Кузовной ремонт автомобиля

 Покраска в камере, полировка

 Автозапчасти на заказ

Из чего состоит ракетный двигатель


Ракетные двигатели | Техника и человек

Что первое приходит на ум при словосочетании «ракетные двигатели»? Конечно же, загадочный космос, межпланетные полеты, открытие новых галактик и манящее сияние далеких звезд. Во все времена небо притягивало к себе человека, оставаясь при этом неразгаданной тайной, но создание первой космической ракеты и ее запуск открыли человечеству новые горизонты исследований.

Ракетные двигатели по своей сути – это обычные реактивные двигатели с одной немаловажной особенностью: для создания реактивной тяги в них не используется атмосферный кислород в качестве окислителя топлива. Все, что нужно для его работы, находится либо непосредственно в его корпусе, либо в системах подачи окислителя и топлива. Именно эта особенность и дает возможность использовать ракетные двигатели в открытом космосе.

Видов ракетных двигателей очень много и все они разительно отличаются между собой не только особенностями конструкции, но и принципом работы. Именно поэтому каждый вид нужно рассматривать отдельно.

Среди основных рабочих характеристик ракетных двигателей особое внимание уделяется удельному импульсу – отношению величины реактивной тяги к массе расходуемого за единицу времени рабочего тела. Значение удельного импульса отображает эффективность и экономичность двигателя.

Химические ракетные двигатели (ХРД)

Этот тип двигателей на сегодняшний день является единственным, который массово используется для выведения в открытый космос космических аппаратов, кроме того, он нашел применение и в военной промышленности. Химические двигатели делятся на твердо- и жидкотопливные в зависимости от агрегатного состояния ракетного топлива.

Виды химических двигателей

История создания

Первыми ракетными двигателями были твердотопливные, а появились они несколько веков назад в Китае. С космосом их тогда мало что связывало, зато с их помощью можно было запускать военные ракеты. В качестве топлива использовался порошок, по составу напоминающий порох, только процентное соотношение его составляющих было изменено. В результате при окислении порошок не взрывался, а постепенно сгорал, выделяя тепло и создавая реактивную тягу. Такие двигатели с переменным успехом дорабатывались, совершенствовались и улучшались, но их удельный импульс все равно оставался малым, то есть конструкция была неэффективной и неэкономичной. Вскоре появились новые виды твердого топлива, позволяющие получить больший удельный импульс и развивать большую тягу. Над его созданием в первой половине ХХ века трудились ученые СССР, США и Европы. Уже во второй половине 40-х годов был разработан прототип современного топлива, используемого и сейчас.

Как работают ракетные двигатели | HowStuffWorks

Одним из самых удивительных начинаний, которые когда-либо предпринимал человек, является исследование космоса. Большая часть изумления - это сложность. Исследование космоса является сложным, потому что есть так много проблем, которые нужно решить, и препятствий, которые необходимо преодолеть У вас есть такие вещи, как:

  • Вакуум космоса
  • Проблемы управления теплом
  • Трудность повторного входа
  • Механика орбиты
  • Микрометеориты и космический мусор
  • Космическая и солнечная радиация
  • Логистика, связанная с уборными в невесомой среде

Но самая большая проблема из всех заключается в использовании достаточного количества энергии просто для того, чтобы поднять космический корабль с земли.Вот где ракетных двигателей входят.

Галерея изображений ракеты

Ракетные двигатели

, с одной стороны, настолько просты, что вы можете создавать и управлять своими собственными модельными ракетами очень недорого (подробности см. В ссылках на последней странице статьи). С другой стороны, ракетные двигатели (и их топливные системы) настолько сложны, что только три страны фактически вывели людей на орбиту. В этой статье мы рассмотрим ракетные двигатели, чтобы понять, как они работают, а также понять некоторые сложности, окружающие их.

Когда большинство людей думают о двигателях или двигателях, они думают о вращении. Например, поршневой бензиновый двигатель в автомобиле вырабатывает энергию вращения для привода колес. Электродвигатель вырабатывает энергию вращения для вращения вентилятора или вращения диска. Паровой двигатель используется для того же, что и паровая турбина и большинство газовых турбин.

Ракетные двигатели

принципиально разные. Ракетные двигатели являются двигателями реакции . Основным принципом управления ракетным двигателем является знаменитый ньютоновский принцип, согласно которому «на каждое действие существует равная и противоположная реакция.«Ракетный двигатель бросает массу в одном направлении и получает выгоду от реакции, которая происходит в другом направлении.

