Как сделать ракету на реактивной тяге

Добавил пользователь Евгений Кузнецов
Обновлено: 04.10.2024

Отличие от авиационных, автомобильных и других.

Их много. Но для целей этой статьи важно одно. Ракетным двигателям для работы нужно не только горючее, но и окислитель.

Нам кажется привычным – залил бензин (горючее) в бензобак и поехал. С ракетой так не получится. Автомобильные, авиационные, судовые и другие двигатели работают в условиях плотной кислородсодержащей (окислитель) атмосферы Земли.

Кислород, как известно, необходим для поддержания горения. Ракета плотные слои атмосферы преодолевает в течение короткой стадии полета, сразу же после старта. Поэтому, взять кислород для работы своих двигателей из атмосферы ракета она не может. И поэтому ее заправляют не только горючим , но и окислителем , как правило, кислородом.

Итак, ракетное топливо двухкомпонентное .

Само горючее , как правило это:

Идем дальше.

Виды движения в атмосфере

Может показаться, что с этого следовало начать статью. Может быть.

Баллистическое движение

Аэростатическое движение

Для создания подъемной силы используется заключенный в оболочке газ (или нагретый воздух) с плотностью меньшей, чем плотность окружающего воздуха.

Аэродинамическое движение

Подъемная сила создается крылом самолета благодаря поступательному движению летательного аппарата, которое сообщает ему силовая установка — авиационный двигатель.

И наконец, Реактивное движение

Ракетные двигатели — это реактивные двигатели.

Под реактивным движением тела понимают такое движение, которое возникает при отделении от тела (ракеты) некоторой его части (горячие газы из сопла двигателя под высоким давлением) с определенной скоростью относительно него.

Таким образом, ракетный двигатель выбрасывает массу (горящее топливо) в одном направлении, а сам движется в противоположном. Процесс горения ускоряет массы топлива так, что они выходят из сопла ракеты на высокой скорости.

Это были принципы, теперь к устройству.

Начнем с простого

В жидкостных ракетных двигателях топливо и окислитель находятся в жидком состоянии в двух раздельных резервуарах. По трубопроводам они попадают в камеру сгорания. Здесь они перемешиваются и сгорают, создавая поток горячих газов с высокой скоростью и давлением. Эти газы проходят через сопло, которое еще больше их ускоряет, а после выходят, образуя реактивную тягу.

Кажется все просто? На самом деле нет!

Первая инженерная задача

Здесь и далее последовательность задач дана только для упрощения объяснения.

Ввиду высокой температуры горения, и значительного количества выделяемого тепла, даже малой его части достаточно для термического разрушения двигателя. Стенки камеры двигателя и сопло нужно охлаждать.

Но чем? Нужно максимально простое решение, чтобы не усложнять двигатель и не увеличивать его вес.

Компоненты топлива во многих случаях охлаждаются до более низких температур. Это позволяет повысить их плотность и поместить большее количество топлива в топливные баки. Даже керосин. Например, в Falcon 9 керосин охлаждается с 21 °C до −7 °C. Пр этом его плотность увеличивается на 2,5 %.

Вторая инженерная задача

Компоненты топлива сами в камеру сгорания не будут поступать. Нужны насосы. Они будут создавать высокое давление, чтобы преодолеть давление, которое создает в камере сгорания сжигаемое топливо.

Что дальше?

Что делать с топливом, которое прошло через газогенератор. Его после раскручивания турбины можно сбрасывать наружу. Именно так устроен двигатель Merlin (кислородно-керосиновый), используемый SpaceX на ракетах Falcon 9. Это, так называемая открытая схема.

Схема проста, но недостаточно эффективна. В создании тяги ракетного двигателя топливо, прошедшее через газогенератор, напрямую не участвует, а место в ракете занимает.

Это схема называется закрытой. Горячий газ вначале вращает турбину турбонасосного агрегата, а затем подается в камеру сгорания, эффективно участвуя в создании тяги ракетного двигателя. Топливо не пропадает и полностью участвует в создании тяги. Такой двигатель гораздо сложнее. В двигателе закрытой схемы можно пропустить больше газа через турбонасосный агрегат, а значит, больше поднять давление в камере сгорания. Чем больше давление в камере сгорания, тем больше тяга. Высокое давление – большая эффективность двигателя.

Однако у него есть недостатки — высокая нагрузка на турбину двигателя, относительно высокие сложность и стоимость.

Усложняем дальше

А еще можно все топливо пропускать через газогенератор . Такая схема называется полнопоточная закрытая. Мы делали такой двигатель в 60-х (РД-270), но в таких двигателях нужно два газогенератора и два турбонасосных агрегата, которые ведут в одну камеру сгорания и работают параллельно.

Однако в РД-270 наблюдались низкочастотные пульсации в газогенераторе и камере. Возникла проблема в синхронизации совместной работы двух турбонасосных агрегатов. Они пытались пересилить друг друга и стабилизировать их без помощи быстродействующего бортового компьютера не удалось. Но такого в то время еще не было.

В феврале этого года Илон Маск объявил результаты тестирования двигателя Raptor (кислородно-метановый). Его получат ракета Super Heavy и корабль Starship. По заявлениям Маска его характеристики лучше, чем у РД-180. Высокое давление в камере сгорания обеспечено именно полнопроточной закрытой схемой.

Ракетную печь можно сделать самостоятельно с помощью обычной стали Ракетная печь широко известная во всем как отопительная конструкция долгого прожигания на твердом топливе. Чтобы достичь максимального КПД пришлось потрудиться. Печь на жидком топливе способна отдать всю свою энергию, а вот древесина труднее перерабатывается. Чтобы открыть весь потенциал дерева, в реактивных печах оборудовали камеру для дожигания газов.

Принцип работы ракетной печи длительного горения

Ракетная или реактивная печь Широкова-Храмцова получила свое название не из-за связи с космосом. Дело в форме прибора и шуме, который создается при работе, напоминающий работу ракеты. Но данный звук свидетельствует о неправильном использовании печи.

Виды ракетных печей длительного горения:

Переносная (мобильная);
Стационарная (для обогрева).

Если печь слишком шумит и гудит во время работы, то такой режим неэффективный и дорогостоящий. В норме должен быть тихий звук, немного шелестящий.

Реактивная печь имеет приемный бункер. Это горизонтальная часть трубы. В самом канале возникает тяга, именно она влияет на интенсивность горения, прогревающий корпус. Именно поэтому советуется ограничивать подачу кислорода. В противном случае дрова быстро сгорят и все тепло улетучится.

Ракетную печь длительного горения часто применяют для отопления гаражей и подсобных помещений

Работает печь на реактивной тяге за счет естественного потока горячего воздуха. Чем выше температура стенок топки, тем лучше горит древесина. Это позволяет быстро нагреть воду в большой емкости, что незаменимо в дорожном походе. Если оборудовать трубу теплоизоляцией, то после прогрева можно сжигать толстые поленья.

Принцип работы

Несмотря на то, что печь-ракета достаточно просто устроена, принцип ее действия основан на следующих процессах:

Естественная циркуляция нагретых газов и воздуха внутри каналов. Это значит, что прибор не требует дополнительного поддува, а внутренняя тяга создается дымоотводной системой. Чем выше дымоход, тем сильнее тяга.
Дожиг неотработанных газов (процесс пиролиза) осуществляется при незначительной подаче кислорода в топливную камеру. Он обеспечивает быстрое увеличение КПД устройства и эффективное расходование топливного материала в процессе сгорания.

Сам процесс топки печи осуществляется следующим образом:

В топливный отсек закладываются дрова, и выполняется поджиг.
Далее устанавливается стандартный режим работы печи, при котором осуществляется полный прогрев вертикальной части конструкции – дымоходной трубы.
Достаточный разогрев корпуса печи обеспечивает воспламенение летучих веществ в дымоходе и разрежение воздуха в верхней его части.
Естественная тяга возрастает, что приводит к притоку воздуха в топливный отсек и увеличению эффективности процесса горения.
Для поддержания полного сгорания топливного материала печная конструкция должна быть оснащена специальной зоной для дожига пиролизных газов.

Простой вариант ракетной печи из профильной трубы предназначается для приготовления и разогрева пищи, а также для обогрева садовых домиков, дач и походных бань.

Ракетная печь своими руками: преимущества, чертежи, недостатки

При желании обычную конструкцию печи можно усовершенствовать. Так буржуйка теряет много тепла, но, оборудуя прибор водяным контуром или кирпичной кладкой, можно решить эти проблемы. Для всех этих манипуляций делают чертежи.

Преимущества реактивных печей:

Простая и бюджетная конструкция. Можно использовать подручные материалы, без значительных финансовых затрат. Все работы можно выполнить своими руками, особых знаний и навыков не потребуется.
Можно самостоятельно контролировать горение, выбирая нужную интенсивность.
Высокий КПД. В целом все зависит от качества монтажа. Главное, отобрать максимум энергии у дымовых газов.

Но такая простая и удобная конструкция имеет и значительные недостатки. Так нужно подбирать особое топливо для буржуйки. Нельзя использовать влажные дрова, иначе пиролиз не произойдет. Топка может начать обильно дымить, и все газы направятся в дом. К тому же ракетная печь требует повышенных требований к безопасности.

