Химический ракетный двигатель

Химический ракетный двигатель (ХРД) — ракетный двигатель работающий на химическом топливе; потенциальная энергия этого топлива преобразуется в тепловую в камере сгорания, затем в сопле двигателя при расширении продуктов реакции тепловая энергия переходит в кинетическую энергию газовой струи. Практически все существующие ракетные двигатели являются химическими (жидкостный ракетный двигатель, твердотопливный ракетный двигатель).

История

Первые ракеты были изобретены в Китае. Точная дата их изобретения неизвестна (первое упоминание относится к 13 веку). Эти ракеты были твердотопливными, то есть химическими.

Типы химических ракетных двигателей

Твердотопливные ракетные двигатели

Этот тип двигателей обладает такими важными для военного дела достоинствами как простота и надёжность. Поэтому они использовались в военных ракетах. Ракетная артиллерия появилась одновременно со ствольной артиллерией. Но ствольная артиллерия превосходила ракетную в точности, поэтому военные предпочли ствольную артиллерию. Для твердотопливных ракет теоретически возможны рекордные числа Циолковского, ведь теоретически стенки топливного бака тоже могут быть сделаны из топлива. На практике бак с топливом для твердотопливных ракет является одновременно и камерой сгорания, поэтому стенки топливного бака должны выдерживать большое давление. К недостаткам твердотопливных двигателей относится их малый удельный импульс, поэтому в космонавтике они применяются редко, и исключительно только на первой ступени в качестве ускорителя. Допустим, что масса полезного груза больше максимально возможной грузоподъёмности космической транспортной системы. Можно в таком случае создавать новую, более грузоподъёмную систему. Но, если этот груз однократный, то такой путь будет малоэффективным. Есть другой вариант: подвесить к первой ступени системы твердотопливные ускорители. Они дадут системе недостающий для вывода груза импульс. Не позволяют регулировать силу тяги: есть только команда пуск или зажигание. Но для первой ступени надобности в регулировании силы тяги нет.

Гибридные ракетные двигатели

В отличие от чисто твердотопливных двигателей позволяют регулировать силу тяги.

ЖРД (жидкостные ракетные двигатели)

Химически ракетные двигатели(ХРД)-ракетный двигатель, в котором в процессе химической реакции между топливом и окислителем в камере сгорания образуется горячий газ, который вытекая из сопла толкает двигатель в направлении обратном направлению струи, по принципу реактивной тяги.Наиболее распространены химические ракетные двигатели, в которых, в результате экзотермической химической реакции горючего и окислителя (вместе именуемых топливом), продукты сгорания нагреваются в камере сгорания до высоких температур, расширяясь, разгоняются в сверхзвуковом сопле и истекают из двигателя. Топливо химического ракетного двигателя является источником как тепловой энергии, так и газообразного рабочего тела, при расширении которого его внутренняя энергия преобразуется в кинетическую энергию реактивной струи.

В жидкостных ракетных двигателях (ЖРД) горючее и окислитель пребывают в жидком агрегатном состоянии. Они подаются в камеру сгорания с помощью турбонасосной или вытеснительной систем подач. Жидкостные ракетные двигатели допускают регулирование тяги в широких пределах, и многократное включение и выключение, что особенно важно при маневрировании в космическом пространстве. Удельный импульс ЖРД достигает 4500 м/c. Тяга — свыше 800тс (РД-170). По совокупности этих свойств ЖРД предпочтительны в качестве маршевых двигателей ракет-носителей космических аппаратов, и маневровых двигателей КА.

В качестве пары горючее + окислитель могут использоваться различные компоненты. В современных криогенных двигателях используется пара жидкий кислород + жидкий водород (наиболее эффективные компоненты для ЖРД). Другой группой компонентов являются самовоспламеняющиеся при контакте друг с другом, пример такой схемы — азотный тетраоксид + несимметричный диметилгидразин. Довольно часто применяется пара жидкий кислород + керосин. Существенно соотношение компонентов: на 1 часть горючего может подаваться от 1 части окислителя (топливная пара кислород + гидразин) до 5 и даже 19 частей окислителя (топливные пары азотная кислота + керосин и фтор + водород[1] соответственно).

Обладая сравнительно невысоким удельным импульсом (в сравнении с электрическими ракетными двигателями), химические ракетные двигатели позволяют развивать большую тягу, что особенно важно при создании средств выведения полезной нагрузки на орбиту или для осуществления межпланетных полётов в относительно короткие сроки.

На конец 1-го десятилетия XXI в. все, без исключения, ракетные двигатели, применяемые в ракетах военного назначения, и все, без исключения, двигатели ракет-носителей космических аппаратов — химические.

Следует также отметить, что на 2013 год, для химических ракетных двигателей практически достигнут предел энергетических возможностей топлива, и поэтому теоретически не предвидится возможность существенного увеличения их удельного импульса[2], а это ограничивает возможности ракетной техники, базирующейся на использовании химических двигателей, уже освоенными двумя направлениями:

   Космические полёты в околоземном пространстве (как пилотируемые, так и беспилотные).
   Исследование космоса в пределах Солнечной системы с помощью автоматических аппаратов (космические аппараты серий "Венера" и "Марс", Вояджер, Галилео, Кассини-Гюйгенс, Улисс).

Если кратковременная пилотируемая экспедиция к Марсу или Венере с использованием химических двигателей ещё представляется возможной (хотя существуют сомнения в целесообразности такого рода полётов[3]), то для путешествия к более далёким объектам Солнечной системы размеры необходимой для этого ракеты и длительность полёта выглядят нереалистично.

Для ряда случаев выгодно применять гибридные ракетные двигатели, в котором один компонент ракетного топлива хранится в твёрдом состоянии, а другой (как правило — окислитель) — в жидком. Такие двигатели обладают меньшей стоимостью, чем жидкостные, более надёжны. В отличие от твердотопливных, допускают многократное включение. При длительном хранении заряда его характеристики ухудшаются незначительно.

Литература

• В. П. Глушко «Космонавтика» издательство «Советская энциклопедия» Москва 1970.

Теория ракетных двигателей: Учебник для студентов высших учебных заведений / Алемасов В.Е., Дрегалин А.Ф., Тишин А.П.; Под ред. Глушко В.П. — М.: Машиностроение, 1989. — 464 с.