Поначалу трудно понять эту концепцию «бросать массу и извлекать выгоду из реакции», потому что кажется, что это не то, что происходит. Ракетные двигатели, кажется, связаны с пламенем, шумом и давлением, а не с "бросанием вещей". Давайте рассмотрим несколько примеров, чтобы получить лучшую картину реальности:

  • Если вы когда-либо стреляли из дробовика , особенно из большого дробовика 12-го калибра, то вы знаете, что у него большой «удар».«То есть, когда вы стреляете из ружья, оно« пинает »ваше плечо с большой силой. Этот удар - реакция. Дробовик стреляет около унции металла в одном направлении со скоростью около 700 миль в час, и ваш Плечо получает удар от реакции. Если вы носите роликовые коньки или стоите на скейтборде, когда стреляете из пистолета, то пистолет будет действовать как ракетный двигатель, и вы будете реагировать, катаясь в противоположном направлении.
  • Если когда-либо видел большой пожарный шланг , распыляющий воду , вы могли заметить, что для удержания шланга требуется много сил (иногда вы увидите двух или трех пожарных, удерживающих шланг).Шланг действует как ракетный двигатель. Шланг выбрасывает воду в одном направлении, и пожарные используют свою силу и вес для противодействия реакции. Если бы они отпустили шланг, он бился с огромной силой. Если бы все пожарные стояли на скейтбордах, шланг отбросил бы их назад на большой скорости!
  • Когда вы взорвали воздушный шар на и отпустили его так, чтобы он летел по всей комнате, прежде чем закончится воздух, вы создали ракетный двигатель.В этом случае выбрасываются молекулы воздуха внутри воздушного шара. Многие люди считают, что молекулы воздуха ничего не весят, но они весят (см. Страницу о гелии, чтобы лучше понять вес воздуха). Когда вы выбрасываете из них сопло воздушного шара, остальная часть воздушного шара реагирует в противоположном направлении.

Далее мы рассмотрим другой сценарий, объясняющий действие и реакцию: космический бейсбол.

,

История ракет Космос

Принципы ракетостроения впервые были испытаны более 2000 лет назад, но только в последние 70 лет эти машины использовались для применения в космических исследованиях. Сегодня ракеты регулярно доставляют космические корабли на другие планеты нашей Солнечной системы. Ближе к Земле ракеты, несущие припасы до Международной космической станции, могут вернуться на Землю, приземлиться самостоятельно и снова использоваться.

Ранняя ракетная техника

Существуют истории о ракетных технологиях, которые использовались тысячи лет назад.Например, около 400 г. до н.э., Archytas, греческий философ и математик, показал деревянного голубя, который был подвешен на проводах. По данным НАСА, голубь был вытеснен испарением.

Приблизительно через 300 лет после эксперимента с голубями герой Александрии изобрел эолипил (также называемый двигателем Героя), добавил НАСА. Устройство в форме шара сидело на вершине кипящей лужи воды. Газ из дымящейся воды поступал внутрь сферы и выходил через две L-образные трубки на противоположных сторонах.Тяга, создаваемая выходящим паром, заставляла шар вращаться.

Историки полагают, что китайцы разработали первые настоящие ракеты в первом веке нашей эры. Они использовались для красочных демонстраций во время религиозных праздников, похожих на современные фейерверки.

В течение следующих нескольких сотен лет ракеты в основном использовались в качестве военного оружия, в том числе версия под названием ракета Конгрив, разработанная британскими военными в начале 1800-х годов.

Отцы ракетостроения

В современную эпоху те, кто сегодня работает в космическом полете, часто признают трех «отцов ракетостроения», которые помогли выбросить первые ракеты в космос.Только один из трех выжил достаточно долго, чтобы увидеть ракеты, используемые для исследования космоса.

Русский Константин Е. Циолковский (1857-1935) опубликовал то, что сейчас известно как «уравнение ракеты», в 1903 году в российском авиационном журнале, согласно НАСА. Это уравнение касается отношений между скоростью и массой ракеты, а также того, как быстро газ уходит, когда он выходит из выхлопной системы топлива и сколько там топлива. Циолковский также опубликовал теорию многоступенчатых ракет в 1929 году.

Роберт Годдард (1882-1945) был американским физиком, который отправил первую ракету на жидком топливе в Оберн, штат Массачусетс, 16 марта 1926 года. У него было два патента США на использование ракеты на жидком топливе, а также на два - или трехступенчатая ракета с использованием твердого топлива, сообщает NASA.

