В наше время развитие космоса имеет значительную роль в развитие авиационных технологий. Производится разработка спутников, для изучения других планет, ракет для перелётов на другие планеты. Но во время разработки данных технологий встаёт много проблем. Для полёта современных ракет используется очень много жидкостного топлива, которое имеет большую массу, что мешает в освоении других планет. Для предотвращения данной проблемы ведутся разработки других двигателей, таких как ионные, ядерные, электрические. Ракеты с такими двигателями будут иметь меньшую массу и большую мощность, что позволить совершать более долгие полёты.
Первые пороховые ракеты были изобретены в Китае. Точная дата их изобретения неизвестна (первое письменное упоминание относится к XIII веку). Эти ракеты были твердотопливными.
В Средние века ракеты применялись в основном для развлечений, для устройства фейерверков. На Западе военное ракетостроение развивалось с начала XIX века (ракеты Конгрива), в результате захвата в конце XVIII века Англией технологий майсурских ракет, однако с середины XIX века, в результате развития нарезной артиллерии, вышедшей вперёд по эффективности, оно находилось в упадке до XX века. Интерес к ракетам начал расти в 1920-е — 1930-е годы, поскольку стало ясно, что ракетный принцип движения является единственным для осуществления самостоятельного, управляемого полёта в безвоздушном космическом пространстве.
Освоение космоса стало возможным благодаря развитию ракетных двигателей, прошедших путь от теоретических работ К.Э. Циолковского, который обосновал использование ракет для космических полетов и предложил концепцию ЖРД, экспериментов с первыми ракетами с системой наведения «Фау-2», до мощных жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) конструкции группы В.П. Глушко, С.П. Королева, обеспечивших запуск: животных (1951-1961), первого спутника (1957) и полет Ю. Гагарина (1961). Ключевыми этапами стали использование многоступенчатых ракет, разработка ЖРД и развитие электроракетных технологий.
Освоение космоса продолжается и на сегодняшний день, а значит развиваются космические двигатели. Россия фокусируется на использовании космоса как стратегического ресурса для науки и обороноспособности.
Ракетный двигатель (РД) - агрегат ракеты, создающий реактивную силу (тягу) для полёта ракеты за счёт истечения из реактивного сопла двигателя струи, как правило, горячих газов. Истечение струи газов из сопла двигателя обеспечивается за счёт перепада давления, возникающего между давлением в камере сгорания и атмосферным давлением, которое является переменным по высоте полёта ракеты.
Классификация ракетных двигателей, предложенная одним из создателей жидкостных ракетных двигателей В. Д. Курпатенковым (см. рисунок 1).
ЖРД в настоящее время активно используются для запуска космических ракет в ближний космос и на Международную космическую станцию (МКС), однако есть мнение учёных, что для химических ракетных двигателей, в том числе для ЖРД, достигнут предел энергетических возможностей топлива, и существенного увеличения их удельного импульса не предвидится.
3.2 Ракетный двигатель твердого топлива
Ракетный двигатель твёрдого топлива (РДТТ) является реактивным двигателем, использующим в качестве топлива твёрдое горючее и окислитель которые помещаются в камере сгорания в виде одного или нескольких зарядов.
Такие двигатели применяются либо в ракетах военного назначения (тактические и стратегические ракеты), либо в качестве ускорителей для крылатых ракет с прямоточным воздушным реактивным двигателем, например, в Space Launch System NASA.
На рисунке 3 показаны РДТТ, используемые в качестве маршевых двигателей твердотопливных баллистических ракет наземного (стационарного и подвижного - грунтового и железнодорожного) и морского способов базирования.
Пуски ракеты с ГРД проводились в СССР в 1930-е годы – 17 августа 1933 года стартовала знаменитая ГИРД-09, а 23 мая 1934 года – крылатая ракета 06.1. С тех пор в нашей стране ГРД не покидали стендов (например, в центре имени М.В. Келдыша). (Следует отметить, что знаменитый американский частный суборбитальный космоплан SpaceShip One, выигравший Ansari X Prize, летал именно на гибридном ракетном двигателе.)
В России ГРД в основном находятся на стадии перспективных разработок, стендовых испытаний и научно-исследовательских работ. Они рассматриваются для легких ракет-носителей, перспективных ракетных комплексов и, реже, в беспилотной авиации.
В России ведутся исследования ГРД для космических ракет-носителей легкого класса, так как они проще и безопаснее ЖРД, но эффективнее РДТТ.
Разработкой и испытаниями занимаются ведущие ракетно-космические предприятия (например, структуры Роскосмоса) и профильные институты, изучая вопросы регулирования тяги.
«ОДК-Климов» (Ростех) разрабатывает гибридные силовые установки (ГСУ) для беспилотников и аэротакси, сочетающие газотурбинный двигатель, генератор и электромотор.
Специалисты Ростех считают, что ГСУ — будущее мировой авиации. Они уже значительно продвинулись в создании ГСУ с заложенной мощностью 500 кВт и работают над линейкой гибридных и электрических устройств для летательных аппаратов будущего. В рамках проекта разрабатываются различные электродвигатели, энергоузлы и батареи, из которых можно будет собрать любую установку мощностью до 1,5 МВт.
Преимущества ГРД: возможность останова и повторного запуска, регулирование тяги, а также более высокая безопасность по сравнению с твердотопливными аналогами. В отличие от классических ЖРД, где РФ занимает лидирующие позиции (РД-180, РД-191), гибриды пока не используются серийно в тяжелых ракетах.
4. Нехимические ракетные двигатели
4.1 Газовый ракетный двигатель
Газовый ракетный двигатель (ГРД) является представителем класса нехимических ракетных двигателей, работает на сжатом газе (например, азот, хладоны, аргон, криптон, неон). Газ поступает из баллона, в котором давление газа постепенно понижается со значений 100–400 атм (10–40 МПа) до 1–10 атм (0,1–1 МПа). По мере расходования газа тяга (мощность) газового ракетного двигателя уменьшается. Газовые ракетные двигатели на «холодном» газе (с температурой ~20 °С) просты и надёжны в работе.
Газовые ракетные двигатели применяются:
а) для микродвигателей системы ориентации (например, системы на базе сжатого азота) в космических спутниках;
б) для систем обеспечения запуска (осадка топлива) и маневрирования в разгонных блоках и ступени;
Газофазные ядерные ракетные двигатели (ГЯРД) рассматриваются для будущих межпланетных полетов, где рабочее тело находится в газообразном состоянии.
Преимущества газового ракетного двигателя:
- простота конструкции, что делает газовый ракетный двигатель подходящим выбором для миссий с ограниченными требованиями к объёму и весу;
- низкая стоимость системы холодного газа и её рабочего тела по сравнению с ЖРД;
- высокая надёжность работы;
- рабочее тело, используемое в системе с холодным газом, безопасно в обращении;
- газовые ракетные двигатели не создают во время работы суммарного заряда на космическом корабле;
- газовые ракетные двигатели потребляют для работы мало электроэнергии, что полезно, например, когда космический корабль находится в тени планеты, вокруг которой он вращается.
Недостатки газового ракетного двигателя:
- газовый ракетный двигатель не может обеспечить такую высокую тягу, какой могут обладать ЖРД;
- максимальная тяга двигателя зависит от давления в баке – по мере израсходования сжатого газа давление снижается, а максимальная тяга уменьшается.
4.2 Солнечный тепловой ракетный двигатель
Солнечный тепловой ракетный двигатель (СТРкД) — это перспективный тип космического двигателя, в котором прямые солнечные лучи света после отражения от вогнутой поверхности концентратора-приёмника (КП) фокусируются на приёмнике излучения камеры нагрева, где испаряют газ (водород), в результате чего давление газа в камере повышается и за счёт возникшего перепада давления горячий газ разгоняется в сопле, тем самым создаётся реактивная сила (тяга).
Различают два основных типа СТРкД – с прямым нагревом водорода и с нагревом водорода в тепловом аккумуляторе
Наиболее интересен СТРкД с солнечными батареями, включающий тепловой аккумулятор, накапливает тепловую энергию на освещённых пассивных участках каждой переходной траектории, и отдаёт её рабочему телу (водороду) в момент включения двигателя в апсидальных (удалённых) областях орбиты, что обеспечивает упрощение задач выбора активных участков вне зависимости от условий освещённости, а также упрощает требуемое наведение системы КП на Солнце. В качестве аккумулятора тепла могут быть использованы такие материалы, как силицированный графит типа МПГ-6, запасающий тепло за счет теплоёмкости, а также высокотемпературные фазопереходные теплоаккумулирующие материалы, накапливающие тепловую энергию за счет высокой удельной теплоты.
СТРкД имеет следующие характеристики:
- электрическая мощность солнечных батарей – 20 кВт;
- компоненты топлива – водород, кислород или фтор;
- температура нагрева водорода в тепловом аккумуляторе – 2100 К;
- тяга – 100 Н;
- удельный импульс тяги – 770 с.
Компания Спейсдев получила контракт от ДАРПА на раработку солнечного теплового ракетного двигателя. В первой фазе проекта будет потрачено 3.75 M$. Разработка ведется в рамках программы
High Delta-V Experiment (HiDVE) program целью которой является создание СТРкД для наноспутников весом ~15кг.
Нужно заметить, что попытки создания прототипа этого двигателя предпринимались и раньше. Например в 90-х годах планировалось провести эксперимент Shooting Star, в ходе которого продемострировать работу СТРкД, конструкция которого приведена на рисунке 6. Поскольку для нагрева рабочего тела до высоких теператур требуется высокая степень концетрации солнечного излучения (10000:1), наряду с первичным зеркальным концентратором излучения было предложено использовать дополнительный концентратор (см. рисунок 7), использующий принцип "неизображающей оптики". На рисунке 8 изображён Дополнительный концентратор и система креплений.
К сожаления из-за сокращения финансирования эксперимент Shooting Star не был завершен.
4.3 Электрический ракетный двигатель
Электрический ракетный двигатель (ЭРД) — ракетный двигатель, принцип работы которого основан на преобразовании электрической энергии в направленную кинетическую энергию частиц. Также встречаются названия, включающие слова реактивный и движитель.
Комплекс, состоящий из набора ЭРД, системы хранения и подачи рабочего тела (СХиП), системы автоматического управления (САУ), системы электропитания (СЭП), называется электроракетной двигательной установкой (ЭРДУ).
Идея использовать для ускорения электрическую энергию в реактивных двигателях возникла практически в начале развития ракетной техники. Известно, что такую идею высказывал К. Э. Циолковский. В 1916—1917 годах Р. Годдард провёл первые эксперименты, а в 30-х годах XX столетия в СССР под руководством В. П. Глушко был создан один из первых действующих ЭРД.
Виды ЭРД на рисунке 9.
В качестве рабочего тела в ЭРД могут применяться любые жидкости и газы, а также их смеси. Тем не менее, для каждого типа двигателей существуют рабочие тела, применение которых позволяет достигнуть наилучших результатов. Для ЭТД традиционно используется аммиак, для электростатических — ксенон, для сильноточных — литий, для импульсных — фторопласта).
Электростатические (ионные) ЭРД в качестве рабочего тела ионного двигателя выступает ксенон, аргон или пары ртути. Источником электрической энергии на борту космического аппарата являются солнечные полупроводниковые кремниевые фотоэлементы, которые собирают в панель.
Преимущества ионного двигателя:
- ионизированные газы на выходе из двигателя могут разгоняться до высоких скоростей – 210 км/с, тогда как химические ракетные двигатели неспособны приблизиться по этому показателю и к 10 км/с, находясь в диапазоне 3–5 км/с;
- малый расход рабочего тела (благодаря высокой скорости истечения ионизированного газа ракета достигает конечного пункта назначения при меньшем расходе топлива);
- ионный двигатель может работать более трёх лет.
Недостатки ионного двигателя:
- ничтожная тяга по сравнению с химическими двигателями;
- большее энергопотребление при равном уровне тяги по сравнению с двигателями с ускорением в магнитном поле;
- низкая надёжность из-за сложной схемы и конструкции.
Ионный двигатель используется в искусственных спутниках Земли (некоторые спутники оснащены десятками маломощных ионных двигателей) для управления их ориентацией и положением на орбите, а также в качестве главного тягового двигателя небольших автоматических космических станций.
Ионные двигатели СПД-25 тягой 25 миллиньютон, СПД-100, и другие серийно устанавливались на советские спутники с 1982 года.
В качестве основного двигателя ионный двигатель был впервые применён на космическом аппарате Deep Space 1 (первый запуск двигателя — 10 ноября 1998 г.). Следующими аппаратами стали европейский лунный зонд Смарт-1 (запущен 28 сентября 2003 года) и японский аппарат Хаябуса, запущенный к астероиду Итокава в мае 2003 года.
Европейское космическое агентство установило ионный двигатель на борту спутника GOCE, запущенного 17 марта 2009 года на сверхнизкую околоземную орбиту высотой около 260 км. Ионный двигатель создаёт в постоянном режиме импульс, компенсирующий атмосферное трение и другие негравитационные воздействия на спутник.
Ионному двигателю в настоящее время принадлежит рекорд негравитационного ускорения космического аппарата в космосе — Deep Space 1 (см. рисунок 10) смог увеличить скорость аппарата массой около 370 кг на 4,3 км/с, израсходовав 74 кг ксенона. Этот рекорд был побит космическим аппаратом Dawn (см. рисунок 11): впервые — 5 июня 2010 года, а к сентябрю 2016 года набрана скорость уже в 39 900 км/ч (11,1 км/с).
Основное преимущество СПД перед другим типом ЭРД — ионным — работа на низких напряжениях разряда от 100 В (напряжение разряда существенно влияет на элементы системы электропитания и управления, разъемы и кабели). КПД плазменных двигателей обычно выше, чем у ионных, что позволяет более экономично использовать мощность солнечных батарей и системы электропитания.
Высокий удельный импульс позволяет сократить время полета к Марсу с года до 30–60 дней. Это существенно снижает риск воздействия космической радиации на экипаж и позволяет взять больше полезной нагрузки.
Возможности применения:
- ориентация космических аппаратов в пространстве (повороты вокруг осей);
- коррекция малых возмущений орбиты;
- небольшие орбитальные манёвры (например, уход с геостационарной орбиты на орбиту захоронения);
- переход между удалёнными орбитами (например, с геопереходной орбиты на геостационарную);
- полёты к другим телам Солнечной системы.
Летный прототип СПД планируется создать к 2030 году. В сочетании с мощными ядерными реакторами такие двигатели станут основой для межпланетной космонавтики.
Разработка таких двигателей, как холловский КМ-50М и ионный ИД-750, подтверждает лидерство РФ в электроракетных технологиях.
4.4 Ядерный двигатель
Ядерный ракетный двигатель (ЯРД) является реактивным двигателем, в котором в ходе реакции деления атомных ядер высвобождается кинетическая энергия, переходящая в тепловую. Эта энергия расходуется на нагрев рабочего тела – водорода. Нагрев приводит к росту давления, и рабочее тело устремляется в сопло и истекает из него в виде реактивной струи.
Рабочее тело ЯРД располагается во внешнем баке (рисунок 14). С помощью насоса оно подаётся в камеру двигателя. В камере рабочее тело распыляется с помощью форсунок и вступает в тепловой контакт с тепловыделяющим ядерным топливом. Нагреваясь, рабочее тело расширяется и с высокой скоростью вылетает из камеры через сопло.
Заключение
Развитие науки и техники позволило человечеству совершить прорыв в космическое пространство. Работы по освоению космоса Э.К. Циолковского, Ф.А. Цандера, Ю.В. Кондратюка (А.И. Шаргей) и других позволили осуществить мечту человечества полететь на освоение Вселенной. Практической космонавтикой занималась группа изучения реактивных движений (ГИРД, создана в 1931 г.): Лангемак, С. П. Королёв, М.К. Тихонравов, Ю. Победоносцев и многие другие. Спроектированные ими ракетные двигатели Р-1, Р-2, …, Р-7 (наиболее удачный) положили начало космической эры. Конечно, созданием ракетных двигателей занимались не только в СССР, но и других странах, например, Фон Браун разработал РД для ракеты «Фау-2». После удачного орбитального полёта человека в космос создаются спутники для изучения околоземного пространства, для различных исследований и дальнейшего освоения планет и спутников Солнечной системы и выхода в дальний космос. А вместе с этим разрабатываются и совершенствуются новые космические двигатели с улучшенными характеристиками и возможностями (рисунок 16).
По мнению президента НИЦ "Курчатовский институт" М. В. Ковальчука, Россия обладает уникальным технологическим заделом для освоения ближнего и дальнего космоса с помощью ядерных энергоустановок.
Он отметил, что для полетов в дальний космос необходимо освоить Луну как "станцию подскока". Для этого необходимо поставить на ней атомную электростанцию. Для дальних экспедиций также нужны мощные источники энергии на борту.
"Мы - единственная страна в мире, у которой с 1970-х годов на протяжение десятилетий все спутники серии "Космос" летали с ядерными энергоустановками на борту. <…> Ни у кого опыта такого нет. И в этом смысле мы имеем колоссальную стартовую площадку для того, чтобы сейчас быстро и планово реализовать наши планы в космосе", - сказал Ковальчук.
В перспективе НИЦ "Курчатовский институт" совместно с Российской академией наук и Росатомом могут обеспечить доставку и работу специальных энергоустановок на Луне за счет разрабатываемых технологий. Речь, в частности, идет о безэлектродных ракетных плазменных двигателях для космических аппаратов будущего, в том числе для миссий на Луну и Марс.
Поставленные на государственном уровне задачи указывают на то, что развитие космических двигателей и аэрокосмической техники однозначно будет происходить и верим, что Россия возьмёт лидирующую позицию.
Список использованных источников (литературы)
- Жидкостный ракетный двигатель [Электронный ресурс] – URL - https://ru.wikipedia.org/wiki/Жидкостный_ракетный_двигатель
- Ионный двигатель [Электронный ресурс] – URL - https://ru.wikipedia.org/wiki/Ионный_двигатель
- Ракетный двигатель. Большая российская энциклопедия [Электронный ресурс] – URL - https://bigenc.ru/c/raketnyi-dvigatel-48d369
- Химический ракетный двигатель [Электронный ресурс] – URL - https://ru.wikipedia.org/wiki/Химический_ракетный_двигатель
- Электрический ракетный двигатель [Электронный ресурс] – URL - https://ru.wikipedia.org/wiki/Электрический_ракетный_двигатель
- Ядерные двигатели [Электронный ресурс] – URL - http://nuclphys.sinp.msu.ru/students/nphm/06_tt.htm
- Ядерные ракетные двигатели и ядерные ракетные электродвигательные установки [Электронный ресурс] – URL - https://habr.com/ru/articles/416843/
