С чего начинается космос? На Земле он начинается с ревущих гигантов

Naked ScienceНаука

Уносящие к звездам

С чего начинается космос? На Земле он начинается с ревущих гигантов, сотрясающих грохотом старт и затихающих далеким громом в небе. Унося полезную нагрузку к звездам на своих мощных плечах, ракеты-носители являются самыми мощными и самыми сложными летательными аппаратами человека. И одновременно – одними из самых интересных.

Николай Цыгикало

Его величество двигатель

Космическая ракета, или ракета-носитель, запускает свою полезную нагрузку в космический полет. Для этого она поднимает груз выше атмосферы и разгоняет его до орбитальной космической скорости. Подъем и разгон ракеты происходят в одном процессе выведения полезной нагрузки на орбиту, в результате которого достигаются высота порядка 200-300 километров и расположенная горизонтально космическая скорость. Большинство ракет-носителей стартуют вертикально с поверхности Земли, постепенно все больше наклоняя свою траекторию. В полете происходит отделение ступеней, из которых собрана конструкция ракеты. Последняя ступень завершает разгон и отделяет полезную нагрузку, начинающую космический полет.

Жидкостным двигатель называется из-за топлива, состоящего из двух жидких веществ – горючего и окислителя, – образующих топливную пару. Они вступают в химическую реакцию горения, в которой атомы горючего отдают свои электроны принимающим их атомам окислителя и образуют молекулы газов. Для полноты сгорания горючее и окислитель нужно подать в правильном соотношении и как можно лучше перемешать. Это делают форсунки, находящиеся в форсуночной головке в начале камеры сгорания. Оба компонента подаются в них с большим давлением многих десятков и сотен атмосфер, распыляясь в очень тонкую взвесь. Часто горючее и окислитель соединяются в общей форсунке, перемешиваясь в едином плотном факеле. Воспламенение происходит уже в начале факела форсунки, распыляемого в пламя зоны горения. Большое давление камеры сгорания приводит к очень быстрому сгоранию. Химическая энергия топлива переходит в потенциальную энергию продуктов сгорания, в форме высоких температуры и давления газа.

Получившийся сжатый газ устремляется в реактивное сопло, состоящее из двух частей. Камера сгорания переходит в сужающуюся часть сопла, где дозвуковой поток газа ускоряется. В самой узкой части сопла, называемой критическим сечением, поток достигает скорости звука. Дальше он попадает в расширяющуюся часть сопла, становится сверхзвуковым и продолжает разгоняться до самого среза сопла. Давление и температура при этом все время снижаются, зато непрерывно растет скорость потока. Сопло преобразует потенциальную энергию тепла и давления газа в кинетическую энергию струи, являясь тепловой машиной по разгону газа. Истечение струи создает реактивную силу в обратном направлении; эта сила составляет основную часть тяги двигателя. Чем быстрее истечение газа из сопла, тем больше сила тяги. Вот зачем струю разгоняют до высокой скорости, на краю сопла в три раза большей скорости звука в ней.

Топлива в камеру подается много, сгорание идет с высокими температурами – около трех тысяч градусов – и под большим давлением. Это делает камеру сгорания и сопло очень нагруженными в силовом и тепловом плане. Сопло раскаляется добела. Без охлаждения стенок камеры и сопла неминуемы прогар стенок и авария двигателя. Охлаждение стенок камеры и сопла организуется разными путями. В тонких каналах стенок сопла и камеры текут компоненты топлива, в камере создается пристеночная жидкостно-капельная завеса из горючего. Сама камера делается очень прочной, чтобы держать рабочее давление. Силовая рама передает усилие тяги от камеры сгорания на корпус ракеты.

Основные моменты и участки при выведении на орбиту

Чем больше топлива сгорит в двигателе, тем больше тяга. Подачу топлива в ЖРД обеспечивает его вторая важнейшая часть – турбонасосный агрегат, ТНА. Он объединяет главные насосы горючего и окислителя, другие насосы и вращающую их газовую турбину. ТНА работает крайне напряженно. Для создания большого расхода компонентов и высокого давления за насосами турбина совершает огромную работу и имеет очень большую мощность при компактных размерах. Отдельная камера сгорания ТНА сжигает компоненты топлива со сверхзвуковым истечением газов на лопатки турбины. Отработанный газ за турбиной сбрасывается за борт в двигателях открытого цикла или идет в основную камеру сгорания двигателей закрытого цикла.

Есть ракета, у которой в ЖРД нет ТНА: насосы ее двигателей вращают электромоторы запасенной в аккумуляторах энергией. Это сверхлегкая ракета-носитель Electron компании Rocket Lab, пока единственная в своем роде. Ее небольшие двигатели, удерживаемые в одной руке, позволяют электрический привод топливных насосов.

При принципиальной простоте конструкции работа двигателя в реальности весьма сложная. Газодинамические процессы в двигателе непросты и требуют правильной организации и управления. Так же сложна разветвленная гидродинамика жидких компонентов, теплообменные дела – и прочие динамика, физика и химия. Работа двигателя может нарушаться неустойчивыми режимами. Если давление в камере сгорания случайно вырастет, то перепад давления из форсунок в камеру снизится, это уменьшит подачу топлива в камеру. Меньше поступит и сгорит топлива – давление в камере снизится, что увеличит перепад давления на форсунках и подачу топлива. Излишек топлива сгорит, даст скачок давления – и цикл колебаний давления повторится. Подобные пульсации давления могут иметь частоту десятка раз в секунду и приводят к разгону процесса до разрушения камеры сгорания или к неустойчивому горению с падением тяги. Такова низкочастотная неустойчивость двигателя.

Высокочастотная неустойчивость возникает в виде акустических колебаний внутри камеры сгорания, образующих в ее объеме стоячие волновые конфигурации разных форм. Многократно сливаясь, акустические колебания усиливаются до небольших ударных волн, с ростом давления и температуры во фронте волны. В местах их прилегания к стенкам камеры могут возникать прогары и разрушения. Также высокочастотная неустойчивость способна ухудшать сгорание топлива. Борются с этим видом неустойчивости введением в камеру особых перегородок, расположением форсунок и другими мерами.

Тягой двигателя необходимо управлять. Например, при старте ракеты-носителя «Союз» тяга двигателей РД-107 растет не плавно, а ступенчато. После зажигания начинается режим предварительной ступени тяги. Если горение нормальное (между прочим, на этом этапе ТНА еще не запущен, насосы стоят, а керосин и кислород просто самотеком льются из баков в камеры сгорания, как с водонапорной башни), включается режим первой промежуточной ступени. Запускается и раскручивается ТНА, расход компонентов и тяга вырастают, продолжается контроль работы двигателя. Далее следует вторая промежуточная ступень. Давление в магистралях и подача топлива усиливаются настолько, что тяга превышает вес ракеты, и она поднимается в воздух. И только через шесть секунд подъема ракеты двигатель переводится в режим главной тяги, на полную мощность. У других ракет циклограммы выхода двигателей на полную тягу могут различаться, но все они требуют контроля параметров работы двигателя сотни и тысячи раз в секунду. Управляют величиной тяги изменением работы турбины ТНА или клапанами подачи компонентов топлива. Управление направлением тяги производят через подвижный качающийся подвес основных или управляющих камер сгорания, разностью тяги в многокамерных двигательных установках и другими способами.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Кто медленно ходит — медленно думает Кто медленно ходит — медленно думает

Между темпом ходьбы и тем, как мозг обрабатывает информацию есть взаимосвязь

Psychologies
И тут выхожу я весь в белом И тут выхожу я весь в белом

Как бренды торгуют «белыми пальто» и строят на этом маркетинговые кампании

Собака.ru
Правила здорового сна: уберите от кровати гаджеты и яблоки Правила здорового сна: уберите от кровати гаджеты и яблоки

Удается ли вам спать достаточное количество часов?

Psychologies
Нейросеть научили сортировать пластик Нейросеть научили сортировать пластик

Программное обеспечение, которое сортирует пластик с точностью 95%

National Geographic
Осенняя бессонница: что делать, чтобы быстро уснуть Осенняя бессонница: что делать, чтобы быстро уснуть

Осенью днем мы все время хотим спать, а ночью не можем заснуть

Cosmopolitan
Екатерина I — первая императрица Екатерина I — первая императрица

Пётр I не оставил распоряжений о своём преемнике во власти

Дилетант
Мы не оставим в покое наше прошлое Мы не оставим в покое наше прошлое

Так ли уж необходимо разбирать семейные архивы?

Psychologies
Ту-4: советская копипаста, которая, возможно, спасла миллионы жизней Ту-4: советская копипаста, которая, возможно, спасла миллионы жизней

Как инженеры Туполева американский бомбардировщик копировали

Maxim
Как героином лечили кашель, а кокаином – героиновую зависимость Как героином лечили кашель, а кокаином – героиновую зависимость

История использования наркотиков в качестве лекарств начале прошлого столетия

Популярная механика
Зак Эфрон и другие актеры, чью карьеру едва не сгубили наркотики и алкоголь Зак Эфрон и другие актеры, чью карьеру едва не сгубили наркотики и алкоголь

Знаменитые актеры, которые смогли выбрать из зависимости

Cosmopolitan
Как снять свой фильм и не облажаться: подробный гид начинающего киношника Как снять свой фильм и не облажаться: подробный гид начинающего киношника

Заряжаемся уверенностью и начинаем снимать свой фильм

Playboy
Гид по разъемам в твоем компьютере, смартфоне и телевизоре Гид по разъемам в твоем компьютере, смартфоне и телевизоре

Решительная попытка разобраться во всех вариантах USB

Maxim
Ghostrunner – элегантная, но странная игра про наше постчеловеческое будущее Ghostrunner – элегантная, но странная игра про наше постчеловеческое будущее

В этой игре постоянно ощущается фантомное присутствие Киану Ривза

GQ
Пять самых странных фактов и фильмов про Супермена Пять самых странных фактов и фильмов про Супермена

Самые неожиданные факты о Супермене

Maxim
«Чем меньше денег получает генеральный директор, тем лучше идут дела компании». Питер Тиль — об успехе, конкуренции и кризисе высшего образования «Чем меньше денег получает генеральный директор, тем лучше идут дела компании». Питер Тиль — об успехе, конкуренции и кризисе высшего образования

Основатель PayPal Питер Тиль о том, как начинать и строить бизнес

Inc.
«Пластические операции меняют меня к лучшему» «Пластические операции меняют меня к лучшему»

Как эксперты комментируют желание изменять себя хирургическими способами?

Psychologies
Данила Козловский: «Если ты снимаешь хорошие фильмы, кино — дело прибыльное» Данила Козловский: «Если ты снимаешь хорошие фильмы, кино — дело прибыльное»

Данила Козловский рассказал о подготовке своего нового фильма

Forbes
Ради чего стоит ехать в Башкирию Ради чего стоит ехать в Башкирию

Республике Башкирия есть что показать

СНОБ
Временно недоступен Временно недоступен

Секс – это, конечно, хорошо, но его роль в нашей жизни несколько преувеличена

Cosmopolitan
Весь Ковчег — театр Весь Ковчег — театр

Деревня со своим репертуаром

Огонёк
«Караоке-боксы могут стать началом карьеры в шоу-бизнесе» «Караоке-боксы могут стать началом карьеры в шоу-бизнесе»

Как локдаун подтолкнул сеть караоке-боксов к омниканальности

РБК
Быть одной: Алина Фаркаш о женском одиночестве Быть одной: Алина Фаркаш о женском одиночестве

Культ бодрой самостоятельной женщины обернулся страхом одиночества

Cosmopolitan
Кремний с нанопорами — материал с неисчерпаемыми возможностями Кремний с нанопорами — материал с неисчерпаемыми возможностями

Нанопористый кремний — перспективный материал для микроэлектроники и биомедицины

Наука и жизнь
«Inside out: моя неидеальная история»: Деми Мур рассказывает, как она пережила насилие «Inside out: моя неидеальная история»: Деми Мур рассказывает, как она пережила насилие

Отрывок из автобиографии Деми Мур

Esquire
Волки привязались к дрессировщикам Волки привязались к дрессировщикам

Если волка оставить у незнакомца, он начнет рваться к человеку, которого знает

N+1
Никита Кучеров: «В момент, когда поднимаешь кубок, кажется, что ты без сознания» Никита Кучеров: «В момент, когда поднимаешь кубок, кажется, что ты без сознания»

Интервью с обладателем Кубка Стэнли Никитой Кучеровым

GQ
Как оставить офис и начать работать на себя: 7 шагов Как оставить офис и начать работать на себя: 7 шагов

Как начать собственное дело и пройти адаптацию к новой роли?

Psychologies
Делай, как Гвинет Пэлтроу Делай, как Гвинет Пэлтроу

Секрет стройности актрисы — комплекс упражнений

Худеем правильно
«Выцветание красного» Елены и Боженны Гощило «Выцветание красного» Елены и Боженны Гощило

О книге, посвященной теме русско-американских отношений в кино

Weekend
Биоинженеры научились управлять стволовыми клетками РНК-интерференцией Биоинженеры научились управлять стволовыми клетками РНК-интерференцией

Для этого они создали липид-полимерные наночастицы, несущие siRNA

N+1
Открыть в приложении