Mi az első dolog, ami eszedbe jut, amikor azt mondod: rakétamotorok"? Természetesen a titokzatos űr, a bolygóközi repülések, az új galaxisok felfedezése és a távoli csillagok csábító ragyogása. Az égbolt mindenkor magához vonzotta az embereket, miközben megfejtetlen rejtély maradt, de az első űrrakéta megalkotása és kilövése új kutatási távlatokat nyitott meg az emberiség előtt.
A rakétamotorok alapvetően közönséges sugárhajtóművek, egy fontos tulajdonsággal: nem használnak légköri oxigént üzemanyag oxidálószerként a sugárhajtás létrehozásához. Minden, ami a működéséhez szükséges, közvetlenül a testben, vagy az oxidáló- és üzemanyag-ellátó rendszerekben található. Ez a funkció teszi lehetővé a rakétahajtóművek használatát a világűrben.
Nagyon sokféle rakétamotor létezik, és mindegyik feltűnően különbözik egymástól nemcsak a tervezési jellemzőkben, hanem a működési elvben is. Ezért minden típust külön kell figyelembe venni.
A rakétahajtóművek fő teljesítményjellemzői közé tartozik Speciális figyelem a fajlagos impulzusnak van megadva - a sugár tolóerejének és az egységnyi idő alatt elfogyasztott munkafolyadék tömegének aránya. A fajlagos impulzusérték a motor hatékonyságát és gazdaságosságát tükrözi.
Ezt a hajtóműtípust jelenleg az egyetlen, amelyet széles körben alkalmaznak űrhajók világűrbe való kilövésére, emellett alkalmazásra talált hadiipar. A vegyipari motorokat szilárd és folyékony tüzelőanyagra osztják attól függően az összesítés állapota rakéta üzemanyag.
Az első rakétahajtóművek szilárd hajtóanyagúak voltak, és több évszázaddal ezelőtt jelentek meg Kínában. Akkoriban nem sok közük volt az űrhöz, de segítségükkel lehetett katonai rakétákat indítani. Tüzelőanyagként lőporhoz hasonló összetételű port használtak, csak összetevőinek százalékos arányát változtatták meg. Ennek eredményeként az oxidáció során a por nem robbant fel, hanem fokozatosan kiégett, hőt szabadítva fel és létrehozva. sugárhajtás. Az ilyen motorokat változó sikerrel finomították, javították és javították, de fajlagos impulzusuk továbbra is kicsi maradt, vagyis a tervezés nem volt hatékony és gazdaságtalan. Hamarosan megjelentek a szilárd tüzelőanyagok új típusai, amelyek lehetővé tették nagyobb fajlagos impulzus elérését és nagyobb tapadást. A XX. század első felében a Szovjetunió, az Egyesült Államok és Európa tudósai dolgoztak a létrehozásán. Már az 1940-es évek második felében kifejlesztették a modern üzemanyag prototípusát, amelyet ma is használnak.
Az RD - 170 rakétamotor folyékony üzemanyaggal és oxidálószerrel működik.
A folyékony rakétamotorok a K.E. találmánya. Ciolkovszkij, aki 1903-ban javasolta őket egy űrrakéta tápegységeként. Az 1920-as években az Egyesült Államokban, az 1930-as években a Szovjetunióban kezdték el a rakétahajtómű létrehozását. Már a második világháború elején megszülettek az első kísérleti minták, majd a vége után elkezdték tömegesen gyártani az LRE-t. A hadiiparban használták ballisztikus rakéták felszerelésére. 1957-ben az emberiség történetében először lőttek fel szovjet mesterséges műholdat. Az indításához orosz vasúttal felszerelt rakétát használtak.
A szilárd hajtóanyagú motor testében szilárd halmazállapotú tüzelőanyagot és oxidálószert tartalmaz, és az üzemanyagtartály egyben égéstér is. A tüzelőanyag általában rúd formájában van, központi lyukkal. Az oxidációs folyamat során a rúd a középponttól a perem felé kezd égni, és az égés eredményeként keletkező gázok a fúvókán keresztül távoznak, tolóerőt képezve. Ez a legegyszerűbb kialakítás az összes rakétahajtómű közül.
A folyékony hajtóanyagú motorokban az üzemanyag és az oxidálószer folyékony halmazállapotú, két külön tartályban halmozódik fel. Az ellátó csatornákon keresztül bejutnak az égéstérbe, ahol összekeverednek, és megtörténik az égési folyamat. Az égéstermékek a fúvókán keresztül távoznak, tolóerőt képezve. Folyékony oxigént általában oxidálószerként használnak, és az üzemanyag különböző lehet: kerozin, folyékony hidrogén stb.
A szilárd hajtóanyagú rakétamotorok előnyeit és hátrányait elemezve azt a következtetést vonhatjuk le, hogy használatuk csak akkor indokolt, ha erőegységre van szükség közepes teljesítmény, viszonylag olcsó és könnyen megvalósítható. Felhasználási körük ballisztikus, meteorológiai rakéták, MANPADS, valamint oldalerősítők. űrrakéták(fel vannak szerelve amerikai rakéták szovjet és orosz rakétákban nem használták).
Az LRE fő hatóköre az űrhajózás, mivel ezek a hajtóművek túl drágák katonai célokra.
Annak ellenére, hogy eddig egyedül a kémiai rakétahajtóművek képesek biztosítani a rakéták világűrbe való kilövését, ezek további fejlesztése gyakorlatilag lehetetlen. A tudósok és a tervezők meg vannak győződve arról, hogy képességeik határát már elérték, és más energiaforrásokra van szükség a nagyobb teljesítményű, nagy fajlagos impulzusú egységek előállításához.
Ez a fajta RD, ellentétben a vegyi anyagokkal, nem tüzelőanyag elégetésével, hanem a munkaközeg nukleáris reakciók energiájával történő melegítésével termel energiát. Az NRE izotópos, termonukleáris és nukleáris.
Az NRE felépítését és működési elvét még az 50-es években fejlesztették ki. A Szovjetunióban és az USA-ban már a 70-es években készen álltak a kísérleti minták, amelyeket sikeresen teszteltek. A 3,6 tonnás tolóerejű, szilárdfázisú szovjet RD-0410 hajtóművet próbapadi bázison tesztelték, és az amerikai NERVA reaktort a Saturn V rakétára kellett telepíteni, mielőtt a holdprogram szponzorálását leállítanák. Ezzel párhuzamosan a gázfázisú NRE-k létrehozásán is dolgoztak. Most tudományos programok vannak nukleáris rakétahajtóművek fejlesztésére, kísérleteket végeznek az űrállomásokon.
Így már léteznek működőképes nukleáris rakétamotorok modelljei, de eddig egyiket sem használták laboratóriumokon vagy tudományos bázisokon kívül. Az ilyen motorok potenciálja meglehetősen magas, de a használatukkal járó kockázat is jelentős, így egyelőre csak projektekben léteznek.
A nukleáris rakétamotorok az aggregáció állapotától függően gáz-, folyadék- és szilárdfázisúak nukleáris üzemanyag. A szilárdfázisú NRE-k üzemanyaga fűtőelem-rudak, ugyanazok, mint azokban atomreaktorok. A motorházban helyezkednek el, és a hasadóanyag bomlása során hőenergiát bocsátanak ki. A munkaközeg - gáznemű hidrogén vagy ammónia - az üzemanyagelemmel érintkezve energiát vesz fel és felmelegszik, térfogata nő és zsugorodik, majd nagy nyomás alatt kilép a fúvókán keresztül.
A folyadékfázisú NRE működési elve és felépítése hasonló a szilárd fázisúakéhoz, csak az üzemanyag folyékony halmazállapotú, ami lehetővé teszi a hőmérséklet és ezáltal a tolóerő növelését.
A gázfázisú NRE-k gáz halmazállapotú üzemanyaggal működnek. Általában uránt használnak. A gáznemű tüzelőanyagot a testben tarthatja elektromos tér, vagy lehet egy lezárt átlátszó lombikban - nukleáris lámpában. Az első esetben a munkafolyadék érintkezik az üzemanyaggal, valamint az utóbbi részleges szivárgása, ezért az üzemanyag nagy része mellett a motornak rendelkeznie kell tartalékkal az időszakos utántöltéshez. Nukleáris lámpa esetén nincs szivárgás, és az üzemanyag teljesen el van szigetelve a munkaközeg áramlásától.
A nukleáris rakétahajtóműveknek hatalmas előnyük van a vegyiekkel szemben - ez egy nagy fajlagos impulzus. Szilárd fázisú modelleknél értéke 8000-9000 m/s, folyadékfázisú modelleknél 14000 m/s, gázfázisú modelleknél 30000 m/s. Használatuk azonban a légkör radioaktív kibocsátással való szennyezését vonja maga után. Jelenleg egy biztonságos, környezetbarát és hatékony atommotor megalkotásán folynak a munkálatok, ennek a szerepnek a fő "jelöltje" egy gázfázisú, atomlámpás NRE, ahol radioaktív anyag zárt lombikban van, és nem megy ki lángsugárral.
A vegyi rakétahajtóművek másik potenciális versenytársa az elektromos energiával hajtott elektromos rakétamotor. Az ERD lehet elektrotermikus, elektrosztatikus, elektromágneses vagy impulzusos.
Az első EJE-t a 30-as években tervezték szovjet tervező V.P. Glushko, bár egy ilyen motor létrehozásának ötlete a huszadik század elején jelent meg. A 60-as években a Szovjetunió és az USA tudósai aktívan dolgoztak egy elektromos meghajtórendszer létrehozásán, és már a 70-es években az első mintákat űrhajókban kezdték használni vezérlőmotorként.
Egy elektromos rakétahajtómű magából az ERE-ből áll, amelynek felépítése a típusától, a működő folyadékellátó rendszerektől, a vezérléstől és az áramellátástól függ. Az elektrotermikus RD felmelegíti a munkaközeg áramlását a fűtőelem által termelt hő hatására, vagy elektromos ívben. Munkafolyadékként héliumot, ammóniát, hidrazint, nitrogént és más inert gázokat, ritkábban hidrogént használnak.
Az elektrosztatikus RD-ket kolloidálisra, ionosra és plazmára osztják. Bennük a munkafolyadék töltött részecskéit az elektromos tér felgyorsítja. A kolloid vagy ionos RD-kben a gázionizációt ionizáló, nagyfrekvenciás elektromos tér vagy gázkisülési kamra biztosítja. A plazma RD-kben a munkafolyadék, a xenon, inert gáz egy gyűrű alakú anódon halad át, és egy kompenzáló katóddal ellátott gázkisülési kamrába kerül. Nagy feszültségen az anód és a katód között szikra gyullad ki, ionizálja a gázt, ami plazmát eredményez. A pozitív töltésű ionok nagy sebességgel lépnek ki a fúvókán keresztül, amelyet az elektromos tér gyorsulása miatt nyernek, és az elektronokat egy kompenzáló katód hozza ki.
Az elektromágneses RD saját mágneses mezővel rendelkezik - külső vagy belső, amely felgyorsítja a munkaközeg töltött részecskéit.
Impulzus RD munka a szilárd tüzelőanyag elpárolgása miatt elektromos kisülések hatására.
Az elektromos meghajtású motorok használata mindeddig az űrműholdakra történő felszerelésükre korlátozódik, és ezek villamosenergia-forrásként szolgálnak, napelemek. Ugyanakkor ezek a motorok válhatnak olyan erőművekké, amelyek lehetővé teszik az űr felfedezését, ezért számos országban aktívan dolgoznak új modelljeik létrehozásán. Pontosan ezeket erőművek leggyakrabban sci-fi írók emlegetik a világűr meghódításának szentelt műveikben, sci-fi filmekben is megtalálhatóak. Egyelőre az ERD a remény, hogy az emberek továbbra is eljuthatnak a csillagokba.
1) Folyékony-hajtóanyagú rakétamotor (LRE) sémájának és működési elvének tanulmányozása.
2) A munkafolyadék paramétereinek változásának meghatározása az LRE kamra útja mentén.
2.1. A rakétamotor összetétele
A sugárhajtómű ún műszaki eszköz, amely a belőle származó munkafolyadék lejárata következtében tolóerőt hoz létre. A sugárhajtóművek biztosítják a mozgó járművek gyorsítását különféle típusok.
A rakétamotor olyan sugárhajtómű, amely csak a mozgó jármű fedélzetén tárolt anyagokat és energiaforrásokat használja fel.
A folyékony hajtóanyagú rakétamotor (LRE) olyan rakétahajtómű, amely működéséhez folyékony halmazállapotú üzemanyagot (elsődleges energiaforrást és munkafolyadékot) használ.
LRE be általános eset tartalmazza:
2- turbószivattyús egységek (TPU);
3- gázgenerátorok;
4 csővezeték;
5- automatizálási egységek;
Egy vagy több folyékony hajtóanyagú rakétahajtómű a motorkamrákba és a rakétafokozat segédegységeibe üzemanyagot szállító pneumatikus-hidraulikus rendszerrel (PGS) együtt folyékony hajtóanyagú rakétahajtóműrendszert (LPRE) alkot.
Folyékony hajtóanyagként (LPF) olyan anyagot vagy több anyagot (oxidálószer, üzemanyag) használnak, amelyek exoterm kémiai reakciók magas hőmérsékletű égés (bomlás) termékei keletkeznek. Ezek a termékek a motor munkatestét alkotják.
Minden LRE kamra egy égéskamrából és egy fúvókából áll. Az LRE kamrában az elsődleges kémiai energia folyékony üzemanyagátalakul a gáznemű munkaközeg végső kinetikai energiájává, melynek eredményeként létrejön a kamra reaktív ereje.
Az LRE különálló turbószivattyú-egysége szivattyúkból és egy azokat meghajtó turbinából áll. A TNA biztosítja a folyékony tüzelőanyag-komponensek ellátását az LRE kamráihoz és gázgenerátoraihoz.
Az LRE gázgenerátor egy olyan egység, amelyben a fő- vagy segédüzemanyagot gáztermelő termékekké alakítják, amelyeket a turbina munkaközegeként és az LRE alkatrészeket tartalmazó tartályok túlnyomásos rendszerének munkaközegeiként használnak.
Az LRE automatizálási rendszer különféle típusú eszközök (szelepek, szabályozók, érzékelők stb.) összessége: elektromos, mechanikus, hidraulikus, pneumatikus, pirotechnikai stb. Az automatizálási egységek biztosítják az LRE indítását, vezérlését, szabályozását és leállítását.
LRE paraméterek
Az LRE fő vontatási paraméterei a következők:
Az LRE - R reaktív ereje a rakétahajtómű belső felületeire ható eredő gáz- és hidrodinamikai erők az anyag kiáramlása során;
LRE tolóerő - R - az LRE (R) reaktív erejének és a motor külső felületeire ható összes környezeti nyomáserő eredője, kivéve a külső aerodinamikai ellenállás erőit;
LRE tolóerő impulzus - I - az LRE tolóerő integrálja a működési idő alatt;
Az LRE fajlagos tolóerő-impulzusa - I y - a tolóerő (P) és az LRE tömeges üzemanyag-fogyasztásának () aránya.
Az LRE kamrában lezajló folyamatokat jellemző fő paraméterek a folyékony rakéta üzemanyag égéstermékeinek (bomlási) termékeinek nyomása (p), hőmérséklete (T) és áramlási sebessége (W). Ebben az esetben a paraméterek értékei a fúvóka bemeneténél ("c" szakaszindex), valamint a fúvóka kritikus ("*" és kimeneti ("a") szakaszában vannak kiemelve.
A paraméterértékek kiszámítása az LRE fúvókacsatorna különböző szakaszaiban és a motor tolóerő paramétereinek meghatározása a megfelelő termogázdinamikai egyenletek szerint történik. Az ilyen számítások hozzávetőleges módszerét a jelen kézikönyv 4. szakasza tárgyalja.
3.1. Általános tulajdonságok LRE "RD-214"
Az RD-214 folyékony hajtóanyagú rakétamotort 1957 óta használják a hazai gyakorlatban. 1962 óta a Kosmos többlépcsős hordozórakéták 1. fokozatára szerelték fel, melynek segítségével számos Kosmos és Interkomos sorozat műholdját bocsátották földközeli pályára.
Az LRE "RD-214" szivattyúzó üzemanyag-ellátó rendszerrel rendelkezik. A motor magas forráspontú salétromsav oxidálószerrel (nitrogén-oxidok salétromsavban készült oldata) és szénhidrogén üzemanyaggal (kerozin feldolgozási termékek) működik. A gázgenerátorhoz speciális alkatrészt használnak - folyékony hidrogén-peroxidot.
A motor fő paramétereinek jelentése a következő:
Tolóerő az üregben R p = 726 kN;
A tolóerő fajlagos impulzusa az üregben I yn = 2590 N×s/kg;
A gáznyomás az égéstérben p k = 4,4 MPa;
A gáz tágulási foka a fúvókában e = 64
Az LRE "RD-214" (1. ábra) a következőkből áll:
Négy kamra (6. poz.);
Egy turbószivattyú egység (TPU) (1., 2., 3., 4. poz.);
Gázgenerátor (5. poz.);
csővezeték;
Automatizálási egységek (7., 8. tétel)
A motor THA egy oxidáló szivattyúból (poz. 2), egy üzemanyag-szivattyúból (poz. 3), egy hidrogén-peroxid szivattyúból (poz. 4) és egy turbinából (poz. 1) áll. A szivattyúk és a turbina forgórészei (forgó részei) egyetlen tengellyel vannak összekötve.
A motorkamrába, a gázgenerátorba és a turbinába komponensek ellátását biztosító egységek és egységek három különálló rendszerbe - sorokba - egyesülnek:
Oxidálószer ellátó rendszer
üzemanyag-ellátó rendszer
Hidrogén-peroxid gőz- és gázfejlesztő rendszer.
1. ábra. Folyékony hajtóanyagú rakétamotor vázlata
1 - turbina; 2 – oxidáló szivattyú; 3 - üzemanyag-szivattyú;
4 – hidrogén-peroxid szivattyú; 5 – gázgenerátor (reaktor);
6 – motortér; 7, 8 - az automatizálás elemei.
3.2. Az "RD-214" LRE egységek jellemzői
3.2.1. LRE kamra
Négy LRE kamra két szakaszon csavarok segítségével egyetlen blokkba van kötve.
