Qual è la prima cosa che ti viene in mente quando dici " motori a razzo"? Naturalmente, lo spazio misterioso, i voli interplanetari, la scoperta di nuove galassie e il bagliore seducente di stelle lontane. In ogni momento il cielo ha attratto le persone a sé, pur rimanendo un mistero irrisolto, ma la creazione del primo razzo spaziale e il suo lancio hanno aperto nuovi orizzonti di ricerca per l'umanità.
I motori a razzo sono essenzialmente normali motori a reazione con una caratteristica importante: non usano l'ossigeno atmosferico come ossidante del carburante per creare la spinta del getto. Tutto ciò che è necessario per il suo funzionamento si trova direttamente nel suo corpo o nei sistemi di ossidazione e alimentazione del carburante. È questa caratteristica che consente di utilizzare i motori a razzo nello spazio.
Esistono molti tipi di motori a razzo e differiscono tutti in modo sorprendente l'uno dall'altro non solo per le caratteristiche del design, ma anche per il principio di funzionamento. Ecco perché ogni tipo deve essere considerato separatamente.
Tra le principali caratteristiche prestazionali dei motori a razzo Attenzione specialeè dato all'impulso specifico - il rapporto tra l'entità della spinta del getto e la massa del fluido di lavoro consumato per unità di tempo. Il valore dell'impulso specifico riflette l'efficienza e l'economia del motore.
Questo tipo di motore è attualmente l'unico ampiamente utilizzato per il lancio di veicoli spaziali nello spazio; inoltre, ha trovato applicazione in industria militare. I motori chimici sono divisi in combustibile solido e liquido a seconda stato di aggregazione carburante per missili.
I primi motori a razzo erano a propellente solido e apparvero diversi secoli fa in Cina. A quel tempo avevano poco a che fare con lo spazio, ma con il loro aiuto era possibile lanciare missili militari. Come combustibile veniva usata una polvere, simile alla composizione della polvere da sparo, cambiava solo la percentuale dei suoi componenti. Di conseguenza, durante l'ossidazione, la polvere non è esplosa, ma si è gradualmente bruciata, rilasciando calore e creando spinta del getto. Tali motori furono perfezionati, migliorati e migliorati con successo variabile, ma il loro impulso specifico rimase ancora piccolo, cioè il design era inefficiente e antieconomico. Ben presto apparvero nuovi tipi di combustibili solidi che permettevano di ottenere un maggiore impulso specifico e sviluppare una maggiore trazione. Scienziati dell'URSS, degli Stati Uniti e dell'Europa hanno lavorato alla sua creazione nella prima metà del XX secolo. Già nella seconda metà degli anni '40 fu sviluppato un prototipo di carburante moderno, utilizzato ancora oggi.
Il motore a razzo RD - 170 funziona a combustibile liquido e ossidante.
I motori a razzo liquido sono un'invenzione di K.E. Tsiolkovsky, che li propose come propulsore per un razzo spaziale nel 1903. Negli anni '20, negli Stati Uniti iniziarono i lavori per la creazione di un motore a razzo, negli anni '30 - in URSS. Già all'inizio della seconda guerra mondiale furono creati i primi campioni sperimentali e, dopo la sua fine, LRE iniziò a essere prodotto in serie. Sono stati utilizzati nell'industria militare per equipaggiare missili balistici. Nel 1957, per la prima volta nella storia dell'umanità, fu lanciato un satellite artificiale sovietico. Per lanciarlo è stato utilizzato un razzo equipaggiato con le ferrovie russe.
Un motore a propellente solido contiene nel suo corpo carburante e un ossidante in uno stato solido di aggregazione, e il contenitore del carburante è anche una camera di combustione. Il combustibile è solitamente sotto forma di un'asta con un foro centrale. Durante il processo di ossidazione, l'asta inizia a bruciare dal centro verso la periferia ei gas ottenuti dalla combustione fuoriescono dall'ugello formando una spinta. Questo è il design più semplice tra tutti i motori a razzo.
Nei motori a propellente liquido, il carburante e l'ossidante si trovano in uno stato liquido di aggregazione in due serbatoi separati. Attraverso i canali di alimentazione entrano nella camera di combustione, dove vengono miscelati e avviene il processo di combustione. I prodotti della combustione fuoriescono dall'ugello, formando la spinta. L'ossigeno liquido viene solitamente utilizzato come ossidante e il carburante può essere diverso: cherosene, idrogeno liquido, ecc.
Analizzando i pro ei contro dei motori a razzo a propellente solido, possiamo concludere che il loro uso è giustificato solo nei casi in cui è necessaria un'unità di potenza media potenza, relativamente economico e facile da implementare. Lo scopo del loro utilizzo sono missili balistici, meteorologici, MANPADS e booster laterali razzi spaziali(sono dotati missili americani, non erano usati nei missili sovietici e russi).
Lo scopo di LRE è principalmente l'astronautica, poiché questi motori sono troppo costosi per scopi militari.
Nonostante finora i motori a razzo chimico siano gli unici in grado di garantire il lancio di razzi nello spazio, il loro ulteriore miglioramento è praticamente impossibile. Scienziati e progettisti sono convinti che il limite delle loro capacità sia già stato raggiunto e che siano necessarie altre fonti di energia per ottenere unità più potenti con un elevato impulso specifico.
Questo tipo di RD, a differenza di quelli chimici, genera energia non bruciando combustibile, ma riscaldando il fluido di lavoro con l'energia delle reazioni nucleari. I NRE sono isotopici, termonucleari e nucleari.
Il design e il principio di funzionamento dell'NRE sono stati sviluppati negli anni '50. Già negli anni '70 erano pronti campioni sperimentali in URSS e negli Stati Uniti, che furono testati con successo. Il motore sovietico RD-0410 in fase solida con una spinta di 3,6 tonnellate è stato testato su una base da banco e il reattore americano NERVA doveva essere installato sul razzo Saturn V prima che la sponsorizzazione del programma lunare fosse interrotta. Parallelamente si è lavorato anche per la realizzazione di NRE in fase gas. Ora ci sono programmi scientifici per lo sviluppo di motori a razzo nucleare, vengono condotti esperimenti nelle stazioni spaziali.
