреча двух главных конструкторов — С.А. Косберга и С.П. Королева, произошедшая 10 февраля 1958 года.

С. А. Косберг (третий от С.П. Королева) и «королевская» МБР Р-1

К тому моменту в космос уже были запущены три первых искусственных спутника Земли, которые вывели на орбиты двухступенчатые ракеты-носители Р-7. Эту модель С.П. Королев и собирался использовать для полета к Луне в качестве базовой.

Ракета-носитель 8К72 или «Луна» (трёхступенчатый вариант МБР Р-7)

Но для достижения Луны требовалось повысить скорость ракеты с первой космической до второй космической (с 8 до 11 км/с). Для этого ракету-носитель Р-7 предполагалось оснастить еще одной разгонной – третью! – ступенью, которую в документах именовали блоком «Е».

Блок «Е» ракеты-носителя 8К72 или «Луна» (Трёхступенчатый вариант ракеты Р-7)

Двигатель для блока «Е» ракеты-носителя 8К72 или «Луна» (трёхступенчатый вариант ракеты Р-7) создавался в кооперации двух организаций – ОКБ-1 (главный конструктор С. П. Королёв) и ОКБ-154 (главный конструктор С. А. Косберг). Камера сгорания с высотным соплом была разработана в отделе главного специалиста по двигателям ОКБ-1 – М.В. Мельникова. Турбонасосный агрегат, газогенератор, регуляторы двигателя и прочие агрегаты разрабатывали в Воронеже (ведущий конструктор – В. П. Кошельников). Получивший внутрифирменное название РО-5 и вписанный в историю освоения космического пространства как РД-0105, новый жидкостный кислородно-керосиновый двигатель был разработан в рекордно короткий срок — 9 месяцев.

Ракета-носитель 8К7/«Луна» и двигатель РО-5/РД-0105

2 января 1959 года двигатель РД-0105 в составе третьей ступени позволил автоматической межпланетной станции «Луна-1» впервые в истории космонавтики достичь второй космической скорости. При этом сам двигатель стал первым в мире двигателем, который запускался в космическом пространстве. 4 января 1959 станция «Луна-1» пролетела на расстоянии 5 — 6 тысяч километров от лунной поверхности и стала первым искусственным спутником Солнца.

Двигатель РД-0105, отправивший к Луне первую межпланетную станцию

Однако, главная задача аппарата Е-1 — прямое попадание в Луну — не была выполнена. 4 января 1959 станция «Луна-1» пролетела на расстоянии 5 — 6 тысяч километров от лунной поверхности и стала первым искусственным спутником Солнца с земным названием «Мечта».Причиной промаха стало запоздавшее отключение двигателя второй ступени ракеты-носителя, управление которым в тот раз осуществлялось с Земли. Но, по вине наземных пунктов управления, радиокоманда опоздала. Соответственно, двигатель третьей ступени также включился и выключился с опозданием.

Искусственная планета Мечта

Ошибка была исправлена уже осенью того же года. 14 сентября 1959 года двигатель РД-0105, успешно отработав в составе третьей ступени ракеты-носителя «Луна», направил лунный аппарат «Луна-2» точно в цель — в лунный кратер Моря Дождей, расположенного в северо-западной части видимой с Земли стороны Луны. Там советская межпланетная станция впервые в мире достигла лунной поверхности, доставив вымпел с изображением Государственного герба СССР в район, впоследствии названный Заливом Лунника

И, наконец, 4 октября 1959 года двигатель РД-0105 сыграл свою решающую роль в составе третьей ступени ракеты-носителя «Луна», которая вывела на орбиту автоматическую межпланетную станцию «Луна-3», облетевшую естественный спутник Земли и сделавшую первые в мире фотографии его обратной стороны.

Полет межпланетной станции «Луна-3» и первая фотография обратной стороны Луны

Впоследствии на базе двигателя РД0105 воронежским ОКБ-154 был разработан ЖРД РД0109 для третьей ступени РН «Восток» (ведущий конструктор В.П. Кошельников). Двигатель имел повышенную надежность и улучшенные технические характеристики за счет создания новой экономичной и легкой камеры сгорания. С помощью двигателя РД0109 произведен вывод на околоземную орбиту космического корабля «Восток» с Ю.А. Гагариным на борту, а затем всех одноместных пилотируемых кораблей, а также различных спутников оборонного и научного назначения.

Воронежский двигатель РД0109 третьей ступени ракеты-носителя «Восток-1»

«Царь-двигатель»: действительно ли РД-171МВ – самый мощный в мире?