Герман Оберт (1894-1989) родился в Румынии, а затем переехал в Германию. Согласно НАСА, он заинтересовался ракетостроением в раннем возрасте, а в 14 лет он представил себе «ракету отдачи», которая могла бы перемещаться в пространстве, используя только собственный выхлоп.Будучи взрослым, он изучал многоступенчатые ракеты и то, как использовать ракету, чтобы избежать гравитации Земли. Его наследие испорчено тем, что он помог разработать ракету V-2 для нацистской Германии во время Второй мировой войны; ракета использовалась для разрушительных взрывов в Лондоне. Оберт жил десятилетиями после начала освоения космоса и видел, как ракеты доставляют людей на Луну, и снова и снова наблюдал за тем, как многоразовые экипажи космических челноков отправлялись в космос.

Американское ракетное общество испытало ракетный двигатель M15-G1 в июне 1942 года.Слева направо: Хью Пирс, Джон Шеста и Ловелл Лоуренс, которые впоследствии станут тремя из основателей Reaction Motors Inc. (Фото предоставлено Смитсоновским институтом, Национальный музей авиации и космонавтики). несколько немецких специалистов по ракетостроению эмигрировали как в Советский Союз, так и в Соединенные Штаты, помогая этим странам в космической гонке 1960-х годов. В этом конкурсе обе страны боролись за демонстрацию технологического и военного превосходства, используя пространство в качестве границы.

Ракеты также использовались для измерения радиации в верхних слоях атмосферы после ядерных испытаний. Ядерные взрывы в основном прекратились после заключения в 1963 году Договора об ограниченном запрещении ядерных испытаний.

Хотя ракеты хорошо работали в атмосфере Земли, выяснить, как отправить их в космос, было сложно. Ракетостроение находилось в зачаточном состоянии, а компьютеры не были достаточно мощными для моделирования. Это означало, что многочисленные летные испытания закончились тем, что ракеты резко взорвались через несколько секунд или минут после выхода из стартовой площадки.

Иллюстрации художника огромной ракеты системы космического запуска НАСА в полете. (Фото предоставлено NASA)

Однако со временем и опытом был достигнут прогресс. Ракета впервые использовалась для отправки чего-либо в космос в миссии «Спутник», которая запустила советский спутник 4 октября 1957 года. После нескольких неудачных попыток Соединенные Штаты использовали ракету «Юпитер-С» для поднятия своего Исследователя 1 спутник в космос 1 февраля 1958 года.

Прошло еще несколько лет, прежде чем любая из стран почувствовала себя достаточно уверенно, чтобы использовать ракеты для отправки людей в космос; обе страны начинали с животных (например, обезьян и собак).Российский космонавт Юрий Гагарин был первым человеком в космосе, который покинул Землю 12 апреля 1961 года на борту ракеты Восток-К для многоорбитального полета. Примерно через три недели Алан Шепард совершил первый американский суборбитальный полет на ракете Redstone. Несколько лет спустя в программе НАСА «Меркурий» агентство переключилось на ракеты «Атлас», чтобы достичь орбиты, и в 1963 году Джон Гленн стал первым американцем, вышедшим на орбиту Земли.

При наведении на Луну НАСА использовало ракету «Сатурн V», высота которой составляла 363 фута, и включала три ступени, последняя из которых была достаточно мощной, чтобы оторваться от гравитации Земли.Ракета успешно запустила шесть миссий по посадке на Луну в период с 1969 по 1972 годы. В Советском Союзе была разработана лунная ракета под названием N-1, но ее программа была навсегда приостановлена ​​после многочисленных задержек и проблем, включая смертельный взрыв.

В программе космического челнока НАСА (с 1981 по 2011 годы) впервые использовались твердые ракеты для поднятия людей в космос, что примечательно, поскольку в отличие от жидких ракет их нельзя отключить. Сам шаттл имел три двигателя на жидком топливе с двумя твердыми ракетными ускорителями, привязанными по бокам.В 1986 году уплотнительное кольцо твердого ракетного ускорителя вышло из строя и вызвало катастрофический взрыв, в результате которого погибли семь космонавтов на борту космического челнока «Челленджер». Твердые ракетные ускорители были переделаны после инцидента.

Ракеты с тех пор использовались для отправки космических кораблей дальше в нашу солнечную систему: мимо Луны, Венеры и Марса в начале 1960-х годов, которые впоследствии расширились до исследования десятков спутников и планет. Ракеты носили космические корабли по всей солнечной системе, так что теперь у астрономов есть изображения каждой планеты (а также планеты-карлика Плутона), многих спутников, комет, астероидов и более мелких объектов.И благодаря мощным и совершенным ракетам космический корабль Voyager 1 смог покинуть нашу солнечную систему и достичь межзвездного пространства.