Pertanto, esistono già modelli funzionanti di motori a razzo nucleare, ma finora nessuno di essi è stato utilizzato al di fuori di laboratori o basi scientifiche. Il potenziale di tali motori è piuttosto elevato, ma anche il rischio associato al loro utilizzo è considerevole, quindi per ora esistono solo nei progetti.
I motori a razzo nucleare sono in fase gassosa, liquida e solida, a seconda dello stato di aggregazione combustibile nucleare. Il combustibile negli NRE in fase solida è costituito da barre di combustibile, come in reattori nucleari. Si trovano nell'alloggiamento del motore e nel processo di decadimento del materiale fissile rilasciano energia termica. Il fluido di lavoro - idrogeno gassoso o ammoniaca - a contatto con l'elemento combustibile assorbe energia e si riscalda, aumentando di volume e restringendosi, dopodiché esce dall'ugello ad alta pressione.
Il principio di funzionamento di un NRE in fase liquida e il suo design sono simili a quelli in fase solida, solo il carburante è allo stato liquido, il che consente di aumentare la temperatura e quindi la spinta.
Gli NRE in fase gassosa funzionano con carburante allo stato gassoso. Di solito usano l'uranio. Il combustibile gassoso può essere trattenuto nel corpo da un campo elettrico o può trovarsi in un pallone trasparente sigillato - una lampada nucleare. Nel primo caso si ha un contatto del fluido di lavoro con il carburante, nonché una parziale fuoriuscita di quest'ultimo, quindi, oltre alla maggior parte del carburante, il motore deve avere la sua riserva per il rifornimento periodico. Nel caso di una lampada nucleare non vi sono perdite e il combustibile è completamente isolato dal flusso del fluido di lavoro.
I motori a razzo nucleare hanno un enorme vantaggio rispetto a quelli chimici: questo è un impulso specifico elevato. Per i modelli in fase solida il suo valore è 8000-9000 m/s, per i modelli in fase liquida è 14000 m/s, per i modelli in fase gas è 30000 m/s. Tuttavia, il loro utilizzo comporta la contaminazione dell'atmosfera con emissioni radioattive. Ora sono in corso i lavori per creare un motore nucleare sicuro, ecologico ed efficiente, e il principale "candidato" per questo ruolo è un NRE in fase gassosa con una lampada nucleare, dove sostanza radioattivaè in un pallone sigillato e non esce con una fiamma a getto.
Un altro potenziale concorrente dei motori a razzo chimici è un motore a razzo elettrico alimentato da energia elettrica. L'ERD può essere elettrotermico, elettrostatico, elettromagnetico o pulsato.
Il primo EJE è stato progettato negli anni '30 stilista sovietico VP Glushko, sebbene l'idea di creare un tale motore sia apparsa all'inizio del XX secolo. Negli anni '60, scienziati dell'URSS e degli Stati Uniti stavano lavorando attivamente alla creazione di un sistema di propulsione elettrica e già negli anni '70 i primi campioni iniziarono ad essere utilizzati nei veicoli spaziali come motori di controllo.
Un sistema di propulsione a razzo elettrico è costituito dall'ERE stesso, la cui struttura dipende dal tipo, dai sistemi di alimentazione del fluido di lavoro, dal controllo e dall'alimentazione. L'RD elettrotermico riscalda il flusso del fluido di lavoro a causa del calore generato dall'elemento riscaldante o in un arco elettrico. Come fluido di lavoro vengono utilizzati elio, ammoniaca, idrazina, azoto e altri gas inerti, meno spesso idrogeno.
Le RD elettrostatiche sono suddivise in colloidali, ioniche e plasmatiche. In essi, le particelle cariche del fluido di lavoro vengono accelerate dal campo elettrico. Nelle RD colloidali o ioniche, la ionizzazione del gas è fornita da uno ionizzatore, un campo elettrico ad alta frequenza o una camera a scarica di gas. Negli RD al plasma, il fluido di lavoro, lo xeno, un gas inerte, passa attraverso un anodo anulare ed entra in una camera di scarico del gas con un catodo di compensazione. Ad alta tensione, una scintilla si accende tra l'anodo e il catodo, ionizzando il gas e formando un plasma. Gli ioni caricati positivamente escono attraverso l'ugello ad alta velocità, acquisita a causa dell'accelerazione di un campo elettrico, e gli elettroni vengono portati fuori da un catodo di compensazione.
Gli RD elettromagnetici hanno il proprio campo magnetico, esterno o interno, che accelera le particelle cariche del fluido di lavoro.
Impulso RD lavoro dovuto all'evaporazione del combustibile solido sotto l'azione di scariche elettriche.
Ad oggi, l'uso di motori di propulsione elettrica è limitato alla loro installazione su satelliti spaziali e come fonti di energia elettrica per loro, pannelli solari. Allo stesso tempo, sono questi motori che possono diventare quelle centrali elettriche che consentiranno di esplorare lo spazio, quindi in molti paesi si sta lavorando attivamente alla creazione dei loro nuovi modelli. Proprio questi centrali elettriche più spesso citati dagli scrittori di fantascienza nelle loro opere dedicate alla conquista dello spazio, si possono trovare anche nei film di fantascienza. Finora, è l'ERD la speranza che le persone possano ancora viaggiare verso le stelle.
1) Studio dello schema e principio di funzionamento di un motore a razzo a propellente liquido (LRE).
2) Determinazione della variazione dei parametri del fluido di lavoro lungo il percorso della camera LRE.
2.1. La composizione del motore a razzo
Il motore a reazione è chiamato dispositivo tecnico, che crea spinta a seguito della scadenza del fluido di lavoro da esso. I motori a reazione forniscono l'accelerazione dei veicoli in movimento vari tipi.
Un motore a razzo è un motore a reazione che utilizza solo le sostanze e le fonti di energia immagazzinate a bordo di un veicolo in movimento.
