Основные типы ракетных двигателей и двигательных установок

Реактивным двигателем называют двигатель, который создает си­лу для перемещения аппарата в пространстве путем преобразования энер­гии собственного или внешнего источника в кинетическую энергию отбрасываемой струи вещества. Для работы реактивного двигателя мож­но использовать как вещество, размещенное на борту аппарата, так и ок­ружающую среду, т.е. среду, в которой движется аппарат. Струю веще­ства, истекающую из реактивного двигателя, называют реактивной стру­ей, а силу, которая возникает вследствие ее истечения и передается на ап­парат, — реактивной силой. Реактивная сила представляет собой равно­действующую газо- и гидродинамических сил, действующих на внутрен­ние поверхности реактивного двигателя при истечении из него вещест­ва.

Параметры и агрегатное состояние вещества до его подачи в двига­тель (т.е. исходного вещества) и в реактивной струе обычно существен­но различаются. Исходное вещество для создания реактивной струи может находиться в газообразном, жидком или твердом состоянии и иметь тем­пературу, равную температуре окружающей среды.

Реактивная струя чаще всего представляет собой высокотемператур­ную смесь газов. Вид используемого вещества во многом определяется типом реактивного двигателя.

Одним из основных агрегатов реактивного двигателя является ка­мера; в ее начальной части вещество принимает состояние, требующее­ся для создания реактивной струи, а в конечной — вещество ускоряет­ся, образуя реактивную струю. Например, в ряде реактивных двигателей составные части жидкого химического топлива подаются в камеру, в начальной части которой — в камере сгорания — они сгорают, выделяя теплоту и образуя газообразные продукты. Конечная часть камеры, на­зываемая соплом, обеспечивает преобразование энергии теплового дви­жения продуктов сгорания в кинетическую энергию реактивной струи.

Реактивные двигатели, используемые в настоящее время, представ­ляют собой широкий класс двигателей самого различного назначения. Область их применения постоянно расширяется. Подавляющее большин­ство реактивных двигателей используется на летательных аппаратах (ЛА) различных типов.

Для создания реактивной силы необходимы:

а) источник первичной энергии, которая непосредственно или через промежуточный вид энергии преобразуется в кинетическую энергию ре­активной струи;

б) вещество, которое в виде реактивной струи выбрасывается из дви­гателя; это вещество в наиболее общем случае называют рабочим телом;

в) двигатель, т.е. устройство, обеспечивающее указанное преобра­зование.

Рабочим телом или его составной частью могут быть:

а) газообразное или жидкое вещество окружающей среды, напри­мер атмосферы Земли и других планет или воды морей, рек и т.д.;

б) вещество, размещаемое в специальных емкостях (баках) аппарата
или непосредственно в камере двигателя;

в) смесь вещества окружающей среды (например, воздуха) и веще­ства (например, керосина), подаваемого в камеру из бака аппарата (ве­щество в твердом состоянии также может быть размещено непосредст­венно в камере).

Первичная энергия запасается на борту аппарата в каком-либо источ­нике или принимается от внешнего источника (например, от Солнца в виде его излучения).

В наименьшей степени зависят от окружающей среды реактивные двигатели, у которых рабочее тело и источник первичной энергии разме­щены на самом аппарате. Такие реактивные двигатели выделяют в от­дельный класс ракетных двигателей (РД).

Ракетным двигателем называют реактивный двигатель, использу­ющий для работы только вещества, имеющиеся в запасе на аппарате, пред­назначенном для перемещения. Такой аппарат может быть летательным, наземным или подводным. Наиболее широко ракетные двигатели исполь­зуют на ЛА, называемых ракетами.

Учитывая значительную автономность ракетных двигателей от условий окружающей среды, их точнее было бы назвать автономными реактивными двигателями. Однако закрепился термин ракетный двигатель. Нельзя про­тивопоставлять реактивные и ракетные двигатели: ракетные двигатели являются частным случаем реактивных двигателей. Ракетный двигатель является единственным типом реактивного двигателя, который может работать в любой газообразной и жидкой среде, а также в условиях сре­ды с глубоким разрежением (с пренебрежимо малым давлением). Ука­занные условия характерны для космического пространства; для крат­кости в дальнейшем такую среду будем называть пустотой, имея в виду ус­ловность указанного термина.

Прежде чем рассматривать основные параметры и классификацию ракетных двигателей, разберем простейшие схемы и принцип действия наиболее характерных из них. Введем понятие о ракетной двигательной установке (ДУ), включающей в себя в наиболее общем случае источник первичной энергии, бак с рабочим телом, двигатель и систему подачи ра­бочего тела в двигатель.

К числу н аиболее характерных двигательных установок относятся ДУ:

с жидкостным ракетным двигателем;

с ракетным двигателем твердого топлива;

с ядерным ракетным двигателем;

с электрическим ракетным двигателем.

Жидкостным ракетным двигателем (ЖРД) называют ракетный дви­гатель, работающий на жидком ракетном топливе. Жидким ракетным топ­ливом (ЖРТ) называют вещество (совокупность веществ) в жидком сос­тоянии, способное в результате экзотермических химических реакций об­разовывать продукты, создающие реактивную силу при истечении из дви­гателя. При использовании жидких ракетных топлив экзотермические химические реакции — реакции окисления (горения) или разложения — протекают в камере сгорания или разложения с образованием газооб­разных продуктов сгорания или разложения и выделением теплоты.

Введем ряд терминов.

Компонентом жидкого ракетного топлива (компонентом топлива) называют отдельно хранимую и подводимую к камере ЖРД составляю­щую ЖРТ. Компонент топлива может состоять из одного вещества или смеси индивидуальных химических веществ. ЖРТ может быть одно- и многокомпонентным, в основном двухкомпонентным; за рубежом рас­сматривают целесообразность использования трехкомпонентных топлив для ЖРД большой тяги для мощных ракет.

Жидким ракетным горючим (горючим) называют компонент ЖРТ, окисляющийся в процессе горения.

Жидким ракетным окислителем (окислителем) называют компонент ЖРТ, служащий для окисления горючего в процессе горения.

Различают основное и вспомогательное ЖРТ.

Основным ЖРТ называют жидкое ракетное топливо, служащее для получения всей или основной доли тяги. Обычно в ЖРД применяют толь­ко одно топливо, которое используется также для вспомогательных це­лей (привода турбонасосного -агрегата, работы системы управляющих мо­ментов и сил и т.п.).

Вспомогательным ЖРТ называют жидкое ракетное топливо, отлич­ное от основного и применяемое только для вспомогательных целей. Продукты сгорания или разложения вспомогательного ЖРТ часто выбра­сываются помимо камеры сгорания или разложения основной камеры. Одним или несколькими компонентами многокомпонентного вспомо­гательного топлива могут быть компоненты основного топлива.

Рис. 1.1.Упрощенная схема ДУ с ЖРД: 1 - камера; 2, 7 — клапаны окислителя и горючего; 3, 6 - баки окислителя и горючего; 4 - пневмоклапан; 5 - баллон со сжатым газом

В результате реакции горения происходит преобразование первичной (химической) энергии топлива в энергию теплового движения (в тепло­ту), в результате чего образуются газообразные продукты сгорания, обыч­но имеющие высокую температуру. Ускорение продуктов сгорания в сопле камеры вследствие преобразования их теплоты в кинетическую энергию приводит к созданию реактивной силы.

Жидкостной ракетной двигательной установкой, или более кратко двигательной установкой, называют установку, состоящую из одного или нескольких ЖРД, пневмогидравлической сис­темы подачи топлива и вспомогательных уст­ройств.

На рис. 1.1 изображена упрощенная схема ДУ с ЖРД. Двигательная установка состоит из камеры 1, баков компонентов топлива 3 и 6, клапанов компонентов топлива 2 и 7, бал­лона со сжатым газом 5 и пневмоклапана 4. При открытии последнего сжатый газ посту­пает из баллона в баки, в результате чего дав­ление в них возрастает. При открытии клапанов 2 и 7 компоненты топлива (окислитель и горючее) начинают поступать в камеру, и в ней начинается процесс горения с истечением продуктов сгора­ния из сопла.