Ракетные двигатели о

Ракетные двигатели В.П.Глушко

В.П.Глушко — основатель советского жидкостного ракетодвигателестроения. Но его первый ракетный двигатель был электрореактивный (ЭРД). Тяга в нем возникала благодаря мгновенному испарению тонких полосок металла при нагревании их электрическим током. Скорость истечения газов из таких двигателей на порядок выше, чем в двигателях с химическим топливом. В 1929-1930 годах работая в Газодинамической лаборатории (ГДЛ), В.П.Глушко изготовил опытные образцы ЭРД, провел испытания и доказал их работоспособность. Но из-за малой мощности ЭРД ученый стал работать над разработкой жидкостных ракетных двигателей (ЖРД).

Характеристики ракетного двигателя в наибольшей степени определяются характеристиками компонентов ракетного топлива (КРП), которое в нем применяется. В 1930 г. В.П.Глушко исследовал такие окислители, как азотная кислота, растворы тетроксид азота в азотной кислоте, тетранитрометан, перекись водорода, хлорная кислота. В 1931 г. предложил химическое зажигание и самовоспламеняющееся топливо.

Валентин Петрович сам готовил необходимые смеси, отрабатывал технологию их изготовления и только потом передавал в лабораторию для изготовления и испытаний. Создавая конструкции ЖРД, В.П.Глушко разрабатывал агрегаты для подачи топлива различных типов — поршневые, турбонасосные и др. Многочисленные исследования многих пар КРП дали Глушко возможность сформулировать требования к ним. Исходя из требуемой эффективности ЖРД и эксплуатационных требований, он остановился на паре азотная кислота — керосин. Именно эта пара использовалась в его исследовательских ракетных двигателях (ОРМ-И — ОРМ-65).

Двигатели такого же типа он создавал во время войны для реактивных ускорителей самолетов. Это были РД-1 и другие. Для первой советской ракеты дальнего действия Р-1 (аналог Фау-2), ракет Р-2, Р-5 В.П.Глушко разрабатывает кислородно-спиртовые двигатели РД-100, РД-101, РД-103М с тягой на земле, соответственно — 26, 37, 44 тс). А для первой космической ракеты-носителя Р-7 были разработаны кислородно-керосиновые двигатели РД-107 и РД-108 (тяга на земле (в пустоте), соответственно 83/102 и 76/96 тс). Подвергнув модернизации, эти двигатели работают до сих пор .

Но процесс горения в таких двигателях был недостаточно устойчивым. Кроме того, очень сложно хранить жидкий кислород. Поэтому, разрабатывая ЖРД для боевых ракет, В.П.Глушко вновь возвращается к использованию азотистого окислителя (азотный тетроксид), а в качестве топлива — несимметричного диметилгидразина. Ракеты с такими двигателями могли храниться годами в заправленном состоянии. Вооруженные силы получили действительно боевые ракеты, пригодные для многолетнего дежурства в готовности к немедленному пуску. Но для космических ракет были необходимы мощные двигатели. В азотно-кислотных двигателях РД-253 (тяга 150/166 тс) ракеты «Протон» для повышения мощности В.П.Глушко ввел дожигание газа-окислителя. Впоследствии введение этого же процесса в кислородно-керосиновых двигателях повысило не только их мощность, но и стабильность работы. На этом принципе был создан самый мощный в мире кислородно-керосиновый двигатель РД-170 с тягой 740/806 тс для ракет «Зенит» и «Энергия».

Конечно, усовершенствование ЖРД в КБ В.П.Глушка происходило не только за счет совершенствования ракетных топлив и процесса сгорания. Было обосновано и внедрено немало конструктивных наработок, в том числе — по форме и профилю сопла, охлаждения камеры сгорания, конструкции форсунок и т. Д.

Основана В.П.Глушко школа строительства ракетных двигателей и до сих пор не утратила своих позиций мирового лидера, а созданные в НПО «Энергомаш» им. В.П.Глушка двигатели США покупают для своих ракет «Атлас».

В США испытали конкурента покупаемого у России ракетного двигателя РД-180

Компания основателя Amazon Джеффа Безоса Blue Origin провела первые огневые испытания ракетного двигателя BE-4, который работает на жидком кислороде и жидком метане в качестве окислителя и топлива. Об этом сообщает Popular Mechanics. Журнал отмечает, что ВЕ-4 может стать самым мощным американским ракетным двигателем на ближайшие десятилетия.

Blue Origin планирует использовать силовую установку на своей новой тяжелой ракете New Glenn. Но двигатель может также использоваться совместным предприятием Boeing и Lockheed Martin United Launch Alliance, которое производит ракеты Altlas V и планирует производить Vulcan.

Во время огневых испытаний двигатель BE-4 набрал 50% своей мощности за три секунды. Blue Origin начала его разработку еще в 2011 году, но публично объявила об этом только в 2014-м.

Как отмечает PM, BE-4 — первый крупный ракетный двигатель, разрабатываемый с нуля частной компанией. Его тяга при работе на уровне моря должна достигать 2400 кН: BE-4 слабее главного двигателя Space Shuttle и разрабатываемого SpaceX двигателя Rаptor, который компания Илона Маска будет ставить на тяжелые ракеты Big Falcon. BE-4 предполагает многоразовое использование.

Blue Origin ранее фокусировалась на разработке небольших суборбитальных ракет многоразового использования New Shepard, способных на несколько минут доставить туристов на высоту орбиты. С двигателем BE-4 двух- и трехступенчатые ракеты New Glen будут способны как минимум доставлять грузы и экипажи на низкую околоземную орбиту. BE-4 будет использоваться для разгона как первой, так и второй ступени. Blue Origin планирует впервые запустить новую ракету в 2020 году.

СП United Launch Alliance заявило о планах ставить BE-4 на свои новые ракеты Vulcan еще в апреле 2015 года. Пока что в распоряжении ULA две ракеты-носителя: Atlas V (с российским двигателем РД-180) и Delta IV (с двигателем RS-68 американской Rocketdyne). Минобороны США проводит почти все свои пуски на ракетах ULA. Как отмечает PM, Vulcan с двигателем BE-4 — «возможность для ULA построить РН, которая будет дешевле не только дорогостоящей Delta IV, но и Atlas V».

Впрочем, в мае 2017 года BE-4 потерпел неудачу: при испытаниях взорвался силовой блок двигателя. А Rocketdyne пытается через конгресс вынудить ULA устанавливать на свои ракеты новые двигатели Rocketdyne AR1, но пока что та сохраняет приверженность разработке компании Безоса.

Двигатель BE-4 тоже должен еще пройти летные испытания в составе ракеты, чтобы подтвердить свои параметры, заявил РБК генеральный директор АО «НПО Энергомаш» Игорь Арбузов. «Поэтому впереди у наших коллег еще много работы до того момента, как двигатель можно будет эксплуатировать», — считает он. «Мы с большим уважением относимся к тому, что делает компания Blue Origin. Это подстегивает нас развиваться и совершенствовать свою продукцию», — добавил Арбузов.

Соглашение о поставках РД-180 Москва и Вашингтон заключили в 1990-х годах. С тех пор двигатели используются на ракетах Atlas III и Atlas V. В 2014-м РД-180 попали под санкции США, но спустя несколько дней запрет на поставку сняли, так как в Вашингтоне посчитали, что закупка двигателей у «Энергомаша» не противоречит антироссийским санкциям.

С тех пор регулярно появляются сообщения, что США пытаются ускорить проц​есс замены российских РД-180. Например, конгресс поручал Пентагону отказаться от пусков военных спутников на российских двигателях к 2019 году, но в военном ведомстве издержки от такой меры посчитали больше потенциальной выгоды. Газета «Коммерсантъ» даже писала, что United Launch Alliance планирует купить новую партию РД-180.

РД-180 не единственный российской двигатель, поставляемый на экспорт. Еще есть РД-181, который ставят на первую ступень ракеты Antares компании Orbital Sciences Corporation.

РБК направил запрос в пресс-службу Роскосмоса по поводу американской разработки.

К Марсу на атомном ядре

Владимир Владимирович, как вы прокомментируете испытания?

Владимир Кошлаков: Прошли успешно. Создан хороший задел, чтобы двигаться дальше.

Какие возможности открывает ядерный двигатель? Он нужен для полетов к Марсу?

Владимир Кошлаков: Не только. Сегодня космические аппараты летают либо на двигателях, работающих на химическом топливе, либо на маломощных электроракетных двигателях, питаемых от солнечных батарей. Но с помощью таких систем к тому же Марсу лететь очень долго. Для пилотируемых полетов это плохо: человек не должен находиться в космическом пространстве больше, чем год-два. А ядерные энергодвигательные системы позволят долететь достаточно быстро. И, что самое главное, вернуться назад. Эти системы особенно перспективны для межорбитальных, межпланетных перелетов, освоения дальних планет.

Говорят, на ядерном движке до Марса можно долететь едва ли не пулей — за полтора месяца?

Владимир Кошлаков: Это преувеличение. Несколько дней до Луны — да, а до Марса полет займет 7-8 месяцев.

Ваш прогноз: когда это все-таки может осуществиться?

Владимир Кошлаков: Технически это осуществимо в ближайшее время, однако полет на Марс не самоцель. Создаваемые энергодвигательные системы могут быть основой для целого ряда миссий в космосе, которые сейчас кажутся фантастическими.

А когда начнутся летные испытания? Была информация, что чуть ли не в конце этого года?

Владимир Кошлаков: До этого еще далеко. Мы ведем проект с 2009 года. Он уникальный, уникальные технологии. Требовалось решить огромное количество научно-технических и технологических задач, которые не решил еще никто в мире. Это создание высокотемпературных систем сброса тепла в космическом пространстве, систем преобразования энергии, электроплазменных двигателей больших мощностей, высокотемпературных элементов и материалов.

На сегодняшний момент сделано многое. Самое принципиальное: мы показали когда ставишь такие высокие планки, то результаты обязательно будут. И, поверьте, они превысят современный уровень развития науки и техники.

Испытания проходят на базе Центра?

Владимир Кошлаков: Да. У нас создана стендовая база, аналогов которой нет в России. Она позволяет проводить отработку всех ключевых элементов энергодвигательных систем и космических аппаратов в целом.

Что называется, на пальцах можете объяснить, из чего состоит ядерный двигатель?

Владимир Кошлаков: Прежде всего из источника энергии — это ядерный реактор, который нагревает рабочее тело. Нагретое рабочее тело поступает на турбину, на одном валу с которой находится электрогенератор. Вращая турбину, мы генерируем электрический ток, который необходим для обеспечения работы космического аппарата в целом и электроплазменных двигателей в частности. Тяга электроплазменного двигателя — это движущая сила космического аппарата как транспортной системы.

А что за уникальный теплоноситель используется?

Владимир Кошлаков: Гелий-ксеноновая смесь. Его основное преимущество — химическая нейтральность по отношению к материалам. Ведь аппарат должен длительное время работать при запредельно высоких и низких температурах. Плюс ряд других теплофизических характеристик, которые позволяют создавать оптимально эффективный контур, снизить массу и габариты реактора, теплообменных агрегатов.

Какими еще перспективными ракетными двигателями занимаются конструкторы?

Владимир Кошлаков: У нас ведутся научно-исследовательские, поисковые работы по созданию перспективных ракетных двигателей всех типов. Не только жидкостных, но и электроплазменных, гиперзвуковых и других. Например, много говорят о кислородно-метановом двигателе или просто метановом. Эти работы также зарождались в нашем институте. Проведен большой комплекс экспериментальных исследований различных физических процессов. И на сегодняшний момент Россия близка к созданию метанового двигателя.

А зачем он нужен?

Владимир Кошлаков: Метановый двигатель перспективен с нескольких точек зрения. Прежде всего в отличие от керосина он содержит в себе меньше связанных углеродсодержащих веществ. То есть практически не выделяет сажи. Если мы говорим про многоразовые системы, то это очень важно: двигатель не нужно перед каждым циклом включения очищать, промывать.

Еще одно преимущество — температура криогенного метана и криогенного кислорода примерно одинакова. Поэтому можем упрощать конструкцию ракет, создавая совмещенные баки, когда между двумя компонентами всего одна стенка. В кислород-керосинной ракете две стенки, поскольку температура керосина примерно плюс 20 градусов Цельсия, а жидкого кислорода — минус 170. Поэтому ее конструкция и тяжелее, и сложнее. Кроме того, метан — достаточно дешевое топливо. Тоже большой плюс.

На каких ракетах будет устанавливаться этот ракетный двигатель?

Владимир Кошлаков: На новых, перспективных ракетах, проработки которых еще только ведутся.

А на ракете «Союз-5», которая должна быть создана к 2022 году? На «сверхтяже», первый запуск которой планируется в 2028 году?

Владимир Кошлаков: Нет. На ракете «Союз-5» и «сверхтяже», в котором будут использованы элементы и технологии «Союза-5», планируется устанавливать двигатели, которые уже есть либо имеют значительный задел по основным элементам.

Когда реально может появиться метановый двигатель?

Владимир Кошлаков: Опытно-конструкторские работы должны завершиться в течение пяти лет. Они сейчас ведутся в воронежском КБ химавтоматики.

А что за первый в мире электроракетный двигатель с замкнутым дрейфом электронов, известный также как холловский двигатель, на 800 вольт разработан в «Центре Келдыша»?

Владимир Кошлаков: Электроплазменными двигателями мы занимаемся давно. Не только разрабатываем, но и производим. Они летают и на отечественных, и на зарубежных космических аппаратах. Так вот исследования показали: повышение напряжения в электроракетном двигателе с традиционных 300 вольт до 500 и 800 позволяет существенно улучшить его энергетические характеристики. И мы сейчас проводим работы по созданию двигателей, работающих при больших напряжениях. Фактически электроракетные двигатели холловского типа с таким напряжением приближаются к ионным.

Насколько я знаю, интерес к плазменным двигателям огромный во всем мире?

Владимир Кошлаков: Они наилучшим образом отвечают современным задачам в космосе.

Интересно, а у каких из альтернативных ракетных топлив наиболее «светлое» будущее?

Владимир Кошлаков: Альтернативы электрическим двигателям для космических аппаратов, наверное, все-таки нет. Сегодня, кроме ксенона, рассматриваются различные топлива. Конечно, аргон — как наиболее простой и дешевый. Криптон, который по своим характеристикам лучше ксенона, но тоже не дешевый. Ведутся проработки по использованию в качестве ракетного топлива йода. Здесь преимущество в том, что йод можно хранить в твердом состоянии. Это компактнее — меньше масса. Но эти работы также находятся в стадии научно-исследовательских работ для создания задела. Проектов много. Повторюсь, на острие — ядерная тематика. Это самое перспективное направление. И мы здесь не на последних ролях.

Кто главные наши конкуренты: Blue Origin, SpaceX.

Владимир Кошлаков: Пожалуй, только США. Если говорить про жидкостные ракетные двигатели, то, конечно, большой задел в США, Китае. Хотя те же США покупают эти двигатели у нас. РД-180 разработки «НПО Энергомаш», на мой взгляд, лучшие в мире: линейка этих двигателей покрывает весь рынок таких двигателей по своим характеристикам и цене. Но мир на месте не стоит. Новые материалы, технологии и конструкторские решения появляются и за рубежом. Конкуренция растет. Поэтому у нас ведутся проработки по созданию дешевых коммерческих носителей, которые бы по своей стоимости и надежности не уступали западным. Это одна из основных задач, поставленных перед нами руководством «Роскосмоса».

Новые российские двигатели изначально разрабатываются как многоразовые?

Владимир Кошлаков: Многоразовость ставится во главу угла. Однако требуется рациональный подход. Двигатели должны быть ремонтопригодными, иметь большое количество включений без вмешательства человека. Фактически, создав двигатель, мы могли бы «прокатать» его столько, сколько надо, на экспериментальном стенде. Подтвердить его надежность. И все. Двигатель консервируют: больше доступа человека к нему не должно быть. Это одно из требований, которое мы рассматриваем при создании новых двигателей.

Сколько включений самое оптимальное?

Владимир Кошлаков: Вопрос открытый. На днях у нас прошла конференция по актуальным проблемам ракетного двигателестроения. Выступал генеральный директор S7 Space г-н Сопов. Он сказал: мне нужны двигатели, которые могли бы включаться 100 раз. При этом межполетный интервал — каждые десять включений. То есть десять раз отработал — специалисты посмотрели, провели регламент, пошли дальше. А время между двумя включениями не должно быть больше 48 часов. То есть ракета улетела, вернулась — и через 48 часов ее можно заново пускать с тем же двигателем. Вот те планки, которые ставит перед нами рынок.

Они достижимы?

Владимир Кошлаков: Они реализуемы. Надо работать.

Знаю, что у вас в институте функционирует Центр по применению нанотехнологий в энергетике и электроснабжении космических систем. Что делается для повышения надежности космической техники?

Владимир Кошлаков: У наших ученых есть возможность достаточно глубоко заглянуть в физические процессы, которые протекают в двигателях. Приведу пример: при нанесении покрытия на огневую стенку камеры сгорания произошло отслоение покрытия. Запас работоспособности двигателя при этом, естественно, снижается. Оказалось, был секундный перебой с электроэнергией, и процесс образования защитной пленки прекратился. Электричество включилось, но внутри покрытия образовалась граница раздела. Она-то и стала причиной отслоения. Исследование объектов размерами с нанометр, определение структурного и фазового состояния материала, анализ межкристаллитных процессов — далеко не полный перечень возможностей оборудования.

Лазерное зажигание — еще одно из направлений повышения надежности. Кроме того, мы активно развиваем программно-методическое обеспечение, которое могло бы смоделировать работу двигателя и найти узкие места еще до постановки в ракету.

Насколько снижает вес мотора применение композитов?

Владимир Кошлаков: Очень серьезно. Чтобы было понятно: плотность углеродных материалов — 1,2-1,4 грамма на кубический сантиметр. Плотность алюминия — 2,7, а стали — 7,8. Считайте. Меньше плотность — соответственно, меньше вес. Дело еще в том, что при высоких температурах прочностные характеристики металлов снижаются, поэтому мы вынуждены дополнительно утолщать стенки, что тоже ведет к повышению веса. А у углеродных материалов с повышением прочности физико-механические характеристики только становятся лучше.

Много говорят об аддитивных технологиях. Скажите, где их применение актуально?

Владимир Кошлаков: Практически в любых изделиях. Например, изготовление форсуночной головки двигателя с помощью аддитивных технологий позволяет сделать целиком одну деталь. А традиционные методы включают более 200 элементов! И все надо отдельно изготовить, спаять, сварить, собрать. Что тоже ограничивает пределы работоспособности двигателя.

Правда, к аддитивным технологиям надо относиться аккуратно. Об этом говорят исследования: мы заглянули внутрь как самих изделий, так и каждой «порошинки». Иногда «порошинки» между собой не свариваются, не сплавляются — надо подбирать правильный режим работы, будь то лазерный пучок или электронный луч в этих станках. Но вообще аддитивные технологии очень перспективны: способствуют цифровизации производства, ускоряют процесс, устраняют человеческий фактор.

Сколько времени уходит на создание «звездного мотора»?

Владимир Кошлаков: В среднем на создание опытного образца — 5-7 лет.

У американских частников дело быстрее идет?

Владимир Кошлаков: Если вы имеете в виду Илона Маска, то он создал свою ракету на базе старых, давно разработанных и использованных двигателей. Он поступил как коммерсант: взял готовое отработанное решение и успешно его применил. При этом хотел бы отметить, что без поддержки государства не обошлось.

Ракетные двигатели

• Русский

около 8 часов в неделю

понадобится для освоения

3 зачётных единицы

для зачета в своем вузе

Курс познакомит слушателей с принципами работы ракетных двигателей.

• О курсе
• Формат
• Информационные ресурсы
• Требования
• Программа курса
• Результаты обучения
• Формируемые компетенции
• Направления подготовки

О курсе

Данный курс предназначен для школьников старших классов и студентов первого курса направления подготовки 24.05.02 «Проектирование авиационных и ракетных двигателей» со специализацией «Инновационные технологии в ракетном двигателестроении».

Целью курса является формирование у слушателей базовых знаний о ракетных двигателях и предоставление общих сведений о специализации «Инновационные технологии в ракетном двигателестроении». В процессе обучения слушатели узнают об особенностях ракетных двигателей, их элементов и применяемых топлив.

Формат

Еженедельные занятия включают в себя просмотр видео-лекций, изучение иллюстрированных материалов с вопросами на самопроверку, а также выполнение тестовых заданий с автоматизированной проверкой результатов.

В курсе предусмотрено промежуточное контрольное тестирование по каждому разделу и итоговое контрольное тестирование по всему содержанию курса с автоматизированной проверкой результатов.

Информационные ресурсы

1. Егорычев В.С. Ракетные двигатели: введение в специальность: учеб. пособие /В.С. Егорычев.– Самара: Изд-во СГАУ, 2016.– с.
2. Алемасов, В.Е. Теория ракетных двигателей: учебник для студентов втузов / В.Е. Алемасов, А.Ф. Дрегалин, А.П. Тишин; под ред. В.П. Глушко.– М.: Машино- строение, 1989.– 464 с.: ил.
3. Добровольский, М.В. Жидкостные ракетные двигатели. Основы проектиро- вания: учебник для вузов / М.В. Добровольский; под ред. Д.А. Ягодникова. 2-е изд., перераб. и доп.– М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005.– 448 с.: ил.
4. Основы теории и расчета жидкостных ракетных двигателей. /Под ред. В. М. Кудрявцева. – М.: Высшая школа, 1983. – 704 с.: ил.
5. Конструкция и проектирование жидкостных ракетных двигателей: учебник для студентов по специальности «Авиационные двигатели и энергетические уста- новки» / Г.Г. Гахун, В.И. Баулин, В.А. Володин [и др.]; под общ. ред. Г.Г. Гахуна.– М.: Машиностроение, 1978, 1989.– 424 с.: ил.

Требования

Курс опирается на объем ранее изученного материала по дисциплинам “Термодинамика” и “Физика”.

Программа курса

Модуль 1. Общие сведения о ракетных двигателях, физические принципы их работы. Реактивное движение в природе и технике. Классификация реактивных двигателей. Области применения ракетных двигателей. Уравнение сохранения импульса. Формула Циолковского.

Модуль 2. Знакомство с ракетными двигателями. Классификация ракетных двигателей. Принцип работы ракетных двигателей. История ракетных двигателей.

Модуль 3. Принцип работы ракетных двигателей. Устройство жидкостного ракетного двигателя. Принцип работы жидкостного ракетного двигателя на примере РД-107.

Модуль 4. Жидкостные ракетные двигатели. Классификация ЖРД. Принцип работы ЖРД с вытеснительной подачей топлива. Принцип работы ЖРД с насосной подачей топлива. Жидкие ракетные топлива.

Модуль 5. Ракетные двигатели твердого топлива. Принципы работы РДТТ. Гибридные ракетные двигатели. Твердые ракетные топлива.

Модуль 6. Электрические ракетные двигатели. Принципы работы. Электромагнитные РД. Электростатические РД. Источники энергии для ЭРД.

Модуль 7. Ядерные ракетные двигатели. Принцип действия ЯРД. Опытные разработки ЯРД. Импульсный взрывной ядерный двигатель.

Модуль 8. Комбинированные ракетные двигатели. Классификация воздушно-реактивных двигателей. Принцип работы ВРД. Ракетно-турбинные двигатели. Ракетно-прямоточные двигатели. Турбопрямоточные двигатели.

Модуль 9. Перспективы развития ракетных двигателей и топлив. Гибридные ракетные двигатели. Детонационные ракетные двигатели. Пути совершенствования ракетных топлив.

Модуль 10. Итоговое тестирование.

Результаты обучения

В результате освоения курса «Ракетные двигатели: введение в специальность» студент должен знать:

• общие сведения о ракетных двигателях;
• физические принципы работы ракетных двигателей;
• основные параметры камеры и ракетного двигателя;
• основные сведения о ракетных топливах;
• принцип действия и классификацию жидкостных ракетных двигателей;
• принцип действия и классификацию ракетных двигателей на твёрдом топливе (РДТТ) и гибридных ракетных двигателей (ГРД).