Un motore a razzo a propellente liquido (LRE) è un motore a razzo che utilizza carburante (fonte di energia primaria e fluido di lavoro) che si trova in uno stato liquido di aggregazione per il funzionamento.
LRE dentro caso generale comprende:
2- gruppi turbopompa (TPU);
3- generatori di gas;
4 condotte;
5- unità di automazione;
Uno o più motori a razzo a propellente liquido, unitamente a un sistema pneumatico-idraulico (PGS) per l'alimentazione di carburante alle camere del motore e alle unità ausiliarie dello stadio a razzo, costituiscono un sistema di propulsione a razzo a propellente liquido (LPRE).
Come propellente liquido (LPF), vengono utilizzate una o più sostanze (ossidante, carburante) che sono in grado di produrre effetti esotermici reazioni chimiche formare prodotti di combustione ad alta temperatura (decomposizione). Questi prodotti sono il corpo di lavoro del motore.
Ogni camera LRE è composta da una camera di combustione e un ugello. Nella camera LRE, l'energia chimica primaria carburante liquido viene convertito nell'energia cinetica finale del fluido di lavoro gassoso, a seguito del quale viene creata la forza reattiva della camera.
Un'unità turbopompa separata dell'LRE è costituita da pompe e una turbina che le aziona. TNA fornisce la fornitura di componenti di combustibile liquido alle camere e ai generatori di gas della LRE.
Il generatore di gas LRE è un'unità in cui il combustibile principale o ausiliario viene convertito in prodotti di generazione di gas utilizzati come fluido di lavoro della turbina e fluidi di lavoro del sistema di pressurizzazione per serbatoi con componenti LRE.
Il sistema di automazione LRE è un insieme di dispositivi (valvole, regolatori, sensori, ecc.) di vario tipo: elettrici, meccanici, idraulici, pneumatici, pirotecnici, ecc. Le unità di automazione provvedono all'avvio, al controllo, alla regolazione e allo spegnimento dell'LRE.
Parametri LRE
I principali parametri di trazione del LRE sono:
La forza reattiva del LRE - R è il gas risultante e le forze idrodinamiche che agiscono sulle superfici interne del motore a razzo durante il deflusso di materia da esso;
Spinta LRE - R - la risultante della forza reattiva dell'LRE (R) e di tutte le forze di pressione ambientale che agiscono sulle superfici esterne del motore, ad eccezione delle forze di resistenza aerodinamica esterna;
Impulso di spinta LRE - I - integrale della spinta LRE nel tempo del suo funzionamento;
L'impulso di spinta specifico dell'LRE - I y - il rapporto tra spinta (P) e consumo di carburante di massa () dell'LRE.
I principali parametri che caratterizzano i processi che avvengono nella camera LRE sono la pressione (p), la temperatura (T) e la portata (W) dei prodotti della combustione (decomposizione) del combustibile liquido per missili. In questo caso sono evidenziati i valori dei parametri all'ingresso dell'ugello (indice di sezione “c”), nonché nelle sezioni critiche (“*”) e di uscita (“a”) dell'ugello.
Il calcolo dei valori dei parametri in varie sezioni del tratto dell'ugello LRE e la determinazione dei parametri di spinta del motore vengono eseguiti secondo le corrispondenti equazioni della termogasdinamica. Una metodologia approssimativa per tale calcolo è discussa nella Sezione 4 di questo manuale.
3.1. caratteristiche generali LRE "RD-214"
Il motore a razzo a propellente liquido RD-214 è stato utilizzato nella pratica domestica dal 1957. Dal 1962 è stato installato sul 1 ° stadio dei veicoli di lancio multistadio Kosmos, con l'aiuto del quale molti satelliti delle serie Kosmos e Interkomos sono stati lanciati in orbite vicine alla Terra.
LRE "RD-214" ha un sistema di alimentazione del carburante a pompaggio. Il motore funziona con un ossidante di acido nitrico altobollente (una soluzione di ossidi di azoto in acido nitrico) e combustibile idrocarburico (prodotti della lavorazione del cherosene). Per il generatore di gas viene utilizzato un componente speciale: perossido di idrogeno liquido.
I parametri principali del motore hanno i seguenti significati:
Spinta nel vuoto R p = 726 kN;
L'impulso specifico di spinta nel vuoto I yn = 2590 N×s/kg;
Pressione del gas nella camera di combustione p k = 4,4 MPa;
Grado di espansione del gas nell'ugello e = 64
LRE "RD-214", (Fig. 1) è costituito da:
Quattro camere (pos. 6);
Un gruppo turbopompa (TPU) (pos. 1, 2, 3, 4);
Generatore di gas (pos. 5);
tubatura;
Unità di automazione (pos. 7, 8)
Il THA del motore è costituito da una pompa ossidante (pos. 2), una pompa del carburante (pos. 3), una pompa perossido di idrogeno (pos. 4) e una turbina (pos. 1). I rotori (parti rotanti) delle pompe e della turbina sono collegati da un unico albero.
Le unità e le unità che forniscono la fornitura di componenti alla camera del motore, al generatore di gas e alla turbina sono combinate in tre sistemi separati: linee:
Sistema di alimentazione dell'ossidante
sistema di alimentazione del carburante
Sistema di generazione di vapore e gas di perossido di idrogeno.
Fig. 1. Schema di un motore a razzo a propellente liquido
1 - turbina; 2 – pompa ossidante; 3 - pompa del carburante;
4 – pompa perossido di idrogeno; 5 – generatore di gas (reattore);
6 – camera motore; 7, 8 - elementi di automazione.
3.2. Caratteristiche delle unità LRE "RD-214"
3.2.1. Camera LRE
Quattro camere LRE sono collegate in un unico blocco lungo due sezioni con l'ausilio di bulloni.
Ogni camera LRE (pos. 6) è composta da una testa di miscelazione e da un corpo. La testa di miscelazione comprende fondi superiore, centrale e inferiore (cottura). Tra il fondo superiore e quello centrale si forma una cavità per l'ossidante e tra il fondo centrale e quello del fuoco si forma una cavità per il combustibile. Ciascuna delle cavità è collegata al volume interno dell'alloggiamento del motore tramite i corrispondenti iniettori.