«Царь-двигатель» — именно так ряд СМИ величает перспективный российский жидкостный ракетный двигатель, видео о котором не так давно представили в Роскосмосе. Аналогия с «Царь-пушкой» и «Царь-танком» довольно странная, если учесть, что ни один, ни другой никак себя не проявил по прямому назначению. То есть, в бою. А любой ракетный двигатель как-никак — сугубо утилитарное изделие, который вряд ли станет памятником человеческому уму или, наоборот, глупости (хотя если говорить в переносном смысле, то возможно и то, и другое).

К слову, в космическом ведомстве выбрали довольно странный музыкальный ряд, так что досмотреть видео до конца не так-то просто. Но если убрать назойливую мелодию, то по меркам Роскосмоса — вполне качественный медийный продукт. Тут и неплохая анимация, и демонстрация производственных процессов, и комментарии конструкторов. Для настоящей революции в сфере двигателестроения этого, увы, мало.

Детали проекта

Начнем с самого важного. РД-171МВ должен лечь во главу концепции перспективной ракеты «Иртыш», которую ранее знали под несколько странным наименованием «Союз-5». Почему странным? Дело в том, что новая ракета не будет иметь прямого отношения к советским «Союзам». Это, скорее, современная реинкарнации «Зенита», где также найдут свое воплощение некоторые технические решения закрытого ранее проекта «Русь». Сам по себе «Иртыш» — без преувеличения главная надежда российской космической индустрии. И потенциально основная российская ракета-носитель будущего, еще как минимум, на 50 лет. Это, конечно, при условии, что ее создадут.

Уже известно, что кроме использования на первой ступени «Иртыша», двигатель РД-171МВ также намерены применить для первой ступени перспективной российской ракеты «Енисей», которую видят инструментом покорения Луны в будущем. В России. В Америке высадку на Луну осуществят с помощью других носителей: пока что Штаты вообще не горят желанием включать РФ в новый лунно-орбитальный проект.

Грубо говоря, РД-171МВ — основа всей российской космонавтики будущего. К сожалению, ничего революционного, в широком смысле, в нем нет. Разберем по порядку. Пожалуй, первое, о чем нужно говорить, это «наследственность». Двигатель РД-171МВ является очередной версией советского РД-170, работать на котором начали в 1976 году. Его создавали для ракеты «Энергия», которая должна была стать частью комплекса «Энергия — Буран». Говоря совсем просто, двигатель должен был выводить в космосе советский челнок — аналог американского шаттла. Развал СССР похоронил и сам корабль, и огромную ракету. Но вот двигатель не только их пережил, но и породил целое семейство разных изделий, одно из которых — РД-180 — американцы до сих пор используют на первой ступени своей ракеты «Атлас V», хотя в будущем уже не планируют закупать российские изделия (как оно будет на самом деле — покажет время).

Сам РД-171МВ, как и его далекий предок, является жидкостным ракетным двигателем закрытого цикла. Он имеет четыре камеры сгорания, и использует пару кислород-керосин. По состоянию на 2019 год это не «трагедия», однако уже в скором будущем появятся новые двигатели, которые ориентированы на потенциально более удачную почти во всех смыслах топливную пару сжиженный природный газ/жидкий кислород. Самый яркий представитель — перспективный Raptor от компании SpaceX. Еще можно вспомнить BE-4 от Blue Origin, который хотят устанавливать сразу на две перспективные американские многоразовые ракеты: Vulcan и New Glenn.

Вернемся к тезису о том, что ряд в Роскосмосе РД-171МВ самым мощным ракетным двигателем из числа существующих. Так ли это? На официальном канале ведомства прямо утверждают: «самый мощный в мире — 246 тысяч лошадиных сил. При массе в 10 тонн тяга двигателя превысит 800 тонн». И далее: «турбонасосный агрегат развивает мощность 180 тыс. киловатт, что соответствует мощности трех атомных силовых установок крупнейших ледоколов». «Двигатель РД-171МВ действительно будет самым мощным в мире», — подчеркнул в свою очередь генеральный директор НПО «Энергомаш» Игорь Арбузов.

Сухие характеристики выглядят так:

– Масса: 10 300 кг;
– Высота: 4 150 мм;
– Диаметр: 3 565 мм.

Много это или мало? Смотря с чем сравнивать. Ракетный двигатель Merlin 1D+ для ракет Falcon 9 FT и Falcon Heavy имеет тягу на уровне моря 845 килоньютонов или 94.981778 тонн-сил. Казалось бы, превосходство огромное. Но не стоит забывать, что «Мерлин» имеет массу менее чем 500 килограмм. То есть, он находится в совсем другой весовой категории. Малая масса позволяет установить на Falcon Heavy 27 «Мерлинов», так что «коллективный двигатель» этой ракеты намного мощней того, который будет на «Союз-5». Сейчас, напомним, Falcon Heavy является вообще мощнейшей из всех существующих ракет-носителей.