Minden LRE kamra (6. poz.) egy keverőfejből és egy testből áll. A keverőfej felső, középső és alsó (égető) alsó részből áll. A felső és a középső fenék között egy üreg van kialakítva az oxidálószer számára, a középső és a tűzfenék között pedig egy üreg az üzemanyag számára. Mindegyik üreg a megfelelő befecskendező szelepek segítségével kapcsolódik a motorház belső térfogatához.
Az LRE működés során a folyékony üzemanyag-komponenseket a keverőfejen és annak fúvókáin keresztül adagolják, szórják és keverik.
Az LRE kamraház az égéstér egy részét és a fúvókát tartalmazza. A folyékony hajtóanyagú rakétamotor fúvókája szuperszonikus, konvergáló és széttartó részei vannak.
Az LRE kamra háza duplafalú. A test belső (tűz) és külső (erő) falait távtartók kötik össze. Ugyanakkor távtartók segítségével a ház folyadékhűtési útvonalának csatornáit alakítják ki a falak között. Az üzemanyagot hűtőfolyadékként használják.
A motor működése közben az üzemanyag a fúvóka végén található speciális elosztócsöveken keresztül jut a hűtőúthoz. A hűtési útvonalon áthaladva a tüzelőanyag belép a keverőfej megfelelő üregébe, és a fúvókákon keresztül az égéstérbe kerül. Ezzel egyidejűleg a keverőfej másik üregén és a megfelelő fúvókákon keresztül oxidálószer lép be az égéstérbe.
Az égéstér térfogatában a folyékony tüzelőanyag-komponensek permetezése, keverése és elégetése történik. Ennek eredményeként a motor magas hőmérsékletű gáznemű munkafolyadéka képződik.
Ezután a szuperszonikus fúvókában a munkaközeg hőenergiája a sugár kinetikus energiájává alakul, aminek lejártakor létrejön az LRE tolóerő.
3.2.2. Gázgenerátor és turbószivattyú egység
A gázgenerátor (1. ábra, 5. tétel) egy olyan egység, amelyben a folyékony hidrogén-peroxid exoterm bomlás eredményeként a turbina magas hőmérsékletű gőzös munkaközegévé alakul.
A turbószivattyú egység biztosítja a folyékony tüzelőanyag-komponensek nyomásellátását a kamrába és a motor gázgenerátorába.
A THA a következőkből áll (1. ábra):
Csavaros-centrifugális oxidáló szivattyú (2. poz.);
Csavaros-centrifugális üzemanyag-szivattyú (poz. 3);
Hidrogén-peroxid centrifugálszivattyú (4. tétel);
Gázturbina (1. poz.).
Mindegyik szivattyúnak és turbinának van egy rögzített állórésze és egy forgó rotorja. A szivattyúk és turbinák forgórészei közös tengelyűek, ami két részből áll, melyeket rugóval kötnek össze.
A turbina (1. poz.) szivattyúhajtásként szolgál. A turbina állórész fő elemei a ház és a fúvóka berendezés, a forgórész fő elemei a tengely és a lapátokkal ellátott járókerék. Működés közben a gázgenerátorból peroxidgőzgáz jut a turbinába. Amikor a gőzgáz áthalad a fúvóka berendezésen és a turbina járókerék lapátjain, hőenergiája a kerék és a turbina rotor tengelyének forgási mechanikai energiájává alakul. A kipufogógázt a turbinaház kimeneti elosztójában gyűjtik össze, és speciális hulladékfúvókákon keresztül engedik a légkörbe. Ez további tolóerő LRE-t hoz létre.
Az oxidálószer (2. tétel) és az üzemanyag (3. tétel) szivattyúi csavaros centrifugális típusúak. Mindegyik szivattyú fő eleme a ház és a forgórész. A rotornak van egy tengelye, egy csiga és egy centrifugális kerék lapátokkal. Működés közben a mechanikai energia a turbinától a szivattyúhoz egy közös tengelyen keresztül jut, amely biztosítja a szivattyú forgórészének forgását. A csavarlapátok és a centrifugális kerék a szivattyúk által szivattyúzott folyadékon (üzemanyag-komponensen) a szivattyú forgórészének mechanikai forgási energiája átalakul a folyadéknyomás potenciális energiájává, amely biztosítja az alkatrészt a motorkamrába. A szivattyú centrifugális járókereke elé egy csiga van felszerelve, amely előzetesen növeli a folyadék nyomását a járókerék lapátközi csatornáihoz vezető bemenetnél, hogy megakadályozza a folyadék hideg forrását (kavitáció) és folytonosságának megzavarását. Az alkatrész áramlásának folytonosságának zavarai az üzemanyag égési folyamatának instabilitását okozhatják a motorkamrában, és ennek következtében az LRE egészének instabilitását.
Egy centrifugális szivattyú (4. poz.) szolgál hidrogén-peroxiddal a gázgenerátorba. Az alkatrész viszonylag alacsony fogyasztása megteremti a feltételeket a centrifugálszivattyú kavitációmentes működéséhez anélkül, hogy csavaros előszivattyút kellene beszerelni elé.
3.3. A motor elve
A motor indítását, vezérlését és leállítását a rakétatábláról a megfelelő automatizálási elemekre érkező elektromos parancsok automatikusan hajtják végre.
Az üzemanyag-alkatrészek kezdeti gyújtásához speciális indítóüzemanyagot használnak, amely öngyullad oxidálószerrel. Az üzemanyag indítása kezdetben a csővezeték egy kis részét tölti meg az üzemanyag-szivattyú előtt. Az LRE indításának pillanatában az indító üzemanyag és az oxidálószer belép a kamrába, spontán meggyullad, és csak ezután kezdenek bejutni az üzemanyag fő összetevői a kamrába.
A motor működése során az oxidálószer egymás után halad át a vonal (rendszer) elemein és szerelvényein, beleértve:
Elválasztó szelep;
Oxidáló szivattyú;
Oxidáló szelep;
Keverőfej kamra motor.
Az üzemanyag áramlása áthalad a vezetéken, beleértve:
Elválasztó szelepek;
üzemanyagpumpa;
Gyűjtő és út a motorkamra hűtéséhez;
keverőfej kamra.
A hidrogén-peroxid és a keletkező gőzgáz egymás után áthalad a gőz- és gázfejlesztő rendszer elemein és egységein, beleértve:
Elválasztó szelep;
Hidrogén-peroxid szivattyú;
Hidraulikus reduktor;
gázgenerátor;
Turbina fúvókás készülékek;
Turbina járókerék lapátok;
turbina elosztó;
Hulladékfúvókák.
Az LRE tolóerő létrejön az üzemanyag-alkatrészek turbószivattyú egység által a motorkamrába történő folyamatos ellátása, magas hőmérsékletű munkaközeg képződésével történő elégetése és a munkaközeg kamrából való kilépése következtében.
A motor tolóerejének változását működés közben a gázgenerátorba szállított hidrogén-peroxid áramlási sebességének változtatása biztosítja. Ez megváltoztatja a turbina és a szivattyúk teljesítményét, és ennek következtében az üzemanyag-alkatrészek motorkamrába való ellátását.
Az LRE leállítása két lépésben történik automatizálási elemek segítségével. A fő üzemmódból a motor először a végső üzemmódba kapcsol kisebb tolóerővel, és csak ezután áll le teljesen.
4.1. A munka terjedelme és sorrendje
A munka során a következő műveleteket hajtják végre egymás után.
1) Az RD-214 rakétamotor sémáját tanulmányozzák. Figyelembe veszik az LRE célját és összetételét, az egységek kialakítását, a motor működési elvét.
2) Megmérjük az LRE fúvóka geometriai paramétereit. Megtalálható a fúvóka bemeneti ("c"), kritikus ("*") és kimeneti ("a") szakaszának átmérője (D c, D * , D a).
3) Ki kell számítani az LRE munkaközeg paramétereinek értékét az LRE fúvóka bemeneti, kritikus és kimeneti szakaszában.
A számítások eredményei alapján elkészítjük a munkaközeg hőmérsékletének (T), nyomásának (p) és sebességének (W) változásának általános grafikonját az LRE fúvókaútja (L) mentén.
4) A folyékony-hajtóanyagú rakétamotor tolóerő-paramétereit a fúvóka () tervezési üzemmódjában határozzák meg.
4.2. Kezdeti adatok az "RD-214" rakétamotor paramétereinek kiszámításához
Gáznyomás a kamrában (lásd az opciót)
A gázok hőmérséklete a kamrában
Gáz állandó
Izentropikus kitevő
Funkció 
Feltételezzük, hogy a kamrában zajló folyamatok energiaveszteség nélkül mennek végbe. Ebben az esetben az égéstérben és a fúvókában az energiaveszteség együtthatói 
A fúvóka működési módja kiszámítva (index " r»).
A mérés meghatározza:
Fúvóka torok átmérője ;
A fúvóka kimeneti átmérője .
4.3. Az LRE paraméterek számítási sorrendje
DE) A fúvóka kimeneti szakaszában ("a") a paraméterek meghatározása a következő sorrendben történik.
1) A fúvóka kimeneti területe
2) A fúvóka torok területe
3) A gáztágulás geometriai foka
A rakéták, mint fegyvertípusok nagyon régóta léteznek. Az úttörők ebben a kérdésben a kínaiak voltak, amint azt a 19. század elején az Égi Birodalom himnuszában említik. "Red glare of Rockets" – így éneklik benne. Lőporral vádolták meg őket, mint tudod, ugyanabban a Kínában találták fel. De ahhoz, hogy a „vörös fénypontok” ragyogjanak, és tüzes nyilak hulljanak az ellenség fejére, rakétahajtóművekre volt szükség, bár a legegyszerűbbekre. Mindenki tudja, hogy a lőpor felrobban, és a repülés intenzív égést igényel, irányított gázkibocsátással. Így az üzemanyag összetételén változtatni kellett. Ha a hagyományos robbanóanyagokban az összetevők aránya 75% nitrát, 15% szén és 10% kén, akkor a rakétahajtóművek 72% nitrátot, 24% szenet és 4% ként tartalmaztak.
A modern szilárd rakétákban és boosterekben bonyolultabb keverékeket használnak üzemanyagként, de az elv ugyanaz, az ősi kínai. Érdemei vitathatatlanok. megbízhatóság, nagy indítási sebesség, viszonylagos olcsóság és egyszerű használat. Ahhoz, hogy a lövedék elinduljon, elég a szilárd éghető keveréket meggyújtani, levegőáramlást biztosítani - és ennyi, repült.
Ennek a bevált és megbízható technológiának azonban megvannak a maga hátrányai. Először is, miután megindította az üzemanyag égését, már nem lehet leállítani, és nem lehet megváltoztatni az égési módot. Másodszor, oxigénre van szükség, ritka vagy levegőtlen tér körülményei között pedig nem. Harmadszor, az égetés még mindig túl gyorsan megy végbe.
Végre megtalálták a kiutat, amelyet sok ország tudósai évek óta kerestek. Dr. Robert Goddard 1926-ban tesztelte az első folyékony hajtóanyagú rakétamotort. Üzemanyagként folyékony oxigénnel kevert benzint használt. Ahhoz, hogy a rendszer legalább két és fél másodpercig stabilan működjön, Goddardnak meg kellett oldania egy sorozatot technikai problémák a reagensek szivattyúzásával, a hűtőrendszerrel és
Az összes folyékony rakétamotor megépítésének elve rendkívül egyszerű. A tok belsejében két tartály található. Az egyikből a keverőfejen keresztül az oxidálószert a bontókamrába vezetik, ahol katalizátor jelenlétében a második tartályból érkező üzemanyag gáz halmazállapotú állapotba kerül. Az izzó gáz először a fúvóka szűkülő szubszonikus zónáján halad át, majd kitágul a szuperszonikus zónán, ahol az üzemanyagot is szállítják. A valóságban minden sokkal bonyolultabb, a fúvóka hűtést igényel, az adagolási módok pedig nagyfokú stabilitást igényelnek. A modern rakétamotorok hidrogénnel működhetnek, az oxidálószer az oxigén. Ez a keverék rendkívül robbanásveszélyes, és bármely rendszer működésének legkisebb megsértése balesethez vagy katasztrófához vezet. Az üzemanyag-összetevők más anyagok is lehetnek, amelyek nem kevésbé veszélyesek:
Kerozin és - ezeket használták a Saturn V hordozórakéta program első fázisában az Apollo programban;
Alkohol és folyékony oxigén - német V2 rakétákban és „Vostok” szovjet hordozókban használták;
A Cassini motorokban nitrogén-tetroxidot – monometil – hidrazint használtak.
A tervezés bonyolultsága ellenére a folyékony rakétamotorok a fő eszközei az űrrakomány szállításának. Interkontinentális üzemmódokban is használatosak, működési módjuk precíz szabályozásra alkalmas, modern technológiák lehetővé teszik az egységeikben és csomópontjaikban előforduló folyamatok automatizálását.
Azonban a szilárd hajtóanyagú rakétamotorok sem veszítettek jelentőségükből. Az űrtechnológiában segédanyagként használják őket. Jelentőségük nagy a fék- és mentőmodulokban.
A folyadékok, köztük a folyékony hidrogén és az oxigén rakéták üzemanyagaként való felhasználásának lehetőségére K. E. Ciolkovsky rámutatott az 1903-ban megjelent „Világterek vizsgálata sugárhajtóművekkel” című cikkében. Az első működő kísérleti rakétamotort Robert Goddard amerikai feltaláló építette 1926-ban. Hasonló fejlesztések 1931-1933-ban. F. A. Zander vezette rajongók csoportja végezte a Szovjetunióban. Ezeket a munkákat az 1933-ban megszervezett RNII-ben folytatták, de 1938-ban a folyékony hajtóanyagú rakétamotorok témáját lezárták, és a vezető tervezőket, S. P. Korolev és V. P. Glushko „kártevőkként” elnyomták.
Az LRE fejlesztésének legnagyobb sikere a XX. század első felében. Walter Thiel, Helmut Walter, Wernher von Braun és mások német tervezők érték el, akik a második világháború alatt a katonai rakétákhoz való rakétamotorok egész sorát alkották meg: ballisztikus V-2, légelhárító Wasserfall, Schmetterling, Reintochter R3. A Harmadik Birodalomban 1944-re valójában egy új iparág jött létre - a rakétatudomány V. Dornberger általános vezetésével, míg más országokban a folyékony hajtóanyagú rakétahajtóművek fejlesztése kísérleti stádiumban volt.
A háború végén a német tervezők fejlődése ösztönözte a rakétatudomány kutatását a Szovjetunióban és az USA-ban, ahová sok német tudós és mérnök, köztük W. von Braun emigrált. A megindult fegyverkezési verseny, valamint a Szovjetunió és az USA versengése az űrkutatás vezető szerepéért erős ösztönzők voltak a folyékony hajtóanyagú rakétahajtóművek kifejlesztésében.
1957-ben, a Szovjetunióban S. P. Korolev vezetésével létrehozták az R-7 ICBM-et, amely RD-107 és RD-108 folyékony hajtóanyagú motorokkal volt felszerelve, amely akkoriban a világ legerősebb és legfejlettebb volt. V. P. Glushko vezetésével. Ezt a rakétát a világ első mesterséges földműholdjainak, az első emberes űrhajóknak és bolygóközi szondáknak a hordozójaként használták.
1969-ben az első űrhajó A Saturn-5 hordozórakéta által a Holdra tartó repülési pályára indított Apollo-sorozat, amelynek első szakaszát 5 F-1 hajtóművel szerelték fel. Az F-1 jelenleg a legerősebb az egykamrás, folyékony hajtóanyagú rakétamotorok között, tolóereje gyengébb, mint a Szovjetunió Energomash Tervező Iroda által 1976-ban kifejlesztett négykamrás RD-170 motor.
Jelenleg minden ország űrprogramja folyékony hajtóanyagú rakétahajtóművek alkalmazásán alapul.
Rizs. 1 Kétkomponensű LRE vázlata 1 - oxidáló vezeték 2 - üzemanyagvezeték 3 - oxidáló szivattyú 4 - üzemanyag-szivattyú 5 - turbina 6 - gázgenerátor 7 - gázgenerátor szelepe (oxidálószer) 8 - gázgenerátor szelepe (üzemanyag) 9 - fő oxidáló szelep 10 - fő üzemanyag szelep 11 - turbina kipufogó 12 - keverőfej 13 - égéstér 14 - fúvóka
Az LRE tervezési sémák meglehetősen sokféle változata létezik, működésük fő elvének egységével. Tekintsük a legelterjedtebbnek a folyékony hajtóanyagú rakétamotor készülékét és működési elvét egy kétkomponensű, szivattyús üzemanyag-ellátású motor példájával, amelynek sémája klasszikussá vált. Más típusú rakétahajtóművek (a háromkomponensű kivételével) a szóban forgó egyszerűsített változatai, és leírásukkor elég lesz az egyszerűsítéseket feltüntetni.
ábrán. Az 1. ábra vázlatosan mutatja az LRE eszközt.
A tüzelőanyag-komponenseket - az üzemanyagot (1) és az oxidálószert (2) - a tartályokból a gázturbinával (5) meghajtott centrifugálszivattyúkhoz (3, 4) táplálják. Nagy nyomás alatt az üzemanyag-alkatrészek belépnek a fúvókafejbe (12) - egy olyan egységbe, amelyben fúvókák találhatók, amelyeken keresztül az alkatrészeket befecskendezik az égéstérbe (13), összekeverik és elégetik, és magas hőmérsékletre melegített gáznemű munkafolyadékot képeznek. hőmérséklet, amely a fúvókában kitágulva munkát végez és a gáz belső energiáját irányított mozgásának kinetikus energiájává alakítja. A fúvókán (14) keresztül a gáz nagy sebességgel áramlik ki, sugárhajtást kölcsönözve a motornak.
Az üzemanyag-komponensek kiválasztása az egyik fontosabb döntéseket rakétahajtómű tervezése során, amely előre meghatározza a motor tervezésének és az azt követő műszaki megoldásoknak számos részletét. Ezért az LRE üzemanyagának megválasztását a motor és a rakéta céljának átfogó figyelembevételével végzik el, amelyre fel van szerelve, működésük feltételeire, a gyártás technológiájára, tárolására, szállítására az indítóhelyre stb. .
Az összetevők kombinációját jellemző egyik legfontosabb mutató a fajlagos impulzus, amelynek sajátos fontosságátűrhajók hordozórakétáinak tervezésekor, mivel attól függ az üzemanyag és a hasznos teher tömegének aránya, és ebből következően a teljes rakéta méretei és tömege, amely, ha a fajlagos impulzus nem kellően nagy, irreálisnak bizonyulhat. nagymértékben rajta.
A folyékony hajtóanyagú rakétákban a hajtóművek fő funkciójukon - a tolóerő létrehozásán túl - gyakran repülésirányító szerepet is betöltenek. Már az első sikerült ballisztikus rakéta A V-2-t a fúvóka kerülete mentén a motor sugáráramában elhelyezett 4 db grafit gázdinamikus kormány irányította. Eltérve ezek a kormányok eltérítették a sugár egy részét, ami megváltoztatta a hajtómű tolóereje irányát, és a rakéta tömegközéppontjához képest erőnyomatékot hoztak létre, ami az irányító művelet volt. Ez a módszer jelentősen csökkenti a motor tolóerejét, emellett a sugársugárban lévő grafitkormányok erős eróziónak vannak kitéve, és nagyon rövid időre van szükségük.
NÁL NÉL modern rendszerek A rakétavezérlés LRE forgókamrákat használ, amelyek zsanérok segítségével rögzítik a rakétatest csapágyelemeit, amelyek lehetővé teszik a kamera egy vagy két síkban történő elforgatását. A tüzelőanyag-komponenseket rugalmas csővezetékek - harmonika segítségével juttatják a kamrába. Amikor a kamera eltér a rakéta tengelyével párhuzamos tengelytől, a kamera tolóereje létrehozza a szükséges vezérlőerőnyomatékot. A kamerákat hidraulikus vagy pneumatikus kormánygépek forgatják, amelyek a rakétavezérlő rendszer által generált parancsokat hajtják végre.
A meghajtórendszer 20 fő, fix kamrája mellett a hazai űrhajó Szojuz 12 kisebb méretű forgó (mindegyik saját síkjában) vezérlőkamrával rendelkezik. A kormánykameráknak közös üzemanyagrendszer főmotorokkal.
A Saturn-5 hordozórakéta 11 fenntartómotorja közül (minden fokozat) kilenc (a központi 1. és 2. fokozat kivételével) forgó, mindegyik két síkban. Ha a főmotorokat vezérlőmotorként használjuk, a kamera forgási tartománya nem haladja meg a ±5 °-ot: a fő kamera nagy tolóereje és a hátsó rekeszben való elhelyezkedése miatt, azaz jelentős távolságra a fényképezőgéptől. a rakéta tömegközéppontja, a kamera kis eltérése is jelentős ellenőrzési momentumot hoz létre.
A PTZ kamerák mellett néha motorokat is használnak, amelyek csak a repülőgép kormányzására és stabilizálására szolgálnak. Két, egymással ellentétes irányú fúvókákkal ellátott kamra mereven van rögzítve a készülék testéhez oly módon, hogy ezeknek a kamráknak a tolóereje nyomatékot hoz létre a berendezés egyik fő tengelye körül. Ennek megfelelően a másik két tengely vezérléséhez saját vezérlőmotorpárokat is felszerelnek. Ezeket a motorokat (általában egykomponensűek) a járművezérlő rendszer parancsára kapcsolják be és ki, a kívánt irányba fordítva. Az ilyen vezérlőrendszereket általában tájékozódásra használják repülőgép a világűrben.
A folyékony hajtóanyagú rakétamotor olyan motor, amelyet cseppfolyósított gázok és kémiai folyadékok táplálnak. Az alkatrészek számától függően a folyékony hajtóanyagú rakétamotorokat egy-, két- és háromkomponensűekre osztják.
A fejlődés rövid története
A cseppfolyósított hidrogén és oxigén rakéták üzemanyagaként való használatát először K.E. Ciolkovszkij 1903-ban. A rakétamotor első prototípusát az amerikai Robert Howard készítette 1926-ban. Ezt követően hasonló fejlesztéseket hajtottak végre a Szovjetunióban, az USA-ban és Németországban. A legnagyobb sikereket német tudósok érték el: Thiel, Walter, von Braun. A második világháború alatt rakétahajtóművek egész sorát készítettek katonai célokra. Van olyan vélemény, hogy ha korábban létrehozták volna a V-2 Reichet, akkor megnyerték volna a háborút. Később hidegháborúés a fegyverkezési verseny katalizátora lett a folyékony hajtóanyagú rakétahajtóművek fejlesztésének felgyorsításának az űrprogramban való alkalmazásuk céljából. Az RD-108 segítségével az első mesterséges műholdak Föld.
Ma az LRE-t űrprogramokban és nehézrakéta-fegyverekben használják.
Mint fentebb említettük, az LRE-t főként űrhajók és hordozórakéták motorjaként használják. Az LRE fő előnyei a következők:
Az LRE hátrányai közül:
A folyékony hajtóanyagú rakétahajtóművek fő hátránya azonban az üzemanyag energiaképességének határa, ami a Vénusz és a Mars távolságára korlátozza a segítségükkel végzett űrkutatást.
Az LRE működési elve egy, de a segítségével érhető el különböző sémák eszközöket. Az üzemanyagot és az oxidálószert különböző tartályokból a fúvókafejbe pumpálják, befecskendezik az égéstérbe, és összekeverik. Nyomás alatti gyújtás után az üzemanyag belső energiája mozgási energiává alakul, és a fúvókán keresztül kiáramlik, sugártolóerőt hozva létre.
Az üzemanyagrendszer tüzelőanyag-tartályokból, csővezetékekből és szivattyúkból áll, amelyekben egy turbina az üzemanyagot a tartályból a csővezetékbe pumpálja, valamint egy vezérlőszelep.
A szivattyúzott üzemanyag-ellátás létrehozza magas nyomású a kamrában, és ennek eredményeként a munkafolyadék nagyobb tágulása, aminek köszönhetően a fajlagos impulzus maximális értéke érhető el.
Injektorfej - befecskendezők blokkja az üzemanyag-alkatrészek égéstérbe való befecskendezésére. A fúvókával szemben támasztott fő követelmény a jó minőségű keverés és az égéstérbe történő üzemanyag-ellátás sebessége.
Bár az égési folyamat során a szerkezetből a hőátadás aránya elenyésző, a hűtés problémája a magas égési hőmérséklet (>3000 K) miatt aktuális, és a motor termikus tönkretételével fenyeget. A kamrafalhűtésnek többféle típusa létezik:
A regeneratív hűtés alapja egy üreg kialakítása a kamra falaiban, amelyen az üzemanyag oxidálószer nélkül halad át, lehűti a kamra falát, és a hő a hűtőközeggel (tüzelőanyaggal) együtt visszatér a kamrába.
A falközeli réteg a kamra falai közelében éghető gőzökből keletkező gázréteg. Ezt a hatást úgy érik el, hogy a fej perifériájára befecskendezőket szerelnek fel, amelyek csak üzemanyagot szolgáltatnak. Így az éghető keverékből hiányzik az oxidálószer, és a fal közelében az égés nem olyan intenzív, mint a kamra közepén. A falközeli réteg hőmérséklete elszigeteli a kamra közepén fellépő magas hőmérsékleteket az égéstér falaitól.
A folyékony hajtóanyagú rakétamotor hűtésének ablatív módszerét speciális hővédő bevonattal végzik a kamra és a fúvókák falára. A bevonat magas hőmérsékleten változik szilárd állapot gáz halmazállapotúvá válik, elnyeli a hő nagy részét. A folyékony rakétamotor hűtésének ezt a módszerét az Apollo Hold-programban használták.
A rakétahajtómű elindítása nagyon felelősségteljes művelet a robbanékonyság szempontjából a megvalósítás meghibásodása esetén. Vannak öngyulladó alkatrészek, amelyekkel nincs nehézség, de ha külső iniciátort használnak a gyújtáshoz, annak ellátásának ideális összehangolása az üzemanyag-alkatrészekkel szükséges. Az el nem égett üzemanyag felhalmozódása a kamrában pusztító robbanóerejű, és súlyos következményekkel kecsegtet.
A nagy folyékony rakéta hajtóművek indítása több lépcsőben történik, ezt követi a maximális teljesítmény elérése, míg a kismotorok azonnali, száz százalékos teljesítménnyel.
A folyékony hajtóanyagú rakétahajtóművek automatikus vezérlőrendszerét a biztonságos motorindítás és a fő üzemmódba való kilépés megvalósítása, a stabil működés szabályozása, a repülési terv szerinti tolóerő-beállítás, a fogyóeszközök beállítása, adott pálya elérésekor leállítás jellemzi. . A nem kiszámítható pillanatok miatt a folyékony hajtóanyagú rakétamotor garantált üzemanyag-utánpótlással van ellátva, hogy a program eltérései esetén a rakéta a kívánt pályára állhasson.
A hajtóanyag-alkatrészek és azok tervezési folyamat során történő megválasztása meghatározó a folyékony rakétamotor tervezésénél. Ennek alapján határozzák meg a tárolás, a szállítás és a gyártástechnológia feltételeit. Az összetevők kombinációjának legfontosabb mutatója a fajlagos impulzus, amelytől az üzemanyag és a rakomány tömegszázalékának megoszlása függ. A rakéta méreteit és tömegét a Ciolkovszkij-képlet segítségével számítják ki. A fajlagos impulzus mellett a sűrűség befolyásolja az üzemanyag-komponenseket tartalmazó tartályok méretét, a forráspont korlátozhatja a rakéták működési feltételeit, a kémiai agresszivitás minden oxidálószerre jellemző, és ha nem tartják be a tartályok üzemeltetésére vonatkozó szabályokat, a tartály tönkremenetelét okozhatja. meggyulladnak, egyes tüzelőanyag-vegyületek mérgező hatása súlyos légköri károsodást okozhat és környezet. Ezért, bár a fluor jobb oxidálószer, mint az oxigén, toxicitása miatt nem használják.
Az egykomponensű folyékony hajtóanyagú rakétahajtóművek üzemanyagként folyadékot használnak, amely a katalizátorral kölcsönhatásba lépve forró gáz felszabadulásával bomlik. Az egykomponensű rakétahajtóművek fő előnye a tervezés egyszerűségében rejlik, és bár az ilyen hajtóművek fajlagos impulzusa kicsi, de ideálisan alkalmasak kis tolóerejű hajtóműveknek az űrhajók tájékozódására és stabilizálására. Ezek a motorok lökettérfogatú üzemanyag-ellátó rendszert használnak, és az alacsony folyamathőmérséklet miatt nincs szükségük hűtőrendszerre. Az egykomponensű motorok közé tartoznak a gázsugaras motorok is, amelyeket olyan körülmények között használnak, ahol a termikus és vegyi kibocsátás elfogadhatatlan.
Az 1970-es évek elején az Egyesült Államok és a Szovjetunió háromkomponensű folyékony hajtóanyagú rakétahajtóműveket fejlesztett ki, amelyek üzemanyagként hidrogént és szénhidrogént használnak. Így a motor indításkor kerozinnal és oxigénnel működne, nagy magasságban pedig folyékony hidrogénre és oxigénre váltana. Példa a háromkomponensű rakétamotorra Oroszországban az RD-701.
A rakétavezérlést először V-2-es rakétákban használták grafitgáz-dinamikus kormánylapátokkal, de ez csökkentette a motor tolóerejét, és modern rakéták forgó kamerákat használnak, amelyeket csuklópántokkal rögzítenek a testhez, amelyek egy vagy két síkban mozgathatóságot teremtenek. A forgó kamerák mellett vezérlőmotorokat is használnak, amelyeket ellenkező irányú fúvókákkal rögzítenek, és akkor kapcsolják be, ha a készüléket az űrben kell vezérelni.
A zárt ciklusú rakétamotor olyan hajtómű, amelynek egyik alkatrészét alacsony hőmérsékleten égetéssel elgázosítják a másik komponens kis részével, a keletkező gáz a turbina munkaközegeként működik, majd a turbinába kerül. égéstér, ahol az üzemanyag-alkatrészek maradványaival együtt ég, és sugárhajtást hoz létre. Ennek a sémának a fő hátránya a tervezés bonyolultsága, de a fajlagos impulzus nő.
A folyékony rakétahajtóművek teljesítményének növelésének kilátása
NÁL NÉL orosz iskola az LRE alkotói, élén hosszú ideje Glushko akadémikus volt, törekedjenek az üzemanyag-energia maximális felhasználására, és ennek eredményeként a lehető legnagyobb fajlagos impulzusra. Mivel a maximális fajlagos impulzus csak a fúvókában lévő égéstermékek expanziójának növelésével érhető el, minden fejlesztés az ideális tüzelőanyag-keverék keresése érdekében történik.