Самодельные реактивные печи не используют для отопления бани. Они малоэффективные при инфракрасном свете, что играет важную роль для парной. Поверхностные конструкции имеют небольшую площадь обогрева, поэтому не могут протопить баню.

Простейший вариант ракетной печи

Простая походная печь ракетного типа отличается легкостью самостоятельного изготовления, экономией времени и ресурсов в процессе использования, компактностью размеров и габаритов. На все работы потребуется затратить 2-3 часа с подготовкой инструментов и материалов, что очень удобно в условиях похода или дачи.

Конструктивная особенность, которую нужно учитывать — нижняя часть агрегата, выполняющая роль дна топливной камеры (колосника) должна быть выполнена подвижной. Делается это для облегчения процесса закладки дров и загрузки их в топочный бункер.

Если используются щепки, то выдвижной элемент конструкции является удобной подставкой в процессе закладки топлива в печь. Дополнительно подвижная часть значительно облегчает процесс очистки агрегата от золы.

Простая ракетная печь из трубы

Подготовка материалов

Для изготовления ракетной печи потребуется приобрести:

Трубу с сечением квадрат (15 см×15см×3, 40,5 см) – 1 шт.
Трубу также квадратной формы (оптимально выбирать 15см×15см×3, 30 см) – 1 шт.
Стальную полоску (рекомендуемые размеры 30см×5см×3 мм) –таких элементов нужно купить 4 шт.
Еще вариант стальной полоски ( с параметрами идеальными для работы14см×5см×3 мм) – 2 шт.
Решетку, выполненную также из хорошего металла (стали) ( выбирать размеры30см×14см) – 1 штука.

Дополнительно потребуется купить стальной прут (3:5 мм) – 2,5 метра, чтобы изготовить решетку самостоятельно при желании. Качественная печь робинзон своими руками – это минимальные затраты финансов, немного внимания и времени.

Инструменты

Для проведения всех необходимых работ потребуются:

Болгарка.
Сварка.
Ножницы по металлу.

Также нужно иметь защитные очки и перчатки.

Чертеж

Проводятся работы по схеме и чертежу, указанному ниже:

Чертеж простейшей ракетной печи из профильной трубы

Инструкция по изготовлению

Все работы по созданию отопительного устройства должны проводиться поэтапно. Руководство к действию состоит из нескольких шагов, которые нужно выполнять последовательно:

Трубы квадратные нужно разрезать на заготовки необходимого по чертежу размера.
Сделать на них разметку с учетом того, что один из их краев потребуется срезать (угол среза составляет 45 градусов). Работы выполняются болгаркой.
Получившиеся трубы потребуется аккуратно сварить – в итоге должна получиться конструкция, по форме напоминающая сапог.

Делая печь робинзон своими руками и, используя чертежи, важно соблюдать рекомендации по размерам деталей, которые там содержатся. Следующие действия будут такими:

Делаются пропилы (сверху трубы или по ее бокам) – размеры составляют 20 мм в глубину и 3,5 мм в ширину (в них будет установлена подставка для установки емкостей).
Стальную полоску (которая имеет параметры 30см×5см×3 мм) 1 штуку из приобретенных, нужно разрезать ровно пополам.
Вторую оставшуюся полоску из стали (также с параметрами 30см×5см×3 мм) разметить точно посередине.
Приварить к ней для качественного выполнения всех этапов работ, элементы с двух сторон от разрезанной полосы (должна получиться крестообразная форма).
Стальные полосы (размеры, которые нужно выбрать 30см×5см×3 мм) – оставшиеся 2 штуки и оставшиеся отрезки длинной 14 см сваривается рама, которая будет выдвижной.
Элементы привариваются не рядом, а внахлест.

Далее проводятся следующие работы, которые являются завершающими.

Сверху уже готовой рамы, используя точечный сварочный аппарат, прикрепляется готовая решетка (приобретенная дополнительно/специально) или нарезанные по нужной длине части прута из хорошей стали. Расстояние, на котором прикрепляются части, составляет 1 см. Затем, сверху трубы устанавливается подставка, решетка задвигается в топочный бункер. Основные работы про производству печи можно считать законченными.

Наступает этап проверки и поведения испытаний. Требуется заложить в топку немного твердого топлива и растопить печь, если не выявлено проблем в ее работе, нужно дождаться полного остывания всех элементов конструкции. В завершении можно провести работы по окраске печи, чтобы защитить части от коррозии. Для этого применяется жаропрочная краска. Повысить комфорт эксплуатации можно, приварив к дверце топочной камеры ручку.

Чертежи реактивной печи из газового баллона и других видов

Печи длительного горения делятся на стационарные и мобильные. Мобильные печи используют в походах, пикниках, на природе для нагрева и приготовления пищи. Стационарные применяют для обогрева дома, хозяйственных построек, теплиц, гаража. При этом выделяют 4 типа конструкций.

Виды реактивных печей:

Самодельная походная печь из металлических труб, ведер, банок;
Реактивная конструкция из газового баллона;
Кирпичная печь с металлической емкостью;
Печка с лежанкой.

Чертежи реактивной печи из газового баллона можно скачать в интернете или сделать самостоятельно от руки

Переносная конструкция оборудована с отрезков трубы. Единственное отличие касается установленной перегородкой для зольника. Для нижней части могут использовать колосниковую решетку.

Прибор из газового баллона более трудный в постройке, но значительно увеличивает КПД. Для монтажа конструкции необходима бочка или газовый баллон. Дрова в топке сгорают из-за притока кислорода загрузкой через специальное окно.

Догорают газы в трубе, которая размещена внутри конструкции, за счет подачи вторичного воздуха. Усиливается эффект путем утепления внутренней камеры. Горячий воздух помещается в колпак, а дальше во внешнюю камеру. Через дымоход продукты горения удаляются.

Для создания тяги верх дымоотвода размещают выше загрузочного окна на 4 см.

Комбинированная модель из кирпича и металла – это стационарная конструкция. Благодаря высокой теплоемкости дровяная печь накапливает и отдает тепло в течение нескольких часов. Именно поэтому такой конструкцией отапливают жилые помещения.

Ракетный агрегат с лежанкой – это усовершенствованный прибор, который способен дольше сохранять тепло. Так как часть тепла выходит через дымоотвод, то увеличили его длину. За счет быстрого иссечения горячих газов и большего дымоотвода и решилась эта проблема.

Так получаются массивные печи с лежанкой, которые схожие на диван или кровать. Это стационарные устройства из кирпича или камня. Благодаря уникальной конструкции печь способна удерживать тепло всю ночь.

Правила эксплуатации ракетных печей

Печи-ракеты, равновелико как и другие конструкции длительного горения, нуждаются в запуске на теплую трубу. И если для второго варианта печи это не столь значительно, то для первого холодный дымоход приведет только к напрасному сожжению топлива. По этой вину конструкция нуждается в предварительном разогреве – протопке опилками, бумагой и проч.

Также стоит заметить, что реактивная печь неспособна самонастраиваться, потому поначалу поддувало полностью открывается, а прикрывается лишь после того, как конструкция начнет мощно гудеть. В дальнейшем доступ кислорода постепенно снижается.

Чтобы повысить интенсивность горения советуется добавить к конструкции импровизированные дюзы. Туда будет поступать вторичный воздух для дожигания.

Стационарные печи ракета делаются из газового баллона или металлической бочки. Эти элементы выполняют роль корпуса. Внутри печка оборудуется трубами меньшего размера или шамотным кирпичом. Из баллона можно сделать как стационарный агрегат, так и мобильный.

Схема печи непрерывного горения:

Дымоход;
Колпак;
Утеплитель;
Загрузочный бункер;
Зона горения;
Зона дожигания.

Печь Огнево можно купить в специализированном магазине по достаточно приемлемой цене

Сделать расчет печи ракета бывает непросто, ведь точной методики не существует. Следует обращать внимание на проверенные готовые чертежи. Необходимо для конкретного помещения определять свой размер отопительного оборудования.

Принцип действия печи-ракеты

Стационарные печи ракетного типа снабжают специальными колпаками, функция которых – сохранение дымовых газов и их передача для обогрева помещения.

В процессе работы продукты сгорания нагреваются, достигают максимума температуры (до +1 000 °С), поднимаются под колпак, а затем начинают постепенно остывать и опускаться в канал дымохода.

При этом действуют одновременно три силы:

гравитации, заставляющей более тяжелые и холодные массы газа опускаться;
давления вновь поступающих раскаленных топливных продуктов;
естественной силой тяги дымохода.

Общая мощность этих трех сил позволяет пристраивать к стационарным печам-ракетам дымовые каналы произвольной формы. Эта особенность используется для обустройства удобных подогреваемых лежанок.

Сборка реактивной печи своими руками для отопления

Строительство печи начинается с подготовительных работ. Для начала необходимо определиться с местом постройки. Его выбирают, ориентируясь на требования, которые касаются конструкций на твердом топливе: дровах или угле.

Когда с местом определились, необходимо правильно подготовить его к строительству. Деревянный пол под печкой демонтируют. Роют небольшой котлован и утрамбовывают дно.

В маленькой комнате реактивную печь размещают в углу. Загрузочный бункер занимает одну сторону, а лежак другую.