Но это все условности. Важнее другое. Если говорить о сухой мощности одного изделия, как таковой, то здесь лидером является двигатель Solid Rocket Booster, который использовали для шаттлов, а сейчас будут использовать для новой американской сверхтяжелой ракеты Space Launch System. Один такой ускоритель имеет стартовую тягу (на уровне моря) примерно 12,45 меганьютонов или по-другому 12450 кН.

Говоря иными словами, ведомство Рогозина ошиблось, назвав РД-171МВ мощнейшим. РД-170 и его модификации по-прежнему — очень эффективные ракетные двигатели и совершенно заслуженно входят в число лучших. Однако в силу возраста им объективно трудно претендовать на какие-то рекорды общемирового значения. Чисто условно РД-171МВ можно назвать «мощнейшим жидкостным ракетным двигателем», однако в Роскосмосе по какой-то причине не стали делать таких уточнений. Наверное, не столь красиво это выглядело со стороны.

На новом двигателе — в «сказочное» будущее

В заключении хочется отметить, что лучшим вариантов для России было бы изучение новых направлений двигателестроения. Вместо мега-проектов типа ракет «Дон» и «Енисей» можно было бы сфокусировать внимание на разработке принципиально нового метанового двигателя, тем более, что одну из таких разработок в стране уже ведут. «Двигатель получил название РД-169. Это фактически новый двигатель, создающийся на основе тех знаний, которые мы формировали с начала 2000-х годов», — заявил упомянутый выше Игорь Арбузов в прошлом году. Более того, по его словам интерес к разработке уже проявили другие страны. «Наших китайских коллег очень интересует вопрос совместной разработки метанового двигателя. Мы рассматриваем такой вариант, как возможность привлечения дополнительных инвестиций в создание метанового двигателя с последующим, как вариант, лицензионным соглашением по его производству в Китае», — добавил специалист.

Но работа в новых направлениях не всегда предполагает громкие лозунги. А ведь очень приятно сказать «у нас уже есть самый мощный в мире двигатель», вместо того, чтобы заявить что-то вроде «мы постараемся догнать Blue Origin и SpaceX». Платить за подобную недальновидность престижем страны придется в будущем.

Импульсный электрический реактивный двигатель

Детонационный двигатель, сущность, строение и принцип работы:

Детонационный двигатель (импульсный, пульсирующий двигатель) идет на смену обычного реактивного двигателя. Чтобы понять сущность детонационного двигателя надо разобрать обычный реактивный двигатель.

Обычный реактивный двигатель устроен следующим образом.

В камере сгорания происходит сгорание топлива и окислителя, в качестве которого выступает кислород из воздуха. При этом давление в камере сгорания постоянно. Процесс горения резко повышает температуру, создает неизменный пламенный фронт и постоянную реактивную тягу, истекающую из сопла. Фронт обычного пламени распространяется в газовой среде со скоростью 60-100 м/сек. За счет этого и происходит движение летательного аппарата. Однако современные реактивные двигатели достигли определенного предела КПД, мощности и других характеристик, повышение которых практически невозможно либо крайне затруднительно.

В детонационном (импульсном или пульсирующем) двигателе горение происходит путем детонации. Детонация — это процесс горения, но которое происходит в сотни раз быстрее, чем при обычном сжигании топлива. При детонационном горении образуется детонационная ударная волна, несущая со сверхзвуковой скоростью. Она составляет порядка 2500 м/сек. Давление в результате детонационного горения стремительно возрастает, а объем камеры сгорания остается неизменным. Продукты горения вырываются с огромной скоростью через сопло. Частота пульсаций детонационной волны достигает несколько тысяч в секунду. В детонационной волне нет стабилизации фронта пламени, на каждую пульсацию обновляется топливная смесь и волна запускается вновь.

Давление в детонационном двигателе создается за счет самой детонации, что исключает подачу топливной смеси и окислителя при высоком давлении. В обычном реактивном двигателе, чтобы создать давление тяги в 200 атм., необходимо подавать топливную смесь под давлением в 500 атм. В то время как в детонационном двигателя – давление подачи топливной смеси – 10 атм.

Камера сгорания детонационного двигателя конструктивно имеет кольцевую форму с форсунками, размещёнными по её радиусу для подачи топлива. Волна детонации пробегает по окружности вновь и вновь, топливная смесь сжимается и выгорает, выталкивая продукты сгорания через сопло.

В России испытали детонационный двигатель тягой две тонны

Испытания детонационного двигателя

Фонд перспективных исследований

Научно-производственное объединение «Энергомаш» провело испытания модельной камеры жидкостного детонационного ракетного двигателя, тяга которого составила две тонны. Об этом в интервью «Российской газете» заявил главный конструктор «Энергомаша» Петр Левочкин. По его словам, эта модель работала на керосине и газообразном кислороде.

Детонацией называется такое горение какого-либо вещества, в котором фронт горения распространяется быстрее скорости звука. При этом по веществу распространяется ударная волна, за которой следует химическая реакция с выделением большого количества тепла. В современных ракетных двигателях сгорание топлива происходит с дозвуковой скоростью; такой процесс называется дефлаграцией.

Детонационные двигатели сегодня делятся на два основных типа: импульсные и ротационные. Последние еще называют спиновыми. В импульсных двигателях происходят короткие взрывы по мере сгорания небольших порций топливо-воздушной смеси. В ротационных же горение смеси происходит постоянно без остановки.

В таких силовых установках используется кольцевая камера сгорания, в которой топливная смесь подается последовательно через радиально расположенные клапаны. В таких силовых установках детонация не затухает — детонационная волна «обегает» кольцевую камеру сгорания, топливная смесь за ней успевает обновиться. Ротационный двигатель впервые начали изучать в СССР в 1950-х годах.

Детонационные двигатели способны работать в широком пределе скоростей полета — от нуля до пяти чисел Маха (0-6,2 тысячи километров в час). Считается, что такие силовые установки могут выдавать большую мощность, потребляя топлива меньше, чем обычные реактивные двигатели. При этом конструкция детонационных двигателей относительно проста: в них отсутствует компрессор и многие движущиеся части.

Новый российский жидкостный детонационный двигатель разрабатывается совместно несколькими институтами, включая МАИ, Институт гидродинамики имени Лаврентьева, «Центр Келдыша», Центральный институт авиационного моторостроения имени Баранова и Механико-математический факультет МГУ. Разработку курирует Фонд перспективных исследований.

По словам Левочкина, во время испытаний давление в камере сгорания детонационного двигателя составило 40 атмосфер. При этом установка надежно работала без сложных систем охлаждения. Одной из задач испытаний было подтверждение возможности детонационного горения кислородно-керосиновой топливной смеси. Ранее сообщалось, что частота детонации в новом российском двигателе составляет 20 килогерц.

Первые испытания жидкостного детонационного ракетного двигателя состоялись летом 2020 года. Испытывался ли с тех пор двигатель еще раз, неизвестно.

В конце декабря 2020 года американская компания Aerojet Rocketdyne получила контракт Национальной лаборатории энергетических технологий США на разработку новой газотурбинной энергетической установки на базе ротационного детонационного двигателя. Работы, по итогам которых будет создан прототип новой установки, планируется завершить к середине 2020 года.

По предварительной оценке, газотурбинный двигатель нового типа будет иметь по меньшей мере на пять процентов лучшие характеристики, чем обычные такие установки. При этом сами установки можно будет сделать компактнее.

Василий Сычёв

Типы ракетных двигателей: конструкция, схема и устройство

Глядя на схему ракетного двигателя и на промышленные готовые изделия, трудно назвать это вершиной технического гения. Даже такое совершенное устройство, каким является российский ракетный двигатель Рд-180, на первый взгляд выглядит достаточно прозаично. Однако главное в этом устройстве — используемая технология и параметры, которыми обладает это чудо техники. Суть ракетного двигателя – обычный реактивный двигатель, в котором за счет сгорания топлива создается рабочее тело, обеспечивающее необходимое тяговое усилие. Единственное отличие заключается в виде топлива и в условиях, при которых происходит сгорание топлива и образование рабочего тела. Для того чтобы двигатель мог развить максимальную тягу в первые секунды своей работы, требуется много топлива.

В реактивных двигателях сгорание компонентов топлива осуществляется при участии атмосферного воздуха. Прямоточный реактивный двигатель сегодня является основной рабочей лошадкой, где авиационный керосин в камере сгорания сгорает вместе с кислородом, образуя на выходе мощный реактивный поток газов. Ракетный двигатель – это полностью автономная система, где реактивная тяга создается при сгорании твердого или жидкого топлива без участия атмосферного кислорода. К примеру, жидкостный ракетный двигатель работает на топливе, где окислителем является один из химических элементов, подаваемый в камеру сгорания. Твердотопливные ракеты работают на твердых видах топлива, которые находятся в одной емкости. При их сгорании выделяется огромное количество энергии, которая под высоким давлением из камеры сгорания выходит наружу.

