Двигатель на керосине своими руками
Обновлено: 06.07.2024
Давайте рассмотрим жидкостный ракетный двигатель , который работает на смеси керосина и жидкого кислорода . Казалось бы нужно всего лишь смешать два компонента в камере сгорая, и вуаля — ракета в воздухе. Проще простого, верно? Такое впечатление может сложится при беглом анализе. Но всё самое главное кроется в деталях .
Керосин и жидкий кислород находятся в баке. Чтобы переместить их из бака в двигатель понадобится насос . В любом автомобиле есть топливный бак и насос для подачи топлива из бака в двигатель. Разве подобная задача невыполнима?
Действительно, перекачка керосина по трубе не такая уж большая проблема. Но вот жидкий кислород перекачать очень непросто .
Для начала он холодный. Очень холодный — его температура ниже минус 180 градусов Цельсия. И только это уже значительно усложняет задачу.
Вдобавок, жидкий кислород пытается съесть любое вещество .
Оно может сжечь то, что считается почти неуязвимым, например, металл. Всё, что хотя бы отдалённо подвержено окислению, подвластно жидкому кислороду . Насос не может быть изготовлен из целого ряда металлов, не может содержать резиновых уплотнений, и уж точно
не может быть смазан маслом или чем-то подобным.
В итоге нужен насос, который может перекачивать невероятно холодную, суперкоррозийную жидкость, и при этом остаться невредимым. Насколько такое вообще возможно?
Это ракетные двигатели F-1
Пять таких агрегатов установлены на ракете "Сатурн-5". Они потребляют 7.9 тонн жидкого кислорода и 4.4 тонны керосина. В секунду . Пять двигателей F-1 вместе производят почти 3 500 тонн тяги при старте. Насос должен нагнетать топливо и окислитель в камеру сгорания под огромным давлением — более 700 тонн на квадратный метр .
Суммируя все факторы получаем: насос не может быть изготовлен
из определённых материалов, его нельзя смазать маслом, он должен выдерживать экстремальный холод, перекачивать почти 8 тонн жидкого кислорода каждую секунду и должен делать это при огромном обратном давлении. Теперь масштаб инженерной задачи начинает обретать свои истинные очертания. Как же эту задачу удалось решить ?
Единственное, достаточно мощное устройство, которое смогли придумать учёные для запуска такого насоса стал. Ракетный двигатель поменьше . Абсолютно серьёзно. Для питания насосов и подачи топлива и окислителя в большие ракетные двигатели построили ещё один небольшой ракетный двигатель.
Но теперь и к этому маленькому ракетному двигателю нужно доставлять топливо и окислитель. Так что нужен. ещё один насос . И это ещё не всё. Сопло ракетного двигателя сделано из металла. Ежесекундно сжигаются тонны топливной смеси. Ни один металл не выдержит подобного пламени . Что же делать?
Каждую секунду происходит перекачка нескольких тонн топлива, верно? Почему бы не проложить трубы через сопло ракеты и не пропускать через них часть холодного топлива? Это одно из решений, для реализации которого понадобится сложная система труб. Всё перечисленное лишь вершина айсберга .
Идея проста — сжигать смесь топлива и окислителя, выплёскивая полученную энергию наружу. Самое сложное оперировать тоннами смеси в секунду при колоссальном давлении и сделать так, чтобы ничего
не взорвалось, не расплавилось и не вышло из строя.
Обязательно подписывайтесь, Вам также понравится:
• "Сатурн-5" самая мощная ракета в истории человечества. Почему не планируется строительство новой подобной?
• Почему на многих танках дуло имеет утолщение по середине? Для чего это нужно?
• Для чего на советских самолётах делали остеклённую носовую часть?
Вы используете Internet Explorer устаревшей и не поддерживаемой более версии. Чтобы не было проблем с отображением сайтов или форумов обновите его до версии 7.0 или более новой. Ещё лучше - поставьте браузер Opera или Mozilla Firefox.
Обсудить и задать вопросы можно в этой теме.
Pegasus
новичок
Alexander>Делал ли такое кто-нибудь?
В школьные годы была попытка изготовить что-то подобное
Баллончик из-под дезодоранта, велосипедный ниппель - керосин и двадцать качков насосом.
двигатель - точеная деталь из дюраля, точнее - две части, на болтах.
корпус из бумаги, резиновый шарик с кислородом.
. В итоге - красивый ба-бах с огненным шаром.
Дух Бетельгейзе
старожил
CaRRibeaN
координатор
Дома врядли возможно, а имея доступ к станковому парку - можно.
В принципе ничего такого там нету, но к химии добавляються заморочки с механикой.
Serge77
модератор
Alexander>Делал ли такое кто-нибудь?
404 Not Found
avmich
координатор
Долларов за 900 можно купить набор ЖРД на здесь.
В принципе, в самой конструкции двигателя при вытеснительной подаче топлива ничего сложного нет (охлаждение сопла можно сделать, например, оребрением, как на первых советских ЖРД). Главная проблема, imho, компоненты топлива, а точнее, окислитель. Интересно, что используется в качестве оного в любительских ЖРД?
CaRRibeaN
координатор
>Главная проблема, imho, компоненты топлива, а точнее, окислитель. Интересно, что используется в качестве оного в любительских ЖРД?
Имхо только три - азотная кислота, перикись водорода и закись азота.
>В принципе, в самой конструкции двигателя при вытеснительной подаче топлива ничего сложного нет (охлаждение сопла можно сделать, например, оребрением, как на первых советских ЖРД).
Т.е. не регенеративное? Учитывай, что высокого расхода тебе не обеспечить, значит двигатель будет работать скорее всего десятки секунд.
Wyvern
аксакал
Alexander>. Интересно, что используется в качестве оного в любительских ЖРД?
ЗАКИСЬ АЗОТА. Идеал для любителя - доступна(в любой больнице), практически не токсична(до концентрации в воздухе 20-30%, выше - посмеются максимум ),легкокипящая, не криогенная жидкость, высокая упругость паров и малая агрессивность - можно использовать и для наддува топлива.
Недостаток один -малая энергетика и соответственно, Импульс удельный.
Можно еще водно-скипидарную или водно-скипидар-азоткислотную смеси. Это посерьезней, на ней и большие ракеты летали.
Кстати,при больших масштабах(от 1 кг, например) самонаддувную ЖРД самодельщику сделать проще чем РДТТ.А ГРД еще проще и ЛУЧШЕ
Объективная реальность - вариант бреда, обычно вызывается низким уровнем концентрации алкоголя в крови.
avmich
координатор
> (охлаждение сопла можно сделать, например, оребрением, как на первых советских ЖРД).
> Т.е. не регенеративное? Учитывай, что высокого расхода тебе не обеспечить, значит двигатель будет работать скорее всего десятки секунд.
Опять же, пример из жизни - народ из ERPS (статья, которая их упоминает, space.com/missionlaunches/marericks_020510.html) летал на 85% перекиси, с серебряным (дешёвым) катализатором. При этом разогрев настолько небольшой, что серебро не плавится (85% - предельное значение, выбранное по этому параметру), и используется обычная сталь, без всякого охлаждения, как материал для "камеры сгорания (точнее, разложения)" и сопла. Дальше, всё ускорение занимало секунд 5-7 (по условиям запусков любительских ракет?) - смотреть здесь, - т.е. недолго движок грелся. А для фанатов есть ещё более другие марки сталей, которые сложнее обрабатывать, но зато держат побольше температуру.
> Alexander>. Интересно, что используется в качестве оного в любительских ЖРД?
> ЗАКИСЬ АЗОТА. Идеал для любителя - доступна(в любой больнице), практически не токсична(до концентрации в воздухе 20-30%, выше - посмеются максимум ),легкокипящая, не криогенная жидкость, высокая упругость паров и малая агрессивность - можно использовать и для наддува топлива.
Недостаток один -малая энергетика и соответственно, Импульс удельный.
Можно еще водно-скипидарную или водно-скипидар-азоткислотную смеси. Это посерьезней, на ней и большие ракеты летали.
Очень интересно, спасибо, Ник. Мне, однако, больше нравится перекись (каждый кулик. ) . Не токсична, не легкокипящая (это-то зачем в качестве преимущества. ), не криогенная, для окружающей среды не опасная. Может использоваться как однокомпонентное топливо (!), что означает, что любители могут отработать очень многи фазы ракетостроения только с одной перекисью. Кроме того, может работать как окислитель - на перекиси строили двухкомпонентные, перекись + керосин, ракеты, одна даже спутник вывела (британская, Black Arrow). УИ с керосином получается больше 3 км/с, если не ошибаюсь, то есть вполне приличный. Недостаток, например, такой - трудно добыть перекись ракетного качества (т.е. хотя бы 70% - а лучше хотя бы 85%, и без примесей стабилизаторов, которые затрудняют разложение). Есть методы любительской концентрации, но они хорошо, когда изначальная концентрация хотя бы 50%, а лучше, опять же, 70%. Синтезом перекись получать трудно.
Владельцы дизельных лодочных моторов периодически интересуются: можно ли вместо дизельного топлива использовать осветительный керосин для питания двигателя? Может можно в керосин добавить дизельного автола. И отразится ли как то керосиновая диета на самом двигателе, форсунках, топливном насосе?
Современные дизельные двигатели работают на топливе, которое содержит определенные пропорции тяжелых, средних и легких фракций. Керосины – это это более тяжелые фракции нефти чем бензин и температура их кипения составляет 110 – 300°С. Фракционный состав дизельного топлива, продающегося на заправках имеет температуры от 180 до 360°С. Приблизительно 50% летнего дизельного топлива выгорает при температуре около 280°С, а 95% уже при 360°С. По моторным свойствам керосин сильно отличается от диз.топлива из-за наличия большого количества легких фракций.
В недалеком прошлом смесь керосина с дизельным топливом применялась в сельском хозяйстве. Её использовали при отсутствии зимнего топлива, в летнее топливо добавлялся тракторный керосин для понижения температуры застывания. Но в итоге карбюраторные керосиновые двигатели были сняты с производства, а затем и тракторный керосин перестали вырабатывать.
Осветительный керосин в свою очередь может быть четырех марок: КО-30, КО-25, КО-22, КО-20. Цифры обозначают высоту некоптящего пламени. А вот цетановое число и вязкость (важные показатели для дизельного топлива) не регламентированы стандартами на керосин.
Цетановое число дизеля
Если для бензина важным показателем является “октановое число”, то для дизельного топлива это “цетановое число”. Оно определяет процесс сгорания топлива и в итоге влияет на экономичность дизеля и жесткость его работы. Меньшее цетановое число приводит к ухудшения работы мотора, снижая динамические показатели цикла (максимальное давление, интенсивность понижения давления на угол поворота коленчатого вала).
Цетановое число также определяет и пусковые качества топлива. При его значениях ниже 40, двигатель будет иметь затруднения при пуске даже в теплое время года. Для нормального пуска и работы мотора цетановое число летнего дизельного топлива должно быть равно 45, зимнего – 50.
У керосина цетановое число значительно ниже чем у дизеля. Даже смесь керосина и летнего дизтоплива зачастую не даёт значение выше 35 единиц. Поэтому на такой смеси моторы работаю с характерным стуком, плохо запускаются, сильно дымят, повышается расход топлива, при этом снижается мощность двигателя. Кроме того такое топливо приводит к повышенному износу верхнего пояса гильз цилиндров, компрессионных колец, вкладышей подшипников, шатунных шеек коленвала.
Не забываем и про вязкость дизельного топлива. При температуре 20°С вязкость летнего дизтоплива находится в пределах 3,0 – 6,0 сСт (кв.мм/с), а у керосина она 1,25 – 3,5 сСт. Топливо с низкой вязкостью проникает через зазоры в плунжерных парах ТНВД, это нарушает дозировку топлива, которое подает под давление топливный насос, снижается цикловая подача, падает давление впрыска в форсунках, повышает расход топлива и снижается мощность двигателя. Кроме того такое топливо с низкой вязкостью имеет худшие смазывающие характеристики, что приводит к повышенному износу трущихся деталей и механизмов топливной аппаратуры, ремонт которой обойдется совсем не дешево.
Моторное масло в керосине не помоет превратить его в дизтопливо или улучшить его характеристики. Масло надо использовать по прямому назначению. Попадая в топливо, масло в камере сгорания термически разлагается, как результат, на горячих поверхностях появляется лаковые пленки и нагары. Моторные масла также содержать множество присадок, объем которых может доходить до десятков процентов, а в результате их сгорания образуется зола, которая повышает износ двигателя.
На основе всего вышесказанного можно сделать вывод, что керосин не может полностью заменить собой дизельное топливо, не обеспечивает надежность, экономичность и долговечность работы современных дизельных двигателей как судовых так и автомобильных и тракторных.
Несомненно, двигатель - самая важная часть ракеты и одна из самых сложных. Задача двигателя - смешивать компоненты топлива, обеспечивать их сгорание и с большой скоростью выбрасывать получающиеся в процессе горения газы в заданном направлении, создавая реактивную тягу. В этой статье мы рассмотрим только используемые сейчас в ракетной технике химические двигатели. Существует несколько их видов: твердотопливные, жидкостные, гибридные и жидкостные однокомпонентные.
Любой ракетный двигатель состоит из двух основных частей: камера сгорания и сопло. С камерой сгорания, думаю, все понятно - это некий замкнутый объем, в котором происходит горение топлива. А сопло предназначено для разгона получающихся в процессе горения топлива газов до сверхзвуковой скорости в одном заданном направлении. Сопло состоит из конфузора, канала критики и диффузора.
Конфузор - это воронка, которая собирает газы из камеры сгорания и направляет их в канал критики.
Критика - самая узкая часть сопла. В ней газ разгоняется до скорости звука за счет высокого давления со стороны конфузора.
Диффузор - расширяющаяся часть сопла после критики. В ней происходит падение давления и температуры газа, за счет чего газ получает дополнительный разгон до сверхзвуковой скорости.
А теперь пройдемся по всем основным типам двигателей.
Начнем с простого. Самым простым по своей конструкции является РДТТ - ракетный двигатель на твердом топливе. Фактически это бочка, загруженная твердой топливно-окислительной смесью, имеющая сопло.
Камерой сгорания в таком двигателе является канал в топливном заряде, а горение происходит по всей площади поверхности этого канала. Нередко для упрощения заправки двигателя заряд делают составным из топливных шашек. Тогда горение происходит также и на поверхности торцов шашек.
Для получения разной зависимости тяги от времени применяют разные поперечные сечения канала:
РДТТ - самый древний вид ракетного двигателя. Его придумали еще в древнем Китае, но по сей день он находит применение как в боевых ракетах, так и в космической технике. Также этот двигатель ввиду своей простоты активно используется в любительском ракетостроении.
Первый американский космический корабль Меркурий был оборудован шестью РДТТ:
Три маленьких отводят корабль от ракеты-носителя после отделения от нее, а три больших - тормозят его для схода с орбиты.
Самый мощный РДТТ (и вообще самый мощный ракетный двигатель в истории) - это боковой ускоритель системы Спейс шаттл, развивавший максимальную тягу 1400 тонн. Именно два этих ускорителя давали столь эффектный столб огня при старте челноков. Это хорошо видно, например, на видеозаписи старта челнока Атлантис 11 мая 2009 года (миссия STS-125):
Эти же ускорители будут использованы в новой ракете SLS, которая будет выводить на орбиту новый американский корабль Орион. Сейчас можно увидеть записи с наземных испытаний ускорителя:
Также РДТТ установлены в системах аварийного спасения, предназначенных для увода космического корабля от ракеты в случае аварии. Вот, например, испытания САС корабля Меркурий 9 мая 1960 года:
На космических кораблях Союз кроме САС установлены двигатели мягкой посадки. Это тоже РДТТ, которые работают доли секунды, выдавая мощный импульс, гасящий скорость снижения корабля почти до нуля перед самым касанием поверхности Земли. Срабатывание этих двигателей видно на записи посадки корабля Союз ТМА-11М 14 мая 2014 года:
Главным недостатком РДТТ является невозможность управления тягой и невозможность повторного запуска двигателя после его останова. Да и останов двигателя в случае с РДТТ по факту остановом не является: двигатель либо прекращает работу по причине окончания топлива либо, в случае необходимости остановить его раньше, производится отсечка тяги: специальным пиропатроном отстреливается верхняя крышка двигателя и газы начинают выходить с обоих его торцов, обнуляя тягу.
Следующим мы рассмотрим гибридный двигатель. Его особенность в том, что используемые компоненты топлива находятся в разных агрегатных состояниях. Чаще всего используется твердое горючее и жидкий или газообразный окислитель.
Вот, как выглядит стендовое испытание такого двигателя:
Ну а теперь рассмотрим самый широко применяемый в космонавтике тип ракетных двигателей. Это ЖРД - жидкостные ракетные двигатели.
В камере сгорания ЖРД смешиваются и сгорают две жидкости: горючее и окислитель. В космических ракетах применяются три топливно-окислительные пары: жидкий кислород + керосин (ракеты Союз), жидкий водород + жидкий кислород (вторая и третья ступени ракеты Сатурн-5, вторая ступень Чанчжэн-2, Спейс шаттл) и несимметричный диметилгидразин + тетраоксид азота (ракеты Протон и первая ступень Чанчжэн-2). Сейчас также проводятся испытания нового вида топлива - жидкого метана.
Преимуществами ЖРД являются малый вес, возможность регулирования тяги в широких пределах (дросселирование), возможность многократных запусков и больший удельный импульс по сравнению с двигателями других типов.
Главным недостатком таких двигателей является умопомрачительная сложность конструкции. Это у меня на схеме все просто выглядит, а на самом деле при конструировании ЖРД приходится сталкиваться с целым рядом проблем: необходимость хорошего перемешивания компонентов топлива, сложность поддержания высокого давления в камере сгорания, неравномерность горения топлива, сильный нагрев стенок камеры сгорания и сопла, сложности с зажиганием, коррозионное воздействие окислителя на стенки камеры сгорания.
Для решения всех этих проблем применяется множество сложных и не очень инженерных решений, отчего ЖРД зачастую выглядит как кошмарный сон пьяного сантехника, например, этот РД-108:
Камеры сгорания и сопла хорошо видны, но обратите внимание, сколько там всяких трубок, агрегатов и проводов! И все это нужно для стабильной и надежной работы двигателя. Там есть турбонасосный агрегат для подачи топлива и окислителя в камеры сгорания, газогенератор для привода турбонасосного агрегата, рубашки охлаждения камер сгорания и сопел, кольцевые трубки на соплах для создания охлаждающей завесы из топлива, патрубок для сброса отработанного генераторного газа и дренажные трубки.
Более подробно работу ЖРД мы рассмотрим в одной из следующих статей, а пока переходим к последнему типу двигателей: однокомпонентному.
Работа такого двигателя основана на каталитическом разложении пероксида водорода. Наверняка многие из вас помнят школьный опыт:
В школе используется аптечная трехпроцентная перекись, а вот реакция с использованием 37% перекиси:
Видно, как из горлышка колбы с силой вырывается струя пара (в смеси с кислородом, разумеется). Чем не реактивный двигатель?
Двигатели на перекиси водорода используют в системах ориентации космических аппаратов, когда большое значение тяги не нужно, а простота конструкции двигателя и его малая масса очень важны. Разумеется, используемая концентрация перекиси водорода далеко не 3% и даже не 30%. Стопроцентная концентрированная перекись дает в ходе реакции смесь кислорода с водяным паром, нагретую до полутора тысяч градусов, что создает высокое давление в камере сгорания и высокую скорость истечения газа из сопла.
Работу однокомпонентных ЖРД можно увидеть на примере двигателей причаливания и ориентации космического корабля Союз ТМА-18М (съемка с борта МКС):
Читайте также: