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¿Qué es lo primero que te viene a la mente cuando escuchas la frase “motores de cohetes”? Por supuesto, el misterioso espacio, los vuelos interplanetarios, el descubrimiento de nuevas galaxias y el seductor brillo de estrellas lejanas. En todo momento, el cielo atrajo a la gente hacia sí mismo, sin dejar de ser un misterio sin resolver, pero la creación del primer cohete espacial y su lanzamiento abrieron nuevos horizontes de investigación para la humanidad.

Los motores de cohetes son esencialmente motores a reacción ordinarios con una característica importante: no utilizan oxígeno atmosférico como oxidante de combustible para generar empuje a reacción. Todo lo necesario para su funcionamiento se encuentra directamente en su cuerpo o en los sistemas de oxidante y suministro de combustible. Es esta característica la que hace posible el uso de motores de cohetes en el espacio exterior.

Hay muchos tipos de motores de cohetes y todos se diferencian notablemente entre sí no sólo por sus características de diseño, sino también por sus principios de funcionamiento. Por eso cada tipo debe considerarse por separado.

Entre las principales características de rendimiento de los motores de cohetes. atención especial se paga al impulso específico: la relación entre la cantidad de empuje del chorro y la masa del fluido de trabajo consumido por unidad de tiempo. El valor de impulso específico representa la eficiencia y economía del motor.

Motores de cohetes químicos (CRE)

Este tipo de motor es actualmente el único que se utiliza ampliamente para el lanzamiento de naves espaciales al espacio exterior, además, ha encontrado aplicación en la industria militar; Los motores químicos se dividen en combustibles sólidos y líquidos según el estado físico del combustible para cohetes.

Historia de la creación

Los primeros motores de cohetes eran de combustible sólido y aparecieron hace varios siglos en China. En ese momento tenían poco que ver con el espacio, pero con su ayuda fue posible lanzar cohetes militares. El combustible utilizado era una pólvora de composición similar a la pólvora, sólo que porcentaje sus componentes han sido cambiados. Como resultado, durante la oxidación, el polvo no explotó, sino que se quemó gradualmente, liberando calor y creando un empuje en chorro. Dichos motores fueron refinados, refinados y mejorados con diferente éxito, pero su impulso específico aún seguía siendo pequeño, es decir, el diseño era ineficaz y antieconómico. Pronto aparecieron nuevos tipos de combustible sólido que permitieron un mayor impulso específico y un mayor empuje. En su creación trabajaron científicos de la URSS, Estados Unidos y Europa en la primera mitad del siglo XX. Ya en la segunda mitad de los años 40 se desarrolló un prototipo de combustible moderno, que todavía se utiliza en la actualidad.

El motor cohete RD-170 funciona con combustible líquido y un oxidante.

Los motores de cohetes líquidos son invención de K.E. Tsiolkovsky, quien los propuso como unidad de potencia para un cohete espacial en 1903. En los años 20, el trabajo sobre la creación de motores de cohetes líquidos comenzó a realizarse en los EE. UU., y en los años 30, en la URSS. Ya al ​​comienzo de la Segunda Guerra Mundial, se crearon las primeras muestras experimentales y, una vez finalizada, comenzaron a producirse en masa motores de cohetes de propulsión líquida. Fueron utilizados en la industria militar para equipar misiles balísticos. En 1957, por primera vez en la historia de la humanidad, se lanzó un satélite artificial soviético. Para lanzarlo se utilizó un cohete equipado con los ferrocarriles rusos.

Diseño y principio de funcionamiento de motores de cohetes químicos.

Un motor de combustible sólido contiene combustible y un oxidante en estado agregado sólido en su carcasa, y el recipiente con combustible también es una cámara de combustión. El combustible suele tener forma de varilla con un orificio central. Durante el proceso de oxidación, la varilla comienza a arder desde el centro hacia la periferia, y los gases resultantes de la combustión salen por la boquilla formando una corriente de aire. Este es el diseño más simple de todos los motores de cohetes.

En los motores de cohetes líquidos, el combustible y el oxidante se encuentran en estado agregado líquido en dos tanques separados. A través de los canales de suministro ingresan a la cámara de combustión, donde se mezclan y ocurre el proceso de combustión. Los productos de la combustión salen por la boquilla formando una corriente de aire. Como oxidante se suele utilizar oxígeno líquido y el combustible puede ser diferente: queroseno, hidrógeno líquido, etc.

Pros y contras de los RD químicos, su ámbito de aplicación.

Las ventajas de los motores de cohetes de combustible sólido son:

• simplicidad de diseño;
• seguridad comparativa en términos de ecología;
• precio bajo;
• fiabilidad.

Desventajas de los motores de cohetes de propulsor sólido:

• limitación del tiempo de funcionamiento: el combustible se quema muy rápidamente;
• imposibilidad de arrancar el motor, detenerlo y regular la tracción;
• gravedad específica baja en el rango de 2000-3000 m/s.

Analizando los pros y los contras de los motores de cohetes de propulsor sólido, podemos concluir que su uso se justifica sólo en los casos en que se necesita una unidad de potencia de potencia media, bastante barata y fácil de implementar. El alcance de su uso son misiles balísticos, meteorológicos, MANPADS, así como propulsores laterales de cohetes espaciales (los misiles estadounidenses están equipados con ellos; no se usaron en misiles soviéticos y rusos).

Ventajas de los RD líquidos:

• impulso específico elevado (alrededor de 4500 m/s y más);
• la capacidad de regular la tracción, detener y reiniciar el motor;
• peso más ligero y compacidad, lo que permite poner en órbita incluso cargas grandes de varias toneladas.

Desventajas de los motores de cohetes:

• diseño y puesta en servicio complejos;
• En condiciones de ingravidez, los líquidos en los tanques pueden moverse caóticamente. Para su deposición es necesario utilizar fuentes de energía adicionales.

El ámbito de aplicación de los motores de propulsión líquida se encuentra principalmente en la astronáutica, ya que estos motores son demasiado caros para fines militares.

A pesar de que hasta ahora los motores de cohetes químicos son los únicos capaces de lanzar cohetes al espacio exterior, mejorarlos es prácticamente imposible. Los científicos y diseñadores están convencidos de que ya se ha alcanzado el límite de sus capacidades y que para obtener unidades más potentes y con un impulso específico elevado se necesitan otras fuentes de energía.

Motores de cohetes nucleares (NRE)

Este tipo de motor de cohete, a diferencia de los químicos, produce energía no quemando combustible, sino calentando el fluido de trabajo mediante la energía de reacciones nucleares. Los motores de cohetes nucleares son isotópicos, termonucleares y nucleares.

Historia de la creación

El diseño y el principio de funcionamiento del motor de propulsión nuclear se desarrollaron allá por los años 50. Ya en los años 70, en la URSS y los EE. UU. estaban listos modelos experimentales que fueron probados con éxito. El motor soviético de fase sólida RD-0410 con un empuje de 3,6 toneladas se probó en una base de banco, y el reactor estadounidense NERVA se instalaría en el cohete Saturn V antes de que se suspendiera el patrocinio del programa lunar. Al mismo tiempo, se trabajó en la creación de motores de propulsión nuclear en fase gaseosa. Actualmente, existen programas científicos para el desarrollo de motores de cohetes nucleares y se están realizando experimentos en estaciones espaciales.

Así, ya existen modelos funcionales de motores de cohetes nucleares, pero hasta ahora ninguno de ellos se ha utilizado fuera de los laboratorios o bases cientificas. El potencial de estos motores es bastante alto, pero el riesgo asociado a su uso también es considerable, por lo que por ahora sólo existen en proyectos.

Dispositivo y principio de funcionamiento.

Los motores de cohetes nucleares son de fase gaseosa, líquida y sólida, dependiendo del estado de agregación del combustible nuclear. El combustible de los motores de propulsión nuclear de fase sólida son barras de combustible, al igual que en los reactores nucleares. Están ubicados en la carcasa del motor y durante la desintegración del material fisible liberan energía térmica. El fluido de trabajo (gas hidrógeno o amoníaco) en contacto con el elemento combustible, absorbe energía y se calienta, aumenta de volumen y se comprime, después de lo cual sale por la boquilla debajo. presión alta.

El principio de funcionamiento de un motor de propulsión nuclear de fase líquida y su diseño son similares a los de fase sólida, solo que el combustible está en estado líquido, lo que permite aumentar la temperatura y, por tanto, el empuje.

Los motores de propulsión nuclear en fase gaseosa funcionan con combustible en estado gaseoso. Suelen utilizar uranio. El combustible gaseoso puede mantenerse en la carcasa mediante un campo eléctrico o ubicarse en un matraz transparente sellado: una lámpara nuclear. En el primer caso, se produce contacto del fluido de trabajo con el combustible, así como una fuga parcial de este último, por lo que, además de la mayor parte del combustible, el motor debe tener una reserva para reposición periódica. En el caso de una lámpara nuclear, no hay fugas y el combustible está completamente aislado del flujo del fluido de trabajo.

Ventajas y desventajas de los motores de propulsión nuclear.

Los motores de cohetes nucleares tienen una gran ventaja sobre los químicos: se trata de un impulso específico elevado. Para los modelos de fase sólida, su valor es de 8000-9000 m/s, para los modelos de fase líquida – 14 000 m/s, para los modelos de fase gaseosa – 30 000 m/s. Al mismo tiempo, su uso conlleva la contaminación de la atmósfera con emisiones radiactivas. Ahora se está trabajando para crear un motor nuclear seguro, respetuoso con el medio ambiente y eficiente, y el principal "contendiente" para este papel es un motor nuclear de fase gaseosa con una lámpara nuclear, donde la sustancia radiactiva está en un matraz sellado y no sale. con una llama de chorro.

Motores de cohetes eléctricos (ERM)

Otro competidor potencial de los propulsores químicos es un propulsor eléctrico que funciona con energía eléctrica. La propulsión eléctrica puede ser electrotérmica, electrostática, electromagnética o pulsada.

Historia de la creación

El primer motor de propulsión eléctrica fue diseñado en los años 30 por el diseñador soviético V.P. Glushko, aunque la idea de crear un motor de este tipo apareció a principios del siglo XX. En los años 60, científicos de la URSS y Estados Unidos trabajaron activamente en la creación de motores de propulsión eléctricos, y ya en los años 70 comenzaron a utilizarse las primeras muestras en naves espaciales como motores de control.

Diseño y principio de funcionamiento.

Un sistema de propulsión de cohete eléctrico consta del propio motor de propulsión eléctrica, cuya estructura depende de su tipo, sistemas de suministro de fluidos de trabajo, control y suministro de energía. Un RD electrotérmico calienta el flujo del fluido de trabajo debido al calor generado por el elemento calefactor o en un arco eléctrico. El fluido de trabajo utilizado es helio, amoníaco, hidracina, nitrógeno y otros gases inertes, con menos frecuencia hidrógeno.

Los RD electrostáticos se dividen en coloidales, iónicos y de plasma. En ellos, las partículas cargadas del fluido de trabajo se aceleran debido al campo eléctrico. En los RD coloidales o iónicos, la ionización del gas la proporciona un ionizador, un campo eléctrico de alta frecuencia o una cámara de descarga de gas. En los RD de plasma, el fluido de trabajo, el gas inerte xenón, pasa a través del ánodo anular y entra en una cámara de descarga de gas con un compensador catódico. A alto voltaje, una chispa parpadea entre el ánodo y el cátodo, ionizando el gas y dando como resultado plasma. Los iones cargados positivamente salen a través de la boquilla a alta velocidad, adquiridos debido a la aceleración del campo eléctrico, y los electrones son eliminados por el cátodo compensador.

Los propulsores electromagnéticos tienen su propio campo magnético, externo o interno, que acelera las partículas cargadas del fluido de trabajo.

Los propulsores de impulsos funcionan evaporando combustible sólido bajo la influencia de descargas eléctricas.

Ventajas y desventajas de los motores de propulsión eléctrica, ámbito de uso.

Entre las ventajas de ERD:

• impulso específico elevado, cuyo límite superior es prácticamente ilimitado;
• Bajo consumo de combustible (fluido de trabajo).

Defectos:

• alto nivel de consumo de electricidad;
• complejidad del diseño;
• ligera tracción.

Hoy en día, el uso de motores de propulsión eléctrica se limita a su instalación en satélites espaciales, y para ellos se utilizan paneles solares como fuente de electricidad. Al mismo tiempo, son estos motores los que pueden convertirse en las centrales eléctricas que permitirán explorar el espacio, por lo que en muchos países se está trabajando activamente para crear nuevos modelos de ellos. Estos son los plantas de energía Los escritores de ciencia ficción los mencionaron con mayor frecuencia en sus obras dedicadas a la conquista del espacio, y también se pueden encontrar en películas de ciencia ficción. Por ahora, la propulsión eléctrica es la esperanza de que la gente todavía pueda viajar a las estrellas.

Diseño motor de combustible sólido(TTRD) es simple; Consta de una carcasa (cámara de combustión) y una boquilla de chorro. Cámara de combustión es el principal elemento de carga del motor y del cohete en su conjunto. El material para su fabricación es acero o plástico. Boquilla diseñado para acelerar los gases a una cierta velocidad y darle al flujo la dirección requerida. Representa canal cerrado perfil especial. La carcasa contiene combustible. La carcasa del motor suele estar hecha de acero, a veces de fibra de vidrio. La parte de la boquilla que sufre mayor tensión está hecha de grafito, metales refractarios y sus aleaciones, el resto está hecha de acero, plásticos y grafito.

Cuando el gas producido por la combustión del combustible pasa por la boquilla, es expulsado a una velocidad que puede ser mayor que la velocidad del sonido. Como resultado, aparece una fuerza de retroceso, cuya dirección es opuesta a la salida de la corriente de gas. Esta fuerza se llama reactivo, o simplemente tracción. La carcasa y la boquilla de los motores en funcionamiento deben protegerse contra el desgaste, para ello se utilizan materiales termoaislantes y resistentes al calor.

En comparación con otros tipos de motores de cohetes, un motor turborreactor tiene un diseño bastante simple, pero tiene un empuje reducido, un tiempo de funcionamiento corto y dificultad de control. Por lo tanto, al ser bastante confiable, se utiliza principalmente para generar empuje durante operaciones "auxiliares" y en los motores de misiles balísticos intercontinentales.

Hasta ahora, los motores turborreactores rara vez se han utilizado a bordo de naves espaciales. Una de las razones de esto es la aceleración excesiva que se imparte al diseño y al equipamiento del cohete durante el funcionamiento del motor de propulsor sólido. Y para lanzar un cohete, es necesario que el motor desarrolle una pequeña cantidad de empuje durante un largo período de tiempo.

Los motores de propulsor sólido permitieron a Estados Unidos lanzar su primer satélite artificial en 1958, después de la URSS, y poner la nave espacial en trayectoria de vuelo hacia otros planetas en 1959. Hasta la fecha, en Estados Unidos se ha creado el turborreactor espacial más potente, el DM-2, capaz de desarrollar un empuje de 1634 toneladas.

Las perspectivas para el desarrollo de motores espaciales de combustible sólido son:

• mejora de las tecnologías de fabricación de motores;
• desarrollo de toberas de chorro que puedan funcionar durante más tiempo;
• uso de materiales modernos;
• mejora de las composiciones de combustibles mixtos, etc.

Motor cohete de propulsor sólido (SRF)- un motor que funciona con combustible sólido se utiliza con mayor frecuencia en artillería de cohetes y mucho menos en astronáutica; Es el más antiguo de los motores térmicos.

El combustible utilizado en estos motores es una sustancia sólida (una mezcla de sustancias individuales) que puede arder sin oxígeno, liberando gran número gases calientes que se utilizan para crear el empuje del jet.

Hay dos clases de combustibles para cohetes: propulsores de base dual y propulsores mixtos.

Combustibles duales- son soluciones sólidas en un disolvente no volátil (con mayor frecuencia nitrocelulosa en nitroglicerina). Ventajas: buenas características mecánicas, de temperatura y otras características estructurales, conservan sus propiedades durante el almacenamiento a largo plazo, son simples y económicas de fabricar, respetuosas con el medio ambiente (no se generan sustancias nocivas durante la combustión). La desventaja es la potencia relativamente baja y la mayor sensibilidad a los golpes. Las cargas fabricadas con este combustible se utilizan con mayor frecuencia en motores correctivos pequeños.

Combustibles mezclados- las mezclas modernas se componen de perclorato de amonio (como agente oxidante), aluminio en polvo y un polímero orgánico para unir la mezcla. El aluminio y el polímero desempeñan el papel de combustible, siendo el metal la principal fuente de energía y el polímero la principal fuente de productos gaseosos. Se caracterizan por su insensibilidad a los impactos, alta intensidad de combustión a bajas presiones y son muy difíciles de extinguir.

El combustible en forma de cargas de combustible se coloca en la cámara de combustión. Después del arranque, la combustión continúa hasta que el combustible se quema por completo, el empuje cambia según las leyes determinadas por la combustión del combustible y prácticamente no está regulado. La variación del empuje se logra utilizando combustible con diferentes velocidades de combustión y seleccionando una configuración de carga adecuada.

Con la ayuda de un encendedor, los componentes del combustible se calientan, comienza una reacción química de oxidación-reducción entre ellos y el combustible se quema gradualmente. Esto produce un gas con alta presión y temperatura. La presión de los gases calientes con la ayuda de una boquilla se convierte en empuje del chorro, que en su magnitud es proporcional a la masa de los productos de combustión y la velocidad de su salida de la boquilla del motor.

A pesar de su simplicidad, el cálculo preciso de los parámetros de funcionamiento de un turborreactor es una tarea compleja.

Los motores de propulsor sólido tienen una serie de ventajas sobre los motores de cohetes líquidos: el motor es bastante sencillo de fabricar y puede almacenarse por mucho tiempo, aunque mantiene sus características, es relativamente a prueba de explosiones. Sin embargo, en términos de potencia, son inferiores a los motores líquidos en aproximadamente un 10-30%, tienen dificultades para regular la potencia y tienen una gran masa del motor en su conjunto.

En algunos casos, se utiliza un tipo de motor turborreactor en el que un componente del combustible está en estado sólido y el segundo (generalmente un oxidante) está en estado líquido.

Un potente cohete espacial es impulsado por la misma fuerza que los fuegos artificiales festivos en un parque recreativo: la fuerza de reacción de los gases que salen de la boquilla. Escapando del motor del cohete en una columna de fuego, empujan el propio motor y todo lo que está estructuralmente conectado a él en la dirección opuesta.

Principal diferencia fundamental Lo que caracteriza a cualquier motor a reacción (los motores de cohetes son una poderosa rama de la extensa familia de motores a reacción, los motores a reacción directa) es que genera movimiento directamente, él mismo pone en movimiento los aparatos de transporte asociados sin la participación de unidades intermedias llamadas propulsores. En un avión con motores de pistón o turbohélice, el motor hace girar la hélice que, al impactar en el aire, arroja una masa de aire hacia atrás y obliga al avión a volar hacia adelante. En este caso, la hélice es la hélice. La hélice de un barco funciona de manera similar: expulsa una masa de agua. En un coche o en un tren, la hélice es la rueda. Y sólo un motor a reacción no necesita apoyo en el entorno, en la masa desde la que se impulsaría el vehículo. La masa que un motor a reacción arroja hacia atrás y, por lo tanto, gana movimiento hacia adelante, se encuentra dentro de sí mismo. Se llama fluido de trabajo o sustancia de trabajo del motor.

Normalmente, los gases calientes que funcionan en un motor se forman durante la combustión de combustible, es decir, durante una reacción química de oxidación violenta de una sustancia combustible. La energía química de las sustancias de combustión se convierte en energía térmica de los productos de combustión. A energía termal Los gases calientes producidos en la cámara de combustión se convierten, cuando se expanden en la tobera, en energía mecánica del movimiento de avance de un cohete o de un avión a reacción.

La energía utilizada en estos motores es el resultado de una reacción química. Por lo tanto, estos motores se denominan motores de cohetes químicos.

No es lo único posible caso. En los motores de cohetes nucleares, la sustancia de trabajo debe recibir energía del calor generado durante la reacción de desintegración o fusión nuclear. En algunos tipos de motores de cohetes eléctricos, la sustancia de trabajo se acelera sin la participación de calor debido a la interacción de fuerzas eléctricas y magnéticas. Sin embargo, hoy en día la base de la tecnología de cohetes son los motores de cohetes químicos o, como también se les llama, termoquímicos.

No todos los motores a reacción son aptos para vuelos espaciales. Una gran variedad de estas máquinas, los llamados motores que respiran aire, utilizan el aire ambiente para oxidar el combustible. Naturalmente, sólo pueden funcionar dentro de la atmósfera terrestre.

Para operar en el espacio se utilizan dos tipos de motores de cohetes termoquímicos: motores de cohetes sólidos (motores de cohetes de propulsor sólido) y motores de cohetes líquidos (LPRE). En estos motores, el combustible contiene todo lo necesario para la combustión, es decir, tanto combustible como oxidante. Sólo el estado agregado de este combustible es diferente. Un motor de cohete de propulsor sólido es una mezcla sólida de sustancias necesarias. En un motor de cohete líquido, el combustible y el oxidante se almacenan en forma líquida, generalmente en tanques separados, y la ignición se produce en la cámara de combustión, donde el combustible se mezcla con el oxidante.

El movimiento del cohete se produce cuando se desecha la sustancia de trabajo. No es indiferente a qué velocidad sale el fluido de trabajo de la boquilla del motor a reacción. La ley física de conservación del impulso dice que el impulso de un cohete (el producto de su masa por la velocidad a la que vuela) será igual al impulso del fluido de trabajo. Entonces, que mas masa los gases expulsados ​​por la tobera y la velocidad de su expiración, cuanto mayor es el empuje del motor, mayor es la velocidad que se le puede dar al cohete, mayor puede ser su masa y carga útil.

en grande motor de cohete En unos pocos minutos de funcionamiento, una gran cantidad de combustible, el fluido de trabajo, se procesa y se expulsa por la boquilla a alta velocidad. Para aumentar la velocidad y la masa de un cohete, además de dividirlo en etapas, sólo hay una forma: aumentar el empuje de los motores. Y es posible aumentar el empuje sin aumentar el consumo de combustible, simplemente aumentando la velocidad del flujo de gas desde la boquilla.

En la tecnología de cohetes existe el concepto de empuje específico de un motor de cohete. El empuje específico es el empuje que se obtiene en el motor al consumir un kilogramo de combustible en un segundo.

El empuje específico es idéntico al impulso específico: el impulso desarrollado por un motor de cohete por cada kilogramo de combustible consumido (fluido de trabajo). El impulso específico está determinado por la relación entre el empuje del motor y la masa de combustible consumido por segundo. El impulso específico es la característica más importante de un motor de cohete.

El impulso específico del motor es proporcional a la velocidad del flujo de gas desde la boquilla. Aumentar la velocidad de escape permite reducir el consumo de combustible por kilogramo de empuje desarrollado por el motor. Cuanto mayor es el empuje específico, mayor es la velocidad de escape del fluido de trabajo, más económico es el motor y menos combustible necesita el cohete para completar el mismo vuelo.

Y el caudal depende directamente de la energía cinética del movimiento de las moléculas de gas, de su temperatura y, en consecuencia, del poder calorífico (poder calorífico) del combustible. Naturalmente, cuanto mayor sea el contenido calórico y la productividad energética del combustible, menos se necesitará para realizar el mismo trabajo.

Pero el caudal no depende sólo de la temperatura: aumenta al disminuir el peso molecular de la sustancia de trabajo. La energía cinética de las moléculas a la misma temperatura es inversamente proporcional a su peso molecular. Cuanto menor sea el peso molecular del combustible, mayor será el volumen de gases producidos durante su combustión. Cuanto mayor es el volumen de gases formados durante la combustión del combustible, mayor es la velocidad de su flujo. Por tanto, el hidrógeno como componente del combustible para cohetes es doblemente beneficioso debido a su alto poder calorífico y su bajo peso molecular.

Una característica muy importante de un motor de cohete es su masa específica, es decir, la masa del motor por unidad de empuje. Un motor de cohete debe desarrollar un gran empuje y al mismo tiempo ser muy ligero. Después de todo, elevar cada kilogramo de carga al espacio tiene un precio elevado, y si el motor es pesado, básicamente se levantará solo a sí mismo. La mayoría de los motores a reacción generalmente tienen una gravedad específica relativamente baja, pero este indicador es especialmente bueno para los motores de propulsor líquido y los motores de cohetes de propulsor sólido. Esto se debe a la sencillez de su diseño.

Motores de cohetes de propulsor sólido y motores de cohetes.