Бочку или баллон также необходимо подготовить к монтажу. Для этого с них срезают крышку и кран. Затем очищают конструкцию. Далее готовят раствор.

Этапы возведения реактивной печи с лежанкой:

Дно выкопанной ямы выкладывают шамотным кирпичом. По контуру углубления делают опалубку. Выполняют армирование.
Выкладывают основание и заливают бетоном. Спустя сутки, когда затвердеет бетон, начинают дальнейшие работы.
Из шамотного кирпича выкладывают основание печки. Поднимают боковые стенки, делают нижний канал.
Камера сгорания перекрывается кирпичом. По бокам остаются два отверстия. Один предназначен для топки, второй – для вертикальной трубы (райзера).
Металлический корпус оборудуют фланцем, в который будет поступать горизонтальный канал печки. Все щвы должны быть герметичными, хорошо запаянными.
К горизонтальной трубе прикрепляют боковой отвод, который служит зольником.
Из кирпича делают жаровую трубу. Как правило, она квадратная.
Жаровая труба оборудуется кожухом. Промежутки засыпаются перлитом.
Монтаж колпака делается из отрезанной части бочки или баллона. Ее оборудуют ручкой.
Оборудуют корпус печи с помощью кирпича или камня.
Обустраивают переднюю часть печи. Выкладывают необходимый контур.
На основание размещают подготовленную бочку. Нижнюю часть необходимо герметизировать глиной.
С помощью гофрированной трубы формируют канал, соединяющий топку с улицей.
К нижней трубе подсоединяют патрубки теплообменника.
Устанавливают дымоход. Все элементы необходимо уплотнить, используя асбестовый шнур и огнеупорную обмазку.

Чтобы правильно собрать реактивную печь своими руками, стоит предварительно посмотреть обучающее видео и изучить рекомендации специалистов

Дальше следует придать печке формы лежанки. Наружный дымоход оборудуют уловителем пала и дегтя. Когда все материалы высохли, можно испытать конструкцию.

Усовершенствованная печь-ракета с водяным контуром

Котел долгого горения можно получить, если оборудовать печь водяной рубашкой. Нагрев воды может быть недостаточно эффективным. Дело в том, что основная часть теплого воздуха попадает в комнату и тарам на варочных поверхностях. Чтобы создать ракетный котел, необходимо отказаться от возможности приготовления пищи на плите.

Материалы необходимые для оборудования печки с водяным контуром:

Шамотный кирпич и раствор для кладки;
Стальная труба (диаметр 7 см);
Бочка или баллон;
Утеплитель;
Листовая сталь и бочка меньшего диаметра, чем для корпуса, для создания водяной рубашки;
Дымоход (диаметр 10 см);
Детали для теплоаккумулятора (емкость, трубы, соединительный патрубок).

Характерная особенности ракетных печей с водяным контуром – изоляция вертикальной части обеспечивает сжигание пиролизных газов. При этом теплый воздух направляется в змеевик с водяным контуром и отдает тепло печке. Даже, когда все топливо прогорело, в отопительный контур все равно будет подаваться теплый воздух.

Освоение космоса — самое удивительное из мероприятий, когда-либо проводимых человечеством. И большую часть удивления составляет сложность. Освоение космоса осложняется массой проблем, которые нужно решить и преодолеть. Например, безвоздушное пространство, проблема с температурой, проблема повторного входа в атмосферу, орбитальная механика, микрометеориты и космический мусор, космическая и солнечная радиация, логистика в условиях невесомости и другое. Но самая сложная проблема — это просто оторвать космический корабль от земли. Здесь не обойтись без ракетного двигателя, поэтому в этой статье мы рассмотрим именно это изобретение человечества.

С одной стороны, ракетные двигатели настолько просто устроены, что за небольшую копейку вы сможете построить ракету самостоятельно. С другой стороны, ракетные двигатели (и их топливные системы) настолько сложны, что доставкой людей на орбиту, по сути, занимаются только три страны мира.

Когда люди задумываются о двигателе или моторе, они думают о вращении. К примеру, бензиновый двигатель автомобиля производит энергию вращения, чтобы двигать колеса. Электродвигатель производит энергию вращения для движения вентилятора или диска. Паровой двигатель делает то же самое, чтобы вращать паровую турбину.

Если вы когда-нибудь стреляли из оружия, желательно из дробовика 12-го калибра, то вы знаете, что такое отдача. Когда вы стреляете из оружия, оно отдает вам в плечо, достаточно ощутимо. Этот толчок и есть реакция. Дробовик выпуливает около 30 грамм металла в одном направлении со скоростью больше 1000 км/ч, и ваше плечо чувствует отдачу. Если бы вы стояли на скейтборде или были в роликах, то выстрел из дробовика сработал бы как реактивный двигатель, и вы покатились бы в противоположном направлении.

Если вы когда-либо наблюдали за работой пожарного шлага, вы наверняка заметили, что его достаточно сложно удержать (иногда пожарные вдвоем и втроем его держат). Шланг работает как ракетный двигатель. Он выбрасывает воду в одном направлении, а пожарные используют свою силу, чтобы противостоять реакции. Если они упустят рукав, он будет метаться повсюду. Если бы пожарные стоял на скейтбордах, пожарный рукав разогнал бы их до приличной скорости.

Когда вы надуваете воздушный шарик и выпускаете его, он летает по всей комнате, испуская воздух, — так работает ракетный двигатель. В данном случае вы выпускаете молекулы воздуха из шара. Многие считают, что молекулы воздуха ничего не весят, но это не так. Когда вы выпускаете их из шарика, шарик летит в противоположном направлении.

Еще один сценарий, который поможет объяснить действие и противодействие, — это космический бейсбол. Представьте, что вы вышли в скафандре в космос недалеко от своего космического судна, и у вас в руке бейсбольный мяч. Если вы его бросите, ваше тело среагирует в противоположном направлении от мяча. Допустим, он весит 450 гр, а ваше тело вместе со скафандром весит 45 кг. Вы бросаете бейсбольный мяч весом почти в полкило со скоростью 34 км/ч. Таким образом, вы ускоряете полукилограммовый мяч своей рукой так, что он набирает скорость 34 км/ч. Ваше тело реагирует в противоположном направлении, но весит в 100 раз больше мяча. Таким образом, оно принимает одну сотую ускорения мяча, или 0,34 км/ч.

Если вы хотите создать большую тягу от своего бейсбольного мяча, у вас есть два варианта: увеличить его массу или увеличить ускорение. Вы можете бросить мячик потяжелее или бросать мячи один за другим, либо бросить мяч быстрее. Но на этом все.

Ракетный двигатель, как правило, выбрасывает массу в форме газа под высоким давлением. Двигатель выбрасывает массу газа в одном направлении, чтобы получить реактивное движение в противоположном направлении. Масса идет от веса топлива, которое сгорает в двигателе ракеты. Процесс горения ускоряет массы топлива так, что они выходят из сопла ракеты на высокой скорости. Тот факт, что топливо превращается из твердого тела или жидкости в процессе сгорания, никак не меняет его массу. Если вы сожжете килограмм ракетного топлива, вы получите килограмм выхлопа в виде горячих газов на высокой скорости. Процесс сжигания ускоряет массу.

Одной из забавных проблем ракет является то, что топливный вес, как правило, в 36 раз больше полезной нагрузки. Потому что помимо того, что двигателю нужно поднимать вес, этот же вес и способствует собственному подъему. Чтобы вывести крошечного человека в космос, нужна огромная ракета и много-много топлива.

Обычная скорость для химических ракет составляет от 8000 до 16 000 км/ч. Топливо горит около двух минут и вырабатывает 3,3 миллиона фунтов тяги на старте. Три основных двигателя космического шаттла, например, сжигают топливо в течение восьми минут и вырабатывают около 375 000 фунтов тяги каждый в процессе горения.

Далее мы рассмотрим топливные смеси твердотопливных ракет.

Твердотопливные ракеты: топливная смесь

Ракетные двигатели на твердом топливе — это первые двигатели, созданные человеком. Они были изобретены сотни лет назад в Китае и используются до сих пор. О красных бликах ракет поется в национальном гимне (написанном в начале 1800-х) — имеются в виду небольшие боевые ракеты на твердом топливе, используемые для доставки бомб или зажигательных устройств. Как видите, такие ракеты существуют уже давненько.

Идея, которая лежит в основе ракеты на твердом топливе, довольно проста. Вам нужно создать нечто, что будет быстро гореть, но не взрываться. Как вы знаете, порох не подходит. Оружейный порох на 75 % состоит из нитрата (селитры), 15 % угля и 10 % серы. В ракетном двигателе взрывы не нужны — нужно, чтобы топливо горело. Можно изменить смесь до 72 % нитрата, 24 % угля и 4 % серы. Вместо пороха вы получите ракетное топливо. Эта смесь будет быстро гореть, но не взорвется, если правильно ее загрузить. Вот типичная схема:

Слева вы видите ракету до зажигания. Твердое топливо отображается зеленым цветом. Оно в форме цилиндра с трубой, просверленной по центру. При зажигании горючее сгорает вдоль стенки трубы. По мере горения оно выгорает к корпусу, пока не сгорит полностью. В небольшой модели ракетного двигателя или крошечной ракетке процесс горения может длиться в течение секунды или того меньше. В большой ракете же топливо горит не менее двух минут.

Твердотопливные ракеты: конфигурации

Читая описание для современных твердотопливных ракет, часто можно найти вот такое:

Смысл в том, чтобы увеличить площадь поверхности канала, а значит, увеличить площадь выгорания, а значит — тягу. По мере того, как топливо сгорает, форма меняется к кругу. В случае с космическим шаттлом такая форма дает мощную начальную тягу и чуть послабее — в середине полета.

Твердотопливные двигатели обладают тремя важными преимуществами:

простота
низкая стоимость
безопасность

Но есть и два недостатка:

тягу невозможно контролировать
после зажигания двигатель нельзя отключить или запустить повторно

Недостатки означают, что твердотопливные ракеты полезны для непродолжительных задач (ракеты) или систем ускорения. Если вам понадобится управлять двигателем, вам придется обратиться к системе жидкого топлива.

Жидкотопливные ракеты

В 1926 году Роберт Годдард испытал первый двигатель на основе жидкого топлива. Его двигатель использовал бензин и жидкий кислород. Также он пытался решить и решил ряд фундаментальных проблем в конструкции ракетного двигателя, включая механизмы накачки, стратегии охлаждения и рулевые механизмы. Именно эти проблемы делают ракеты с жидким топливом такими сложными.

Основная идея проста. В большинстве жидкотопливных ракетных двигателях топливо и окислитель (например, бензин и жидкий кислород) закачиваются в камеру сгорания. Там они сгорают, чтобы создать поток горячих газов с высокой скоростью и давлением. Эти газы проходят через сопло, которое еще больше их ускоряет (от 8000 до 16 000 км/ч, как правило), а после выходят. Ниже вы найдете простую схему.

Эта схема не показывает фактические сложности обычного двигателя. К примеру, норальное топливо — это холодный жидкий газ вроде жидкого водорода или жидкого кислорода. Одной из крупных проблем такого двигателя является охлаждение камеры сгорания и сопла, поэтому холодная жидкость сначала циркулирует вокруг перегретых частей, чтобы охладить их. Насосы должны генерировать чрезвычайно высокое давление, чтобы преодолеть давление, которое создает в камере сгорания сжигаемое топливо. Вся эта подкачка и охлаждение делает ракетный двигатель больше похожим на неудачную попытку сантехнической самореализации. Давайте посмотрим на все виды комбинаций топлива, используемого в жидкотопливных ракетных двигателях:

Будущее ракетных двигателей

Мы привыкли видеть химические ракетные двигатели, которые сжигают топливо для производства тяги. Но есть масса других способов для получения тяги. Любая система, которая способна толкать массу. Если вы хотите ускорить бейсбольный мячик до невероятной скорости, вам нужен жизнеспособный ракетный двигатель. Единственная проблема при таком подходе — это выхлоп, который будет тянуться через пространство. Именно эта небольшая проблема приводит к тому, что ракетные инженеры предпочитают газы горящим продуктам.

Многие ракетные двигатели крайне малы. К примеру, двигатели ориентации на спутниках вообще не создают большую тягу. Иногда на спутниках практически не используется топливо — газообразный азот под давлением выбрасывается из резервуара через сопло.

Новые конструкции должны найти способ ускорить ионы или атомные частицы до высокой скорости, чтобы сделать тягу более эффективной. А пока будем пытаться делать электромагнитные двигатели и ждать, что там еще выкинет Элон Маск со своим SpaceX.

Очень часто мы можем слышать всевозможные физические термины, которые, казалось бы, знакомы нам, но вот что именно они значат и каким образом работают – непонятно. Вполне распространенная проблема для тех, кто уже давно не изучал что-то новое в данной науке или просто люди, не уделявшие в свое время должного внимания данному предмету. Сейчас, в век компьютерных и инновационных технологий, физика буквально повсюду. Взять тот же самый пример реактивного движения и ракеты – без должного набора знаний мы вряд ли сможем точно описать, как и за счет чего человечество изучает безграничные просторы далекого космоса.

С чего все начиналось?

Всегда интересно узнать немного истории. Вечные вопросы, а-ля, как создавались открытия, кто это сделал и каким образом, будут актуальны вечно при начальном изучении теории. Нужно не только изучать труды ученого, но и постараться понять, каким именно образом он сумел преуспеть в своем начинании. Недаром говорят, что нужно мыслить как личность, чтобы понять принципы его умозаключений. В науке это работает точно так же: если будешь старательно, разумно и внимательно подходить к поступательному изучению предмета, то в любом случае сумеешь достичь успеха и разобраться во всем.