(Фото предоставлено: SpaceX)

Ракеты будущего

Несколько компаний во многих странах в настоящее время производят ракеты без экипажа - США, Индия, Европа и Россия и многие другие - и регулярно отправляют в космос военные и гражданские грузы. ,

А ученые и инженеры постоянно работают над созданием еще более совершенных ракет.Stratolaunch, аэрокосмическая проектная компания, поддерживаемая Полом Алленом и Бёртом Рутаном, стремится запускать спутники с использованием гражданских самолетов. SpaceX и Blue Origin также разработали многоразовые ракеты первой ступени; SpaceX теперь имеет многоразовые ракеты Falcon 9, которые регулярно доставляют грузы на Международную космическую станцию. [В фотографиях: Первый запуск ракеты-носителя Falcon с применением тяжелой ракеты SpaceX!]

Эксперты прогнозируют, что ракеты будущего смогут нести большие спутники в космос и могут одновременно нести несколько спутников, сообщает Los Angeles Times.Эти ракеты могли использовать новые композитные материалы, достижения в электронике или даже искусственный интеллект для выполнения своей работы. Будущие ракеты могут также использовать другое топливо, такое как метан, которое более полезно для окружающей среды, чем более традиционный керосин, который сегодня используется в ракетах.

,

Как точно работают ракеты?

Люди использовали управляемые взрывы для продвижения объектов на протяжении многих веков. Часто называемые ракетами, сегодня эти устройства обычно используются как фейерверки, сигнальные ракеты, оружие войны и для исследования космоса.

Но как они на самом деле работают? Давайте очень кратко рассмотрим.

Эта статья не предназначена для того, чтобы быть исчерпывающим руководством, поскольку ракетостроение - это, в конце концов, "ракетостроение".

Как именно работают ракеты?

У вас может возникнуть соблазн думать о действиях ракет, просто "толкающих себя в воздух".«Но поскольку ракеты также могут отлично работать в космическом вакууме, это не совсем то, что происходит.

Они работают, как упоминалось ранее, с использованием принципа третьего закона движения Ньютона, который часто обозначается как« для каждого ». действие, есть равная и противоположная реакция ». Поэтому ракеты фактически работают, используя преимущество импульса - силы, которую имеет движущийся объект.

При прочих равных, без внешних сил, группа объединенного импульса объектов должен оставаться постоянным во времени.Это заключено в знаменитом третьем законе движения Ньютона.

Чтобы представить это, представьте, что вы стоите на скейтборде, держа в руках баскетбольный мяч.

Если бы вы бросали баскетбольный мяч в одном направлении, вы (и скейтборд) катились бы в противоположном направлении с одинаковым усилием. Чем больше силы, прилагаемой при броске мяча, тем больше сила будет толкать скейтборд в противоположном направлении.

Ракеты работают примерно так же.Выпуская горячий выпуск с одного конца ракеты, ракета движется в противоположном направлении - как в примере с скейтбордом.

Автомобильные или самолетные двигатели, включая реактивные, нуждаются в воздухе для работы (ну, им нужен кислород, который в нем содержится), и по этой причине они не могут работать в космическом вакууме. Ракеты, с другой стороны, прекрасно работают в космосе.

Но как?

Источник: grizzzley / Flickr

В отличие от двигателей внутреннего сгорания или реактивных двигателей, ракеты несут с собой окислители.Как и топливо, они могут быть в твердой, жидкой или гибридной форме (подробнее об этом позже).

Окислитель и топливо смешиваются в камере сгорания ракеты, а выхлопные газы выбрасываются с высокой скоростью из задней части ракеты. Все это делается при отсутствии воздуха - фактически, в отличие от автомобилей и воздушных судов, ракеты не имеют воздухозаборников.

ОТНОСИТЕЛЬНО: SPINLAUNCH: кому нужны ракетки, когда вы можете использовать космические катапульты?

Молекулы выхлопа ракеты индивидуально очень малы, но они очень быстро выходят из сопла ракеты (что дает им значительную динамику).На самом деле, достаточно, чтобы обеспечить многотонный объект импульсом, необходимым ему для того, чтобы избежать гравитации Земли.

Каковы основные части ракеты?

Большинство современных ракет состоят как минимум из двух ступеней. Это участки ракеты, которые сложены друг на друга в цилиндрической оболочке (или серийной постановке).

