Дорога в космос: необычный выбор топлива
Ракетой называется такой летательный аппарат, который перемещается за счет реактивной силы, возникающей в результате выбрасывания части собственной массы в направлении, противоположном ее движению. Есть важный нюанс — ракета, в отличие от реактивного самолета, не использует для полета вещество из окружающей среды. То есть кроме топлива она несет в себе еще и вещество, в котором это топливо будет сгорать — так называемый окислитель.
Характеристики полета ракеты определяются тем, какую массу и с какой скоростью она выбрасывает в процессе своей работы. В идеале хорошо бы отбрасывать тяжелое вещество с большой скоростью. А для этого в ракете должен протекать процесс, который обеспечит наиболее эффективное преобразование скрытой химической энергии топлива и окислителя в кинетическую энергию реактивной струи. К сожалению, в природе так не получается.
Первые ракеты были изобретены в Древнем Китае более двух тысяч лет назад, когда каким-то образом был сделан черный порох. В этой смеси уголь был топливом, селитра — окислителем, сера — катализатором процесса. И в течение сотен лет, вплоть до начала ХХ века, именно черный порох был тем горючим, на которое надеялись энтузиасты, мечтавшие вырваться из оков земного тяготения.
Правда, они уже понимали, что у твердого топлива есть свои принципиальные недостатки — например, горением твердого топлива в ракете практически невозможно управлять. Да и эффективность этого топлива не самая лучшая. Поэтому на заре ХХ века появилась новая идея — создать ракетный двигатель на жидком топливе, тягой которого можно управлять.
Теоретически все выглядело очень красиво. Нужно было взять жидкое топливо, например спирт или продукт перегонки нефти, а также какой-нибудь подходящий окислитель. Встретившись, эти вещества начали бы гореть в специальной камере и вылетать с огромной скоростью из сопла, обеспечивая ракете реактивную тягу. Регулируя подачу топлива и окислителя, реактивной тягой можно управлять, выключать двигатель и запускать заново. Но на практике все оказалось гораздо сложнее.
Чтобы запустить космический корабль на орбиту, а затем спустить его на Землю, топливо потребуется дважды — при разгоне во время выхода в космос и при торможении, чтобы сойти с орбиты. Каждый маневр требует своего запаса топлива, и чем больше топлива нам надо взять с собой, тем мощнее должна быть первая ступень ракеты, которая оторвет нас от Земли. Если запускается спутник на околоземную орбиту, то соотношение полезной нагрузки к общей массе ракеты будет около 1:40. В случае лунной обитаемой экспедиции на Землю вернется всего 1/550-я стартовой массы.
Это означает, что космические запуски для обеспечения их максимальной эффективности должны осуществляться разными ракетами-носителями, которые используют разные виды топлива и окислителя. Поначалу выбирали между спиртом и керосином, а из окислителей — между жидким кислородом и азотной кислотой. Потом стали появляться другие вещества, которые можно было применить в ракете с жидкостным двигателем.
Военные инженеры однозначно голосовали за так называемый гептил и азотную кислоту с тетраоксидом диазота, так как ракеты на этой смеси быстрее приводились в боевое состояние. Для гражданских целей или плановых военных запусков можно было использовать другие комбинации.
В СССР королем пилотируемых запусков стала пара «керосин + жидкий кислород», которая вывела в космос первый спутник и первого человека. Ракеты-носители семейства «Союз» по сей день являются самыми надежными «рабочими лошадками» космонавтики. Обычные грузы забрасываются на орбиту ракетами «Протон», которые летают на гептиле.
В США также использовали и используют керосин и жидкий кислород. Однако в рамках программы «Аполлон» была применена следующая комбинация: первая ступень работала на керосине и кислороде, а вот вторая и третья — на паре «жидкий водород + жидкий кислород». Это самая эффективная пара горючего и окислителя, в дальнейшем она была применена на космических кораблях «Спейс шаттл», в советском комплексе «Буран-Энергия» и сейчас применяется в ракете Европейского космического агентства «Ариан-5».
Водород как топливо всем хорош, в том числе и тем, что в процессе его сгорания в кислороде образуется лишь вода. Однако производство и хранение жидкого водорода весьма затратный процесс. Стремление получить более эффективное топливо побудило еще в 50-е годы начать работы по созданию своеобразного синтетического керосина, который можно было бы использовать как обычный керосин, но с гораздо более высокой эффективностью.
Так появился синтин — искусственное топливо, получаемое в результате многоступенчатого химического процесса. И хотя оно действительно эффективнее керосина, но сложность его получения ограничивает использование, поскольку с распадом СССР на первое место вышла экономическая эффективность космических запусков. Одновременно появились и экологические ограничения.
В начале нового века появилась еще одна проблема — ограниченность источников качественного керосина. Для ракетных двигателей нужно высококачественное горючее, но источники нефти, из которой можно получить его, отнюдь не бесконечны. Поэтому возникла идея использовать вместо керосина сжиженный природный газ.