Nel processo di funzionamento LRE, i componenti del combustibile liquido vengono forniti, spruzzati e miscelati attraverso la testa di miscelazione e i suoi ugelli.
L'alloggiamento della camera LRE comprende parte della camera di combustione e dell'ugello. L'ugello del motore a razzo a propellente liquido è supersonico, ha parti convergenti e divergenti.
L'alloggiamento della camera LRE è a doppia parete. Le pareti interna (fuoco) ed esterna (potenza) del corpo sono interconnesse da distanziatori. Allo stesso tempo, con l'aiuto di distanziatori, si formano canali del percorso di raffreddamento del liquido dell'alloggiamento tra le pareti. Il carburante viene utilizzato come refrigerante.
Durante il funzionamento del motore, il carburante viene fornito al percorso di raffreddamento attraverso speciali tubi collettori situati all'estremità dell'ugello. Superato il percorso di raffreddamento, il combustibile entra nella corrispondente cavità della testa di miscelazione e viene introdotto attraverso gli ugelli nella camera di combustione. Contemporaneamente, attraverso un'altra cavità della testa di miscelazione e dei relativi ugelli, un ossidante entra nella camera di combustione.
Nel volume della camera di combustione avviene la spruzzatura, la miscelazione e la combustione dei componenti del combustibile liquido. Di conseguenza, si forma un fluido di lavoro gassoso ad alta temperatura del motore.
Quindi, nell'ugello supersonico, l'energia termica del fluido di lavoro viene convertita nell'energia cinetica del suo getto, al termine del quale viene creata la spinta LRE.
3.2.2. Generatore di gas e gruppo turbopompa
Il generatore di gas (Fig. 1, pos. 5) è un'unità in cui il perossido di idrogeno liquido viene convertito in un fluido di lavoro vaporoso ad alta temperatura della turbina a seguito della decomposizione esotermica.
L'unità turbopompa fornisce l'alimentazione di pressione dei componenti del combustibile liquido alla camera e al generatore di gas del motore.
La PTA consiste in (Fig. 1):
Pompa ossidante centrifuga a vite (pos. 2);
Pompa benzina centrifuga a vite (pos. 3);
Pompa centrifuga perossido di idrogeno (elemento 4);
Turbina a gas (pos. 1).
Ogni pompa e turbina ha uno statore fisso e un rotore rotante. I rotori di pompe e turbine hanno un albero comune, costituito da due parti, collegate da una molla.
La turbina (pos. 1) funge da azionamento della pompa. Gli elementi principali dello statore della turbina sono l'alloggiamento e l'apparato dell'ugello, e gli elementi principali del rotore sono l'albero e la girante con pale. Durante il funzionamento, il gas vapore di perossido viene fornito alla turbina dal generatore di gas. Quando il gas vapore passa attraverso l'apparato dell'ugello e le pale della girante della turbina, la sua energia termica viene convertita in energia meccanica di rotazione della ruota e dell'albero del rotore della turbina. I vapori di scarico vengono raccolti nel collettore di uscita della carcassa della turbina e scaricati in atmosfera attraverso appositi ugelli di scarico. Questo crea una spinta aggiuntiva LRE.
Le pompe per comburente (pos. 2) e combustibile (pos. 3) sono di tipo centrifugo a vite. Gli elementi principali di ciascuna delle pompe sono l'alloggiamento e il rotore. Il rotore ha un albero, una coclea e una ruota centrifuga con lame. Durante il funzionamento, l'energia meccanica viene fornita dalla turbina alla pompa attraverso un albero comune, che assicura la rotazione del rotore della pompa. Come risultato dell'azione delle pale della vite e della ruota centrifuga sul liquido (componente del carburante) pompato dalle pompe, l'energia meccanica di rotazione del rotore della pompa viene convertita in energia potenziale della pressione del liquido, che garantisce l'erogazione di il componente alla camera del motore. Una coclea davanti alla girante centrifuga della pompa è installata per aumentare preliminarmente la pressione del liquido all'ingresso dei canali interlame della girante al fine di evitare l'ebollizione a freddo del liquido (cavitazione) e l'interruzione della sua continuità. Disturbi nella continuità del flusso del componente possono causare instabilità del processo di combustione del carburante nella camera del motore e, di conseguenza, l'instabilità dell'LRE nel suo complesso.
Una pompa centrifuga (pos. 4) viene utilizzata per fornire perossido di idrogeno al generatore di gas. Il consumo relativamente basso del componente crea le condizioni per il funzionamento senza cavitazione di una pompa centrifuga senza installare una prepompa a vite davanti ad essa.
3.3. Il principio del motore
L'avvio, il controllo e l'arresto del motore vengono eseguiti automaticamente mediante comandi elettrici dalla scheda del razzo ai corrispondenti elementi di automazione.
Per l'accensione iniziale dei componenti del carburante, viene utilizzato uno speciale carburante di avviamento, autoinfiammabile con un ossidante. Il carburante iniziale riempie inizialmente una piccola sezione della tubazione davanti alla pompa del carburante. Al momento del lancio dell'LRE, il carburante di avviamento e l'ossidante entrano nella camera, si accendono spontaneamente e solo allora i componenti principali del carburante iniziano ad entrare nella camera.
Durante il funzionamento del motore, l'ossidante passa in sequenza attraverso gli elementi e i gruppi della linea (sistema), tra cui:
valvola divisoria;
Pompa ossidante;
Valvola ossidante;
Motore della camera della testa di miscelazione.
Il flusso di carburante scorre attraverso la linea, tra cui:
Valvole divisorie;
pompa di benzina;
Collettore e percorso per il raffreddamento della camera del motore;
camera della testa di miscelazione.
Il perossido di idrogeno e il gas vapore risultante passano in sequenza attraverso gli elementi e le unità del sistema di generazione di vapore e gas, tra cui:
valvola divisoria;
Pompa di perossido di idrogeno;
Riduttore idraulico;
generatore di gas;
Apparecchi per ugelli a turbina;
Pale per giranti di turbine;
collettore turbina;
Ugelli di scarico.
Come risultato della fornitura continua di componenti del carburante da parte dell'unità turbopompa alla camera del motore, della loro combustione con la formazione di un fluido di lavoro ad alta temperatura e dell'espirazione del fluido di lavoro dalla camera, viene creata la spinta LRE.
La variazione del valore di spinta del motore durante il suo funzionamento viene fornita variando la portata di perossido di idrogeno fornita al generatore di gas. Ciò modifica la potenza della turbina e delle pompe e, di conseguenza, l'alimentazione dei componenti del carburante alla camera del motore.
Lo spegnimento dell'LRE viene eseguito in due fasi con l'ausilio di elementi di automazione. Dalla modalità principale, il motore passa prima alla modalità di funzionamento finale con meno spinta e solo allora viene completamente spento.
4.1. Ambito e ordine di lavoro
Nel corso del lavoro, vengono eseguite in sequenza le seguenti azioni.
1) Lo schema del motore a razzo RD-214 è allo studio. Vengono considerati lo scopo e la composizione dell'LRE, il design delle unità, il principio di funzionamento del motore.
2) Vengono misurati i parametri geometrici dell'ugello LRE. Si trova il diametro delle sezioni di ingresso ("c"), critica ("*") e di uscita ("a") dell'ugello (D c, D * , D a).
3) Viene calcolato il valore dei parametri del fluido di lavoro LRE nelle sezioni di ingresso, critica e uscita dell'ugello LRE.
Sulla base dei risultati dei calcoli, viene costruito un grafico generalizzato della variazione di temperatura (T), pressione (p) e velocità (W) del fluido di lavoro lungo il percorso dell'ugello (L) dell'LRE.
4) I parametri di spinta del motore a razzo a propellente liquido sono determinati nella modalità di funzionamento progettuale dell'ugello ().
4.2. Dati iniziali per il calcolo dei parametri del motore a razzo "RD-214"
Pressione del gas nella camera (vedi opzione)
Temperatura dei gas nella camera
Costante dei gas
Esponente isentropico
Funzione 
Si presume che i processi nella camera procedano senza perdite di energia. In questo caso, i coefficienti di perdita di energia rispettivamente nella camera di combustione e nell'ugello sono 
Viene calcolata la modalità di funzionamento dell'ugello (indice " r»).
La misura determina:
Diametro della gola dell'ugello ;
Diametro uscita ugello .
4.3. Sequenza di calcolo dei parametri LRE
MA) I parametri nella sezione di uscita dell'ugello ("a") sono determinati nella seguente sequenza.
1) Zona di uscita dell'ugello
2) Zona della gola dell'ugello
3) Grado geometrico di espansione del gas
I razzi come tipo di arma esistono da molto tempo. I pionieri in questa materia furono i cinesi, come ricorda l'inno del Celeste Impero all'inizio del XIX secolo. "Bagliore rosso dei razzi": è così che viene cantato. Sono stati accusati di polvere da sparo, inventata, come sapete, nella stessa Cina. Ma affinché i "punti salienti rossi" risplendessero e le frecce infuocate cadessero sulle teste dei nemici, erano necessari motori a razzo, anche se i più semplici. Tutti sanno che la polvere da sparo esplode e il volo richiede un'intensa combustione con rilascio di gas diretto. Quindi la composizione del carburante doveva essere cambiata. Se negli esplosivi convenzionali il rapporto tra gli ingredienti è del 75% di nitrati, del 15% di carbonio e del 10% di zolfo, i motori a razzo contenevano il 72% di nitrati, il 24% di carbonio e il 4% di zolfo.
Nei moderni razzi e booster solidi, come combustibile vengono utilizzate miscele più complesse, ma il principio rimane lo stesso, antico cinese. I suoi meriti sono innegabili. affidabilità, alta velocità di avvio, relativa economicità e facilità d'uso. Affinché il proiettile si avvii, è sufficiente accendere la miscela combustibile solida, fornire il flusso d'aria - e il gioco è fatto, è volato.
Tuttavia, questa tecnologia collaudata e affidabile ha i suoi svantaggi. Innanzitutto, avendo avviato la combustione del carburante, non è più possibile interromperla, così come cambiare la modalità di combustione. In secondo luogo, l'ossigeno è necessario e in condizioni di spazio rarefatto o senz'aria non lo è. In terzo luogo, la combustione procede ancora troppo velocemente.
La via d'uscita, che gli scienziati di molti paesi stavano cercando da molti anni, è stata finalmente trovata. dottor Roberto Goddard testò il primo motore a razzo a propellente liquido nel 1926. Ha usato benzina miscelata con ossigeno liquido come combustibile. Affinché il sistema funzioni stabilmente per almeno due secondi e mezzo, Goddard ha dovuto risolvere una serie problemi tecnici associato al pompaggio dei reagenti, al sistema di raffreddamento e
Il principio con cui sono costruiti tutti i motori a razzo a propellente liquido è estremamente semplice. Ci sono due serbatoi all'interno del caso. Da uno di essi, attraverso la testa di miscelazione, l'ossidante viene immesso nella camera di decomposizione, dove, in presenza di un catalizzatore, il combustibile proveniente dal secondo serbatoio passa allo stato gassoso. Il gas incandescente si verifica, passando prima attraverso la zona subsonica che si restringe dell'ugello, e poi espandendo la zona supersonica, dove viene fornito anche il carburante. In realtà tutto è molto più complicato, l'ugello necessita di raffreddamento e le modalità di alimentazione richiedono un alto grado di stabilità. I moderni motori a razzo possono essere alimentati dall'idrogeno, l'ossidante è l'ossigeno. Questa miscela è estremamente esplosiva e la minima violazione del funzionamento di qualsiasi sistema provoca un incidente o un disastro. I componenti del carburante possono anche essere altre sostanze non meno pericolose:
Kerosene e - questi sono stati utilizzati nella prima fase del programma del veicolo di lancio Saturn V nel programma Apollo;
Alcool e ossigeno liquido - sono stati utilizzati nei razzi V2 tedeschi e nei vettori sovietici "Vostok";
Il tetrossido di azoto - monometil - idrazina - veniva utilizzato nei motori Cassini.
Nonostante la complessità del progetto, i motori a razzo liquido sono il mezzo principale per consegnare il carico spaziale. Sono utilizzati anche nelle modalità intercontinentali e le loro modalità di funzionamento sono suscettibili di regolazione precisa, moderne tecnologie consentono di automatizzare i processi che si verificano nelle loro unità e nodi.
Tuttavia, neanche i motori a razzo a propellente solido hanno perso la loro importanza. Sono utilizzati nella tecnologia spaziale come ausiliari. La loro importanza è grande nei moduli di frenata e soccorso.
La possibilità di utilizzare liquidi, compresi l'idrogeno liquido e l'ossigeno, come carburante per i razzi fu sottolineata da K. E. Tsiolkovsky nell'articolo "Indagine sugli spazi mondiali con dispositivi a getto", pubblicato nel 1903. Il primo motore a razzo sperimentale funzionante fu costruito dall'inventore americano Robert Goddard nel 1926. Sviluppi simili nel 1931-1933. furono realizzati in URSS da un gruppo di appassionati guidati da F. A. Zander. Questi lavori furono continuati nel RNII organizzato nel 1933, ma nel 1938 vi fu chiuso il tema dei motori a razzo a propellente liquido e i principali progettisti S.P. Korolev e V.P. Glushko furono repressi come "parassiti".
Il più grande successo nello sviluppo di LRE nella prima metà del XX secolo. i progettisti tedeschi Walter Thiel, Helmut Walter, Wernher von Braun e altri lo realizzarono e durante la seconda guerra mondiale crearono un'intera gamma di motori a razzo per missili militari: balistici V-2, Wasserfall antiaereo, Schmetterling, Reintochter R3. Nel Terzo Reich, nel 1944, fu effettivamente creata una nuova industria: la scienza missilistica, sotto la guida generale di V. Dornberger, mentre in altri paesi lo sviluppo di motori a razzo a propellente liquido era in fase sperimentale.
Alla fine della guerra, gli sviluppi dei progettisti tedeschi spinsero la ricerca nel campo della scienza missilistica nell'URSS e negli Stati Uniti, dove emigrarono molti scienziati e ingegneri tedeschi, tra cui W. von Braun. La corsa agli armamenti iniziata e la rivalità tra URSS e USA per la leadership nell'esplorazione spaziale furono potenti stimolatori per lo sviluppo di motori a razzo a propellente liquido.
Nel 1957, in URSS, sotto la guida di S.P. Korolev, fu creato l'ICBM R-7, equipaggiato con i motori a propellente liquido RD-107 e RD-108, a quel tempo i più potenti e avanzati al mondo, sviluppato sotto la guida di V.P. Glushko. Questo razzo è stato utilizzato come vettore dei primi satelliti terrestri artificiali al mondo, del primo veicolo spaziale con equipaggio e delle prime sonde interplanetarie.
Nel 1969, il primo navicella spaziale Serie Apollo, lanciata su una traiettoria di volo verso la Luna dal veicolo di lancio Saturn-5, il cui primo stadio era equipaggiato con 5 motori F-1. L'F-1 è attualmente il più potente tra i motori a razzo a propellente liquido a camera singola, inferiore in spinta al motore RD-170 a quattro camere sviluppato dall'Energomash Design Bureau nell'Unione Sovietica nel 1976.
Attualmente, i programmi spaziali di tutti i paesi si basano sull'uso di motori a razzo a propellente liquido.
Riso. 1 Schema di un LRE bicomponente 1 - linea ossidante 2 - linea carburante 3 - pompa ossidante 4 - pompa carburante 5 - turbina 6 - generatore gas 7 - valvola generatore gas (ossidante) 8 - valvola generatore gas (carburante) 9 - principale valvola ossidante 10 - valvola principale combustibile 11 - scarico turbina 12 - testa di miscelazione 13 - camera di combustione 14 - ugello
Esiste una varietà abbastanza ampia di schemi di progettazione LRE, con l'unità del principio principale del loro funzionamento. Consideriamo il dispositivo e il principio di funzionamento di un motore a razzo a propellente liquido utilizzando l'esempio di un motore a due componenti con alimentazione di carburante pompata, come il più comune, il cui schema è diventato un classico. Altri tipi di motori a razzo (ad eccezione del tricomponente) sono versioni semplificate di quello in esame, e nel descriverli sarà sufficiente indicare le semplificazioni.
Sulla fig. 1 mostra schematicamente il dispositivo LRE.
I componenti del carburante - carburante (1) e ossidante (2) vengono forniti dai serbatoi alle pompe centrifughe (3, 4) azionate da una turbina a gas (5). Ad alta pressione, i componenti del carburante entrano nella testa dell'ugello (12) - un'unità in cui si trovano gli ugelli, attraverso i quali i componenti vengono iniettati nella camera di combustione (13), miscelati e bruciati, formando un fluido di lavoro gassoso riscaldato ad un alto temperatura, che, espandendosi nell'ugello, esegue lavoro e converte l'energia interna del gas nell'energia cinetica del suo movimento diretto. Attraverso l'ugello (14) il gas fuoriesce ad alta velocità, imprimendo la spinta del getto al motore.
La scelta dei componenti del carburante è uno dei decisioni importanti durante la progettazione di un motore a razzo, che predetermina molti dettagli del progetto del motore e le successive soluzioni tecniche. Pertanto, la scelta del carburante per LRE viene effettuata con una considerazione completa dello scopo del motore e del razzo su cui è installato, delle condizioni per il loro funzionamento, della tecnologia di produzione, stoccaggio, trasporto al sito di lancio, ecc. .
Uno degli indicatori più importanti che caratterizzano la combinazione di componenti è l'impulso specifico, che ha un particolare importanza nella progettazione di veicoli di lancio per veicoli spaziali, poiché il rapporto tra la massa di carburante e il carico utile e, di conseguenza, le dimensioni e la massa dell'intero razzo, che, se l'impulso specifico non è sufficientemente elevato, potrebbe risultare irrealistico, dipende in gran parte su di essa.
Nei razzi a propellente liquido, i motori spesso, oltre alla loro funzione principale - creare spinta, svolgono anche il ruolo di controlli di volo. Già il primo gestito missile balistico Il V-2 era controllato da 4 timoni gasdinamici in grafite posti nella corrente a getto del motore lungo la periferia dell'ugello. Deviando, questi timoni hanno deviato parte della corrente a getto, che ha cambiato la direzione del vettore di spinta del motore e ha creato un momento di forza relativo al centro di massa del razzo, che era l'azione di controllo. Questo metodo riduce significativamente la spinta del motore, inoltre, i timoni in grafite in una corrente a getto sono soggetti a grave erosione e hanno una risorsa di tempo molto breve.
A sistemi moderni Il controllo del razzo utilizza camere rotanti LRE, che sono fissate agli elementi portanti del corpo del razzo con l'ausilio di cerniere, che consentono di ruotare la telecamera su uno o due piani. I componenti del carburante vengono portati nella camera con l'aiuto di tubazioni flessibili - soffietti. Quando la telecamera devia da un asse parallelo all'asse del razzo, la spinta della telecamera crea il momento di forza di controllo richiesto. Le telecamere sono ruotate da macchine sterzanti idrauliche o pneumatiche, che eseguono i comandi generati dal sistema di controllo del razzo.
Oltre alle 20 camere fisse principali del sistema di propulsione, il vettore spaziale domestico Soyuz ha 12 camere di controllo rotanti (ciascuna nel proprio piano) di dimensioni inferiori. Le telecamere di guida hanno un comune sistema di alimentazione carburante con motori principali.
Degli 11 motori di sostegno (tutti gli stadi) del veicolo di lancio Saturn-5, nove (ad eccezione del 1° e 2° stadio centrale) sono rotanti, ciascuno su due piani. Quando si utilizzano i motori principali come motori di controllo, il raggio operativo della rotazione della telecamera non è superiore a ±5 °: a causa della grande spinta della telecamera principale e della sua posizione nel vano di poppa, cioè a una distanza considerevole dal centro di massa del razzo, anche una piccola deviazione della telecamera crea un significativo momento di controllo.
Oltre alle telecamere PTZ, a volte vengono utilizzati motori, che servono solo allo scopo di sterzare e stabilizzare il velivolo. Sul corpo dell'apparecchiatura sono fissate rigidamente due camere con ugelli contrapposti in modo tale che la spinta di tali camere crei un momento di forza attorno ad uno degli assi principali dell'apparecchiatura. Di conseguenza, per controllare gli altri due assi, vengono installate anche le proprie coppie di motori di controllo. Questi motori (di solito monocomponente) vengono accesi e spenti al comando del sistema di controllo del veicolo, ruotandolo nella direzione richiesta. Tali sistemi di controllo sono solitamente utilizzati per l'orientamento aereo nello spazio.
Un motore a razzo a propellente liquido è un motore alimentato da gas liquefatti e liquidi chimici. A seconda del numero di componenti, i motori a razzo a propellente liquido sono suddivisi in uno, due e tre componenti.
Breve storia dello sviluppo
Per la prima volta, l'uso di idrogeno e ossigeno liquefatti come carburante per razzi fu proposto da K.E. Ciolkovskij nel 1903. Il primo prototipo del motore a razzo fu creato dall'americano Robert Howard nel 1926. Successivamente, sviluppi simili furono realizzati in URSS, USA, Germania. I maggiori successi sono stati raggiunti dagli scienziati tedeschi: Thiel, Walter, von Braun. Durante la seconda guerra mondiale, hanno creato un'intera linea di motori a razzo per scopi militari. C'è un'opinione secondo cui se avessero creato prima il V-2 Reich, avrebbero vinto la guerra. Successivamente guerra fredda e la corsa agli armamenti divenne il catalizzatore per accelerare lo sviluppo di motori a razzo a propellente liquido al fine di applicarli al programma spaziale. Con l'aiuto dell'RD-108, il primo satelliti artificiali Terra.
Oggi, LRE è utilizzato nei programmi spaziali e nelle armi a razzo pesante.
Come accennato in precedenza, LRE è utilizzato principalmente come motore per veicoli spaziali e veicoli di lancio. I principali vantaggi di LRE sono:
Tra gli svantaggi di LRE:
Tuttavia, il principale svantaggio dei motori a razzo a propellente liquido è il limite delle capacità energetiche del carburante, che limita l'esplorazione dello spazio con il loro aiuto alla distanza di Venere e Marte.
Il principio di funzionamento dell'LRE è uno, ma si ottiene con l'aiuto di schemi diversi dispositivi. Il carburante e l'ossidante vengono pompati da diversi serbatoi alla testa dell'ugello, iniettati nella camera di combustione e miscelati. Dopo l'accensione sotto pressione, l'energia interna del carburante viene convertita in energia cinetica e fuoriesce attraverso l'ugello, creando la spinta del getto.
Il sistema di alimentazione è costituito da serbatoi di carburante, tubazioni e pompe con una turbina per il pompaggio del carburante dal serbatoio nella tubazione e una valvola di controllo.
L'approvvigionamento di carburante pompato crea alta pressione nella camera e, di conseguenza, una maggiore espansione del fluido di lavoro, grazie alla quale si ottiene il valore massimo dell'impulso specifico.
Testa dell'iniettore: un blocco di iniettori per l'iniezione di componenti del carburante nella camera di combustione. Il requisito principale per l'ugello è la miscelazione di alta qualità e la velocità di alimentazione del carburante alla camera di combustione.
Sebbene la percentuale di trasferimento di calore dalla struttura durante il processo di combustione sia insignificante, il problema del raffreddamento è rilevante a causa dell'elevata temperatura di combustione (>3000 K) e minaccia la distruzione termica del motore. Esistono diversi tipi di raffreddamento delle pareti della camera:
Il raffreddamento rigenerativo si basa sulla creazione di una cavità nelle pareti della camera attraverso la quale passa il carburante senza ossidante, raffreddando la parete della camera e il calore, insieme al refrigerante (carburante), ritorna nella camera.
Lo strato vicino alla parete è uno strato di gas creato da vapori combustibili vicino alle pareti della camera. Questo effetto si ottiene installando sulla periferia della testata degli iniettori che erogano solo carburante. Pertanto, la miscela combustibile manca di un agente ossidante e la combustione vicino alla parete non è così intensa come al centro della camera. La temperatura dello strato vicino alla parete isola le alte temperature al centro della camera dalle pareti della camera di combustione.
Il metodo ablativo di raffreddamento di un motore a razzo a propellente liquido viene eseguito applicando uno speciale rivestimento di schermatura termica alle pareti della camera e degli ugelli. Il rivestimento ad alte temperature cambia da stato solido in forma gassosa, assorbendo la maggior parte del calore. Questo metodo di raffreddamento di un motore a razzo liquido è stato utilizzato nel programma lunare Apollo.
Il lancio di un motore a razzo è un'operazione molto responsabile in termini di esplosività in caso di guasti nella sua attuazione. Esistono componenti autoinfiammabili con i quali non ci sono difficoltà, tuttavia, quando si utilizza un iniziatore esterno per l'accensione, è necessario un coordinamento ideale della sua alimentazione con i componenti del carburante. L'accumulo di carburante incombusto nella camera ha una forza esplosiva distruttiva e promette conseguenze disastrose.
Il lancio dei grandi motori a propellente liquido avviene in più fasi, seguite dal raggiungimento della massima potenza, mentre i piccoli motori vengono lanciati con una potenza immediata del cento per cento.
Il sistema di controllo automatico dei motori a razzo a propellente liquido è caratterizzato dall'implementazione di un avvio sicuro del motore e uscita dalla modalità principale, controllo del funzionamento stabile, regolazione della spinta in base al piano di volo, regolazione dei materiali di consumo, spegnimento al raggiungimento di una determinata traiettoria . A causa dei momenti non calcolabili, il motore a razzo a propellente liquido è dotato di una fornitura di carburante garantita in modo che il razzo possa entrare nell'orbita desiderata in caso di deviazioni nel programma.
I componenti del propellente e la loro scelta durante il processo di progettazione sono decisivi nella progettazione di un motore a razzo liquido. Su questa base vengono determinate le condizioni di stoccaggio, trasporto e tecnologia di produzione. L'indicatore più importante della combinazione di componenti è l'impulso specifico, da cui dipende la distribuzione della percentuale della massa di carburante e carico. Le dimensioni e la massa del razzo sono calcolate utilizzando la formula di Tsiolkovsky. Oltre all'impulso specifico, la densità influisce sulla dimensione dei serbatoi con componenti di carburante, il punto di ebollizione può limitare le condizioni operative dei razzi, l'aggressività chimica è caratteristica di tutti gli ossidanti e, se non vengono seguite le regole per il funzionamento dei serbatoi, può causare un serbatoio a incendiarsi, la tossicità di alcuni composti del carburante può causare gravi danni all'atmosfera e ambiente. Pertanto, sebbene il fluoro sia un agente ossidante migliore dell'ossigeno, non viene utilizzato a causa della sua tossicità.
I motori a razzo a propellente liquido monocomponente utilizzano il liquido come combustibile che, interagendo con il catalizzatore, si decompone con il rilascio di gas caldo. Il vantaggio principale dei motori a razzo monocomponente è la loro semplicità di progettazione e, sebbene l'impulso specifico di tali motori sia ridotto, sono ideali come motori a bassa spinta per l'orientamento e la stabilizzazione dei veicoli spaziali. Questi motori utilizzano un sistema di alimentazione del carburante dislocante e, a causa della bassa temperatura di processo, non necessitano di un sistema di raffreddamento. I motori monocomponente includono anche i motori a reazione a gas, utilizzati in condizioni in cui le emissioni termiche e chimiche sono inaccettabili.
All'inizio degli anni '70, gli Stati Uniti e l'URSS stavano sviluppando motori a razzo a propellente liquido a tre componenti che avrebbero utilizzato idrogeno e idrocarburi come carburante. In questo modo il motore funzionerebbe con cherosene e ossigeno all'avvio e passerebbe a idrogeno liquido e ossigeno ad alta quota. Un esempio di motore a razzo a tre componenti in Russia è l'RD-701.
Il controllo del razzo è stato utilizzato per la prima volta nei razzi V-2 utilizzando timoni gas-dinamici in grafite, ma questo ha ridotto la spinta del motore e in missili moderni vengono utilizzate telecamere rotanti, fissate al corpo con cerniere che creano manovrabilità su uno o due piani. Oltre alle telecamere rotanti, vengono utilizzati anche motori di controllo, fissati con ugelli nella direzione opposta e accesi se è necessario controllare l'apparato nello spazio.
Un motore a razzo a ciclo chiuso è un motore, uno dei componenti del quale viene gassificato per combustione a bassa temperatura con una piccola parte dell'altro componente, il gas risultante funge da fluido di lavoro della turbina, quindi viene immesso nel camera di combustione, dove brucia con i resti dei componenti del carburante e crea la spinta del getto. Il principale svantaggio di questo schema è la complessità del design, ma l'impulso specifico aumenta.
La prospettiva di aumentare la potenza dei motori a razzo liquido
A scuola russa creatori della LRE, guidati da per molto tempo era l'accademico Glushko, lottare per il massimo utilizzo dell'energia del carburante e, di conseguenza, il massimo impulso specifico possibile. Poiché il massimo impulso specifico può essere ottenuto solo aumentando l'espansione dei prodotti della combustione nell'ugello, tutti gli sviluppi vengono eseguiti alla ricerca della miscela di carburante ideale.
