Клиновоздушный ракетный двигатель своими руками
Обновлено: 06.07.2024
В Нижней Салде (Свердловская область) провели испытания демонстратора будущего двигателя для полностью возвращаемой ракеты-носителя. Пуск демонстратора — уменьшенной модели будущего двигателя — успешно проведен на площадке Научно-исследовательского института машиностроения (НИИМаш).
Проект двигателя разрабатывают НИИМаш, ГРЦ им. Макеева, НПО автоматики, ЮУрГУ и Уральский государственный университет.
Руководитель проекта, профессор ЮУрГУ Сергей Ваулин после испытаний сказал:
Разработками клиновоздушных двигателей (или КВРД) занимались и в СССР, и в США и в других странах. И даже в начале "нулевых" была программа замены этими двигателями основных дигателей "Спейс Шаттлов". Однако и там не обошлось без популизма (и позже объясню, почему). Но, поскольку свернули проект шаттлов, то свернули и эти разработки новых двигателей. К слову, и здесь, и "там" разрабатывали КВРД разной формы - и "цилиндрические" и "плоские" или линейные.
Испытание двигателей для прототипов новых спейс-шаттлов
В линейном, вернее, в двигателе с поверхностью призмы, есть потери энергии с боков. Но чем шире конструкция, тем эти потери менее заметны.
В целом же считается, что такие двигатели могут иметь эффективность на 25-30% выше, чем существующие двигатели с соплом Лаваля. Сопло Лаваля - это расширяющееся сопло для сверхзвуковой реактивной струи:
Проблема этих двигателей с соплом Лаваля одна - они рассчитаны на определенное внешнее давление. Или, другими словами, эффективны для определенных высот. Поэтому от поверхности Земли до высот порядка 50-100 км (по-разному у разных ракет) на первых ступенях используют двигатели с одним расширением, а в дальше используют вакуумные двигатели с другим расширением потока.
В клиновоздушных двигателях роль "регулятора" степени расширения, играет сама атмосфера, ее давление. Если правильно подобрать форму клина, угол наклона первичной, выходящей из двигателей струи, по отношению к оси цилиндрического двигателя, можно получить устойчивые показатели тяги в атмосфере любой плотности. Вот примерная схема того, что происходит при разных давлениях:
Несмотря на то, что струя с повышением высоты и снижением давления расширяется, общая струя газов после клина продолжает иметь строго "вертикальное" направление, то есть не проихсодит потерь энергии и импульса. Это в идеале. В реальности возможны некоторые отклонения от идеала, но даже при этом эффективность должна быть выше, чем у сопла Лаваля.
Итак, испытание прототипа - замечательный шаг. Теперь о трудностях, которые ждут впереди.
Второе. Некоторые трудности.
Испытание, которое было проведено, согласно Дмитрию Конаныхину, популяризатору ракетно-космической науки и техники, проводилось на паре спирт-кислород. Как у ФАУ-2. Спирт дает другие параметры горения, чем керосин, и тем более, чем водород, на который надеются перейти создатели двигателя.
В целом это сложная задача со множеством неизвестных. Сколько лет (в лучшем случае) и сколько денег на это потребуется, мы не знаем. Поэтому об эйфории говорить рано. Несмотря на отличный результат.
Еще одним изменением при переходе на другие компоненты будет повышение температуры струи. А это будет требовать сложной системы охлаждения самого конуса.
Кроме того, испытания, которые проводились, проводились именно у поверхности Земли при давлении в одну атмосферу. Насколько удастся сохранить параметры при давлении в половину атмосферы? А в вакууме? Это еще один большой пласт испытаний и доработок, который обязательно нужно будет пройти.
Даже если будет создан прототип реального двигателя в течение ближайших нескольких лет, еще столько же уйдет на сертификационные испытания. Ну, а дальше уже будет видно. Так что путь впереди неблизкий. Но, несомненно, интересный!
Вы знали, что если в согнутую дугой трубу положить сухого спирта, подуть воздухом из компрессора и подать газ из баллона, то она взбесится, будет орать громче взлетающего истребителя и краснеть от злости? Это образное, но весьма близкое к истине описание работы бесклапанного пульсирующего воздушно-реактивного двигателя – настоящего реактивного двигателя, построить который под силу каждому.
Бесклапанный ПуВРД — удивительная конструкция. В ней нет движущихся частей, компрессора, турбины, клапанов. Простейший ПуВРД может обойтись даже без системы зажигания. Этот двигатель способен работать практически на чем угодно: замените баллон с пропаном канистрой с бензином — и он продолжит пульсировать и создавать тягу. К сожалению, ПуВРД оказались несостоятельными в авиации, но в последнее время их всерьез рассматривают как источник тепла при производстве биотоплива. И в этом случае двигатель работает на графитовой пыли, то есть на твердом топливе.
Наконец, элементарный принцип работы пульсирующего двигателя делает его относительно безразличным к точности изготовления. Поэтому изготовление ПуВРД стало излюбленным занятием для людей, неравнодушных к техническим хобби, в том числе авиамоделистов и начинающих сварщиков.
Несмотря на всю простоту, ПуВРД — это все-таки реактивный двигатель. Собрать его в домашней мастерской весьма непросто, и в этом процессе немало нюансов и подводных камней. Поэтому мы решили сделать наш мастер-класс многосерийным: в этой статье мы поговорим о принципах работы ПуВРД и расскажем, как изготовить корпус двигателя. Материал в следующем номере будет посвящен системе зажигания и процедуре запуска. Наконец, в одном из последующих номеров мы обязательно установим наш мотор на самодвижущееся шасси, чтобы продемонстрировать, что он действительно способен создавать серьезную тягу.
От русской идеи до немецкой ракеты
Чтобы работать было приятно и безопасно, мы предварительно очищаем листовой металл от пыли и ржавчины с помощью шлифовальной машинки. Края листов и деталей, как правило, очень острые и изобилуют заусенцами, поэтому работать с металлом надо только в перчатках.
Конечно же, речь идет о клапанных пульсирующих двигателях, принцип действия которых понятен из рисунка. Клапан на входе в камеру сгорания беспрепятственно пропускает в нее воздух. В камеру подается топливо, образуется горючая смесь. Когда свеча зажигания поджигает смесь, избыточное давление в камере сгорания закрывает клапан. Расширяющиеся газы направляются в сопло, создавая реактивную тягу. Движение продуктов сгорания создает в камере технический вакуум, благодаря которому клапан открывается, и в камеру всасывается воздух.
В отличие от турбореактивного двигателя, в ПуВРД смесь горит не непрерывно, а в импульсном режиме. Именно этим объясняется характерный низкочастотный шум пульсирующих моторов, который делает их неприменимыми в гражданской авиации. С точки зрения экономичности ПуВРД также проигрывают ТРД: несмотря на впечатляющее отношение тяги к массе (ведь у ПуВРД минимум деталей), степень сжатия в них достигает от силы 1,2:1, поэтому топливо сгорает неэффективно.
Прежде чем отправляться в мастерскую, мы начертили на бумаге и вырезали шаблоны разверток деталей в натуральную величину. Осталось лишь обвести их перманентным маркером, чтобы получить разметку для вырезания.
Горючая смесь в ПуВРД сгорает с дозвуковой скоростью. Такое горение называется дефлаграцией (в отличие от сверхзвукового — детонации). При воспламенении смеси горючие газы вырываются из обеих труб. Именно поэтому и входная, и выходная трубы направлены в одну сторону и сообща участвуют в создании реактивной тяги. Но за счет разницы длин в тот момент, когда давление во входной трубе падает, по выходной еще движутся выхлопные газы. Они создают разрежение в камере сгорания, и через входную трубу в нее затягивается воздух. Часть газов из выходной трубы также направляется в камеру сгорания под действием разрежения. Они сжимают новую порцию горючей смеси и поджигают ее.
При работе с электрическими ножницами главный враг – вибрации. Поэтому заготовку нужно надежно фиксировать с помощью струбцины. При необходимости можно очень аккуратно погасить вибрации рукой.
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):
Реактивная тяга самая мощная из всего, что пока существует. Наглядно продемонстрировать ее принцип действия можно на самодельной модели. Это вполне безопасное устройство, так как работает от газа для заправки зажигалок, поэтому его можно собрать в домашних условиях.
Материалы:
- труба 32 мм;
- жесть или тонкий листовой алюминий;
- супер клей;
- велосипедная спица;
- электромотор от игрушки;
- пустой стержень от шариковой ручки;
- доска;
- тонкий шланг
- газовые зажигалки – 2 шт.
Процесс изготовления реактивного двигателя
В один ее торец вклеивается скоба из листового металла. В ней должно быть отверстие в центре для оси с лопастями.
Из тонкого листового металла вырезается 4 диска под внутренний диаметр трубы. Их нужно просверлить по центру, нарезать на них лопасти и выгнуть из них крыльчатки.
Далее берется кусок велосипедной спицы длиной 70 мм. На него надеваются крыльчатки. Чтобы их закрепить, используется клей и втулки с разрезанного на куски пустого стержня от шариковой ручки.
Ось с лопастями вставляется в трубку. Затем в нее вклеивается второе крепление. Чтобы ось не болталась, нужно поставить перед скобами втулки из стержня.
Их можно снять с телескопической антенны, также подойдут металлические стержни от шариковой ручки.
Двигатель прикручивается к деревянному основанию скобами из листового металла так, чтобы отверстие в конусе без трубки было вверху. Аналогично на подошву крепится электродвигатель. Его ось соединяется с реактивным мотором посредством стержня от ручки.
Их нужно продолжить к свободной части деревянной подошвы и подключить к штуцерам закрепленных зажигалок.
Теперь при нажатии кнопок на зажигалках газ из них поступит в конус реактивного двигателя, где его нужно поджечь. Затем при запуске поддува воздуха появится тяга. Она будет продолжаться пока не отпустить зажигалки.
Смотрите видео
Читайте также: