V obecném případě je ohřev pracovní tekutiny přítomen jako součást pracovního procesu tepelného raketového motoru. Kromě toho je přítomnost zdroje tepla – ohřívače – formálně povinná (v konkrétním případě může být jeho tepelný výkon nulový). Jeho typ lze charakterizovat typem energie přeměněné na teplo. Získáme tak klasifikační znak, podle kterého se tepelné raketové motory podle druhu energie přeměněné na tepelnou energii pracovní tekutiny dělí na elektrické, jaderné (obr. 10.1.) a chemické (obr. 13.1, stupeň 2). ).

Konstrukce, konstrukce a dosažitelné parametry raketového motoru na chemické palivo jsou do značné míry určeny agregovaným stavem raketového paliva. Raketové motory využívající chemické palivo (v zahraniční literatuře někdy nazývané chemické raketové motory) na základě tohoto kritéria se dělí na:

raketové motory na kapalné palivo – raketové motory na kapalné palivo, jejichž palivové součásti jsou při skladování na palubě kapalné (obr. 13.1, úroveň 3; foto, foto),

raketové motory na tuhá paliva – raketové motory na tuhá paliva (obr. 1.7, 9.4, foto, foto),

hybridní raketové motory – HRD, jejichž palivové komponenty jsou na palubě v různých stavech agregace (obr. 11.2).

Zřejmým znakem klasifikace motorů na chemická paliva je počet složek pohonné hmoty.

Například motory na kapalné pohonné hmoty využívající jednosložkové nebo dvousložkové palivo, motory na plynové pohonné hmoty využívající třísložkové palivo (podle zahraniční terminologie – tribridní palivo) (obr. 13.1, úroveň 4).

Na základě konstrukčních charakteristik je možné klasifikovat raketové motory do desítek kategorií, ale hlavní rozdíly ve výkonu cílové funkce jsou určeny schématem přívodu komponent do spalovací komory. Nejtypičtější klasifikací na tomto základě jsou raketové motory na kapalná paliva.

Klasifikace raketových paliv.

RT se dělí na pevné a kapalné. Tuhá raketová paliva mají oproti kapalným řadu výhod: jsou skladována po dlouhou dobu, neovlivňují plášť rakety a vzhledem k jejich nízké toxicitě nepředstavují nebezpečí pro personál, který s nimi pracuje.

Výbušná povaha jejich spalování však způsobuje potíže při jejich použití.

Pevné raketové pohonné hmoty zahrnují balisty a korditové pohonné hmoty na bázi nitrocelulózy.

Kapalný proudový motor, jehož myšlenka patří K.E. Tsiolkovskému, je nejběžnější v kosmonautice.

Kapalný RT může být jednosložkový nebo dvousložkový (oxidační a hořlavý).

Mezi oxidační činidla patří: kyselina dusičná a oxidy dusíku (dioxid, tetraoxid), peroxid vodíku, kapalný kyslík, fluor a jeho sloučeniny.

Jako palivo se používá petrolej, kapalný vodík a hydraziny. Nejpoužívanější jsou hydrazin a nesymetrický dimethylhydrazin (UDMH).

Látky tvořící kapalnou RT jsou vysoce agresivní a pro člověka toxické. Zdravotnická služba se proto potýká s problémem provádění preventivních opatření na ochranu personálu před akutní a chronickou otravou CRT a organizování neodkladné péče o zranění.

READ
Jak funguje elektrická sekačka na trávu?

V tomto ohledu se studuje patogeneze a klinický obraz lézí, vyvíjejí se prostředky pro poskytování neodkladné péče a léčby postižených, vytvářejí se prostředky pro ochranu kůže a dýchacích orgánů a maximální přípustné koncentrace různých CRT a jsou stanoveny potřebné hygienické normy.

Nosné rakety a pohonné systémy různých kosmických lodí jsou primární oblastí použití motorů na kapalná paliva.

Mezi výhody kapalných raketových motorů patří:

Nejvyšší specifický impuls ve třídě chemických raketových motorů (přes 4 m/s pro dvojici kyslík-vodík, pro petrolej-kyslík – 500 m/s).

Řízení tahu: úpravou spotřeby paliva můžete měnit velikost tahu v širokém rozsahu a zcela zastavit motor a poté jej znovu spustit. To je nezbytné při manévrování s vozidlem ve vesmíru.

Při vytváření velkých raket, například nosných raket, které vynášejí mnohatunové užitečné zatížení na nízkou oběžnou dráhu Země, použití motorů na kapalná paliva umožňuje dosáhnout hmotnostní výhody ve srovnání s motory na tuhá paliva (motory na tuhá paliva). Jednak díky vyššímu specifickému impulsu, jednak díky tomu, že kapalné palivo je na raketě obsaženo v samostatných nádržích, ze kterých je pomocí čerpadel přiváděno do spalovací komory. Díky tomu je tlak v nádržích výrazně (desítkykrát) nižší než ve spalovací komoře a samotné nádrže jsou tenkostěnné a relativně lehké. U raketového motoru na tuhá paliva je zásobník paliva zároveň spalovací komorou a musí odolat vysokému tlaku (desítky atmosfér), což s sebou nese zvýšení jeho hmotnosti. Čím větší je objem paliva na raketě, tím větší je velikost nádob pro jeho uskladnění a tím větší je hmotnostní výhoda raketového motoru na kapalné palivo ve srovnání s raketovým motorem na tuhá paliva a naopak: u malých raket je přítomnost turbočerpadla tuto výhodu neguje.

Motor na kapalné palivo a na něm založená raketa jsou mnohem složitější a dražší než motory na tuhá paliva s ekvivalentními schopnostmi (nehledě na to, že 1 kg kapalného paliva je několikanásobně levnější než tuhé palivo). Raketu na kapalné palivo je nutné přepravovat s větší opatrností a technologie přípravy ke startu je složitější, pracnější a časově náročnější (zejména při použití zkapalněných plynů jako palivových komponent), proto u vojenských raket, v současné době jsou upřednostňovány motory na tuhá paliva, kvůli jejich vyšší spolehlivosti, mobilitě a bojové připravenosti.

V nulové gravitaci se složky kapalného paliva nekontrolovatelně pohybují v prostoru nádrží. K jejich uložení je nutné provést speciální opatření, například zapnout pomocné motory na pevné palivo nebo plyn.

V současné době je u chemických raketových motorů (včetně motorů na kapalná paliva) dosaženo hranice energetických schopností paliva, a proto se teoreticky nepředpokládá možnost výrazného zvýšení jejich specifického impulsu, což omezuje schopnosti raketové techniky založené na použití chemických motorů, již zvládnuté ve dvou směrech:

READ
Jak okořenit grilovací pánev?

Vesmírné lety v blízkozemském prostoru (jak s posádkou, tak bez posádky).

Průzkum vesmíru ve sluneční soustavě pomocí automatických vozidel (Voyager, Galileo).

Volba palivových komponentů je jedním z nejdůležitějších rozhodnutí při návrhu motoru na kapalná paliva, předurčující mnoho detailů konstrukce motoru a následných technických řešení. Proto je výběr paliva pro raketový motor na kapalné palivo prováděn s komplexním zvážením účelu motoru a rakety, na které je instalován, podmínek jejich provozu, technologie výroby, skladování, dopravy na místo startu. , atd.

Jedním z nejdůležitějších ukazatelů charakterizujících kombinaci komponent je specifický impuls, který je zvláště důležitý při navrhování nosných raket kosmických lodí, protože poměr hmotnosti paliva a užitečného zatížení, a tedy velikost a hmotnost celé rakety, velmi závisí na to (viz. Tsiolkovského vzorec), což se může ukázat jako nereálné, pokud specifický impuls není dostatečně vysoký. Tabulka 1 ukazuje hlavní charakteristiky některých kombinací složek kapalného paliva.

Kromě konkrétního impulsu při výběru složek paliva mohou hrát rozhodující roli i další ukazatele vlastností paliva, mezi které patří:

Hustota, která ovlivňuje velikost nádrží na komponenty. Jak vyplývá z tabulky. 1, vodík je hořlavý, s nejvyšším specifickým impulsem (ze všech oxidačních činidel), ale má extrémně nízkou hustotu. Proto první (největší) stupně nosných raket obvykle používají jiné (méně účinné, ale hustší) typy paliva, například petrolej, což umožňuje zmenšit velikost prvního stupně na přijatelné. Příkladem takové „taktiky“ je raketa Saturn 5, jejíž první stupeň využívá kyslík/petrolej, a 2. a 3. stupeň využívá kyslík/vodík, a systém Space Shuttle, který jako první stupeň využívá raketové motory na tuhá paliva.

Bod varu, který může způsobit vážná omezení provozních podmínek rakety. Podle tohoto ukazatele se složky kapalného paliva dělí na kryogenní – zkapalněné plyny chlazené na extrémně nízké teploty a vysokovroucí – kapaliny s bodem varu nad 0 °C.

Kryogenní komponenty nelze dlouhodobě skladovat ani přepravovat na velké vzdálenosti, proto je nutné je vyrábět (alespoň zkapalňovat) ve speciálních energeticky náročných výrobních zařízeních umístěných v těsné blízkosti místa startu, čímž je odpalovací zařízení zcela nehybné. Kromě toho mají kryogenní komponenty další fyzikální vlastnosti, které kladou další požadavky na jejich použití. Například přítomnost i malého množství vody nebo vodní páry v nádobách se zkapalněnými plyny vede k tvorbě velmi tvrdých ledových krystalků, které, pokud se dostanou do palivového systému rakety, působí na její části jako abrazivní materiál a mohou způsobit vážnou nehodu. Během mnohahodinové přípravy rakety ke startu na ní namrzne velké množství námrazy, která se promění v led a pád jejích kusů z velké výšky představuje nebezpečí pro personál podílející se na přípravě i pro samotnou raketu a odpalovací zařízení. Poté, co se rakety naplní zkapalněnými plyny, začnou se vypařovat a až do okamžiku startu je třeba je průběžně doplňovat přes speciální doplňovací systém. Přebytečný plyn vznikající při odpařování komponentů musí být odstraněn tak, aby se okysličovadlo nemísilo s palivem a nevytvářelo výbušnou směs.

READ
Co je univerzální profil?

Vysokovroucí komponenty jsou mnohem pohodlnější pro přepravu, skladování a manipulaci, proto v 50. letech nahradily kryogenní komponenty z oblasti vojenské raketové techniky. Následně se tato oblast stále více začala zaměřovat na pevná paliva. Ale při vytváření kosmických nosičů si kryogenní paliva stále zachovávají svou pozici díky své vysoké energetické účinnosti a pro manévry v kosmickém prostoru, kdy musí být palivo skladováno v nádržích na měsíce nebo dokonce roky, jsou nejvhodnější komponenty s vysokým bodem varu. Ilustraci této „dělby práce“ lze vidět na raketových motorech na kapalná paliva zapojených do projektu Apollo: všechny tři stupně nosné rakety Saturn 5 používají kryogenní komponenty a motory lunární lodi určené pro korekci trajektorie. a pro manévry na oběžné dráze Měsíce použijte vysokovroucí asymetrický dimethylhydrazin a tetraoxidový dusík.

Chemická agresivita. Tuto kvalitu mají všechna oxidační činidla. Proto přítomnost i malého množství organických látek v nádržích určených pro okysličovadlo (například mastné skvrny zanechané lidskými prsty) může způsobit požár, který může způsobit vznícení materiálu samotné nádrže (hliník, hořčík, titan a železo hoří velmi energicky v prostředí raketového okysličovadla ). Kvůli své agresivitě se okysličovadla zpravidla nepoužívají jako chladiva v chladicích systémech raketových motorů na kapalná paliva a v plynových generátorech TNA, aby se snížilo tepelné zatížení turbíny, je pracovní tekutina přesycena palivem spíše než okysličovadlem. . Při nízkých teplotách je kapalný kyslík snad nejbezpečnějším okysličovadlem, protože alternativní okysličovadla, jako je oxid dusný nebo koncentrovaná kyselina dusičná, reagují s kovy, a přestože se jedná o vysokovroucí okysličovadla, která lze skladovat po dlouhou dobu při normálních teplotách, životnost nádrží ve kterých se nacházejí, jsou omezené.

Toxicita složek paliva a produktů jejich spalování je vážným omezením jejich použití. Například fluor, jak vyplývá z tabulky 1, je jako oxidační činidlo účinnější než kyslík, ale ve spojení s vodíkem tvoří fluorovodík – extrémně toxickou a agresivní látku, která uvolňuje několik stovek, mnohem méně tisíc tun takového spalovacího produktu do atmosféry při vypouštění velké rakety je samo o sobě velkou katastrofou způsobenou člověkem, a to i při úspěšném startu. A v případě havárie a úniku takového množství této látky nelze škodu vyúčtovat. Proto se fluor jako složka paliva nepoužívá. Toxický je také oxid dusnatý, kyselina dusičná a nesymetrický dimethylhydrazin. V současné době je preferovaným (z hlediska životního prostředí) okysličovadlem kyslík a palivem je vodík, následovaný petrolejem.

READ
Co je součástí mostu?

Dostat se pryč od Země a získat dostatečnou rychlost pro vstup na oběžnou dráhu vyžaduje enormní spotřebu paliva. Například suchá hmotnost rakety Sojuz je hmotnost bez paliva, o něco více než třicet tři a půl tuny. Ale při startu je celková hmotnost rakety téměř 308 tun – pouze jedenáct procent celkové hmotnosti jde s nákladem do vesmíru. K překonání gravitace se v Sojuzu spálí více než 270 tun paliva.

Foto: Roskosmos

Foto: Vesmírné středisko Vostočnyj / Roskosmos

V materiálu Scientific Russia o typech raketového paliva, které se dnes používá, a o slibném vývoji.

Tuhé raketové palivo

Černý prach se dnes používá především v petardách, ohňostrojích a dalších pyrotechnických výrobcích, i když původně šlo o první raketové palivo. Jeden ze čtyř velkých čínských vynálezů – podle některých zdrojů se již ve druhém století našeho letopočtu používala v raketách směs ledku, dřevěného uhlí a síry.

Motor na tuhou pohonnou hmotu

Tuhé raketové palivo je látka nebo směs látek, která může hořet bez kyslíku, přičemž se uvolňuje poměrně hodně plynu. Mezi výhody motorů na tuhá paliva patří relativní jednoduchost výroby a použití, absence problémů s úniky toxických látek, spolehlivost a možnost dlouhodobého skladování paliva. Nevýhodou těchto motorů je nízký specifický impuls, potíže s řízením tahu motoru a opětovného startování a vysoká úroveň vibrací během provozu. Kvůli nedostatkům motorů na tuhá paliva jako první létaly do vesmíru rakety s motory na kapalná paliva, i když tuhé hořlavé směsi byly vynalezeny již dříve.

Při vypouštění amerických raketoplánů byly použity posilovače na tuhá paliva – dvě taková zařízení, čtyřicet pět a půl metru dlouhá a s celkovou hmotností 1180 tun, zrychlila lodě a oddělila se ve výšce asi čtyřicet pět kilometrů přibližně dvě minuty po startu. : sestoupily na padáku a po doplnění paliva byly znovu použity .

Moderní pevná paliva jsou směsí hořlavých látek a okysličovadla. Mnohé z nich jsou vhodné pro raketovou vědu, ale většina je založena na okysličovadlech, která mohou interagovat s různými palivy. Mohou to být chloristan amonný, lithný nebo draselný. Nebo dusičnany draselné či amonné. Jako palivo se používají kovy nebo jejich slitiny, například hliník, hořčík, lithium a berylium. Je možné použít i jiné materiály: polymery nebo pryskyřice, jako je polyethylen, pryž a bitumen.

Kapalné raketové palivo

Kapalinové proudové motory mohou jako palivo používat jedno-, dvou- a třísložkové směsi. Mají vysoký specifický impuls, lze je zastavit a znovu nastartovat, což je důležité při manévrování ve vesmíru a samotné rakety na kapalný pohon jsou lehčí. Jsou ale složitější a dražší: systém palivových nádrží, potrubí a čerpadel vyžaduje pečlivější přípravu a testování při montáži a před spuštěním.

READ
Jak funguje bezdrátový zvonek bez baterií?

Prvky kapalného paliva jsou palivo a okysličovadlo. Jsou dodávány z různých nádrží pod tlakem přes trysky a smíchány ve spalovací komoře. Po zapálení začíná spalovací proces, který pokračuje, dokud palivo a okysličovadlo nevstoupí do komory. Petrolej, vodík zkapalněný pro vstřikování do nádrží a sloučenina dusíku a vodíku hydrazin jsou hlavními druhy paliva pro kapalné raketové motory. Pokud se jako palivo používá petrolej nebo vodík, jako okysličovadlo se používá zkapalněný kyslík. Pokud je palivem hydrazin, pak se jako oxidační činidlo používá oxid dusnatý – N2O4.

Vodík hoří čistěji než ostatní – když se spojí s kyslíkem, uvolňuje pouze teplo a vodní páru. Petrolej, který je rafinovaný pro použití jako palivo, při spalování uvolňuje oxid uhelnatý a oxid uhličitý.

Kapalné motorové palivo může být i jednosložkové. Vzhledem k nízkému specifickému impulsu a nižší účinnosti jsou tyto typy méně oblíbené než dvousložkové směsi, vyznačují se však jednoduchostí konstrukce motoru. Jednosložkové palivo je kapalina, která se při interakci s katalyzátorem rozkládá za vzniku horkého plynu. Může to být hydrazin, který se rozkládá na amoniak a dusík, nebo koncentrovaný peroxid vodíku, který tvoří přehřátou vodní páru a kyslík. Katalyzátorem může být například oxid železa.

Palivo budoucnosti

Chemické raketové pohonné hmoty, kapalné i pevné, jsou schopné vynést kosmické lodě na nízkou zemskou nebo měsíční oběžnou dráhu, ale pro vesmírné mise na dlouhé vzdálenosti nemusí stačit.

Jedním z návrhů, který by mohl vyřešit problém dálkových letů, jsou jaderné motory. Podle výpočtů může jaderný tepelný motor dopravit raketu na Mars za pouhé tři měsíce. Jedna z amerických společností navrhla použít jako pracovní tekutinu jaderný motor se zkapalněným vodíkem. V takovém systému reaktor vyrábí teplo z uranového paliva. Toto teplo ohřívá kapalný vodík, který při expanzi vytváří tah. Vývoj jaderných raketových motorů začal již v padesátých letech, ale dosud žádné takové zařízení nebylo spuštěno.

A v březnu 2021 Roskosmos oznámil, že v letech 2025-2030 plánují otestovat další slibný vývoj – nové iontové motory o výkonu 200 W až 35 kV. Iontové motory jsou typem elektrického raketového motoru, který generuje tah z ionizovaného plynu urychleného na vysoké rychlosti v elektrickém poli. Takový vývoj se již používá ve vesmírných misích. Iontové motory se vyznačují nízkou spotřebou paliva a dlouhou dobou provozu.