Ракетные двигатели на водороде
Ракетные двигатели на водороде
]Кислородно-керосиновое топливо, на котором работают описанные выше двигатели РД-107, РД-108, Р-1, широко применяется в космических ракетах. С освоением этого топлива скорость реактивной струи ЖРД достигла и превысила 3000 м/с. Большое значение для дальнейшего развития космонавтики имело создание в середине 60-х годов ЖРД, работающих на кислородно-водородном топливе, которое по удельному импульсу примерно на 30% превосходит кислородно-керосиновое.
Хотя кислородно-водородное топливо было предложено еще в 1903 г. Циолковским, оно не находило применения в течение длительного времени по причинам, связанным со специфическими свойствами водорода. Жидкий водород, как известно, в 14 раз легче воды и закипает уже при температуре 20 К. Смеси водорода с воздухом являются чрезвычайно пожаро- и взрывоопасными. Например, энергия электростатического разряда, который мы иногда ощущаем, прикасаясь к дверной ручке, в десятки и сотни раз больше энергии, необходимой для воспламенения воздушно-водородной смеси. В связи с этим получение дешевого жидкого водорода в большом количестве представлялось проблематичным, конструирование и эксплуатация систем жидкого водорода относились к сложным техническим задачам, а топливные баки для жидкого водорода получались слишком тяжелыми.
В настоящее время кислородно-водородное топливо применяется на верхних ступенях космических ракет, где оно дает наибольший эффект. Примером этого является универсальная ступень “Центавр”, используемая на космических ракетах семейств “Атлас” и “Титан-3”, а также вторая и третья ступени ракеты “Сатурн-5”. Топливные баки этих ракетных ступеней, предназначенные для размещения жидкого водорода, представляют собой гигантские термосы, металлические стенки которых покрыты теплоизолирующими полимерными материалами. На рисунке показана в качестве примера теплоизоляция, использующаяся в баках ракеты “Сатурн-5”. В этой изоляции предусмотрены каналы, через которые при нахождении ракеты на старте подается газообразный гелий с целью удаления из изоляции взрывоопасных газов, которые могут там накопиться.
Теплоизоляция утяжеляет конструкцию кислородно-водородных ступеней. Поскольку кислородно-водородное топливо втрое легче кислородно-керосинового, то оно требует при той же массе втрое большего объема для своего размещения. В итоге вес конструкции ракетной ступени, приходящийся на 1 кг топлива, оказывается для кислородно-водородного топлива на 40% большим, чем для кислородно-керосинового. Этот недостаток с избытком компенсируется высоким удельным импульсом кислородно-водородных ЖРД. При равной стартовой массе космическая ракета на кислородно-водородном топливе способна вывести на орбиту втрое больший полезный груз, чем ракета на кислородно-керосиновом топливе. Применение этого топлива на верхних ступенях ракеты “Сатурн-5” позволяет выводить на низкую круговую геоцентрическую орбиту до 140 т, а на траекторию полета к Луне – до 48,5 т полезного груза.
Наряду с высокой эффективностью кислородно-водородные топлива имеют ряд других достоинств, среди которых следует отметить низкую температуру сгорания (на 200°С ниже, чем для кислородно-керосинового топлива) и нетоксичность как самого топлива, так и продуктов его сгорания (которые представляют собой смесь водяного пара с газообразным водородом).
Теперь остановимся на кислородно-водородных ЖРД RL10 и .J2, применяющихся соответственно на ступени “Центавр” и на верхних ступенях ракеты “Сатурн-5”.
Двигатель RL10, разработанный фирмой Пратт-Уитни, развивает тягу 6,8 т. Из принципиальной схемы двигателя, представленной на рисунке, видно, что он является однокамерным ЖРД с насосной подачей топлива. Однако в отличие от других ЖРД с турбонасосными агрегатами в RL10 отсутствует газогенератор: турбина вращается газом, который образуется при нагреве жидкого водорода в охлаждающем тракте камеры. Температура газообразного водорода составляет всего -70°С; после турбины он поступает в камеру, где сгорает с жидким кислородом при давлении около 28 атм (воспламенение смеси производится от электрической искровой свечи). Температура конструкции в начальный момент оказывается достаточной, чтобы обратить водород в газ, обеспечивающий раскрутку турбины. Простая принципиальная схема ЖРД КЫО объясняется исключительно высокими термодинамическими характеристиками водорода.
По величине удельного импульса, которая равна 4360 м/с, RL10 является наилучшим ЖРД. На ступени “Центавр” установлены два таких двигателя на карданных подвесах. Эта ступень широко применяется для запуска автоматических межпланетных станций. В 1972 г. ракета “Атлас” со ступенью “Центавр” впервые сообщила космическому аппарату (АМС “Пионер-10” для исследования Юпитера) третью космическую скорость. Начиная с 1965 г. в космических полетах было использовано более 100 двигателей RL10 без единого отказа.
Кислородно-водородный двигатель J2, разработанный фирмой Рокетдайн, развивает тягу 104 т. Он является однокамерным, с насосной подачей топлива и имеет ту особенность, что для окислителя и горючего предусмотрены отдельные турбонасосные агрегаты, каждый из которых состоит из насоса и турбины. На два агрегата предусмотрен один газогенератор, в который поступает около 2% топлива, расходуемого через двигатель. Образующийся газ приводит во вращение последовательно обе турбины, после чего сбрасывается в сопло трубчатой камеры через щели между трубками, по которым протекает горючее. Включение и выключение ЖРД производится (как и в RL10) при помощи клапанов, управляемых газообразным гелием. Раскрутка турбонасосных агрегатов при запуске осуществляется газообразным водородом, поступающим из специального баллона.
При давлении в камере сгорания 55 атм двигатель .1-2 развивает удельный импульс 4170 м/с. ЖРД весом 1600 кг крепится к ракете неподвижно или на карданном подвесе. На второй ступени ракеты “Сатурн-5” установлено пять таких двигателей, на третьей – один.
Гиперзвук на водороде. Лишь бы не строить двигатель для Су-57
Начну с цитаты, ибо она будет не одна. А после мы прокомментируем, да не просто так, а с бывшим сотрудником водородного цеха КБХА. На самом деле это не совсем цех, это фактически завод в заводе. Был.
Сегодня водородное производство на предприятии свернуто и кануло в историю вместе с ракетой-носителем «Энергия». Остались никому не нужные цеха и люди, которые работают где угодно, только не в космической отрасли, но мой собеседник – редкое исключение, поскольку все еще верен космосу.
Почему, прочитав статью «Военный гиперзвук на водородной тяге — истребители шестого поколения», я обратился именно к нему, думаю, понятно. С кем еще обсуждать столь наполеоновские планы, как не со специалистом по водороду?
Но пойдем от самого начала.
Традиционный набор штампов, ничего такого нового. Действительно, складывается впечатление как от анекдота про японцев и УАЗ. «Вот что только русские не придумают, лишь бы дороги не строить». Так и здесь – чего только не придумаем, каких фантастических проектов не реализуем, лишь бы простой авиадвигатель не доделать.
Хотя, получается, не такое уж он и простое, это «Изделие 30». По аналогии с морскими дизелями, все сходится. Не можем построить ГТД для эсминца или фрегата – запилим хреновину больше «Петра Великого» водоизмещением, на атомной тяге и назовем ее «эсминец».
То же самое начинает проглядывать и в плане авиационных двигателей. Не можем доделать задуманное – не вопрос. Объявим его устаревшим «пятым поколением» и громогласно заявим, что меньше чем на шестое мы не согласны!
Главное – крикнуть погромче, чтобы все услышали и прониклись торжеством момента.
Не нужен нам этот фиговый листок – истребитель пятого поколения. Нам нужен шестого, а лучше восьмого, на плазменном, ионном, ядерном приводе. Ну ладно, минимум – на водороде.
А на керосине пусть тупые сами знаете кто летают. На своих Фу-22 и Фу-35. А мы, российские ВКС, будем завтра летать на технологиях послезавтра! Ура!
И никого, правда, не волнует огромное количество новейших Су-27 и МиГ-29 в ВВС страны.
Но вернемся к водородному двигателю, о котором столь красноречиво говорит Артамонов. Упомянув об огромных достижениях страны в виде создания «Авангарда», «Кинжала» и прочих чудо-вооружений, которых еще нет, но которые точно когда-нибудь будут, он плавно перешел к тому, что надо что-то делать и в авиации.
В принципе, все понятно. Раз мы не в состоянии сделать нормальный самолет пятого поколения, значит, нам нужно восьмое, которое позволит выходить в космос, и там…
Действительно, а с кем мы будем воевать в космосе? Вроде бы никто из потенциальных противников не высказывал планов по столь невероятным проектам.
Более того, если включить фантазию на всю катушку, то можно нарисовать себе этакую посудину размером, наверное, с Ил-96 или «Мрию», способную взлететь и, используя водородный двигатель, залететь зачем-то в космос.
Хорошо, в космос залетит. Это еще теоретически МиГ-25 мог сделать, причем на керосине. Дальше что? Артамонов на этот вопрос не отвечает, просто пишет, что надо – и все тут. Главное, чтобы было на чем вылететь в космос, а что там делать, как говорится, потом разбираться станем, так получается?
То, что эта огромная бандура (запас горючего никто не отменял) сможет, скажем, посшибать спутники на низкой орбите, не буду ставить под сомнение. Но для этого, говорят, достаточно С-500, которая явно будет проще. И дешевле.
Можно, конечно, нагрузить на этот катер-космолет какого-нибудь оружия и доставить… Но простите, а зачем тогда «Авангарды», «Кинжалы», «Тополя», «Ярсы» и прочие ракеты, которые все это могут сделать не менее эффективно, но намного дешевле?
Так что вопрос «зачем?» пока (до конца статьи) оставляем открытым.
Перейдем плавно к двигателю, который должен будет перемещать эту чудо-жуть в пространстве.
Господин Артамонов приводит в пример эксперимент с самолетом Ту-155, на который поставили один (. ) экспериментальный двигатель НК-88.
Лукавит господин Артамонов, ой как лукавит… Да, двигатель такой был. И с ним самолет летал. И даже поставил несколько рекордов, но… Ту-155 летал с двигателем НК-88, а не на нем. То есть НК-88 использовался в качестве силовой установки вместе с двумя обычными керосиновыми двигателями.
Причем автор умалчивает, что установка для хранения всего 17 кубометров водорода заняла как раз половину самолета. И работать с таким количество водорода Ту-155 мог целых два часа. Используя и оба нормальных двигателя.
Да, можно сказать, что опыт этого эксперимента доказал, что водород может служить в качестве топлива. Но, во-первых, это и так было известно, во-вторых, никто не отменял и проблем, связанных с этим элементом.
Начнем с того, что смесь водорода и кислорода по эффективности в качестве взрывчатки уступает только ядерному оружию.
Товарищи летчики, кто тут в камикадзе желающий? Нет, серьезно, как вам истребитель, который сбивается ОДНОЙ пулей? Одним осколком, пробившим любую трубку? Даже второй зажигательной пули не нужно. Водород сам справится на отлично. Любая утечка водорода – это взрыв. Причем такой, вполне себе.
То есть о серьезном боевом применении этой чудо-техники мы говорить не станем.
Но до того, как подняться в космос и там повоевать, чудо-оружие космолет должен быть… что? Правильно, подготовлен соответствующим образом. Но у нас и с этим проблемы.
Дай бог, чтобы эти штуковины, о которых мечтает Артамонов, базировались на паре аэрокосмодромов. Больше и не надо, больше не потянем. И вот почему.
Водород – это очень специфичный газ. И его специфика начинается с момента добычи. Да, его надо добыть. Это раз. Потом его надо где-то хранить. Это два.
Вообще, само по себе хранилище водорода – это мечта диверсанта, поскольку изощряться особо не надо, а эффект – самое то.
Но, даже добыв и сохранив, что само по себе сложно, водород надо еще сделать жидким. Для того, чтобы больше влезло в чудо-космоплан. Сжижаем. Это три.
И тут пара нюансов.
Первый. Водород пребывает в жидком состоянии при температуре от −252,76 до −259,2 °C. Семь градусов – это весьма небольшой диапазон. И удержать его в таком диапазоне уже проблема.
Второй. Водород весьма текучий, зараза. Не такой текучий, как гелий, но тем не менее. Плюс критические параметры водорода очень низкие: температура −240,2 °C и давление 12,8 атмосфер.
Перевожу: упустили давление и температуру – привет, вот он, газ, только и ждущий момента, чтобы всем рассказать о своем появлении бабахом.
На этом, думаю, дурь про водород на аэродромах можно не продолжать. Понятно, то, что вполне допустимо в космической отрасли, которая все-таки на острие науки и техники, для наших аэродромов неприемлемо.
Да, очень сложно будет защищать такие объекты, как бы глубоко их ни прятали. Завод по производству, завод по сжижению, хранилища сжиженного газа плюс необходимо здесь же производство азота для продувки хранилищ и систем (можно и кислородом, но эффект немного не тот будет, хотя более красочный), плюс электростанция неподалеку. Потому что всю эту массу надо будет как-то запитывать. Иначе…
Ну и насколько эффективно это можно представить? Честно скажу, у меня не получается. Как бы не говорили о профессионализме наших ВКС (что в целом имеет место быть), а в таком случае любая ошибка так аукнется…
Ну и с охраной и обороной всей этой роскоши тоже непонятно. Извините, но это даже не РБМК по эффективности, если что. Это не объект, а мечта диверсанта будет. Если, конечно, диверсант выживет при объемном взрыве нескольких тонн водорода.
Короче, не очень все это смотрится.
Но еще одна цитата, которая раскрывает всю прелесть ситуации.
Макет с заявленными характеристиками… Сколько таких макетов, прости господи, мне тыкали в лицо на всех этих выставках, страшно вспомнить.
Макет – штука классная. Собрал чего-то, заявил характеристики, а строить и не обязательно. Сегодня вот обязательно мультик на компьютере снять, как это будет функционировать. И всему миру показать, дескать, бойтесь нас, у нас вон что будет!
Вот такое изображение “Авангарда” я взял с сайта Минобороны. Скромно и со вкусом.
В качестве эпилога хотелось бы сказать, что вот то, что написал Александр Артамонов, не единичный случай. Это уже какой-то вал информационный идет о наших достижениях или готовности к достижению новых высот.
Конечно, честнее было бы просто сказать, что довести до ума «Изделие 30» у нас не в состоянии. В это верится. Честнее было бы сказать, что Россия не может построить двигатель для среднего корабля, типа эсминца или корвета.
Нет, мы будем «изобретать» десятки видов «чудо-оружия» и выглядеть посмешищем. Потому что вряд ли кого напугаешь сказочкой о готовности запилить космический истребитель и уничтожить в космосе все живое.
Когда сталкиваешься с таким вот совершенно непрофессиональным сочинением сказок для ура-патриотов, становится реально обидно за державу.
И начинаешь понимать, что не будет «Арматы», не будет Су-57, не будет «Курганца», не будет эсминцев, фрегатов и десантных кораблей. Мы просто не в состоянии все это осилить.
И через 10 лет наша армия все так же будет вооружена по образцу и подобию 80-х годов прошлого века за мизерными вкраплениями в виде ПВО и РЭБ, где есть кое-какие успехи.
Зато нас будут кормить сказками про космические истребители, подводные смертоносцы, глайдеры, лазеры и прочую фантастику, зачастую ненаучную.
Печально осознавать, что сказки у нас все реже становятся былью.
Как работает ядерный двигатель
Ядерный ракетный двигатель — ракетный двигатель, принцип действия которого основан на ядерной реакции или радиоактивном распаде, при этом выделяется энергия, нагревающая рабочее тело, которым могут служить продукты реакций либо какое-то другое вещество, например водород.
Давайте разберем варианты и принципы из действия…
Существует несколько разновидностей ракетных двигателей, использующих вышеописанный принцип действия: ядерный, радиоизотопный, термоядерный. Используя ядерные ракетные двигатели, можно получить значения удельного импульса значительно выше тех, которые могут дать химические ракетные двигатели. Высокое значение удельного импульса объясняется большой скоростью истечения рабочего тела — порядка 8—50 км/с. Сила тяги ядерного двигателя сравнима с показателями химических двигателей, что позволит в будущем заменить все химические двигатели на ядерные.
Основным препятствием на пути полной замены является радиоактивное загрязнение окружающей среды, которое наносят ядерные ракетные двигатели.
Их разделяют на два типа — твердо-и газофазные. В первом типе двигателей делящееся вещество размещается в сборках-стержнях с развитой поверхностью. Это позволяет эффективно нагревать газообразное рабочее тело, обычно в качестве рабочего тела выступает водород. Скорость истечения ограничена максимальной температурой рабочего тела, которая, в свою очередь, напрямую зависит от максимально допустимой температуры элементов конструкции, а она не превышает 3000 К. В газофазных ядерных ракетных двигателях делящееся вещество находится в газообразном состоянии. Его удержание в рабочей зоне осуществляется посредством воздействия электромагнитного поля. Для этого типа ядерных ракетных двигателей элементы конструкции не являются сдерживающим фактором, поэтому скорость истечения рабочего тела может превышать 30 км/с. Могут быть использованы в качестве двигателей первой ступени, невзирая на утечку делящегося вещества.
В 70-х гг. XX в. в США и Советском Союзе активно испытывались ядерные ракетные двигатели с делящимся веществом в твердой фазе. В США разрабатывалась программа по созданию опытного ядерного ракетного двигателя в рамках программы NERVA.
Американцами был разработан графитовый реактор, охлаждаемый жидким водородом, который нагревался, испарялся и выбрасывался через ракетное сопло. Выбор графита был обусловлен его температурной стойкостью. По этому проекту удельный импульс полученного двигателя должен был вдвое превышать соответствующий показатель, характерный для химических двигателей, при тяге в 1100 кН. Реактор Nerva должен был работать в составе третьей ступени ракеты-носителя «Сатурн V», но в связи с закрытием лунной программы и отсутствием других задач для ракетных двигателей этого класса реактор так и не был опробован на практике.
В настоящее время в стадии теоретической разработки находится газофазный ядерный ракетный двигатель. В газофазном ядерном двигателе подразумевается использовать плутоний, медленно движущаяся газовая струя которого окружена более быстрым потоком охлаждающего водорода. На орбитальных космических станциях МИР и МКС проводились эксперименты, которые могут дать толчок к дальнейшему развитию газофазных двигателей.
На сегодняшний день можно сказать, что Россия немного «заморозила» свои исследования в области ядерных двигательных установок. Работа российских ученых больше ориентирована на разработку и совершенствование базовых узлов и агрегатов ядерных энергодвигательных установок, а также их унификацию. Приоритетным направлением дальнейших исследований в этой области является создание ядерных энергодвигательных установок, способных работать в двух режимах. Первым является режим ядерного ракетного двигателя, а вторым — режим установки генерирующей электроэнергии для питания аппаратуры, установленной на борту космического аппарата.
megavolt_lab
Записки сумасшедшего ракетчика
На прошлой неделе я описывал устройство и принцип работы всех применяемых в космонавтике химических ракетных двигателей, в том числе и жидкостный ракетный двигатель (ЖРД). Для понимания принципа работы я привел простейшую схему:
На ней все до банальности просто: трубы с компонентами топлива входят в камеру сгорания, где топливо горит, а продукты сгорания выбрасываются через сопло назад, толкая двигатель вперед.
Так как же такая простая схема на деле превращается в такое сложное переплетение всяких трубок, проводов и устройств?
Начнем с того, что компоненты топлива в камеру сгорания надо как-то подавать. Самый простой способ – подать в баки с горючим и окислителем сжатый газ, чтобы его давление вытесняло из баков жидкость в камеру сгорания.
При всей своей простоте у вытеснительной подачи есть серьезный недостаток: давление газа наддува должно быть выше рабочего давления в камере сгорания, а там ведь десятки, а то и сотни атмосфер. Для реализации такой схемы придется делать баки очень прочными, чтобы они выдержали такое чудовищное давление, а это значит, что их стенки будут очень толстыми и тяжелыми. Масса – враг номер один в ракетно-космической технике, поэтому такое решение не годится. На практике вытеснительная система подачи применяется в двигателях с рабочим давлением в камере сгорания меньше 10 атмосфер. Это могут быть двигатели малой тяги для ориентации космического аппарата и маневрирования.
Для маршевых двигателей ракетных ступеней применяют такую схему подачи топлива, где компоненты топлива под действием небольшого давления газа наддува поступают в насосы, которые в свою очередь за счет вращения крыльчаток (как обычная водяная помпа, только прочнее, мощнее и тяжелее) подают жидкости в камеру сгорания под большим давлением.
Крыльчатки насосов должны вращаться с огромной скоростью, чтобы поддерживать давление в сотни атмосфер, поэтому для их привода нужно что-то посильнее обычного электромотора. Таким приводом служит турбина – такая же крыльчатка, которая вращается под действием проходящего через нее рабочего газа. Эта крыльчатка находится на одном валу с крыльчатками насосов для горючего и окислителя, и вся конструкция называется турбонасосный агрегат (ТНА).
Но откуда берется рабочий газ? Его производит специальное устройство – газогенератор. По сути это маленький однокомпонентный ЖРД, только вместо сопла из его рабочей камеры выходит труба, подающая так называемый парогаз (смесь кислорода и раскаленного водяного пара) в турбину ТНА. После турбины отработанный парогаз выбрасывается наружу через специальный патрубок. Таким образом у нас в схеме появился бак с перекисью водорода, газогенератор, ТНА и трубопроводы, соединяющие все это добро:
Также не следует забывать про вентили, которыми автоматика управляет потоками жидкостей и газов в трубах. К каждому такому вентилю идут провода, что вносит свой вклад в этот клубок.
В более мощных двигателях в газогенератор подаются те же компоненты топлива, которые используются в основной камере сгорания. В этом случае бак с перекисью не нужен, но из основных баков выходят дополнительные трубы, а на валу ТНА появляются насосы для подачи жидкостей в газогенератор. Для запуска этой системы приходится применять пиротехнические шашки для первоначальной раскрутки ТНА.
На этом видео стендовых испытаний двигателя на 15-й секунде хорошо видно, как из патрубка рядом с соплом выбрасывается отработанный парогаз:
Двигатели, где газ после ТНА выбрасывается наружу, называются ЖРД открытого цикла. В таких двигателях можно добиваться большего давления в камере сгорания, а его ТНА меньше подвержен износу, чем в ЖРД закрытого цикла, в которых газ подается в сопло, где дожигается, принимая участие в создании тяги. ЖРД закрытого цикла обладают большим коэффициентом полезного действия (надеюсь, помните, что это такое из школьной физики? ;)).
В большинстве космических ракет используются топливные пары, в которых один или оба компонента имеют очень низкую температуру кипения (жидкий кислород и жидкий водород). Пока ракета стоит на старте, эти криогенные жидкости в баках кипят и повышают давление. Чтобы баки не разорвало, их нужно дренировать. Дренаж – это сброс в атмосферу газов, образующихся при кипении криогенных жидкостей. Для этого баки с этими жидкостями оснащаются специальной трубой с вентилем, выходящей из корпуса ракеты наружу.
На этом видео на 19.25 виден туман, идущий от ракеты сверху справа. Это дренаж кислорода. Водород при дренировании надо отводить подальше, чтобы он не образовывал с кислородом взрывоопасную смесь, поэтому его сброс виден а мачте за ракетой.
Вот, вроде бы, получили мы рабочую схему ЖРД, но только вот проблема: проработает такая схема не больше нескольких секунд, а потом камера сгорания и сопло расплавятся. Уж слишком там горячо. Значит стенки камеры сгорания и сопла надо охлаждать. Для этого применяют два способа: жидкостное охлаждение и паровую завесу.
Для осуществления первого способа стенки камеры сгорания и сопла пронизаны множеством каналов, по которым течет горючее перед тем, как попасть внутрь камеры сгорания. Система работает по принципу холодильника самогонного аппарата.
Паровая завеса – это слой паров горючего, отделяющий горящую топливную смесь от стенок камеры сгорания. Образуется он при впрыске некоторого количества горючего через специальные форсунки в стенках камеры сгорания и корпуса двигателя:
В этом видео, посвященном двигателю F-1 ракеты Сатурн-5, с 49-й секунды видно между срезом сопла и ярким пламенем некую темную область. Это и есть завеса, защищающая сопло от адского жара потока газов.
Таким образом схема ЖРД из первоначальной простоты превратилась в это:
Также стоит сказать пару слов о строении головки камеры сгорания. На этой фотографии представлена головка камеры в разрезе. Видно, что у нее довольно сложное строение.
Дело в том, что для достижения надежного зажигания и стабильного горения нужно хорошо перемешать компоненты топлива, причем, в нужной пропорции. Для этого применяются специальные схемы расположения форсунок:
Кружочками отмечены форсунки подачи окислителя, точками – горючего.
а) Шахматная схема подачи. Применяется для топливных пар, в которых горючее и окислитель смешиваются примерно один к одному.
б) Сотовая схема подачи. Самая эффективная: каждая форсунка подачи горючего окружена форсунками подачи окислителя.
в) Концентрическая схема подачи.
Обратите внимание, что во всех трех схемах внешнее кольцо форсунок подает только горючее. Это нужно для предотвращения коррозии стенок камеры сгорания под действием окислителя.
Сами форсунки тоже имеют сложную конструкцию. Например, вот такая центробежная форсунка:
В некоторые форсунки вставлен шнек – устройство наподобие винта в мясорубке. Все эти хитрости нужны для одной цели: максимально приблизить зону смешивания компонентов топлива к головке камеры сгорания, чтобы сделать камеру меньше и легче.
Теперь нам осталось поговорить о системах зажигания. Тут все достаточно просто: внутри камеры сгорания помещается некое устройство, дающее огонь. Таким устройством может быть пороховая шашка, электродуговой разрядник, газовая горелка наподобие сварочной. В последнее время проводятся эксперименты по разработке лазерных систем. В ракетах Союз пошли по совсем простому пути: пиротехнические шашки поместили в камеры сгорания на обычных деревянных палках:
А для топливной пары НДМГ+АТ (несимметричный диметилгидразин + азотный тетраоксид), используемой на ракетах Протон, системы зажигания и вовсе не нужны, так как компоненты топлива самовоспламеняются при смешивании.
И последнее, о чем мы сегодня поговорим, – запуск ЖРД в невесомости.
Это серьезная проблема, так как в невесомости жидкость в баках перемешивается с газом, слипается в пузыри и не поступает в трубопроводы. Советские конструкторы первых ракет, оснащенных третьей ступенью, пошли в обход этой проблемы: двигатель третьей ступени запускался до того, как останавливался двигатель второй ступени. Для выхода газовой струи двигателя предназначалась решетчатая конструкция между второй и третьей ступенями. Наглядно этот процесс показан на времени 11.25 здесь:
Но все время так не поделаешь: для баллистической схемы выведения и для орбитальных маневров все-таки придется запускать ЖРД в невесомости.
Самый простой вариант: заключить жидкость в баке в полимерный мешок, который предотвратит перемешивание жидкости с газом:
Но такой способ не годится для баков большого объема: слишком непрочен мешок. Поэтому система с мешком применяется для запуска двигателей малой тяги, которые работают несколько секунд, создавая ускорение, достаточное для осаживания жидкостей в больших баках.
На этом видео с самого начала виден этот процесс: три газовые струи исходят как раз от двигателей малой тяги, а через несколько секунд происходит зажигание основного двигателя.
Вот такие инженерные хитрости приходится применять для решения всех проблем, связанных с работой ЖРД. Расплатой за это становится сложность конструкции двигателя, превращающегося в такой клубок, что без бутылки и не разберешься.
