Принцип работы и устройство реактивного двигателя

Государственное устройство Бразилии

Согласно Конституции 1988 года, Бразилия – это федеративная республика. Ее глава — Президент, которого избирают на 4 года. Исполнительная власть принадлежит Президенту, Вице-президенту и Кабинету министров в составе 15 министров с председателем.

Двухпалатный бразильский парламент называется Национальный Конгресс, он состоит из Сената (81 сенаторов) и Палаты депутатов (513 депутатов).

Основные политические партии – «Партия трудящихся», «Партия бразильского демократического движения», «Бразильская социал-демократическая партия», «Демократическая партия», «Прогрессистская партия» и «Партия республики».

Административно страна делится на 26 штатов и один федеральный округ с центром в Бразилиа.

Популярное в нашем блоге

Из истории ракетной техники

Вы знаете когда была запущена первая ракета с жидкостным ракетным двигателем, или кто предложил использовать тетраоксид азота в качестве окислителя? Кто такой Вернер фон Браун и Сергей Королёв? За не особо долгую историю развития ракетной техники произошло столько знаковых и особенных событий, что об этом уже написаны тысячи книг. Если любопытно, обязательно загляните в наш исторический дайджест. Ведущий рубрики Александр Грищенко расскажет Вам очень много интересного.
 

Расчёт камеры ЖРД

Если Вы делаете курсовой или дипломный проект, или быть может Вы только начинаете осваивать нелёгкое искусство ракетного инженера-двигателиста, Вам непременно нужно посетить данный раздел. Я, Дмитрий Завистовский, помогу Вам освоить все основные этапы этого пути. Мы разберём особенности всех необходимых расчётов — определим состав топлива, выполним термодинамический расчёт, построим газодинамический профиль камеры, посчитаем форсунки и проточное охлаждение камеры и не забудем о прочностных расчётах. Изучайте ЖРД вместе с нами.
 

Энциклопедия

Вы пришли после лекции, и у Вас остались какие-то вопросы? А может Вы нашли интересную книгу и встретили незнакомый термин. Откройте нашу Энциклопедию. Здесь есть всё, что Вы хотели знать о ракетных двигателях, но боялись спросить. Расширьте свой кругозор — удивите преподавателя!
 
 

Справочные материалы

Вам знакомо ощущение досады, когда завтра консультация, хочется успеть закончить какой-то расчёт, а Вы не знаете где взять, например, значение теплопроводности бронзы? Что делать? Теперь нет ничего проще. В наших Справочных материалах Вы сможете найти всё, что нужно любознательному студенту. А если у Вас есть чем поделиться, мы с радостью разместим полезную информацию на нашем сайте, чтобы она стала доступной всем читателям.
 
 

Сравнение с другими схемами

В отличие от двигателей открытой схемы, в двигателе замкнутой схемы генераторный газ после срабатывания на турбине не выбрасывается в окружающую среду, а подаётся в камеру сгорания, участвуя таким образом в создании тяги и повышая эффективность двигателя (удельный импульс).

В двигателе закрытой схемы расход рабочего тела через турбину ТНА существенно выше, чем в двигателе открытой схемы, что делает возможным достижение более высоких давлений в камере сгорания. При этом размеры камеры сгорания уменьшаются, а степень расширения сопла увеличивается, что делает его более эффективным при работе в атмосфере.

Недостатком этой схемы являются тяжёлые условия работы турбины, более сложная система трубопроводов из-за необходимости транспортировки горячего генераторного газа к основной камере сгорания, что имеет большое влияние на общую конструкцию двигателя и усложняет управление его работой.

Как работает реактивный двигатель

Воздух из окружающего пространства поступает на всас вентиляторов, которые подают его далее лопатки вращающегося с очень высокой скоростью турбокомпрессора. При этом поступающий воздух выполняет 2 функции:

• окислитель для сгорания топлива;
• охладитель агрегата.

В лопаточном аппарате турбокомпрессора воздух крепко уплотняется и под высоким давлением (от 3 МПа) подается в топливную смесительную камеру реактивного двигателя. Из рисунка 3 видно, что камера сгорания устроена таким образом, что смешение воздуха производится в несколько ступеней — на входе и в самой камере. Сюда же подводится топливо.

Хорошо перемешанная и в достаточном количестве обогащенная смесь воспламеняется, и в результате сгорания образуется тепловая энергия с выделением огромного объема газов. Последние приводят во вращение турбину горячей части двигателя, привод которой служит приводом турбокомпрессора.

В отдельных моделях реактивных двигателей турбины на выходе не монтируются. По большей части данное исполнение применяется в конструкции и принципе работы ракетного двигателя, где продукты сгорания после камеры попадают на выходные сопла.

Покидая горячую ступень, газы во всех реактивных аппаратах проходят через сопла. Эти элементы отличаются по своим конструкциям для разных моделей реактивных агрегатов и представляют собой «трубу», которая сначала сужается, а к выходу газов увеличивается в диаметре. За счет такой конструкции отработавшие газы увеличивают свою скорость до сверхзвука и образуют реактивную силу.

Температура горения в «сердце» реактивного агрегата достигает 2500°С, поэтому конструктивно требовательны в постоянстве охлаждения.

[править] Краткие технические характеристики

ЭРД характеризуются малым массовым расходом РТ и высокой скоростью истечения ускоренного потока частиц. Нижняя граница скорости истечения примерно совпадает с верхней границей скорости истечения струи химического двигателя и составляет около 3 000 м/с. Верхняя граница теоретически неограничена (в пределах скорости света), однако для перспективных моделей двигателей рассматривается скорость, не превышающая 200 000 м/с. В настоящее время для двигателей различных типов оптимальной считается скорость истечения от 16 000 до 60 000 м/с.

В связи с тем, что процесс ускорения в ЭРД проходит при низком давлении в ускорительном канале (концентрация частиц не превышает 1020 частиц/м³), плотность тяги довольно мала, что ограничивает применение ЭРД: внешнее давление не должно превышать давление в ускорительном канале, а ускорение КА очень мало (десятые или даже сотые g). Исключением из этого правила могут быть ЭДД на малых КА.

Электрическая мощность ЭРД колеблется от сотен ватт до мегаватт. Применяемые в настоящее время на КА ЭРД имеют мощность от 800 до 2 000 Вт.

ЭРД характеризуются не очень высоким КПД — от 30 до 60 %.

Автономность

Как я понимаю, аккумуляторы в RZ-S500W используются точно такие же, как и в RZ-S300W — 55 мАч в каждом наушнике, а вот аккумулятор в кейсе пришлось уменьшить с 800 мАч до 650 мАч из-за того, что ниши под вкладыши занимают больше места.

Так как динамики увеличились, абсолютная автономность этой модели немного снизилась — с 7,5 ч непрерывного прослушивания музыки до 6,5 ч, что с учетом ANC — все равно очень неплохо. Вместо общих 30 часов автономности с учетом зарядки от чехла, выходит около 20 часов. В целом — достойный результат.

Panasonic RZ-S500W vs Sony WF-XB700 vs Samsung Galaxy Buds+ vs Tronsmart Apollo Bold

«Ни у одной страны нет подобных разработок»

По мнению академика Российской академии космонавтики Александра Железнякова, новый двигатель, как и его предшественник РД-171М, будет успешно конкурировать с зарубежными аналогами.   

По его словам, продвижение этого двигателя на международном рынке связано с вопросами геополитики.

«Кроме Китая, вряд ли кто-то заинтересуется, поскольку это зависит от геополитической обстановки», — пояснил он.

Схожую точку зрения выразил и военный эксперт Михаил Тимошенко. 

«Этот двигатель сможет конкурировать с иностранными разработками. США вряд ли будут заинтересованы в его покупке, потому что у них есть двигатель для тяжёлых ракет. Но интерес могут проявить Евросоюз и Китай, если, конечно, они захотят выводить на орбиту что-то тяжёлое», — сказал он RT.

• Ракета-носитель среднего класса «Союз-5» («Иртыш»)

В свою очередь, Моисеев заявил, что двигатель вряд ли пойдёт на экспорт, поскольку такие аппараты создаются под конкретные ракеты. Пока за рубежом нет ракет, совместимых с РД-171МВ.

«Для его покупки предполагаемый покупатель должен иметь соответствующую ракету. Им заинтересуются тогда, когда кто-то начнёт разрабатывать ракету, под которую он подойдёт, но пока таких ракет не разрабатывают и в планах ни у кого нет», — сказал эксперт. 

Вооружение

Десять торпедных аппаратов калибра 533 мм расположены под углом побортно в районе ограждения выдвижных устройств.
За ограждением находятся 8 вертикальных ракетных шахт, в каждой из которых размещается по 4 ракеты. Возможность комбинировать ракетное вооружение дает гибкость в выполнении широкого набора боевых задач — от борьбы с субмаринами и поражения стационарных наземных целей до уничтожения всех типов надводных кораблей противника крылатыми ракетами систем «Калибр» и «Оникс».
По заявлению гендиректора предприятия-проектировщика субмарины — конструкторского бюро «Малахит» Владимира Дорофеева, многоцелевая атомная подводная лодка проекта 885 «Ясень» способна применять все находящиеся на вооружении ВМФ РФ крылатые ракеты морского базирования. Ясень-М также способна будет применять перспективные крылатые ракеты «Циркон». Следующим поколением после проекта «Ясень-М» будут подводные лодки проекта «Хаски», которые по состоянию на 2017 год находятся в разработке.

Жидкотопливные ракеты

Роберт Годдард в 1925 году испытал первый двигатель, работающий на жидком топливе. Его двигатель использовал для работы жидкий кислород и бензин. Также он стремился решить многие фундаментальные проблемы в конструкции двигателя ракеты, включая стратегии охлаждения, механизмы накачки и рулевые механизмы. Такие проблемы делают ракеты с жидким топливом столь сложными. Все это ему успешно удалось.

Главная идея максимально проста. В большинстве жидкотопливных ракетных двигателях окислитель и топливо (к примеру, жидкий кислород и бензин закачиваются в камеру сгорания). Там они сгорают, создавая поток горячих газов с высоким давлением и скоростью. Эти газы проходят через специальное сопло, которое делают их скорость еще большей (от 8 тыс. до 16 тыс. километров в час), а затем выходят. Ниже приведена простая схема, демонстрирующая этот процесс наглядно.

На схеме видно сложности обычного ракетного двигателя. Например, нормальное топливо – это холодный жидкий газ по типу жидкого кислорода или жидкого водорода. Но одной из серьезных проблем подобного двигателя является охлаждение сопла и камеры сгорания, поэтому сначала холодная жидкость циркулирует вокруг перегретых частей, дабы их охладить. Насосы должны генерировать высокое давление, чтобы преодолеть давление в камере сгорания, сжигаемой топливом. Это охлаждение и подкачка делает ракетный двигатель схожим на неудачную попытку сантехнической самореализации. Теперь рассмотрим все варианты комбинации топлива, которые применяется в жидкотопливных двигателях ракет:

• жидкий кислород и жидкий водород (главные двигатели космических шаттлов);
• жидкий кислород и бензин (первые ракеты Годдарда);
• жидкий кислород и керосин (применялись в программе «Аполлон» в 1 ступени «Сатурна-5»);
• жидкий кислород и спирт (применялись ракетах V2 немецкого производства);
• четырехокись азота/монометилгидразин (применялись в двигателях «Кассини»).

Использование двух турбокомпрессоров и других турбо деталей

На некоторые двигатели устанавливается два турбокомпрессора разного размера. Малый турбокомпрессор быстрее набирает обороты, снижая тем самым задержку ускорения, а большой обеспечивает больший наддув при высокой скорости вращения двигателя.

Охладитель воздуха или охладитель наддувочного воздуха является дополнительным устройством, которое выглядит как радиатор, только воздух проходит как внутри, так и снаружи охладителя. 

Охладитель увеличивает мощность двигателя, охлаждая сжатый воздух от компрессора перед его подачей в двигатель. 

Турбокомпрессоры также обладают преимуществом на большой высоте, где плотность воздуха ниже. Обычные двигатели будут работать слабее на большой высоте над уровнем моря, т.к. на каждый ход поршня подаваемая масса воздуха будет меньше. Мощность двигателя с турбокомпрессором также снизится, но менее заметно, т.к. разреженный воздух легче сжимать.

Плюсы и минусы

Преимущества:

В отличие от твердотопливных ракет, некоторые жидкостные двигатели можно выключить и снова запустить

Это важно для двигателей управления, когда требуются только короткие импульсы или когда требуется покинуть околоземную орбиту (например, в последовательности полетов на Луну Аполлона).
Ракету можно собрать без топлива и доставить к месту старта, что делает ее легче и исключает риск взрыва или возгорания при сборке и транспортировке. Заправка происходит незадолго до старта

Однако на стартовой площадке должны быть специальные помещения.
Функциональность жидкостных двигателей (тяга, скорость насоса, давление в камере сгорания) можно проверить в промежутке между зажиганием и отрывом ракеты от стартовой площадки.
Тягу можно регулировать во время работы.
Жидкие ракеты часто используют топливо более эффективно, чем твердотопливные, и, таким образом, достигают более высоких максимальных скоростей при том же количестве топлива.
Часто используемая топливная комбинация LOX / LH2 горит с образованием воды и поэтому на местном уровне экологически безвредна.

Недостаток:

• Жидкостные ракеты и двигатели дороже, сложнее и, следовательно, более подвержены ошибкам, чем твердотопливные ракеты.
• Центр тяжести ракеты смещается по мере расходования топлива . Система стабилизации и управления ракетой должна уметь компенсировать это смещение.
• Эффект пый (колебания в мощности двигателя из — за резонансы жидкости столбцов в топливных линиях и механической конструкции ракеты) может произойти.
• Жидкие ракеты более опасны для взрыва в случае утечки, потому что жидкости легче воспламеняются.
• Некоторые виды топлива (включая производные гидразина) токсичны; если их выбросить (фальстарт, сгоревшие ступени падают на землю), они могут нанести ущерб окружающей среде.
• Компоненты криогенного топлива можно заправлять только незадолго до взлета, в противном случае они преждевременно испарятся из-за нагревания, что препятствует быстрому запуску или более длительной готовности к взлету. Некоторые виды жидкого топлива, которые можно хранить, являются очень едкими или коррозионными и со временем разрушают материалы конструкции ракеты.

Луна, Марс и далее везде

Как мы уже упоминали, конструкция и параметры Super Heavy/Starhip заставляет вспомнить неудавшийся проект С.П.Королева — лунно-марсианскую ракету H1-Л3. Та же самая исходная марсианская цель, нестандартная конструкция и аномально большое число высоконапряженных РД с предельными характеристиками. Кажется, что для достижения оптимальной надежности лучше использовать ракету полегче, как, например, уже обсуждавшуюся выше New Glenn.

Скетч двигательной установки Super Heavy(stanley creative)

Но есть и отличия в лучшую сторону, которые позволяют рассчитывать на успех столь амбициозного проекта. Создатели H1-Л3 работали в условия тотальной спешки и нехватки средств, не имея возможности протестировать первую ступень сверхтяжелой ракеты на стенде и даже сделать контрольный прожиг ее двигательной установки на стартовой площадке. В отличие от советских инженеров 60-х годов, Маск имеет возможность многократно испытать свою многоразовую технику перед первым полетом на орбиту, в том числе путем «подскоков» в беспилотном режиме с управляемой посадкой на Землю.

Сейчас прототипы Starship проходят испытания, в ходе которых уже было разрушено пять аппаратов. В основном это были испытания на прочность путем накачки баков жидким азотом. В мае 2020 года была предпринята попытка первого испытательного полета Starship на высоту 150 метров, которая закончилась взрывом. Дальнейшие достижения должны быть следующими:

• Полет в космос грузового беспилотного варианта Starship Cargo намечен на 2022 год. К этому времени должна быть готова и испытана ракета SuperHeavy, доставляющая Starship в верхние слои атмосферы и обеспечивающая его первоначальный разгон.
• Уже в 2024 году пилотируемый Starship Crew планировалось задействовать в американской лунной программе Artemis.
• Под эту же лунную программу создается специальный вариант Starship для полетов между поверхностью Луны и окололунной орбитой.
• Впоследствии должен появиться Starship Tanker для дозаправки топливом на орбите — его дедвейт составит 150 тонн жидкого кислорода и метана, а до этого в роли заправщиков будет выступать остальные модификации Starship.

Но все эти сроки следует воспринимать с поправкой на последующую коррекцию — так, всего несколько лет назад Маск обещал полет на Марс уже в 2022 году, о чем сейчас не может быть и речи.

Твердотопливные ракеты: топливная смесь

Ракетные двигатели на твердом топливе — это первые двигатели, созданные человеком. Они были изобретены сотни лет назад в Китае и используются до сих пор. О красных бликах ракет поется в национальном гимне (написанном в начале 1800-х) — имеются в виду небольшие боевые ракеты на твердом топливе, используемые для доставки бомб или зажигательных устройств. Как видите, такие ракеты существуют уже давненько.

Идея, которая лежит в основе ракеты на твердом топливе, довольно проста. Вам нужно создать нечто, что будет быстро гореть, но не взрываться. Как вы знаете, порох не подходит. Оружейный порох на 75 % состоит из нитрата (селитры), 15 % угля и 10 % серы. В ракетном двигателе взрывы не нужны — нужно, чтобы топливо горело. Можно изменить смесь до 72 % нитрата, 24 % угля и 4 % серы. Вместо пороха вы получите ракетное топливо. Эта смесь будет быстро гореть, но не взорвется, если правильно ее загрузить. Вот типичная схема:

Принцип работы турбовентиляторного двигателя

Турбовентиляторный двигатель технологически очень сложное изделие, но работающее по довольно простому и понятному принципу. Расскажем, о его устройстве и какие процессы и как в нём протекают. Сначала разберёмся с терминами. Слово турбовентиляторный произошло от английского turbofan, причём англоязычный мир имеет под словом turbofan абсолютно любой двухконтурный турбореактивный двигатель.

При этом они разделяют их с низкой и высокой степенью двухконтурности соответственно, а степень двухконтурности – это параметр, который показывает отношение расхода массы воздуха через внешний контур к расходу во внутреннем. Итак, неотъемлемое свойство турбовентиляторного двигателя высокая степень двухконтурности – для современных изделий от 4 и выше.

Чтобы как можно больше воздуха расходовать через внешний контур используется вентилятор большого диаметра, энергия для его вращения появляется за счёт работы внутреннего контура и в этом заключается суть работы турбовентиляторного двигателя, где с помощью вентилятора создаётся около 80% всей тяги.

Рассмотрим типичное устройство и как это работает. Турбовентиляторный двигатель имеет внешний и внутренний контуры. На входе в двигатель имеется вентилятор большого диаметра, который подаёт воздух в оба контура, устройство внутреннего контура подобно обычному турбореактивному двигателю, который состоит из компрессора, турбины, камеры сгорания и реактивного сопла.

Сначала воздух, немного увеличив давление, после вентилятора попадает в компрессор низкого давления, затем он попадает в компрессор высокого давления, который вращается в несколько раз быстрее. После прохождения обоих компрессоров, воздух, сжатый более чем в 30 раз и сильно нагретый от высокого давления попадает в камеру сгорания. Здесь он смешивается с топливом, которое подаётся с помощью форсунок и поджигается. Далее раскалённый газ с температурой около 1600 градусов и выше начинает совершать полезную работу.

Сначала он попадает в турбину высокого давления, которая заставляет вращаться, находящийся с ней на одном валу компрессор высокого давления. Затем, потратив часть энергии и снизив свою температуру, раскаленный газ попадает в турбину низкого давления, которая находится на одном валу с компрессором и вентилятором. Потеряв большую часть энергии, раскалённый газ попадает в сопло и совершает последнее полезное действие – создаёт реактивную тягу. Таков принцип работы внутреннего контура, который создаёт лишь 20% всей тяги вентиляторного двигателя.

Принцип работы внешнего контура. Турбина низкого давления, находящаяся на одном валу с вентилятором, заставляет его вращаться, воздух, пройдя через лопатки вентилятора и немного увеличив своё давление, проходит через спрямляющий аппарат, его неподвижные лопатки поворачивают поток воздуха в осевом направлении, заодно повышая его давление. Затем воздушный поток попадает в сопло, где создаётся реактивная тяга.

Вот и весь принцип работы вентиляторного двигателя. Разумеется, каждый конкретный двигатель имеет свои особенности и различия, больше всего они касаются устройства внутреннего контура, но схема исполнения всегда остаётся плюс минус одинаковой. Обычно разница заключается в количестве ступеней компрессора и турбины, также помимо двухвальной схемы используется и трёхвальная, когда вентилятор и компрессор низкого давления больше не связаны, в таком случае используется промежуточная турбина, которая вращает только компрессор низкого давления на отдельном валу.

Ещё один способ увеличения эффективности конструкции – это установка редуктора на валу, который соединяет турбину низкого давления и вентилятор, такое решение позволяет им работать на оптимальных для себя режимах. Устройство внешнего контура также может иметь заметные отличия. При относительно небольшой степени двухконтурности в двигателе может использоваться смешение потоков, где газ из обоих контуров попадает в единую камеру сгорания и покидает через общее сопло.

Но, такая схема не подходит для более габаритных двигателей с высокой степенью двухконтурности, так как масса двигателя значительно вырастет, поэтому практически во всех вентиляторных двигателях потоки не смешиваются и длина внешнего контура всегда меньше внутреннего. Вот собственно и всё – таков принцип и способы повышения эффективности работы турбовентиляторного двигателя.

Источник

Биологическая разведка

Ссылки

Твердотопливные ракеты: топливная смесь

Ракетные двигатели на твердом топливе — это первые двигатели, созданные человеком. Они были изобретены сотни лет назад в Китае и используются до сих пор. О красных бликах ракет поется в национальном гимне (написанном в начале 1800-х) — имеются в виду небольшие боевые ракеты на твердом топливе, используемые для доставки бомб или зажигательных устройств. Как видите, такие ракеты существуют уже давненько.

Идея, которая лежит в основе ракеты на твердом топливе, довольно проста. Вам нужно создать нечто, что будет быстро гореть, но не взрываться. Как вы знаете, порох не подходит. Оружейный порох на 75 % состоит из нитрата (селитры), 15 % угля и 10 % серы. В ракетном двигателе взрывы не нужны — нужно, чтобы топливо горело. Можно изменить смесь до 72 % нитрата, 24 % угля и 4 % серы. Вместо пороха вы получите ракетное топливо. Эта смесь будет быстро гореть, но не взорвется, если правильно ее загрузить. Вот типичная схема:

Твердотопливные ракеты: конфигурации

Читая описание для современных твердотопливных ракет, часто можно найти вот такое:

Здесь объясняется не только состав топлива, но и форма канала, пробуренного в центре топлива. «Перфорация в виде 11-конечной звезды» может выглядеть вот так:

Твердотопливные двигатели обладают тремя важными преимуществами:

• простота
• низкая стоимость
• безопасность

Но есть и два недостатка:

• тягу невозможно контролировать
• после зажигания двигатель нельзя отключить или запустить повторно

Недостатки означают, что твердотопливные ракеты полезны для непродолжительных задач (ракеты) или систем ускорения. Если вам понадобится управлять двигателем, вам придется обратиться к системе жидкого топлива.

Совместимое снаряжение

Отклоняемый вектор тяги

Реактивные двигатели обладают соплами самых разнообразных конфигураций. Самыми передовыми считаются подвижные сопла, размещенные на двигателях, у которых имеется отклоняемый вектор тяги. Они могут сдавливаться и расширяться, а также отклоняться на существенные углы — так регулируются и направляются непосредственно реактивные потоки. Благодаря этому воздушные судна с двигателями, имеющими отклоняемый вектор тяги, становятся чрезвычайно маневренными, потому что процессы маневрирования происходят не только вследствие действий механизмов крыльев, но также прямо самими двигателями.