1.3. Классификация реактивных двигателей

Ракетно-космические системы являются областью техники, характеризуемой специфическими летальными аппаратами и двигателями. Достижение космических скоростей стало возможно только на основе реактивного принципа движения – движения под действием силы отдачи рабочего тела, отбрасываемого от аппарата. Между реактивным и нереактивным принципами нет четкой границы. Любой способ передвижения основан на силе отдачи, т.е. отбросе какой-либо массы в обратном направлении. Примерами являются движения человека, автомобиля, лодки и т.д.

Характерными особенностями РД является:

-автономность от окружающей среды;

-независимость тяги от скорости движения ЛА;

-высокая концентрация подводимой энергии на единицу массы рабочего тела.

Источники энергии для работы РД. Выделим основные.

Химическая энергия. Носителем ее являются химические топлива – вещества, способные выделять теплоту в результате химических превращений.

Ядерная энергия. Ее источниками являются ядерные топлива – вещества, способные выделять теплоту в результате ядерных превращений:

- распад радиоактивных изотопов (непрерывная генерация теплоты);

- деление ядер (с момента достижения критической массы);

- термоядерный синтез.

Электрическая энергия. Источниками ее могут быть: солнечные батареи, электромеханическая установка, атомная электростанция и др.

В соответствие с видом первичной энергии различают химические, ядерные и электрические РД. Для реактивного движения может быть реализована механическая энергия в форме энергии газа, сжатого до большого давления в шар–баллоне на борту ЛА, но такой способ неэффективен ввиду низкой плотности энергии.

В зависимости от исходной формы рабочего тела можно выделить два принципиальных случая:

1. Источник рабочего тела и энергии совмещены. Таковыми являются химические топлива – энергия, выделяемая ими при горении, сообщается продуктам их реакции. То же происходит со сжатым газом.

2. Источники энергии и рабочего тела разделены. Это присуще ядерным и электрическим двигателям. Продукты ядерных реакций нецелесообразно использовать в качестве рабочего тела ввиду малости их массы и опасности радиоактивного заражения окружающей среды. Предусматривают специальное рабочее тело, воспринимающее энергию от независимого источника. Подвод энергии осуществляют в реакторе, а разгон массы – в ускорителе (сопле). Для нетермических электрических РД характерным является ускорение рабочего тела при малом расходе массы, их применяют для разгона КА уже после достижения первой космической скорости.

Вернемся к РД на химическом топливе, нашедшим наиболее широкое применение.

Классификация их связана с видом применяемого топлива. Химические ракетные топлива способны к экзотермическим реакциям, основные виды которых следующие:

1. Горение. Горение или окисление – это основной способ получения энергии в форме теплоты. В реакции горения необходимо участие окислительных и горючих элементов, которые могут находиться в составе одного или нескольких веществ, образующих топливо. Обычно вещества, состоящие преимущественно из окислительных компонентов для окисления горючего, называют окислителями, а вещества, в которых содержатся преимущественно горючие элементы – горючими.

2. Разложение. К экзотермическому разложению способны некоторые индивидуальные вещества, при образовании молекул которых затрачена теплота.

3. Рекомбинация. Тепловой эффект рекомбинации, т.е. воссоединения атомов или радикалов, обладающих свободной валентностью, очень значителен, и его применение в РД заманчиво. Однако способы получения и хранения свободных атомов и радикалов не найдены и топлива на их основе не созданы.

Характерным признаком химического топлива является агрегатное состояние его компонентов. Однофазное топливо может быть жидким или твердым. Гибридное топливо представляет собой сочетание твердого и жидкого компонентов.

Твердое топливо размещают в камере сгорания двигателя, жидкие компоненты хранят в специальных емкостях – баках, откуда их подают в двигатель.

Однокомпонентное жидкое топливо поступает в двигатель в виде одной жидкости, представляющей собой индивидуальное вещество, либо однородную механическую смесь, либо раствор различных веществ. Двухкомпонентное жидкое топливо состоит из двух раздельно хранящихся и раздельно подающихся в двигатель компонентов: окислителя и горючего, которые сами по себе могут быть индивидуальными веществами или растворами (смесями) веществ. Такое топливо раздельной подачи является наиболее распространенным видом жидкого ракетного топлива. Возможно применение трехкомпонентных жидких и гибридных топлив.

Твердые топлива содержат в своем составе окислительные и горючие элементы, весь запас их в виде топливных зарядов размещается в камере сгорания двигателя.

Типы реактивных двигателей показаны на рис.1.1. В дальнейшем будем рассматривать только ракетные двигатели на химическом топливе: ЖРД, РДТТ и гибридные РД.

Реактивные двигатели разделяют на двигатели непрямой и прямой реакции. К первым относятся винтомоторный двигатель (ри.1.1., а), для которого характерно следующее. Собственно в двигателе используются два компонента топлива: горючее и воздух окружающей среды, тепловая энергия продуктов сгорания преобразуется в механическое движение винта. Система содержит движитель – винт, который отбрасывает окружающий воздух (рабочего тело) и создает тягу. Получается, что двигатель и движитель разделены, используют разные рабочие тела и всегда есть необходимость в окружающем воздухе, как окислителе для двигателя, и в рабочем теле для движителя. Преобразование энергии для такого двигателя можно записать следующим образом:

Характерным примером двигателя прямой реакции является воздушно – реактивный двигатель, кото-рый начал разрабатываться в Германии в 1938 г. для крылатых ракет ФАУ-1 (рис. 1.1., б).

Его особенностями являются: совмещение двигателя и движителя и обязательное наличие воздуха в окружающей среде. А ракетный двигатель не требует окислителя в окружающей среде, имеет совмещенные двигатель и движитель, топливо является источником энергии и рабочего тела (рис 1.1., в). Таким образом, ракетный двигатель – реактивный двигатель прямой реакции, имеющий источник рабочего тела на борту. Преобразование энергии для такого типа двигателя можно записать так:

Термическим ракетным двигателем (РД) является ракетный двигатель, в котором кинетическая энергия ускоряемого рабочего тела получается из тепловой энергии. Превращение теплоты в кинетическую энергию происходит в процессе расширения рабочего тела в сопле, являющимся признаком термического двигателя. Перед расширением необходимо организовать нагрев рабочего тела.

Рис 1.2 Классификация реактивных двигателей

За пределами земной атмосферы РД являются пока единственными пригодными для управляемого полета ЛА. В соответствии с задачами управления полета ЛА ракетные двигатели выполняют две основные функции:

1. Создание тяги, управляющей перемещением аппарата в поле сил тяготения и в среде с сопротивлением;

2. Создание управляющих усилий и моментов для управления движением центра масс (стабилизации) и для целей ориентации.

Обычно различают основные (маршевые) двигатели и вспомогательные. Маршевые двигатели осуществляют разгон ЛА на активном участке траектории, тяга их может достигать значения десятков меганьютонов, а среди вспомогательных различают: тормозные, рулевые, коррекции - тяга их может иметь небольшие значения.

Двигатели для коррекции и управления КА обычно имеют тягу в диапазоне 0.01÷1600 Н и их называют ракетными двигателями малой тяги (РДМТ).

ЛЕКЦИЯ 2