Примером этой формы подготовки ракеты является серия Saturn V НАСА.

Другие типы ракет используют параллельную постановку. В этом случае меньшие первые ступени привязаны к корпусу центральной ракеты-носителя.Ракеты, такие как НАСА "Титан III" и "Дельта II", используют этот тип постановки.

Каждая ступень имеет свой набор двигателей, количество которых варьируется в зависимости от конструкции. Например, первая ступень SpaceX Falcon 9 имеет девять двигателей, тогда как ракета Antares Northrop Grumman имеет два.

Задача первого этапа - вывести ракету из нижней атмосферы. Там могут или не могут быть дополнительные боковые усилители, чтобы помочь, тоже.

Поскольку эта начальная ступень должна нести вес всей ракеты (с полезной нагрузкой и израсходованным топливом), она обычно является самой большой и самой мощной секцией.

Когда ракета ускоряется, она изначально сталкивается с увеличением сопротивления воздуха. Но когда он поднимается выше, атмосфера становится тоньше и сопротивление воздуха уменьшается.

Это означает, что напряжение, испытываемое ракетой во время типичного запуска, сначала возрастает до пика, а затем снова падает. Пиковое давление известно как max q.

Для SpaceX Falcon 9 и Атласа Объединенного пускового альянса V, max q обычно наблюдается между 80 и 90 секундами запуска, на высоте от семь (11 км) до девять миль (14.5 км) .

Когда первая ступень завершает свою работу, ракеты обычно сбрасывают эту секцию и поджигают свою вторую ступень. Второй этап требует меньше работы (потому что он имеет меньшую массу для перемещения) и имеет преимущество, заключающееся в более тонкой атмосфере для борьбы.

По этой причине вторая ступень часто состоит только из одного двигателя. Большинство ракет также сбросит свои обтекатели на этом этапе (это остроконечный колпачок на кончике ракеты, который защищает полезную нагрузку).

В прошлом выброшенные нижние секции ракеты просто сгорали в атмосфере.Но начиная примерно с 1980-х годов инженеры начали проектировать эти секции, чтобы их можно было восстанавливать и использовать повторно.

Частные компании, такие как SpaceX и Blue Origin, развили этот принцип и разработали их, чтобы они могли вернуться на Землю и приземлиться самостоятельно. Это выгодно, поскольку чем больше деталей можно использовать повторно, тем дешевле могут стать запуски ракет.

Источник: SpaceX / YouTube

Какое топливо используется в ракете?

Современные ракеты, как правило, используют жидкое, твердое или гибридное топливо.Жидкие формы топлива обычно классифицируются как нефть (например, керосин), криогены (например, жидкий водород) или гипергликоли (например, гидразин).

В некоторых случаях спирт, перекись водорода или закиси азота также могут быть использованы.

Твердотопливные топлива обычно бывают двух видов: гомогенные и композитные. Оба очень плотные, стабильные при комнатной температуре и легко хранятся.

Первым может быть либо простое основание (например, нитроцеллюлоза), либо двойное основание (например, смесь нитроцеллюлозы и нитроглицерина).С другой стороны, в составных твердых топливах в качестве окислителя используется кристаллизованная или тонко измельченная минеральная соль.

В большинстве случаев фактическое топливо имеет тенденцию быть на основе алюминия. Топливо и окислитель обычно удерживаются вместе с полимерным связующим, которое также расходуется при сгорании.

Как работают ракетные стартовые площадки?

Стартовые площадки, как следует из названия, - это платформы, с которых запускаются ракеты. Они, как правило, образуют часть более крупного комплекса, объекта или космодрома.

Типичная панель запуска будет состоять из площадки или опоры для запуска, которая обычно представляет собой металлическую конструкцию, поддерживающую ракету в вертикальном положении до взрыва. Эти структуры будут иметь шлангокабели, которые питают ракету и обеспечивают охлаждающую жидкость перед запуском, помимо других функций.

Они также будут иметь молниеотводы для защиты ракеты во время грозы.

Пусковые комплексы будут различаться по конструкции, в зависимости от конструкции ракеты и потребностей оператора.Например, космический центр НАСА им. Кеннеди спроектировал космический челнок для вертикального крепления к ракете и перемещения его на стартовую площадку на огромном танкообразном транспортном средстве, называемом «гусеничный».

В России ракеты собирались и транспортировались горизонтально к стартовой площадке, а затем поднимались в вертикальном положении на месте .


Смотрите также


avtovalik.ru © 2013-2020
Карта сайта, XML.