Метан — второй после водорода в рейтинге экологичности — при сгорании оставляет воду и углекислый газ. Хотя он энергетически менее эффективный, чем водород, но вместе с тем более эффективный, чем керосин. При этом природный газ не образует в двигателе нагар, который неминуемо образуется при сгорании керосина. А это открывает возможность для создания двигателей многоразового использования.
Конструкторы предполагают, что на сжиженном природном газе может летать первая ступень ракеты, которая после выполнения своей работы в плановом режиме вернется на космодром. Технология такого полета была отработана в системе «Энергия-Буран » и в принципе не представляет особой сложности.
Испытания ракетных двигателей, работающих на жидком природном газе, проводились в России и США начиная с 2007 года. Это топливо дешево и широко доступно, резервы его даже на Земле практически неисчерпаемы в обозримом будущем и уж тем более в нашей Солнечной системе.
Мы уже создали весьма прогрессивные двигатели для полетов в открытом космосе — плазменные и ионные — и вскоре сможем запустить системы с атомной (а, возможно, в будущем — и с термоядерной) энергетической установкой. Но стартовать с Земли все равно придется на ракетах, использующих энергию химических реакций. Они медлительны, но очень мощны. И газовые ракеты могут облегчить этот первый шаг на пути человека в космос.
Источник
Прозрачные ракеты наглядно показывают, сколько топлива они сжигают
Современные космические ракеты потребляют чудовищное количество топлива. Ютубер Hazegrayart смонтировал видео, которое наглядно показывает расход горючего четырьмя различными ракетами – Сатурн-5, Шаттл, Falcon Heavy и новой Space Launch System (SLS).
На видео разные виды топлива показаны разным цветом:
- Красный – Керосин;
- Оранжевый – Жидкий водород;
- Синий – Жидкий кислород.
Самой «прожорливой» оказалась, что не удивительно, самая мощная из ракет – Сатурн-5. Она использовалась NASA с 1967 по 1973 год для запусков миссий Аполлон. Сатурн-5 сжигает в среднем 2 076 500 кг топлива за полет и может поднять 140 000 кг груза на низкую орбиту – или отправить 48 500 кг на Луну.
Шаттл использует для отрыва от земли комбинацию жидкотопливных главных двигателей и твердотопливных ускорителей. Он потребляет в среднем 1 735 600 килограммов горючего.
Ракета Falcon Heavy запускалась всего три раза, ей требуется в среднем 411 000 кг топлива, чтобы поднять на орбиту 64 000 кг полезного груза.
И, наконец, новая Space Launch System (SLS). Она еще ни разу не поднималась с земли, но ее планируют использовать для запуска миссии Артемида, которая должна отправиться на Луну в ближайшие годы. Данные об этой ракете найти тяжело, но известно, что 77-тонная версия будет нести примерно 70 000 кг груза и будет на 10 % мощнее Сатурна-5. 143-тонная версия сможет поднять уже 130 000 кг груза и будет превосходить Сатурн-5 по мощности уже на 20 %.
Источник
IT News
Last update Вс, 29 Янв 2017 11pm
Почему ракета взлетает?
Ракеты поднимаются в космическое пространство за счет сжигания жидких или твердых топлив. После воспламенения в высокопрочных камерах сгорания эти топлива, обычно состоящие из горючего и окислителя, выделяют огромное количество тепла, создавая очень высокое давление, под действием которого продукты сгорания движутся в сторону земной поверхности через расширяющиеся сопла.
Так как продукты сгорания истекают из сопел вниз, ракета поднимается вверх. Это явление объясняется третьим законом Ньютона, в соответствии с которым для каждого действия существует равное по величине и противоположное по направлению противодействие. Поскольку двигателями на жидком топливе легче управлять, чем твердотопливными, их обычно используют в космических ракетах, в частности, в показанной на рисунке слева ракете Сатурн-5. Эта трехступенчатая ракета сжигает тысячи тонн жидкого водорода и кислорода для вывода космического корабля на орбиту.
Преодоление земного притяжения
Для быстрого подъема вверх тяга ракеты должна превышать ее вес примерно на 30 процентов. При этом, если космический корабль должен выйти на околоземную орбиту, он должен развить скорость около 8 километров в секунду. Тяга ракет может доходить до нескольких тысяч тонн.
- Пять двигателей первой ступени поднимают ракету на высоту 50—80 километров. После того как топливо первой ступени будет израсходовано, она отделится и включатся двигатели второй ступени.
- Примерно через 12 минут после старта вторая ступень доставляет ракету на высоту более 160 километров, после чего отделяется с пустыми баками. Также отделяется ракета аварийного спасения.
- Разгоняемая единственным двигателем третьей ступени, ракета переводит космический корабль «Аполлон» на временную околоземную орбиту, высотой около 320 километров. После непродолжительного перерыва двигатели включаются снова, увеличивая скорость космического корабля примерно до 11 километров в секунду и направляя его в сторону Луны.
Отделившаяся первая ступень
Двигатель F-1 первой ступени
Двигатель F-1 первой ступени сжигает топливо и выводит продукты сгорания в окружающую среду.
Полет на Луну
После запуска на орбиту космический корабль «Аполлон» получает разгонный импульс в сторону Луны. Затем третья ступень отделяется и космический корабль, состоящий из командного и лунного модулей, выходит на 100-километровую орбиту вокруг Луны, после чего лунный модуль совершает посадку. Доставив побывавших на Луне космонавтов на командный модуль, лунный модуль отделяется и прекращает свое функционирование.
Источник
Визуализация количества расхода топлива в космических ракетах различного типа
В освоении космоса основной задачей для современных ракет становится выход на орбиту и «освобождение» от силы земного притяжения. Для этого и для дальнейшего выхода на заданную траекторию полета, расходуется громадное количество топлива. Так главные двигатели системы Space Shuttle за 25 секунд полета выжигали топливо объемом со средний семейный бассейн. При этом каждая ракета, в зависимости от ее величины и предназначения расходует разное количество топлива.
Блогер Hazegrayart из YouTube создал простое, но красноречивое видео, на котором продемонстрирован процесс сжигания топлива в четырех различных космических системах (Saturn V, Shuttle, Falcon Heavy и перспективной Space Launch System). Для лучшей визуализации блогер создал анимацию, при которой корпус топливных баков прозрачен и зрители могут видеть весь процесс уменьшения объема топлива в баках в режиме реального времени.
В представленной анимации каждый вид топлива имеет свой цвет. Так авиационный керосин (RP-1) окрашен в красный цвет, жидкий водород (LH2) — в оранжевый и жидкий кислород (LOX) — в синий цвет.
Лидером по расходу топлива стала самая мощная в истории ракета Saturn V, которая находилась на службе NASA с 1967 по 1973 год и применялась при запусках по программе Apollo. Ракета-носитель Saturn V во время одного запуска расходовал в среднем 2 076 500 кг топлива, для вывода на низкие орбиты 140 тонн или доставки полезного груза массой 48,5 тонн на Луну.
Для выхода в космос Space Shuttle использовалась гибридная система из твердотопливных ускорителей и жидкостных главных двигателей космических многоразовых кораблей. В среднем Shuttle надо было 1735 600 килограммов топлива.
Старт тяжелой ракеты Falcon Heavy осуществлялся пока только три раза, и для его запуска требовалось в среднем 411 000 кг горючего для вывода в космос 64 тонн полезного груза.
Перспективная система Space Launch System (SLS) пока не осуществляла ни одного запуска и разрабатывается для реализации программы Artemis, направленной на возвращение американцев на Луну и совершение пилотируемого полета к Марсу. Для SLS можно привести только теоретические расчеты на основании технических данных находящихся в открытом доступе. При массе ракеты SLS в 77 тонн, на орбиту будет выведено около 69, 85 тонн груза, и будет реализована тяга на 10% более мощная, чем в ракете Saturn V. Модификация SLS в 143 тонны уже будет рассчитана на 130 тн полезной нагрузки и обеспечит 20% рост тяги при сравнении с Saturn V.
Источник
Как ракетному двигателю удается сжигать тонну топлива за секунду?
Вес заправленной ракеты-носителя среднего класса составляет, как правило, порядка 300 тонн. 90% стартовой массы приходится на ракетное топливо, большая часть которого расходуется в первые несколько минут движения носителя . Очевидно, что расход топлива даже для не самых больших ракет просто феноменально огромный, около 1 тонны в секунду . Но что за устройство перекачивает топливо из баков в камеру сгорания настолько быстро?
Для подачи жидкого топлива в камеру сгорания ракеты-носителя используется так называемый турбонасосный агрегат (ТНА). Принцип работы ТНА следующий: рабочее тело (газ) из газогенератора подается в турбинный узел; турбина раскручивается и создает крутящий момент, который передается на вал одного или нескольких насосов. Рабочие колеса насосов вращаются с высокой частотой (десятки тысяч оборотов в минуту) и обеспечивают требуемую подачу компонентов топлива в камеру сгорания.
В качестве рабочего тела, обеспечивающего вращение турбины, могут использоваться, например, продукты разложения перекиси водорода или продукты сгорания основных компонентов топлива. В зависимости от того, куда из турбины выбрасывается отработавший газ, различают «открытую» схему и схему «с дожиганием». В первом случае рабочее тело выбрасывается в окружающее пространство, а во втором – в камеру сгорания двигательной установки. Применение «открытой» схемы чревато потерей удельного импульса двигателя. Схема «с дожиганием», напротив, существенно расширяет возможности повышения энергетических характеристик как турбины, так и двигателя в целом.
А теперь хотелось бы привести несколько цифр, характеризующих работу ТНА самого мощного в мире жидкостного ракетного двигателя РД-170.
Турбина этого двигателя имеет мощность 270 тысяч лошадиных сил, что сопоставимо с мощностью малой ГЭС . ТНА перекачивает 2,5 тонны топлива в секунду и развивает давление в жидкости в несколько сотен атмосфер . Вот такие монстры находятся «под капотом» ракет-носителей.
ставьте лайки, оставляйте комментарии
Источник