Устройство и принцип работы химических ракетных двигателей

Твердотопливный двигатель вмещает в своем корпусе топливо и окислитель в твердом агрегатном состоянии, причем контейнер с топливом – это одновременно и камера сгорания. Топливо обычно имеет форму стержня с центральным отверстием. В процессе окисления стержень начинает сгорать от центра к периферии, а газы, полученные в результате сгорания, выходят через сопло, образуя тягу. Это самая простая конструкция среди всех ракетных двигателей. В жидкостных РД топливо и окислитель находятся в жидком агрегатном состоянии в двух раздельных резервуарах. По каналам подачи они попадают в камеру сгорания, где смешиваются и происходит процесс горения. Продукты сгорания выходят через сопло, образуя тягу. В качестве окислителя обычно используется жидкий кислород, а топливо может быть разным: керосин, жидкий водород и т.д.

Достоинства жидкостных РД:

· Самый высокий удельный импульс в классе химических ракетных двигателей (свыше 4500 м/с для пары кислород-водород, для пары керосин-кислород ‒ 3500 м/с).

· Управляемость по тяге: регулируя расход топлива, можно изменять величину тяги в большом диапазоне и полностью прекращать работу двигателя с последующим повторным запуском. Это необходимо при маневрировании аппарата в космическом пространстве.

· При создании больших ракет, например, носителей, выводящих на околоземную орбиту многотонные грузы, использование ЖРД позволяет добиться весового преимущества по сравнению с твёрдотопливными двигателями (РДТТ). Во-первых, за счёт более высокого удельного импульса, а во-вторых за счёт того, что жидкое топливо на ракете содержится в отдельных баках, из которых оно подается в камеру сгорания с помощью насосов. За счет этого давление в баках существенно (в десятки раз) ниже, чем в камере сгорания, а сами баки выполняются тонкостенными и относительно лёгкими [6].

Недостатки ЖРД:

· ЖРД и ракета на его основе значительно более сложно устроены, и более дорогостоящи, чем эквивалентные по возможностям твёрдотопливные (несмотря на то, что 1 кг жидкого топлива в несколько раз дешевле твёрдого). Транспортировать жидкостную ракету необходимо с бо́льшими предосторожностями, а технология подготовки её к пуску более сложна, трудоемка и требует больше времени (особенно при использовании сжиженных газов в качестве компонентов топлива), поэтому для ракет военного назначения предпочтение в настоящее время оказывается твёрдотопливным двигателям, ввиду их более высокой надёжности, мобильности и боеготовности.

· меньший вес и компактность, что дает возможность выводить на орбиту даже большие многотонные грузы.

· сложная конструкция и пуско-наладочные работы;

· в условиях невесомости жидкости в баках могут хаотично перемещаться.

· Для их осаждения нужно использовать дополнительные источники энергии [6].

Реактивное движение

Практический пример реактивного движения представляет собой движение ракеты, а её простейшая модель – обыкновенный воздушный шарик, который надули и, не завязывая, отпустили. Струя сжатого воздуха с довольно большой скоростью вырывается из шарика и он летит в сторону, противоположную направлению струи воздуха. Движение шарика объясняется законом сохранения импульса: суммарный импульс системы, состоящей из двух тел — шарика и воздуха в нём, должен остаться таким же, каким был до начала истечения воздуха, т. е. равным нулю. Поэтому выходящий из шарика воздух и шарик должны двигаться в противоположных направлениях. Ракета сходна с ним в этом отношении. Подобно воздуху, выходящему из шарика, из сопла ракеты с огромной скоростью вылетают назад продукты сгорания топлива (раскаленный газ). При этом согласно закону сохранения импульса ракете сообщается импульс, направленный вперед (рисунок 2) [2].

Рисунок 2. Наглядное представление закона сохранения импульса

Согласно закону сохранения импульса суммарный импульс ракеты и газа в этой системе отсчета остался равным нулю.

m_р – масса ракеты (оставшаяся после выброса порции газа), кг;

V_р – скорость, которую приобрела ракета в выбранной системе отсчета (в которой ее начальная скорость равна нулю), м/с [1].

 1.4 Аэродинамический аспект

Лобовое сопротивление — сила, препятствующая движению тел в жидкостях и газах. На основе созданной Ньютоном ударной теории сопротивления тел (сила удара пропорциональна квадрату скорости движения тела в неподвижном воздухе или квадрату скорости движения воздуха относительно неподвижного тела) пришли к формулам для определения силы удара или, как ее стали называть, силы сопротивления, которая всегда направлена против вектора скорости тела в среде.

Леонард Эйлер утверждал, что «воздух есть материя, непрерывно распределенная в пространстве». Отсюда важный вывод: сопротивление, которое испытывает тело при своем движении в воздухе, не есть следствие удара воздуха о переднюю часть тела; сопротивление есть результат той разности давлений, которая возникает перед телом и за ним при обтекании его потоком воздуха [4]. Поэтому предполагаем, что аэродинамическая сила сопротивления мала, поэтому ею можно пренебречь.

⇐ Предыдущая123Следующая ⇒

Поделиться: