Что такое рабочее тело в ракетном двигателе

Энциклопедия

Двигатель, создающий необходимую для движения силу тяги путём преобразования исходной энергии в кинетическую энергию реактивной струи рабочего тела; в результате истечения рабочего тела из сопла двигателя образуется реактивная сила в виде реакции (отдачи) струи, перемещающая в пространстве двигатель и конструктивно связанный с ним аппарат в сторону, противоположную истечению струи. В кинетическую (скоростную) энергию реактивной струи в Р.д. могут преобразовываться различные виды энергии (химическая, ядерная, электрическая, солнечная). Р.д. (двигатель прямой реакции) сочетает в себе собственно двигатель с движителем, т. е. обеспечивает собственное движение без участия промежуточных механизмов.

Для создания реактивной тяги, используемой Р.д., необходимы: источник исходной (первичной) энергии, которая превращается в кинетическую энергию реактивной струи; рабочее тело, которое в виде реактивной струи выбрасывается из двигателя; сам Р.д., как преобразователь энергии. Исходная энергия может запасаться на борту летательного или др. аппарата, оснащенного Р.д. (химическое топливо, ядерное топливо, источник электрической энергии и т.д.), или поступать извне (например, энергия Солнца). Для получения рабочего тела в Р.д. может использоваться вещество, отбираемое из окружающей среды (например, воздух или вода); вещество, находящееся в баках аппарата или непосредственно в камере Р.д.; смесь веществ, поступающих из окружающей среды и запасаемых на борту аппарата. В современных Р.д. в качестве первичной чаще всего используется химическая энергия. В этом случае рабочее тело представляет собой продукты сгорания химического топлива. При работе Р.д. химическая энергия сгорающих веществ преобразуется в тепловую энергию продуктов сгорания, которая, в свою очередь, превращается в механическую энергию поступательного движения реактивной струи и, следовательно, аппарата, на котором установлен двигатель. Основной частью любого Р.д. является камера сгорания, в которой генерируется рабочее тело. Конечная часть камеры, служащая для ускорения рабочего тела и получения реактивной струи, называется газодинамическим или реактивным соплом.

В зависимости от того, используется или нет при работе Р.д. окружающая среда, их подразделяют на два основных класса: воздушно-реактивные двигатели (ВРД) и ракетные двигатели (РД). Все ВРД — тепловые двигатели, рабочее тело которых образуется при реакции окисления горючего вещества кислородом воздуха. Поступающий из атмосферы воздух составляет основную массу рабочего тела ВРД. Таким образом, аппарат с ВРД несёт на борту источник энергии (горючее), а большую часть рабочего тела (окислитель) черпает из окружающей среды. В отличие от ВРД все компоненты рабочего тела РД находятся на борту аппарата, оснащенного РД. Отсутствие движителя, взаимодействующего с окружающей средой, и наличие всех компонентов рабочего тела на борту аппарата делают РД единственно пригодным для работы в космосе.

Р.д. имеют различное назначение и область их применения постоянно расширяется. Наиболее широко Р.д. используются на летательных аппаратах различных типов. Турбореактивными двигателями и двухконтурными турбореактивными двигателями оснащено большинство военных и гражданских самолётов во всём мире, а также ряд типов вертолётов. Эти Р.д. пригодны для полётов как с дозвуковыми, так и со сверхзвуковыми скоростями; их устанавливают также на самолётах-снарядах. Сверхзвуковые турбореактивные двигатели могут использоваться на первых ступенях воздушно-космических самолётов. Прямоточные ВРД устанавливают на зенитных управляемых ракетах, крылатых ракетах, сверхзвуковых истребителях-перехватчиках. Пульсирующие ВРД имеют небольшую тягу и предназначаются лишь для летательных аппаратов с дозвуковой скоростью.

Основные характеристики Р.д.: реактивная тяга, удельный импульс тяги – отношение тяги к массе ракетного топлива (рабочего тела), расходуемого в 1 сек; удельная масса двигателя – масса заправленного Р.д. в рабочем состоянии, приходящаяся на единицу развиваемой им тяги. Для многих типов Р.д. важными характеристиками являются также габариты и ресурс.

Реактивная тяга – есть результирующая сил, действующих на внутреннюю и внешнюю поверхность камеры реактивного двигателя, т.е. сила, с которой Р.д. воздействует на аппарат, оснащенный этим реактивным двигателем. Тяга определяется по формуле:P = mwа+ Fа(pа – pн); где m – массовый расход (расход массы) рабочего тела за 1 сек; wа – скорость рабочего тела (продуктов сгорания) в выходном сечении сопла; Fа – площадь выходного сечения сопла; pа – давление продуктов сгорания в выходном сечении сопла; pн – давление окружающей среды (наружное).

Как видно из формулы, тяга Р.д. зависит от давления окружающей среды. Она больше всего в пустоте и меньше всего в наиболее плотных слоях атмосферы, т. е. изменяется в зависимости от высоты полёта аппарата над уровнем моря, если речь идёт о полёте в атмосфере Земли. Удельный импульс Р.д. прямо пропорционален скорости истечения рабочего тела из сопла. Скорость же истечения увеличивается с ростом температуры истекающего рабочего тела и уменьшением молекулярной массы топлива (чем меньше молекулярная масса топлива, тем больше объём газов, образующихся при его сгорании, и, следовательно, скорость их истечения).

Читать еще: Экологические характеристики дизельных двигателей

Р.д. используются в различных видах реактивного оружия, основу которого составляют наземные. авиационные и морские реактивные системы залпового огня («Град», «Ураган», «Смерч»; С-8, С-13; «Удав-1», «Дамба» и др. Разновидность Р.д.-ракетные двигатели — применяются на ракетах стратегического назначения, которыми вооружены РВСН.

Десять лет без дозаправки

Опытный образец нового ракетного двигателя для космических аппаратов разработали ученые Санкт-Петербургского политехнического университета (СПбПУ) Петра Великого. Об этом сообщает пресс-служба вуза.

Ракетный двигатель основан на ускорении ионов в принципиально новой конструкции, в которой ряд технических устройств реализован впервые. Большая скорость факела позволяет получать требуемую тягу, экономно расходуя массу рабочего вещества. Поэтому его должно хватить для управления полетом аппарата на десяток лет и более, говорят разработчики.

Основным возобновляемым ресурсом на борту корабля в космическом полете служит электроэнергия, которую получают путем преобразования солнечных фотонов в электричество с помощью фотоэлементов. В космосе интенсивность потока солнечных фотонов многократно выше, чем на поверхности Земли, на пути к которой фотоны поглощаются атмосферой. В ракетных двигателях на борту корабля электрическая энергия используется для преобразования топлива, или рабочего тела, в факел ускоренных частиц, выбрасываемый в открытое пространство. За счет этого получается реактивное движение.

Как рассказал «Стимулу» один из авторов разработки профессор СПбПУ, доктор физико-математических наук Олег Цыбин, рабочий цикл двигателя выглядит так: «Сначала рабочее тело надо “испарить”, то есть преобразовать в пар или газ. Затем частицы парогазовой фазы заряжают, то есть превращают в ионы. Ионы ускоряют в электрическом ускорителе. Когда ионы наберут достаточную скорость, их “выстреливают” в пространство. Ионы — основной рабочий инструмент. Поэтому такие двигатели называются ионными. Перед выбросом реактивного факела ионы необходимо нейтрализовать, то есть снова преобразовать в нейтралы. Если выбрасывать ионы, космический аппарат зарядится, и ионы притянутся обратно, эффект реактивной тяги исчезнет».

Таким образом, возобновляемая электрическая энергия позволяет осуществлять рабочий цикл ионного двигателя, используя расходуемое рабочее тело. Полет ограничен запасом рабочего тела на борту. Единственная возможность продлить полет — использовать природные ресурсы космических тел. Совершив посадку, можно осуществить заправку ионного двигателя топливом.

«В этом случае в ионы можно преобразовать все, что удастся добыть: скальные камни, базальты, песок, лед, металлическую и иную руду, лунный реголит, — продолжает профессор Цыбин. Для испарения таких веществ можно применить универсальный способ. Он называется “ионное распыление” или “ионное фрезерование” и основан на применении интенсивного ионного пучка. Способ позволяет превратить в пар в вакууме практически любое вещество. А ионный факел для такой технологии можно получить с помощью бортового ионного двигателя аппарата, совершившего посадку на космическое тело. В наземных лабораторных вакуумных стендах идет разработка соответствующих технологий. Для этого используются вещества, близкие по свойствам к тем, которые встретятся в космосе. Более того, создав такую ионно-распылительную камеру в комплекте с ионным двигателем на борту, можно будет испарять отработавшие свое объекты и космический мусор».

Испытания опытного образца двигателя в условиях, приближенных к полетным, университет проводит совместно с ОКБ «Факел» (Калининград) и Военно-космической академией имени А. Ф. Можайского. Поданы три заявки на изобретения, один патент уже получен.

реактивный двигатель

Энциклопедия «Техника». — М.: Росмэн . 2006 .

Авиация: Энциклопедия. — М.: Большая Российская Энциклопедия . Главный редактор Г.П. Свищев . 1994 .

рафинёр
реактивный самолёт

Смотреть что такое «реактивный двигатель» в других словарях:

РЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ — РЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, двигатель, который обеспечивает продвижение вперед, быстро выпуская струю жидкости или газа в направлении, противоположном направлению движения. Чтобы создать высокоскоростной поток газов, в реактивном двигателе горючее… … Научно-технический энциклопедический словарь

Реактивный двигатель — двигатель, создающий необходимую для движения силу тяги путём преобразования исходной энергии в кинетическую энергию реактивной струи рабочего тела (См. Рабочее тело); в результате истечения рабочего тела из сопла двигателя образуется… … Большая советская энциклопедия

РЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ — (двигатель прямой реакции) двигатель, тяга которого создается реакцией (отдачей) вытекающего из него рабочего тела. Подразделяются на воздушно реактивные и ракетные двигатели … Большой Энциклопедический словарь

Реактивный двигатель — двигатель, преобразующий какой либо вид первичной энергии в кинетическую энергию рабочего тела (реактивной струи), которая создает реактивную тягу. В реактивном двигателе сочетаются собственно двигатель и движитель. Основной частью любого… … Морской словарь

РЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ — РЕАКТИВНЫЙ двигатель, двигатель, тяга которого создается прямой реакцией (отдачей) истекающего из него рабочего тела (например, продуктов сгорания химического топлива). Подразделяются на ракетные двигатели (если запасы рабочего тела размещаются… … Современная энциклопедия

Реактивный двигатель — РЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, двигатель, тяга которого создается прямой реакцией (отдачей) истекающего из него рабочего тела (например, продуктов сгорания химического топлива). Подразделяются на ракетные двигатели (если запасы рабочего тела размещаются… … Иллюстрированный энциклопедический словарь

Читать еще: Что такое блок двигателя от нивы на ваз

РЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ — двигатель прямой реакции, реактивная (см.) которого создаётся отдачей вытекающей из него струи рабочего тела. Различают воздушно реактивные и ракетные (см.) … Большая политехническая энциклопедия

реактивный двигатель — — [http://slovarionline.ru/anglo russkiy slovar neftegazovoy promyishlennosti/] Тематики нефтегазовая промышленность EN jet engine … Справочник технического переводчика

Реактивный двигатель — Испытания ракетного двигателя Спейс Шаттла … Википедия

реактивный двигатель — (двигатель прямой реакции), двигатель, тяга которого создаётся реакцией (отдачей) вытекающего из него рабочего тела. Подразделяются на воздушно реактивные и ракетные двигатели. * * * РЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ РЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ (двигатель прямой… … Энциклопедический словарь

Ядерный ракетный двигатель строят для полетов на Марс. Чем он опасен?

NASA разработает ядерный двигатель для быстрого полета на Марс. Ракеты с ядерными двигателями будут более мощными и вдвое более эффективными, чем с химическими, которые используются сегодня. Рассказываем подробнее о разработке, как быстро она будет передвигаться и чем опасна.

Читайте «Хайтек» в

Что такое ядерный ракетный двигатель?

Ядерный ракетный двигатель (ЯРД) — разновидность ракетного двигателя, которая использует энергию деления или синтеза ядер для создания реактивной тяги.

Традиционный ЯРД в целом представляет собой конструкцию из нагревательной камеры с ядерным реактором как источником тепла, системы подачи рабочего тела и сопла. Рабочее тело (как правило — водород) подается из бака в активную зону реактора, где, проходя через нагретые реакцией ядерного распада каналы, разогревается до высоких температур и затем выбрасывается через сопло, создавая реактивную тягу.

Существуют различные конструкции ЯРД: твердофазный, жидкофазный и газофазный — соответствующие агрегатному состоянию ядерного топлива в активной зоне реактора — твердое, расплав или высокотемпературный газ (либо даже плазма).

Твердофазный ядерный ракетный двигатель

В твердофазных ЯРД (ТфЯРД) делящееся вещество, как и в обычных ядерных реакторах, размещено в сборках-стержнях (ТВЭЛах) сложной формы с развитой поверхностью, что позволяет эффективно нагревать газообразное рабочее тело (обычно — водород, реже — аммиак), одновременно являющееся теплоносителем, охлаждающим элементы конструкции и сами сборки.

Температура нагрева ограничена температурой плавления элементов конструкции (не более 3000 К). Удельный импульс твердофазного ЯРД, по современным оценкам, составит 850–900 с, что более чем вдвое превышает показатели наиболее совершенных химических ракетных двигателей.

Наземные демонстраторы технологий ТфЯРД в ХХ веке были созданы и успешно испытаны на стендах (программа NERVA в США, РД-0410 в СССР).

Газофазный ядерный ракетный двигатель

Газофазный ядерный реактивный двигатель (ГЯРД) — концептуальный тип реактивного двигателя, в котором реактивная сила создаётся за счёт выброса теплоносителя (рабочего тела) из ядерного реактора, топливо в котором находится в газообразной форме или в виде плазмы. Считается, что в подобных двигателях удельный импульс составит 30–50 тыс. м/с.

Перенос тепла от топлива к теплоносителю достигается в основном за счет излучения, большей частью в ультрафиолетовой области спектра (при температурах топлива около 25 000 °C).

Ядерный импульсный двигатель

Атомные заряды мощностью примерно в килотонну на этапе взлета должны взрываться со скоростью один заряд в секунду. Ударная волна — расширяющееся плазменное облако — должна была приниматься «толкателем» — мощным металлическим диском с теплозащитным покрытием и потом, отразившись от него, создать реактивную тягу.

Импульс, принятый плитой толкателя, через элементы конструкции должен передаваться кораблю. Затем, когда высота и скорость вырастут, частоту взрывов можно будет уменьшить. При взлете корабль должен лететь строго вертикально, чтобы минимизировать площадь радиоактивного загрязнения атмосферы.

В США космические разработки с использованием импульсных ядерных ракетных двигателей осуществлялись с 1958 по 1965 год в рамках проекта «Орион» компанией «Дженерал Атомикс» по заказу ВВС США.

По проекту «Орион» проводились не только расчеты, но и натурные испытания. Летные испытания моделей летательного аппарата с импульсным приводом (для взрывов использовалась обычная химическая взрывчатка).

Были получены положительные результаты о принципиальной возможности управляемого полёта аппарата с импульсным двигателем. Также для исследования прочности тяговой плиты проведены испытания на атолле Эниветок.

Во время ядерных испытаний на этом атолле покрытые графитом стальные сферы были размещены в 9 м от эпицентра взрыва. Сферы после взрыва найдены неповрежденными, тонкий слой графита испарился (аблировал) с их поверхностей.

В СССР аналогичный проект разрабатывался в 1950–1970-х годах. Устройство содержало дополнительные химические реактивные двигатели, выводящие его на 30–40 км от поверхности Земли. Затем предполагалось включать основной ядерно-импульсный двигатель.

Основной проблемой была прочность экрана-толкателя, который не выдерживал огромных тепловых нагрузок от близких ядерных взрывов. Вместе с тем были предложены несколько технических решений, позволяющих разработать конструкцию плиты-толкателя с достаточным ресурсом. Проект не был завершен. Реальных испытаний импульсного ЯРД с подрывом ядерных устройств не проводилось.

Читать еще: Холостого хода двигателя аеб

Ядерная электродвигательная установка

Ядерная электродвигательная установка (ЯЭДУ) используется для выработки электроэнергии, которая, в свою очередь, используется для работы электрического ракетного двигателя.

Подобная программа в США (проект NERVA) была свернута в 1971 году, но в 2020 году американцы вновь вернулись к данной теме, заказав разработку ядерного теплового двигателя (Nuclear Thermal Propulsion, NTP) компании Gryphon Technologies для военных космических рейдеров на атомных двигателях для патрулирования окололунного и околоземного пространства, также с 2015 года идут работы по проекту Kilopower.

С 2010 года в России начались работы над проектом ядерной электродвигательной установки мегаваттного класса для космических транспортных систем (космический буксир «Нуклон»). На 2021 год ведется отработка макета; к 2025 году планируется создать опытные образцы данной ядерной энергоустановки; заявлена плановая дата летных испытаний космического тягача с ЯЭДУ — 2030 год.

Мощность

По оценкам А. В. Багрова, М. А. Смирнова и С. А. Смирнова, ядерный ракетный двигатель может добраться до Плутона за 2 месяца и вернуться обратно за 4 месяца с затратой 75 тонн топлива, до Альфы Центавра за 12 лет, а до Эпсилона Эридана за 24,8 года.

Ядерный двигатель опасен?

Основным недостатком является высокая радиационная опасность двигательной установки:

потоки проникающей радиации (гамма-излучение, нейтроны) при ядерных реакциях;
вынос высокорадиоактивных соединений урана и его сплавов;
истечение радиоактивных газов с рабочим телом.

Использование открытия российских ученых в гражданском секторе тесно связано с безопасностью ядерной силовой установки. Нужно было обеспечить безопасность его выхлопа.

Защита малогабаритного ядерного двигателя меньше, чем у большего по размерам, поэтому нейтроны будут проникать в «камеру сгорания», тем самым с некоторой вероятностью делая радиоактивным все вокруг.

Азот и кислород имеют радиоактивные изотопы с малым временем полураспада и не опасны. Радиоактивный углерод вещь долгоживущая. Но есть и хорошие новости.

Радиоактивный углерод образуется в верхних слоях атмосферы под действием космических лучей. Но главное, концентрация углекислого газа в сухом воздухе составляет всего 0,02÷0,04%.

Учитывая же, что процент углерода, становящийся радиоактивным, величина еще на несколько порядков меньшая, предварительно можно считать, что выхлоп ядерных двигателей не более опасен, чем выхлоп ТЭЦ, работающей на угле.

Собираются ли использовать ядерный двигатель для новейших полетов в космос?

Да, в начале февраля стало известно, что NASA проведет тестирование новейшего ядерного двигателя для полетов на Марс. Ожидается, что с его помощью можно будет добраться до Красной планеты всего лишь за три месяца.

В последние годы ученые и инженеры NASA и других космических агентств мира активно обсуждают планы по постройке постоянных обитаемых баз на поверхности Луны и Марса.

В чем его преимущества?

Главным ключом к обеспечению их автономности и удешевлению постройки специалисты NASA считают технологии трехмерной печати, позволяющие использовать воду и местные ресурсы — почву, горные породы и газы из атмосферы — для постройки зданий базы прямо на месте.

Подобные принтеры, как показывают опыты на борту МКС и на Земле, позволяют напечатать почти все необходимое для жизни колонистов на Марсе, за исключением одного, самой главного компонента базы — источника питания, чья мощность была бы достаточной для обеспечения работы самого 3D-принтера, а также питания и обогрева всей базы.

В рамках подготовки NASA к высадке на Марс в 2035 г. американская компания Ultra Safe Nuclear Technologies (USNT) из Сиэтла предложила свое решение — ядерный тепловой двигатель (NTP)

Каким будет ядерный двигатель?

USNT предлагает классическое решение — ядерный двигатель с использованием сжиженного водорода в качестве рабочего тела: ядерный реактор вырабатывает тепло из уранового топлива, эта энергия нагревает жидкий водород, проходящий по теплоносителям, который расширяется в газ и выбрасывается через сопло двигателя, создавая тягу.

Одна из основных проблем при создании такого типа двигателей — найти урановое топливо, которое может выдерживать резкие колебания температуры внутри двигателя. В USNT утверждают, что решили эту проблему, разработав топливо, которое может работать при температурах до 2 400 градусов Цельсия.

Топливная сборка содержит карбид кремния: этот материал, используемый в слое триструктурально-изотропного покрытия, образует газонепроницаемую преграду, препятствующую утечке радиоактивных продуктов из ядерного реактора, защищая космонавтов.

Кроме того, для защиты экипажа и на случай непредвиденных ситуаций ядерный двигатель не будет использоваться во время старта с Земли — он начнет работу уже на орбите, чтобы минимизировать возможные повреждения в случае аварии или нештатной работы.