Начиналось все с банальных наблюдений, как простых людей, так и первых ученых. Человек всегда отличался чутким отношением к живой природе, поэтому нередко некоторые добровольцы могли часами рассматривать, что происходит в ближайшем лесочке. Таким образом, однажды на примере обитателей океанов (реактивное движение в природе, как правило, изучают на примере моллюсков) человек заметил, что некоторые представители бескрайних просторов воды передвигаются не так, как это делают обычные рыбы. Они буквально выталкивают из себя воду, что и заставляет их начинать стремительно двигаться и набирать скорость. Безусловно, данный факт очень озадачил человека, поэтому лишь спустя довольно-таки крупный промежуток времени нам удалось объяснить физический смысл происходящего.

Смотрите видео о том, что заставляет работать двигатель реактивной ракеты.

На чем основывается реактивное движение в авиации о космонавтике?

Любому физическому явлению характерен свой закон или свое объяснение. Реактивное движение тел не является исключением. Здесь все основывается на таком понятии, как импульс и законе его сохранения.

Наверняка еще из школьного курса физики многие из нас могут вспомнить такое понятие. Его проходят абсолютно все без исключения, поскольку это важнейшая составная часть программы. Итак, что же такое импульс? Вообще принято в качестве определения данному понятию просто приводить формулу, то есть буквально можно сказать, что это произведение массы на скорость тела. Поскольку масса у объектов, как правило, не изменяется, то зависит импульс напрямую от скорости и является векторной величиной, имеющей определенное направление, которое обязательно учитывается при решении физических задач.

Закон сохранения импульсов гласит, что их сумма до взаимодействия соответственно равна сумме после взаимодействия. Все очень просто, можно провести параллель с неким замкнутым кругом. Данные аспекты напрямую связаны с главной темой, обсуждаемой сегодня, - кратко, реактивное движение ракеты и есть лучший пример ЗСИ. Ведь именно в космосе мы не можем взять ничего извне, поэтому нужно довольствоваться первоначальным набором, который находится на космическом корабле. Но все-таки между импульсом, законом сохранения импульса и реактивным движением ракеты есть разница.

Реактивное движение в природе

Очевидно, что абсолютно ничего (в том числе и научные открытия) не может свалиться нам на голову просто так, как это было показано на примере Исаака Ньютона, открывшего 3 одноименных закона. Все в природе взаимосвязано и продумано до мелочей. И человек успешно этим пользуется – именно природа является самым главным источником вдохновения и идей для создания новейших технических приборов.

Огромное множество животных и растений еще с древних времен использовали реактивное движение для основных процессов жизнедеятельности. Главным образом это касалось, конечно же, передвижения и размножения. Вот примеры некоторых подобных живых организмов:

головоногие моллюски (кальмары, каракатицы, осьминоги);
морские гребешки, медузы;
бешеный огурец.

Благодаря жизнедеятельности этих живых организмов человечество улучшает эффективность реактивного движения на примере ракеты, авиационной техники и т.д.

История создания ракеты и реактивного движения

Самые известные ученые, внесшие невообразимый вклад в развитие данной отрасли нашей жизни, - С. Королев и К. Циолковский. Они стали новаторами в нашем государстве, именно благодаря их деятельности так активно стала процветать наука. Так и началась эра ракетостроения.

Составные части ракеты:

Космический корабль.
Бак с окислителем.
Бак с горючим.
Насосы.
Камера сгорания.
Сопло.

Казалось бы, такое простое строение, но как же все сложно на самом деле устроено. Действительно, все продумано до мелочей: человеку удалось обхитрить сам импульс - при запуске ракет меняется не только скорость, но и масса самого тела. Этот удивительный факт знают не все, но он является основным при вопросах, касающихся запуска ракет в космос.

Принцип движения

Все мы знаем, что любому двигателю требуется топливо и ракеты не являются исключением. Тело состоит из нескольких отсеков, так называемых ступеней. Сперва активно сгорает горючее в нижней ступени, затем она отделяется от ракеты, вследствие чего и происходит изменение ее массы, а после и увеличение скорости.

Данный шаг будет повторяться до того момента, пока устройство не попадет на заданную учеными траекторию и не начнет самостоятельный полет прямо на орбите. Заранее людьми производятся все расчеты, которые и помогают разработать буквально идеальный механизм.

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

Космический челнок "Колумбия" был запущен с помощью двух твердотопливных ракет-носителей

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.

3. Плазменная ракета

Плазменная двигательная установка 1961 г. Предоставлено: НАСА

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

Испытание зажигания ионного двигателя в Лаборатории реактивного движения НАСА

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 (

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.

Читайте также: