Ракетные двигатели: в погоне за скоростью, (в 40 частях)

«Atlas-5 v.401», США: 2,9% (первая ступень – кислород + керосин, вторая – кислород + водород)

«Союз-2-1Б», Россия: 2,6% (кислород + керосин на всех 3 ступенях)

«Falcon-9 v.1.1», США: 2,6% (кислород + керосин на обеих ступенях)

«Ангара 1.2ПП», Россия: 2,2% (кислород + керосин на обеих ступенях)

«Ariane-5G», Франция: 2,1% (1 ступень твёрдотопливная, 2 ступень – кислород + водород, 3 ступень – НДМГ + АТ)

«CZ-2F», Китай: 1,8% (НДМГ + АТ на всех 3 ступенях)

«ASR», Япония: 1,3% (все три ступени твёрдотопливные)

«PSLV», Индия: 1,1% (первая и третья ступени твёрдотопливные, вторая – НДМГ + АТ, четвёртая – ММГ + АТ)

Почему тогда исключительно на водороде летают только американцы, но и то лишь на одной из трёх эксплуатируемых ракет (в самой лёгкой модификации)? Почему (внезапно) настолько неплох «Протон» с самым низким теоретическим удельным импульсом топливной пары?

Ответ довольно многогранен. Температура кипения водорода лишь градусов на 20 градусов выше абсолютного нуля. Делать такое горючее в больших объёмах весьма затратно. С кислородом несколько проще: он кипит при «всего» -182,96 градусах. Ещё водород невероятно летуч. Он нагло просачивается даже сквозь сварные швы топливных баков. Водородный двигатель в производстве также сложнее и дороже всех остальных.

В свою очередь, из всех видов применяемых жидких топлив у НДМГ + АТ самая высокая плотность. Это означает меньший объём баков и их собственный вес. Двигатели первой ступени «Протона» просты и надёжны. Топливные компоненты самовоспламеняющиеся – для запуска достаточно «открыть кран». Тяговооружённость этих двигателей (отношение максимальной тяги к сухому весу) вдвое выше, чем у РД-107А и в полтора раза, чем у РД-191, применяемого на «Ангаре».

Двигатель «РД-191», 2001 год, СССР:

Макс тяга, тс: 213
Макс. удельная тяга, с: 337
Давление в камере сгорания, атм: 263
Масса, кг: 2 200
Горючее: керосин
Окислитель: жидкий кислород

Не будем так же забывать, что НДМГ + АТ остаются жидкими при нормальных условиях – заправленная ракета может долго стоять на столе без потерь. Теперь вспомним истоки её появления («Протон» развился из «УР-500»), в которых отчётливо маячит военное предназначение, и всё становится на свои места. Долгое хранение при постоянной готовности к старту, лёгкий и надёжный запуск…

Двигатель первой ступени «Протона» – «РД-253», 1963 год, СССР:

Макс тяга, тс: 166
Макс. удельная тяга, с: 316
Давление в камере сгорания, атм: 167
Масса, кг: 1 080
Горючее: НДМГ
Окислитель: АТ

Теперь давайте с первой попытки угадаем, на каком топливе летает «Воевода». Как видим, не всё так однозначно. Но ведь и у нас есть хороший двигатель на водороде!

Двигатель «РД-0120», 1984 год, СССР:

Макс тяга, тс: 200
Макс. удельная тяга, с: 455
Давление в камере сгорания, атм: 216
Масса, кг: 3 450
Горючее: жидкий водород
Окислитель: жидкий кислород

Он был создан для «Энергии», но его мощности было недостаточно, чтоб заставить взлететь эту ракету, и на неё пришлось дополнительно ставить более традиционные «РД-170» в боковых блоках.

Двигатель «РД-170», 1981 год, СССР:

Макс тяга, тс: 806
Макс. удельная тяга, с: 337
Давление в камере сгорания, атм: 250
Масса, кг: 9 750
Горючее: керосин
Окислитель: жидкий кислород

На самых эффективных двигателях, к сожалению, ракету тяжёлого класса просто не оторвать от земли. Таким образом, водородное горючее оказывается выгоднее там, где притяжение Земли уже действует не так сильно. Это вторая и последующие ступени. Тогда и двигатель проще, и водорода нужно делать меньше, и даже тяга запросто может быть меньше общей массы аппарата. Стотонный «Спейс-Шаттл», например, вообще «дотягивал» до своей орбиты на двух маневровых двигателях суммарной тягой «всего» 5.5 тонн.

Собственно, на сегодняшний день из двигателей, сжигающих «горючку» привычным образом, выжат объективный максимум. Конструкторы продолжают увеличивать тяговооружённость и удельную тягу, но при этом жестоко бьются за каждую секунду и каждый килограмм. В сфере традиционных ЖРД или РДТТ прорывов ждать уже не следует. Вот, пишут про «ледяные» ракеты, где алюминий реагирует с водой, создавая на выходе гидроксид алюминия и водород. Кто-нибудь знает теоретический максимум удельного импульса такого топлива? Водород, по идее, весьма эффективное рабочее тело.

Ещё в одном известном отечественном ракетном КБ занимаются детонационными двигателями (тут сразу вспоминается корабль инженера Лося из «Аэлиты»). Судя по тому, что технической информации по этой теме сущие крупицы, но при этом в официальных источниках федерального уровня то и дело мелькают российские и американские публикации, можно сделать вывод, что за данную технологию взялись крепко, а за первенство развернулась нешуточная борьба. Скоро мы что-то увидим… Так о чём речь?

Знаете, как называется «простое» горение, например, газа в кухонной плите? «Дефлаграционное» (гусары, молчать!) В данном процессе соседние объёмы топливной смеси поджигаются через перенос энергии теплопроводностью. Скорость распространения пламени относительно невелика. Вернёмся к истокам и вспомним порох. Можете себе представить, но в оружейном стволе он «просто» горит. Все взрывчатые вещества, именуемые «метательными», обладают свойством дефлаграционноного горения в тех условиях, в которых они применяются. Напротив, т.н. «бризантные» вещества должны именно детонировать. Первые используются для стрельбы, вторые – для боевых зарядов.

Если поджечь пороховой фитиль, то можно легко проследить за бегущим огоньком. Но вот если подорвать конец специального детонирующего шнура (применяется во взрывном деле), то визуально он взорвётся сразу весь. Всё оттого, что скорость детонационного горения равна скорости звука в данном веществе.

Инициирующий взрыв капсюля создаёт ударную волну на конце шнура, то есть, локально повышает давление. От этого вещество, оказавшееся в зоне повышенного давления, сжимается, нагревается и самовоспламеняется. Волна движется дальше и сжимает следующий участок. Так весь шнур сгорает практически моментально.

Как это может помочь в ракетном деле? Давление в зоне детонационного горения невероятно высоко. Если заполнить камеру сгорания компонентами и заставить их сдетонировать, оно возрастёт так быстро, что разметает двигатель по окрестным холмам. Одно из испытаний «РД-170» закончилось тем, что он, взорвавшись сам, разворотил и весь испытательный стенд. Может, там случилась детонация на фоне «высокой частоты»?

Ой, а вы знаете про «высокую частоту»? Это жуткая головная боль всех двигателистов-ракетчиков. Она погубила не один двигатель, и не одну ракету. Смысл в том, что в камере сгорания возникает циркуляция высокочастотных акустических волн. Мало ли, откуда они берутся – ракетный двигатель довольно шумная штука. Но если возникнут условия для резонанса и повышения их амплитуды, то камера сгорания может механически развалиться с известными последствиями. То есть, детонация, теоретически, даёт нам радикальное повышение давления в камере сгорания. Как следствие, можно повысить удельную тягу. Если, конечно, не взорвём весь двигатель.

В современных ракетных двигателях топливо подают с огромной скоростью. В детонационных она должна равняться скорости звука в газовой среде камеры сгорания – тогда фронт волны «зависнет» на месте, а процесс будет непрерывным и устойчивым. Для этого нужен насос с мощностью, большей на порядки, при филигранной точности управления…

Наши соотечественники говорят, что есть другой выход. Более того, давление на выходе топливного насоса обещают как раз-таки на порядки меньше, чем в традиционных двигателях. Кстати прирост удельной тяги сулят относительно скромный: для кислород-керосиновой пары «всего лишь» на уровне хорошего кислород-водородного.

Вот теперь факты кончились, и начинаются предположения. Скорее всего, речь идёт о спиральной детонационной волне в кольцевой камере сгорания. Информация об этом, в принципе, гуглится, но по-прежнему скудна. Условно, имеем один цилиндр, вставленный внутрь другого. Канал между ними и есть камера сгорания. С одного конца конструкция «глухая», с другой – сопло.

Заполним это пространство топливной смесью. Устроим очаг таким образом, чтобы запустить фронт волны по кругу. Внутри пика волны давление будет гигантским, а вот вне его оно будет близким к исходному. Тогда мы можем попасть в этот промежуток новой порцией топлива и продолжить процесс. Среднее же давление в камере может составить и триста, и пятьсот атмосфер, и возможно даже больше. Скорее всего, мощность такого двигателя можно будет регулировать в широких пределах частотой «взрывов», а её уменьшение не будет снижать удельную тягу. Возможно, с таким подходом может даже получиться одноступенчатый носитель, да ещё и многоразовый.

Вот маленькое видео, где чуть-чуть затронута эта тема, правда, в контексте воздушно-реактивных двигателей.


Добавлено в 11:05
Что касается ракетных – вот ещё кино. О детонационном двигателе говорят с 4:59, разрез выходного сопла со вскрытой рубашкой охлаждения показывают на 5:57. Слова о том, что двигатель будет работать импульсами – скорее всего деза для шпионов. Спиральная волна в кольцевой камере это квазистационарный процесс.


Воспрянем же надеждой, товарищи! Космос снова будет наш!

Прошу простить неточности и упущения, коих наберётся, пожалуй, на несколько книг. Всё ж развлекательный портал для широкого круга читателей.

И да, читайте книги.

Спасибо, я закончил.

Чувак сколько времени ты писал этот пост, тут вся история ракет

Малаца, всё верно написано, не придраться.
Только на твоём месте я бы написал ещё про метановые ракеты пару слов.
Раз он не написал, я скажу: Метан очень лёгкий и в качестве топлива был бы почти так же эффективен, как водород, при этом менее геморный для хранения и сильно менее геморный для получения (читай - природный газ и есть)
Союз-5 и грядущая РН Falcon планируется оснащать двигателями именно на паре СПГ+Кислород (или чисто метан+кислород)

Союз-5 для иллюстрации (не похож на предыдущее поколение, которому полвека)

Это сообщение отредактировал Protheus - 1.11.2015 - 11:15

Suha82

Я хуй его знает что ты напишешь, но еще в 1984 году, после ракетомодельного кружка в Артеке, я именно так и получал практически чистую калиевую селитру. "Не верьте роликам" - не верьте "бумажным химикам". Просто есть нюансы при таком получении КС, которые нужно соблюдать. А не тупо смотреть ролики. Обмен происходит стопроцентный и единственная серьезная проблема, это получение максимально чистого нитрата калия без примеси хлорида аммония. Но одно из их кардинально различающихся физических свойств решает эту проблему в степени, достаточном для любительского применения.

Лично я делал модельные твердотопливные двигатели с разным топливом, обычные, на самодельном черном порохе, серно-цинковые, серию из смесевых ТТ на основе перхлората аммония, само собой варианты "карамельки", на самодельном коллоксилине пластифицированном камфорой.

Не пошли ни один из вариантов с топливом из алюминиевого порошка, независимо от окислителя и типа связующего, все взрываются, хоть как прессуй.

Угу, получите охуенную дымовуху, которая в лучшем случае выпадет из направляющей трубки. Это даже не китайская шутиха.
Вообще, копировать из сети всякую хрень, не равно опробованию этого лично.

Для тех кто всерьез занимался данными вещами, смешно местами читать.

Глупость несусветная, из разряда "делайте дети, потом расскажите!"
Во-первых топливо располагается не в корпусе модели, а в ТРД, в этой роли всю жизнь себя преотлично чувствуют обычные картонные гильзы 16-8 калибров.
Во-вторых, никто и никогда, ни под карамельку, ни тем более под дымный порох, не изъебывается с соплами, да еще и "из обожженой глины" - идиотизм.
Только в ТРД с металлическим топливом, например на порошкообразном цинке, есть смысл впрессовывать отдельное сопло, но эту роль отлично выполняет отрезок трубки из нержавейки. Для любителей выебнуться существует графит.

Это сообщение отредактировал Murchello - 1.11.2015 - 11:22

О, наш КБХА засветился скромно на одной фотке.
Молодцы, вносят вклад.

во что детям читать нужно.интересная статья.

А га каком двигателе надо было использовать спички для поджига??

Растворимость в зависимости от температуры. Нужно точное соблюдение концентрации и температурного режима.

На дровяном

Это сообщение отредактировал Protheus - 1.11.2015 - 11:22

Ну умник
Ты тогда наверное не знаешь что новичков на одном старте подкалывали- накосячишь понесёшь спичку.
Укладывалась она на стартовый стол, метра2- катализатор возгорания компонентов.
Ну и туда же- ты в курсе что ракеты болтами прикручивают к стартовому сооружению.

Чет не смог я на берданке долететь до космоса . Может это от того что ступени не отсоединяются , они у меня бетонные

Бля, до какого-то момента я все понимал... Не надо было вчера столько пить или сегодня читать... Хотя, даже ничего, ближе к концу, не понимая читать было интересно! ТС, спасибо!