Los motores de cohetes de combustible sólido tienen un diseño extremadamente simple. Básicamente constan de dos partes principales: la cámara de combustión y la boquilla de chorro. La propia cámara de combustión sirve como depósito de combustible. Es cierto que esto no es sólo una virtud, sino también una virtud muy inconveniente significativo. Es difícil apagar el motor hasta que se haya quemado todo el combustible. Su funcionamiento es extremadamente difícil de regular. El combustible debe quemarse lentamente, a un ritmo más o menos constante, independientemente de los cambios de presión y temperatura. El valor de empuje de un motor de cohete de propulsor sólido sólo puede ajustarse dentro de ciertos límites predeterminados, seleccionando cargas de propulsor sólido de la geometría y estructura apropiadas. En un motor cohete de propulsor sólido es difícil regular no sólo la fuerza de empuje, sino también su dirección. Para hacer esto, es necesario cambiar la posición de la cámara de tracción, y es muy grande, porque contiene todo el suministro de combustible. Han aparecido cohetes de combustible sólido con toberas giratorias; su diseño es bastante complejo, pero esto permite resolver el problema del control de la dirección del empuje.

Sin embargo, los motores de cohetes de combustible sólido también tienen una serie de ventajas importantes: disponibilidad constante para la acción, confiabilidad y facilidad de operación. Los motores de cohetes de propulsor sólido han encontrado una amplia aplicación en asuntos militares.

El elemento más importante en un motor de cohete de propulsor sólido es la carga de combustible sólido. Las características del motor dependen tanto de los elementos combustibles como de la estructura y dispositivo de carga. Hay dos tipos principales de combustibles sólidos para cohetes: dibásico o coloidal y mixto. Los combustibles coloidales son una solución sólida y homogénea de sustancias orgánicas, cuyas moléculas contienen elementos oxidantes y combustibles. La más utilizada es una solución sólida de nitrocelulosa y nitroglicerina.

Los combustibles mixtos son mezclas mecánicas de combustible y oxidante. Como oxidantes en estos combustibles se suelen utilizar sustancias cristalinas inorgánicas como perclorato de amonio, perclorato de potasio, etc. Normalmente, dicho combustible consta de tres componentes: además del oxidante, incluye un combustible polimérico que sirve como elemento aglutinante. y un segundo combustible en forma de aditivos metálicos en polvo, que mejoran significativamente las características energéticas del combustible. El combustible aglutinante puede ser resinas de poliéster y epoxi, caucho de poliuretano y polibutadieno, etc. El segundo combustible suele ser aluminio en polvo, a veces berilio o magnesio. Los combustibles mixtos suelen tener un impulso específico mayor que los coloidales, mayor densidad, mayor estabilidad, mejor almacenamiento y más procesabilidad.

Las cargas de combustible sólido se pueden unir al cuerpo de la cámara del motor (se fabrican vertiendo combustible directamente en el cuerpo) e insertar cargas, que se fabrican por separado y se insertan en el cuerpo en forma de uno o más bloques.

muy importante forma geométrica cargar. Al cambiarlo y utilizar revestimientos blindados en las superficies de carga que no deben arder, logramos el cambio deseado en el área de combustión y, en consecuencia, la presión del gas en la cámara y el empuje del motor.

Hay cargas que proporcionan una combustión neutra. Su área de combustión permanece sin cambios. Esto sucede si, por ejemplo, una barra de combustible sólido se quema desde el extremo o simultáneamente desde las superficies exterior e interior (para ello, se hace una cavidad dentro de la carga). Con la combustión regresiva, la superficie de combustión disminuye. Thek se obtiene si el bloque cilíndrico se quema desde la superficie exterior. Y finalmente, para una combustión progresiva, que asegura un aumento de presión en la cámara de combustión, es necesario un aumento de la superficie de combustión. El ejemplo más simple de tal carga es una ficha que se quema en la superficie cilíndrica interna.

Mayoría ventajas significativas Tienen cargas unidas con combustión interna. En ellos, los productos de combustión calientes no entran en contacto con las paredes de la carcasa, lo que permite prescindir de una refrigeración externa especial. En astronáutica, los motores de cohetes de combustible sólido se utilizan actualmente de forma limitada. En algunos vehículos de lanzamiento estadounidenses se utilizan potentes motores de cohetes de propulsor sólido, por ejemplo, en el cohete Titán.

Los grandes motores modernos de propulsor sólido desarrollan un empuje de cientos de toneladas, se están desarrollando motores aún más potentes con un empuje de miles de toneladas, se están mejorando los combustibles sólidos y se están diseñando sistemas de control de empuje. Y, sin embargo, los motores de cohetes líquidos dominan sin duda la astronáutica. La razón principal de esto es la menor eficiencia del combustible sólido para cohetes. Los mejores motores de cohetes de propulsor sólido tienen un caudal de gas desde la boquilla de 2500 metros por segundo. Los motores de cohetes líquidos tienen un empuje específico más alto y una velocidad de escape de (para los mejores motores modernos) 3500 metros por segundo, y utilizan combustible con un poder calorífico muy alto (por ejemplo, hidrógeno líquido como combustible y oxígeno líquido como oxidante). , se puede alcanzar una velocidad de escape de cuatro segundos a medio kilómetro por segundo.

Para el diseño y funcionamiento de un motor cohete de propulsión líquida, el combustible con el que funciona el motor es de gran importancia.

Se conocen combustibles que liberan energía durante las reacciones de descomposición, por ejemplo, el peróxido de hidrógeno y la hidracina. Naturalmente, constan de un componente, un líquido. Sin embargo, los combustibles químicos que liberan energía durante las reacciones de combustión son los más utilizados en la tecnología de cohetes. Consisten en un oxidante y un combustible. Estos combustibles también pueden ser de un solo componente, es decir, ser un líquido. Puede ser una sustancia cuya molécula contiene elementos tanto oxidantes como inflamables, por ejemplo, nitrometano, o una mezcla de un oxidante y un combustible, o una solución de un combustible en un oxidante. Sin embargo, estos combustibles suelen ser propensos a explotar y rara vez se utilizan. La gran mayoría de los motores de cohetes de propulsión líquida funcionan con combustible de dos propulsores. El oxidante y el combustible se almacenan en tanques separados y se mezclan en la cámara del motor. El agente oxidante suele ser la mayoría de masa de combustible: se consume de dos a cuatro veces más que el combustible. Como agentes oxidantes se utilizan con mayor frecuencia oxígeno líquido, tetróxido de nitrógeno, ácido nítrico y peróxido de hidrógeno. Como combustible se utilizan queroseno, alcohol, hidracina, amoniaco, hidrógeno líquido, etc.

El vehículo de lanzamiento soviético Vostok funcionaba con un combustible compuesto de oxígeno líquido y queroseno, lo que aseguró el lanzamiento de muchas de nuestras naves espaciales con astronautas a bordo. El mismo combustible impulsó los motores de los cohetes estadounidenses Atlas y Titan y la primera etapa del cohete Saturno 5, que lanzó la nave espacial Apolo a la Luna. El combustible, compuesto por oxígeno líquido y queroseno, está bien desarrollado en producción y funcionamiento, es fiable y económico. Se utiliza ampliamente en motores de cohetes líquidos.

La dimetilhidrazina asimétrica ha encontrado uso como combustible. Este es un combustible combinado con un oxidante. oxígeno líquido- utilizado en el motor RD-119, ampliamente utilizado en el lanzamiento de satélites Cosmos. Este motor logra el impulso específico más alto para motores de propulsor líquido que funcionan con oxígeno y combustibles de alto punto de ebullición.

El combustible para cohetes más eficaz y de uso generalizado actualmente es el oxígeno líquido más el hidrógeno líquido. Se utiliza, por ejemplo, en los motores de la segunda y tercera etapa del cohete Saturn 5.

La búsqueda de nuevos combustibles para cohetes cada vez más eficientes continúa constantemente. Los científicos y diseñadores están trabajando arduamente para utilizar flúor en los motores de cohetes líquidos, que tiene un efecto oxidante más fuerte que el oxígeno. Los combustibles producidos con flúor permiten obtener el impulso específico más alto para los motores de cohetes líquidos y tienen una alta densidad. Sin embargo, su uso en motores de cohetes de propulsión líquida se complica por la alta agresividad química y toxicidad del flúor líquido, la alta temperatura de combustión (más de 4500° C) y el alto costo.

Sin embargo, en varios países se están desarrollando y probando motores de cohetes de propulsión líquida que utilizan flúor. F.A. Tsander propuso por primera vez el uso de flúor líquido para motores de propulsor líquido en 1932, y en 1933 V.P. Glushzho propuso una mezcla de flúor líquido y oxígeno líquido como oxidante.

Muchos combustibles a base de flúor se encienden automáticamente cuando se mezclan el oxidante y el combustible. Algunos vapores de combustible que no contienen flúor también se encienden espontáneamente. Autoencendido - gran dignidad combustible. Permite simplificar el diseño del motor cohete y aumentar su fiabilidad. Algunos combustibles se vuelven autoinflamables cuando se les agrega un catalizador. Entonces, si se agrega una centésima de porcentaje de fluoruro de ozono al agente oxidante (oxígeno líquido), la combinación de este agente oxidante con queroseno se vuelve autoinflamable.

La ignición espontánea del combustible (si no es autoinflamable, se utiliza encendido pirotécnico o eléctrico, o inyección de una parte del combustible autoinflamable de arranque) se produce en la cámara del motor. La cámara es la unidad principal de un motor cohete líquido. Es en la cámara donde se mezclan los componentes del combustible, se quema y, como resultado, se forma gas a una temperatura muy alta (2000-4500 ° C) o menos. alta presión (decenas y cientos de atmósferas). Al salir de la cámara, este gas crea una fuerza reactiva, el empuje del motor. La cámara del motor de cohete líquido consta de una cámara de combustión con un cabezal mezclador y una boquilla. La mezcla de los componentes del combustible se produce en el cabezal mezclador, la combustión se produce en la cámara de combustión y los gases salen a través de la boquilla. Por lo general, todas las unidades de la cámara se fabrican como un todo. La mayoría de las veces, las cámaras de combustión tienen forma cilíndrica, pero también pueden ser cónicas o esféricas (en forma de pera).

El cabezal mezclador es una parte muy importante de la cámara de combustión y de todo el motor de propulsor líquido. En él se produce la denominada formación-inyección de mezcla, atomización y mezcla de componentes del combustible. Los componentes del combustible (oxidante y combustible) ingresan por separado al cabezal mezclador de la cámara. Se introducen en la cámara a través de las boquillas del cabezal debido a la diferencia de presión entre el sistema de suministro de combustible y el cabezal de la cámara. Para que la reacción en la cámara de combustión se desarrolle lo más rápido posible y sea lo más completa posible - y esta es una condición muy importante para la eficiencia y economía del motor - es necesario asegurar la formación más rápida y completa de la mezcla de combustible se quema en la cámara, para garantizar que cada partícula del oxidante se encuentre con una partícula de combustible.

La formación de una mezcla de combustible preparada para la combustión consta de tres procesos que se transforman entre sí: la atomización de los componentes líquidos, su evaporación y su mezcla. Al atomizar (triturar un líquido en gotas), su superficie aumenta significativamente y el proceso de evaporación se acelera. La finura y uniformidad del spray es muy importante. La sutileza de este proceso se caracteriza por el diámetro de las gotas resultantes: cuanto más pequeña sea cada gota, mejor. Después de la atomización, la siguiente etapa en la preparación del combustible para la combustión es su evaporación. Es necesario asegurar la evaporación más completa del oxidante y el combustible durante el tiempo más corto. El proceso de evaporación de las gotas formadas durante la pulverización en la cámara del motor del cohete de propulsión líquida dura sólo entre dos y ocho milésimas de segundo.

Como resultado de la atomización y evaporación de los componentes del combustible, se forman vapores de oxidante y combustible, a partir de los cuales se obtiene una mezcla que se quema en la cámara del motor. La mezcla de componentes comienza, esencialmente, inmediatamente después de que los componentes ingresan a la cámara y termina solo cuando el combustible se quema. En los combustibles autoinflamables, el proceso de combustión comienza en la fase líquida, durante la atomización del combustible. Para los combustibles que no se encienden espontáneamente, la combustión comienza en la fase gaseosa cuando se suministra calor desde fuente externa.

Los componentes del combustible líquido se suministran a la cámara a través de boquillas ubicadas en el cabezal. La mayoría de las veces se utilizan dos tipos de boquillas: de chorro o centrífugas. Pero el combustible fue atomizado, mezclado y encendido. Cuando arde en la cámara de combustión, se libera una gran cantidad de energía térmica. En la boquilla se produce una mayor conversión de energía. Del exitoso diseño del cabezal mezclador depende principalmente la perfección del motor: garantiza la combustión completa del combustible, la estabilidad de la combustión, etc.

La boquilla es una parte de la cámara de combustión en la que la energía térmica del fluido de trabajo comprimido (mezcla de gases) se convierte en energía cinética del flujo de gas, es decir, se acelera a la velocidad de los gases de escape del motor. La boquilla generalmente consta de una parte convergente y divergente, que están conectadas en la sección crítica (mínima).

Una tarea muy difícil es garantizar la refrigeración de la cámara del motor del cohete de propulsión líquida. Normalmente, la cámara consta de dos armazones: un muro cortafuegos interior y una camisa exterior. El líquido fluye a través del espacio entre las carcasas, enfriando la pared interior de la cámara del motor del cohete de propulsión líquida. Normalmente se utiliza para ello uno de los componentes del combustible. El combustible u oxidante calentado se retira y ingresa al cabezal de la cámara para usarlo, por así decirlo, para el propósito previsto. En este caso, la energía térmica extraída de las paredes de la cámara no se pierde, sino que se devuelve a la cámara. Este tipo de enfriamiento (regenerativo) fue propuesto por primera vez por K. E. Tsiolkovsky y se utiliza ampliamente en la tecnología de cohetes.

La mayoría de los motores de propulsor líquido modernos utilizan unidades de turbobomba especiales para suministrar combustible. Para alimentar una bomba tan poderosa, se quema combustible en un generador de gas especial, generalmente el mismo combustible y el mismo oxidante que en la cámara de combustión del motor. A veces, la turbina de la bomba es impulsada por vapor, que se genera cuando se enfría la cámara de combustión del motor. Hay otros sistemas de accionamiento de bombas.

La creación de modernos motores de cohetes líquidos requiere alto nivel desarrollo de la ciencia y la tecnología, perfección de las ideas de diseño, tecnología avanzada. El hecho es que en los motores de cohetes líquidos se alcanzan temperaturas muy altas, se desarrolla una presión enorme, los productos de combustión y, a veces, el propio combustible, son muy agresivos y el consumo de combustible es inusualmente alto (¡hasta varias toneladas por segundo!). Con todo esto, el motor del cohete debe tener, especialmente al lanzar naves espaciales con astronautas a bordo, un grado muy alto de fiabilidad. Es su alta confiabilidad y muchas otras ventajas lo que distingue a los motores de cohetes líquidos del famoso cohete espacial soviético "Vostok": RD-107 (motor de primera etapa) y RD-108 (motor de segunda etapa), desarrollados en 1954-1957 bajo el liderazgo. del diseñador jefe de motores de cohetes V . Estos son los primeros motores de producción del mundo que funcionan con combustible rico en calorías; oxígeno líquido y queroseno. Tienen un alto empuje específico, lo que permite obtener una enorme potencia con un consumo de combustible relativamente moderado. En el vacío, el empuje de un motor RD-107 es de 102 toneladas. (La primera etapa del vehículo de lanzamiento Vostok tiene cuatro motores de este tipo). La presión en la cámara de combustión es de 60 atmósferas.

El motor RD-107 tiene una unidad de turbobomba con dos bombas centrífugas principales; uno suministra combustible, el otro suministra oxidante. Tanto el combustible como el oxidante se suministran a través de una gran cantidad de boquillas a cuatro cámaras de combustión principales y dos de dirección. Antes de entrar en las cámaras de combustión, el combustible fluye alrededor de ellas desde el exterior, es decir, se utiliza para enfriar. El enfriamiento confiable le permite mantener altas temperaturas dentro de las cámaras de combustión. En este motor se utilizaron por primera vez cámaras de combustión de dirección oscilante, de diseño similar a las principales, para controlar la dirección del empuje.

El motor de segunda etapa del cohete Vostok RD-108 tiene un diseño similar. Es cierto que tiene cuatro cámaras de dirección y algunas otras diferencias. Su empuje de vacío es de 96 toneladas. Curiosamente, se lanza a la Tierra simultáneamente con los motores de la primera etapa. Los motores RD-107 y RD-108 de diversas modificaciones se han utilizado durante muchos años para lanzar naves espaciales, satélites terrestres artificiales y naves espaciales a la Luna, Venus y Marte.

La segunda etapa del vehículo de lanzamiento Cosmos de dos etapas está equipada con el motor cohete de propulsión líquida RD-119, desarrollado en 1958-1962 (también en el GDL-OKB), con un empuje de 11 toneladas; El combustible de este motor es dimetilhidrazina asimétrica, el oxidante es oxígeno líquido. En su diseño se utilizan ampliamente el titanio y otros materiales estructurales modernos. Junto con alta confiabilidad característica distintiva Este motor tiene una eficiencia muy alta. En 1965, se crearon en nuestro país potentes motores de pequeño tamaño con características energéticas muy altas para el cohete y el sistema espacial Proton. La potencia útil total de los sistemas de propulsión del cohete Proton es tres veces más poder motores del cohete Vostok y tiene 60 millones de caballos de fuerza. Estos motores garantizan una alta eficiencia de combustión, una presión significativa en el sistema y un flujo uniforme y equilibrado de productos de combustión desde las boquillas.

Actualmente, los motores de propulsión líquida han alcanzado un alto grado de perfección y su desarrollo continúa. Se han creado motores de propulsión líquida de varias clases, desde motores de microcohetes hasta sistemas de estabilización y control de actitud. aeronave con muy poco empuje (unos pocos kilogramos o menos) hasta enormes y potentes motores de cohetes con un empuje de cientos de toneladas (por ejemplo, el motor de cohete estadounidense G-1 para la primera etapa del vehículo de lanzamiento Saturn 5 tiene un empuje de 690 toneladas . Cinco de ellos están instalados en los motores de cohetes).

Los motores de cohetes líquidos se están desarrollando utilizando combustibles altamente eficientes: una mezcla de hidrógeno líquido (combustible) y oxígeno líquido o flúor líquido como oxidantes. Los motores se han creado utilizando combustible de larga duración que puede funcionar durante vuelos espaciales de larga duración.

Hay proyectos para motores de cohetes combinados: motores de cohetes turbo y estatorreactores, que deberían ser una combinación orgánica de motores de cohetes de propulsión líquida con motores de chorro de aire. La creación de tales motores permite utilizar el oxígeno atmosférico como oxidante en las etapas inicial y final de los vuelos espaciales y así reducir el suministro de combustible a bordo del cohete. También se está trabajando para crear las primeras etapas reutilizables. Estas etapas, equipadas con motores que respiran aire y capaces de despegar y, tras la separación de las etapas posteriores, aterrizar como aviones, reducirán el coste del lanzamiento de naves espaciales.

MOTORES DE COHETES NUCLEARES

Los científicos y diseñadores han creado motores termoquímicos de un alto grado de perfección y, sin duda, se crearán ejemplos aún más perfectos. Sin embargo, las capacidades de los cohetes termoquímicos están limitadas por la naturaleza misma del combustible, el oxidante y los productos de reacción. Dada la limitada productividad energética de los combustibles para cohetes, que no permite obtener una velocidad muy alta de flujo del fluido de trabajo desde la boquilla, se requiere un gran suministro de combustible para acelerar el cohete a la velocidad requerida. Los cohetes químicos son inusualmente voraces. ¡Se trata no sólo de ahorrar, sino a veces de hacer lo mejor posible! y vuelos espaciales.

Incluso para resolver un problema relativamente más simple en el campo de los vuelos espaciales: el lanzamiento de satélites terrestres artificiales, la masa de lanzamiento de un cohete químico, debido a la enorme cantidad de combustible, debe ser muchas decenas de veces mayor que la masa de la carga lanzada. órbita. Para lograr la segunda velocidad de escape, esta relación es aún mayor. Pero la humanidad está empezando a establecerse en el espacio, la gente va a construir estaciones científicas en la Luna, aspira a Marte y Venus, piensa en vuelos a regiones lejanas. sistema solar. Cohetes mañana Habrá que transportar al espacio muchas toneladas de material científico y de carga.

Para los vuelos interplanetarios, se necesita más combustible para ajustar la órbita de vuelo, reducir la velocidad de la nave espacial antes de aterrizar en el planeta objetivo, despegar para regresar a la Tierra, etc. La masa de lanzamiento de los cohetes termoquímicos para tales vuelos se vuelve increíblemente grande: varios millones de toneladas. !

Los científicos e ingenieros llevan mucho tiempo pensando en cuáles deberían ser los motores de cohetes del futuro. Naturalmente, los científicos centraron su atención en la energía nuclear. Una pequeña cantidad de combustible nuclear contiene una gran cantidad de energía. La reacción de fisión nuclear libera millones de veces más energía por unidad de masa que la combustión de los mejores combustibles químicos. Por ejemplo, 1 kilogramo de uranio durante una reacción de fisión puede liberar la misma cantidad de energía que 1.700 toneladas de gasolina cuando se quema. La reacción de fusión nuclear produce varias veces más energía.

El uso de energía nuclear puede reducir drásticamente el suministro de combustible a bordo de un cohete, pero sigue siendo necesaria una sustancia funcional que se calentará en el reactor y se expulsará por la boquilla del motor. Tras un examen más detenido, resulta que la separación del combustible y la sustancia de trabajo en un cohete nuclear tiene ciertas ventajas.

La elección de la sustancia de trabajo para un cohete químico es muy limitada. Al fin y al cabo, también sirve como combustible. Aquí entra en juego la ventaja de separar el combustible y la sustancia de trabajo. Es posible utilizar una sustancia de trabajo con el peso molecular más bajo: el hidrógeno.

Un cohete químico también utiliza una combinación de la eficiencia energética relativamente alta del hidrógeno con un bajo peso molecular. Pero allí la sustancia de trabajo es el producto de la combustión del hidrógeno con un peso molecular de 18. Y el peso molecular del hidrógeno puro, que puede servir como fluido de trabajo de un motor de cohete nuclear, es 2. Reducir el peso molecular de la sustancia de trabajo 9 veces a temperatura constante permite aumentar 3 veces la velocidad de escape. ¡Aquí está la ventaja tangible de un motor de cohete nuclear!

Estamos hablando de motores de cohetes atómicos que utilizan la energía de fisión de los núcleos de elementos pesados. Hasta ahora, la reacción de fusión nuclear se ha llevado a cabo artificialmente sólo en la bomba de hidrógeno, y la reacción de fusión termonuclear controlada sigue siendo un sueño, a pesar del intenso trabajo de muchos científicos en el mundo.

Entonces, en un motor de cohete nuclear puedes obtener aumento significativo Caudal de gas debido al uso de una sustancia de trabajo con un peso molecular mínimo. En teoría, puedes llegar a ser muy temperatura alta sustancia de trabajo. Pero en la práctica está limitado por la temperatura de fusión de los elementos combustibles del reactor.

En la mayoría de los esquemas propuestos para motores de cohetes nucleares, el fluido de trabajo se calienta, lava los elementos combustibles del reactor, luego se expande en la boquilla y se expulsa del motor. La temperatura es aproximadamente la misma que en los motores de cohetes químicos. Es cierto que el motor en sí resulta mucho más complejo y pesado. Especialmente si se considera la necesidad de un escudo para proteger a los astronautas de la radiación en aviones tripulados. naves espaciales. Aun así, un misil nuclear promete beneficios considerables.

En Estados Unidos, en el marco del programa llamado "Rover", se está trabajando intensamente para crear un motor de cohete nuclear. También han surgido proyectos de motores de cohetes nucleares en los que el núcleo se encuentra en fase polvorienta, líquida o incluso gaseosa. lo hace posible recibir Temperatura más alta de la sustancia de trabajo. El uso de tales reactores (llamados reactores de cavidad) probablemente permitiría aumentar significativamente el caudal del fluido de trabajo. Pero la creación de tales reactores es una cuestión extremadamente difícil: el combustible nuclear se mezcla con la sustancia de trabajo y es necesario separarlo de alguna manera antes de que el fluido de trabajo sea expulsado de la boquilla del motor. De lo contrario, habrá pérdidas continuas de combustible nuclear y un rastro mortal de alta radiación seguirá al cohete. Y la masa crítica de combustible nuclear necesaria para mantener las reacciones, en estado gaseoso, ocupará un volumen muy grande que no es aceptable para un cohete.
(L.A. Gilberg: La conquista del cielo)

"Buran", al igual que su hermano de ultramar, el sistema de cohetes reutilizable "Shuttle", deja mucho que desear en sus características.

Resultó que no eran tan reutilizables. Los propulsores de lanzamiento pueden soportar 3 o 4 vuelos completos y el propio vehículo alado se quema y requiere reparaciones muy costosas. Pero lo principal es que su eficiencia no es muy buena.

Y aquí surge tal tentación: crear un vehículo alado tripulado capaz de despegar de forma independiente desde la Tierra, ir al espacio exterior y regresar. La verdad sigue sin resolverse problema principal- motor. Los motores a reacción de tipos conocidos sólo son capaces de funcionar a una velocidad de 4-5 Mach (Mach es la velocidad del sonido), y la primera velocidad cósmica, como se sabe, es de 24 Mach. Pero incluso en este caso, parece. , ya se han esbozado los primeros pasos hacia el éxito.

En la exposición Aviadvigatele-Stroenie-92 celebrada en Moscú, entre todo tipo de objetos expuestos, desde antiguas máquinas de vapor para dirigibles hasta turbinas gigantes de aviones de transporte ultramodernos, en el stand se encontraba modestamente un pequeño barril: el primer y único modelo del mundo. de un motor a reacción hipersónico (hipersónico, de 6M y superior) que respira aire (motor scramjet). Fue creado en el Instituto Central de Ingeniería de Motores de Aviación (CIAM). Por supuesto, este es el resultado del trabajo de un gran equipo. En primer lugar, el diseñador jefe D. A. Ogorodnikov, sus asociados A. S. Rudakov, V. A. Vinogradov... Realmente, no debemos olvidar a los que ya no están vivos: este es el médico. ciencias tecnicas R.I. Kurziner y el profesor E.S. Shchetinkov. Este último, hace varias décadas, propuso el principio básico de todos los motores scramjet modernos. El motor que desarrolló ya en ese momento era capaz de funcionar a velocidades hipersónicas (por encima de 5-6 M). Estas personas crearon un milagro tecnológico que, quizás, en un futuro próximo revolucionará la ingeniería de propulsión espacial.

Pero no nos apresuremos a “adaptar” un nuevo motor a un avión espacial, ya sea Buran o Spiral, pasemos a la teoría. El hecho es que cada motor sólo puede funcionar en un rango determinado, que es demasiado estrecho para tareas espaciales, y lograr que domine el hipersonido no es nada fácil. Averigüemos por qué.

En cualquier DMA, para un funcionamiento exitoso se deben observar tres: las condiciones más importantes. En primer lugar, es necesario comprimir el aire tanto como sea posible. Luego queme el combustible en la cámara de combustión sin pérdidas. Y finalmente, con la ayuda de una boquilla, los productos de la combustión deben expandirse hasta presión atmosférica. Sólo entonces la eficiencia será lo suficientemente alta.

Mira la foto. Aquí hay un diagrama del primer motor estatorreactor hipersónico del mundo (scramjet). Resuelve su primer problema, comprimir aire, de una manera muy original, según el principio de... una cuchilla. Imagínese: una cuchilla corta un tronco suave y denso, las capas de madera frente a ella permanecen sin cambios, pero se compactan en los lados. Los científicos llaman al límite entre las capas normales y más densas un "choque de compresión". Esto también sucede en el motor. A lo largo de su eje se ubica un cuerpo central puntiagudo. Al chocar contra el aire, crea un "salto": una zona de mayor presión. Hay un "reflejo" del aire desde el cuerpo central hacia las paredes de la carcasa. Al mismo tiempo, se comprime aún más muchas veces. La velocidad del aire disminuye y la temperatura aumenta, la energía cinética se convierte en energía térmica interna.

Ahora bien, para que el combustible inyectado en el flujo se queme por completo, es deseable obtener una velocidad lo más baja posible. Pero entonces la temperatura del aire puede alcanzar los 3-5 mil grados. Parecería bueno: el combustible se encenderá como pólvora. Pero incluso si hubiera pólvora real allí, no habría ningún destello. El caso es que a temperaturas tan altas, junto con el proceso de oxidación, las moléculas también se desintegran en átomos individuales. Si en el primero se libera energía, en el segundo se absorbe. Y la paradoja es que a medida que aumenta la temperatura, puede llegar un momento en el que se absorba más de lo que se libere. En otras palabras, el hogar se convertirá en... un frigorífico.

El profesor Shchetinkov sugirió en 1956 una forma original de salir de esta situación. Sugirió comprimir el aire sólo hasta que su velocidad supersónica sea aproximadamente la misma que la de... una bala. Como ya se reconoce en todo el mundo, sólo bajo estas condiciones es posible el funcionamiento de los scramjets.

Pero esto también tiene sus dificultades: incluso una mezcla de hidrógeno con aire, que en los cursos de química conocemos como “gas explosivo”, difícilmente tendrá tiempo de encenderse en tales condiciones. Y aunque se eligió hidrógeno líquido como combustible para el motor, hubo que recurrir a trucos. Primero, el hidrógeno enfría las paredes. Calentándose de -256° C a +700° C, evita que el metal se derrita. Parte del combustible se inyecta a través de los inyectores directamente en la corriente de aire. Y la otra parte cae sobre boquillas ubicadas en nichos rectangulares especiales. Aquí arden potentes antorchas de hidrógeno, capaces de quemar instantáneamente una lámina de acero. Encienden la mezcla de hidrógeno y aire. El mismo que en condiciones normales explota por una chispa que cae de una camiseta de nailon.

Pero ésta es quizás la tarea principal en la que nosotros y los estadounidenses dedicamos unos 30 años. ¿Cómo lograr una combustión completa con una cámara de longitud aceptable: 3-5 m? Se sabe que una teoría sin un experimento de verificación vale poco. Y para probar el funcionamiento de dicho motor, es necesario colocarlo en un flujo hipersónico. No existen tales aviones, aunque existen túneles de viento, pero son muy, muy caros. Para la comprobación final del scramjet, los diseñadores instalaron su dispositivo en la punta del cohete y lo aceleraron hasta velocidad requerida.

Aclaremos que la discusión aquí no fue sobre la creación de un nuevo tipo de cohete, sino solo sobre verificar la calidad de la combustión de hidrógeno en el motor. Fue un completo éxito. Ahora, como admiten los estadounidenses, nuestros científicos tienen el secreto de crear cámaras de combustión fiables.

Bueno, ahora pensemos en lo que pasará si queremos ampliar este pequeño modelo de exposición, haciéndolo apto para levantar un avión en el aire. Al parecer, adoptará las características de un pesado tubo de treinta metros con un enorme difusor y boquilla y una cámara de combustión muy modesta. ¿Quién necesita un motor así? ¿Callejón sin salida? No, hay una salida y se sabe desde hace mucho tiempo. En su trabajo se pueden asignar muchas funciones al fuselaje y al ala del avión.

En la figura se muestra el prototipo de dicho avión aeroespacial (VKS). Al “cuñar” la parte de su morro en el aire, crea una serie de ondas de choque, y todas ellas caen directamente sobre la entrada de la cámara de combustión. Los gases calientes que salen de él, expandiéndose a la presión atmosférica, se deslizan a lo largo de la superficie de la parte trasera del avión, creando un empuje, como en una buena boquilla. ¡A velocidades hipersónicas esto también es posible! Sorprendentemente, en teoría, ¡incluso puedes prescindir de una cámara e inyectar combustible "simplemente" cerca de la protuberancia en la parte inferior del VKS! Terminarás con un motor que no parece existir. Se llama scramjet de "combustión externa". Es cierto que su “simplicidad” en trabajo de investigacion Es tan caro que todavía nadie lo ha estudiado seriamente.

Por lo tanto, volvamos a un avión aeroespacial con un motor scramjet clásico. Su lanzamiento y aceleración hasta b M deberían realizarse utilizando motores turborreactores convencionales. En la imagen se ve una unidad compuesta por un motor turborreactor tradicional y un motor scramjet cercano. A velocidades "bajas", el scramjet está separado por una partición aerodinámica y no interfiere con el vuelo.

Y en los grandes, la partición bloquea el flujo de aire que va al motor turborreactor y el motor scramjet se enciende.

Al principio todo irá bien, pero luego, a medida que aumenta la velocidad, el empuje del motor comenzará a disminuir y el apetito (consumo de combustible) comenzará a aumentar. En este momento, su insaciable barriga debe ser alimentada con oxígeno líquido. Te guste o no, aún tienes que llevártelo contigo. Es cierto, en cantidades mucho menores que en un cohete convencional. En algún lugar a 60 kilómetros de la Tierra, el motor scramjet se detendrá por falta de aire. Y entonces entra en acción un pequeño motor cohete de propulsión líquida. La velocidad ya es alta y se consumirá muy poco combustible y oxidante antes de entrar en órbita. Con el mismo peso de lanzamiento del cohete, el avión aeroespacial se pone en órbita con una carga útil entre 5 y 10 veces mayor. Y el coste de lanzamiento de cada kilogramo será decenas de veces menor que el de los misiles. Esto es exactamente por lo que se esfuerzan hoy los científicos y diseñadores.

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Combustible para cohetes (RT)

Sustancia o conjunto de sustancias que es fuente de energía y fluido de trabajo para crear fuerza reactiva en un motor de cohete (RE). Según el tipo de fuente de energía, se distingue entre RT químicas y nucleares. La mayor aplicación práctica de los RD de los misiles balísticos intercontinentales (ICBM) utilizados en las Fuerzas de Misiles Estratégicos son los lanzacohetes químicos, que son a la vez una fuente de energía liberada debido a reacciones de combustión exotérmica y una fuente de fluido de trabajo, que son los productos de combustión de combustible. Los RT químicos según su estado de agregación se dividen en composición líquida (LRT), sólida (SRT) y agregada mixta.

LRT: combustibles para cohetes que se encuentran en estado agregado líquido en condiciones de operación. Los combustibles líquidos se dividen en combustibles de un solo componente (unitarios) y de dos componentes, también llamados combustibles de alimentación separada. Pueden considerarse combustibles líquidos monocomponentes las sustancias químicas o sus mezclas que, en determinadas condiciones, sean capaces de sufrir reacciones de descomposición química o combustión con liberación de energía térmica. Tales sustancias incluyen, por ejemplo, hidracina N2H4, peróxido de hidrógeno H2O2, óxido de etileno CH2CH2O, etc. Los motores de cohetes de propulsor líquido de un solo componente se utilizan en motores de cohetes de propulsor líquido de bajo empuje, como combustible para sistemas de control y orientación del propulsor de cohetes, así como como para los sistemas generadores de gas. Los propulsores líquidos de dos componentes constan de un oxidante y un combustible. Como agentes oxidantes se utilizan sustancias que contienen predominantemente átomos de elementos oxidantes. Estas sustancias incluyen flúor líquido F2 y oxígeno O2, ácido nítrico concentrado HNO3 y tetróxido nítrico N2O4. Los combustibles líquidos inflamables más eficaces son el hidrógeno líquido H2, el queroseno T-1 (fracción con un punto de ebullición de 150...280°C), la hidracina N2H4 y la dimetilhidrazina asimétrica H2NN(CH3)2 (UDMH). También se pueden utilizar como combustibles los metales Mg, Al y sus hidruros, introducidos en la composición de los combustibles líquidos en forma de polvos dispersos con formación de geles. Cuando se alimentan a la cámara de combustión del RD, los componentes del propulsor líquido pueden encenderse espontáneamente (por ejemplo, N2O4 + H2NN(CH3)2) o no encenderse espontáneamente (H2 líquido + O2 líquido). En este último caso, utilice sistemas especiales combustibles de encendido o de arranque especiales. Los cohetes de propulsión líquida de dos componentes se utilizan principalmente en motores de propulsión de cohetes y sus etapas. Para conferir un conjunto de propiedades necesarias a los componentes del combustible líquido, normalmente se introducen en los componentes del combustible aditivos especiales que contribuyen, por ejemplo, a aumentar la estabilidad. propiedades fisicas y quimicas componentes durante el almacenamiento o el funcionamiento. La principal ventaja de los LRT, que determina la viabilidad de su uso, es la posibilidad de obtener un alto nivel de características energéticas.

Por ejemplo, para combustibles a base de O2 y H2 líquidos a p/pa = 7/0,1 MPa, se produce un impulso específico de hasta 3835 m/s, mientras que para los combustibles sólidos de mayor energía su valor no supera los 3000 m. /s en condiciones comparables.

Los componentes LRT se dividen en de alto y bajo punto de ebullición. Un componente de alto punto de ebullición es un componente de combustible líquido que tiene un punto de ebullición superior a 298 K en condiciones estándar. Los componentes de alto punto de ebullición en el rango de temperatura de funcionamiento son líquidos. Los componentes de alto punto de ebullición incluyen oxidantes de ácido nítrico, tetróxido de nitrógeno y varios combustibles ampliamente utilizados: queroseno T-1, dimetilhidrazina asimétrica, etc.

Un componente de bajo punto de ebullición es un componente de combustible líquido que tiene un punto de ebullición inferior a 298 K en condiciones estándar. En el rango de temperatura durante el funcionamiento de la tecnología de cohetes, los componentes de bajo punto de ebullición suelen estar en estado gaseoso. Para mantener los componentes de bajo punto de ebullición en estado líquido, se utilizan equipos tecnológicos especiales. Entre los componentes de bajo punto de ebullición se distinguen los denominados componentes criogénicos, que tienen un punto de ebullición inferior a 120 K. Los componentes criogénicos incluyen gases licuados: oxígeno, hidrógeno, flúor, etc. Para reducir las pérdidas por evaporación y aumentar la densidad, es posible utilizar un componente criogénico en estado similar a un lodo, en forma de una mezcla de fases sólidas y líquidas de este componente.

Los TRT son sistemas explosivos homogéneos o heterogéneos capaces de autocombustión en un amplio rango de presiones (0,1...100 MPa) con liberación de una cantidad importante de calor y productos de combustión gaseosos. Por composición química y el método de producción se dividen en balísticos y mixtos. La base estructural y energética de las balistitas son los nitratos de celulosa, coloxilinas con un contenido de nitrógeno de aproximadamente el 12%, plastificadas con disolventes activos poco volátiles (nitroglicerina, dinitrato de dietilenglicol) u otros nitroéteres líquidos. Las balistitas pueden contener explosivos potentes (HMX): octógeno o hexógeno, y también incluyen estabilizadores de resistencia química, estabilizadores de combustión, modificadores de combustión, aditivos tecnológicos y energéticos (polvos de Al, Mg o sus aleaciones). Las balistitas son soluciones sólidas ubicadas en el rango de temperatura de funcionamiento en un estado físico vítreo.

Los TRT mixtos son mezclas heterogéneas de un oxidante (principalmente perclorato de amonio NH4ClO4, perclorato de potasio KClO4 o nitrato de amonio NH4NO3) y un aglutinante de combustible, que es un polímero plastificado (por ejemplo, caucho de butilo, polibutadieno, poliuretano) con los ingredientes del agente de curado. Sistema, tecnológico y aditivos especiales. Para mejorar sus características energéticas, los TRT mixtos pueden contener potentes explosivos de alta potencia (RDX o HMX) en cantidades de hasta un 50% y hasta un 20% de combustibles metálicos (Al, Mg o sus hidruros). La regulación de las características balísticas (velocidad de combustión y su dependencia de varios factores) del TRT generalmente se lleva a cabo cambiando la dispersión de los componentes del polvo o introduciendo modificadores de la combustión en la composición del combustible. Los componentes del TRT mixto suelen realizar varias funciones: los oxidantes son rellenos de la matriz polimérica y proporcionan el nivel requerido de características balísticas y de energía-masa; los combustibles, que en la mayoría de los casos son polímeros plastificados, aseguran la solidez de la carga propulsora sólida y el nivel requerido de sus características mecánicas; El combustible metálico está diseñado para aumentar la densidad del combustible y aumentar sus capacidades energéticas.

Cantidad de TRT determinada en masa, que es la principal fuente de energía y fluido de trabajo, teniendo forma dada, dimensiones y superficie de combustión inicial se denomina carga de combustible sólido (SFC). En relación con los motores de propulsor sólido, se entiende por motor de propulsor sólido la parte del motor de cohete propulsor que garantiza la ley requerida de formación de gas del fluido de trabajo. Según el método de instalación en la cámara del cohete de propulsor sólido, las cargas se dividen en insertadas, firmemente sujetas, fundidas en el cuerpo y fundidas en el cuerpo, aseguradas con esposas.

En el rango de temperatura de funcionamiento, los TRT mixtos se encuentran en un estado altamente elástico. Los TRT son más fáciles de operar que los LRT, pero tienen características energéticas inferiores.

Los combustibles de composición de áridos mixtos (híbridos) son combustibles de dos componentes en los que los componentes, estando en diferentes estados de áridos, pueden ser líquidos, sólidos o gaseosos. Debido a la complejidad del diseño de las calles de rodaje, los RT híbridos se utilizan de forma limitada.

Los misiles balísticos intercontinentales RD de las Fuerzas de Misiles Estratégicos utilizan fluidos combustibles líquidos autoinflamables de alto punto de ebullición (principalmente N2O4+H2NN(CH3)2) y motores de cohetes de combustible mixto. Los LRT se utilizan en las calles de rodaje de misiles ampulizados basados ​​en silos, y los TRT se utilizan en las calles de rodaje de misiles basados ​​en silos y móviles.

Mesa 1. Principales características de los propulsores líquidos de dos componentes a p k / p a = 7/0,1 MPa

Mesa 2. Composición principal y características principales del TRT balístico.