Перед началом работы, масса топлива составляет 90% массы ракетного двигателя. По мере расхода топлива его изначальный вес уменьшается. Соответственно растет тяга ракетного двигателя, обеспечивающая выполнение полезной работы по переносу груза.

Процессы горения, происходящие внутри камеры сгорания ракетного двигателя без участия воздуха, делают использование ракетных двигателей идеальными устройствами для полетов на большие высоты и в космическое пространство. Среди всех ракетных двигателей, с которыми работает современная ракетная техника, следует выделить следующие типы:

• твердотопливные ракетные двигатели (ТРД);
• жидкостные (ЖРД);
• химические ракетные двигатели (ХРД);
• ионный ракетный двигатель;
• электрический ракетный двигатель;
• гибридный ракетный двигатель (ГРД).

К отдельному типу относятся детонационный ракетный двигатель (импульсный), который в основном устанавливается на космических аппаратах, путешествующих в космическом пространстве.

В зависимости от эксплуатации и технических возможностей устройства делятся на стартовые ракетные двигатели и рулевые. К первому типу относятся самые мощные ракетные двигатели, обладающие огромной тягой и способные преодолеть силу земного притяжения. Самые известные представители этого типа — советский двигатель, жидкостный РД-170/171, развивающий тягу во время старта ракеты в 700 тс. Создаваемое в камере сгорания давление имеет колоссальные значения 250 кгс/см2. Этот тип двигателя создавался для ракеты-носителя «Энергия». В качестве топлива для работы установки используется смесь керосина и кислорода.

Советская техника оказалась мощнее знаменитого американского устройства F-1, обеспечивающего полет ракет американской лунной программы «Аполлон».

Стартовые ракетные двигатели или маршевые могут использоваться в качестве двигательной установки для первой и второй ступени. Именно они обеспечивают заданную скорость и стабильный полет ракеты по заданной траектории и могут быть представлены всеми типами ракетных двигателей, которые существуют на сегодняшний день. Последний тип — рулевые двигатели — применяется для осуществления маневра ракетной техники как во время маршевого полета в слоях атмосферы, так и во время корректировки космических аппаратов в космосе.

На сегодняшний день только несколько государств обладают техническими возможностями для изготовления маршевых ракетных двигателей большой мощности, способных вывести в космос большие объемы груза. Такие устройства выпускаются в России, в США, в Украине и в странах Европейского Союза. Российский ракетный двигатель РД -180, украинские двигатели ЖРД 120 и ЖРД 170 являются сегодня основными двигательными установками для ракетной техники, используемой для освоения космических программ. Ракетными двигателями России сегодня оснащаются американские ракеты-носители «Сатурн» и «Антарес».

Наиболее распространенными двигателями, с которыми сегодня работает современная техника, являются твердотопливные и жидкостные ракетные двигатели. Первый тип является наиболее простым в эксплуатации. Второй тип — жидкостные ракетные двигатели представляют собой мощные и сложные устройства закрытого цикла, в которых основным компонентами топлива являются химические элементы. К этим двум типам двигательных установок относятся химические РД, которые отличаются только агрегатным состоянием топливных компонентов. Однако эксплуатация этого типа техники происходит в экстремальных условиях, с соблюдением высоких мер безопасности. Основным топливом для этого типа двигателей является водород и углерод, которые взаимодействуют с кислородом, выполняющим функцию окислителя.

Для химических реактивных двигателей в качестве компонентов топлива используются керосин, спирт и другие легкогорючие вещества. Окислителем такой смеси служат фтор, хлор или кислород. Топливная масса для работы химических двигателей является очень токсичной и опасной для человека.

В отличие от своих твердотопливных собратьев, рабочий цикл которых слишком быстр и неконтролируем, двигатели на жидком топливе позволяют регулировать свою работу. Окислитель находится в отдельной емкости и подается в камеру сгорания в ограниченном количестве, где вместе с другими компонентами образуется рабочее тело, выходя через сопло, создавая тягу. Такая особенность двигательных установок позволяет не только регулировать тягу двигателя, но и соответственно следить за скоростью полета ракеты. Лучший ракетный двигатель, который сегодня используется для старта космических ракет — российский РД -180. Это устройство обладает высокими техническими характеристиками и экономично, делая эго эксплуатацию рентабельной.

Оба типа двигателей имеют свои преимущества и недостатки, которые нивелируются сферой их использования и техническими задачами, стоящими перед создателями ракетной техники. Последней из когорты химических двигателей является криогенный метановый ракетный двигатель SpaceX Raptor, создаваемый для ракеты, способной совершать межпланетные перелеты.