Ракетни двигатели

Ракетните двигатели са вид реактивни двигатели, които поради спецификата на техния дизайн и начин на работа, позволяват извеждане на апаратура и астронавти в открития космос. Има два основни вида ракетни двигатели: такива, които работят с течно гориво и двигатели с твърдо гориво или т.нар. бустери. Освен тях се срещат още хибридни двигатели (такива използващи едновременно течно и твърдо гориво), както и едногоривни (monopropellant) ракети, обикновено разчитащи на хидразин. Превозните средства, които използват ракетни двигатели, се наричат ракети и към момента те са единственият начин за изстрелване на създадени от човека уреди в орбита около Земята и отвъд нея.

Ракетните двигатели разчитат на третия закон на Нютон, за да задвижат ракетата, а именно — всяко действие има равно по големина и противоположно по посока противодействие. Най-просто казано това означава, че двигателят на ракетата изгаря горивото, а налягането на получения от горенето в горивната камера газ действа във всички посоки, но струята изпускателен флуид бива насочена обратно на посоката на движение през соплото. Така газът упражнява сила върху ракетата и я тласка нагоре.

Това е основният начин на работа на ракетните двигатели, като той се различава спрямо вида ракетен двигател, който използва дадена ракета.

Двигатели с течно гориво (англ. liquid-propellant rockets)

Ракетните двигатели с течно гориво са най-често срещаните такива. Както знаем, за да се получи химична реакция на горене, е необходим някакъв вид окислител. На Земята тази роля играе кислородът, но извън атмосферата такъв липсва. За да може горенето да се случи, в горивната камера трябва да бъде въведен окислител, който ракетата носи в отделен резервоар. Специални помпи извеждат горивото и окислителя от техните резервоари и ги впръскват в горивната камера. Там започва горене и резултантният газ упражнява налягане от порядъка на 10 000–20 000 kPa (килопаскала). За сравнение, налягането на морското равнище е около 100 kPa. Този газ от своя страна бива контролирано изведен навън от горивната камера през соплото. Както вече казахме, това става обратно на посоката на движение, за да може съгласно третия закон на Нютон ракетата да набере скорост.

Двигатели с твърдо гориво (англ. solid-fuel rockets)

Основната разлика между ракетните двигатели с течно и твърдо гориво е, че вторите нямат резервоар. При тях горивото е в твърдо състояние и всъщност е смес от течно такова и окислител. Двете формират твърд, кух цилиндър, поместен в самото тяло на ракетата, а празнината по неговото протежение играе ролята на горивна камера. Твърдото гориво бива запалено, изходният продукт (газът) развива висока температура и излиза през соплото под високо налягане.

Това е един опростен модел на ракетен двигател, който разбира се разчита на много повече детайли, като например изместване на вектора на тягата чрез амортисьори, които променят насочеността на соплото. Освен това, за да се улесни работата и да се олекоти товара по време на полет, се строят т.нар. многостепенни ракети. Когато горивото в първата част на ракетата се изчерпи, тя се откача, започва да гори втори двигател с друг резервоар и така колкото пъти е необходимо, за да се достигне орбита. Бустерите с твърдо гориво пък най-често се използват за допълнителен начален тласък при старта на изстрелването и спомагат първата степен на ракетата.

Малко история

За основоположници на модерното ракетно инженерство се смятат няколко бележити учени — Константин Циолковски, Вернер фон Браун, Робърт Годард, Сергей Корольов, Херман Оберт и Робер Есно-Пелтери.

Константин Циолковски (руски Константин Циолковский; 17 септември 1857 г. – 19 септември 1935 г.)

Един от пионерите, написал стотици трудове, свързани с космоса, между които такива за ракетостроенето и теория на ракетните двигатели, многостепенни ракети, космически станции и др. Първите му идеи за придвижване из космоса датират от 1883 г. През 1897 г. той извежда известното уравнение на Циолковски, описващо промяната на скоростта на една ракета. През 1903 г. бива публикувана статията “Изследване на космическото пространство чрез ракетни устройства” (руски Исследование мировых пространств реактивными приборами). Там той използва своето уравнение, за да изчисли каква скорост е необходима на една многостепенна ракета, за да излезе в орбита около Земята. Първите негови рисунки на ракети, също от 1903 г., и до днес са основа за ракетите, които изстрелваме.

Вернер фон Браун

Прочетете повече в отделната статия посветена на него.

Робърт Годард (англ. Robert Goddard; 5 октомври 1882 г. – 10 август 1945 г.)

Счита за американският баща на ракетостроенето. На него е кръстен Центърът по космически полети Goddard на NASA (Goddard Space Flight Center). На 16 март 1926 г. той изстрелва първата ракета с ракетен двигател с течно гориво. Негови ракети достигат височини над 2 км и скорости от близо 900 км/ч. Годард използва успешно триосов контрол на полета, стабилизация чрез жироскопи, изместване на вектора на тягата и др. Освен това притежава над 200 патента, между които такива за многостепенни ракети и ракети с течно гориво.

Сергей Корольов

Прочетете повече в отделната статия посветена на него.

Херман Оберт (немски Hermann Oberth; 25 юни 1894 г. – 28 декември 1989 г.)

Немски инженер от австро-унгарски произход. Пише книгите “Начини за космическа навигация” (Wege zur Raumschiffahrt) и “Ракетата в космическото пространство” (Die Rakete zu den Planetenräumen). За първата печели награда от Френското астрономическо общество. След като напуска родния си град Сибиу (днешна Румъния), той и семейството му се преместват в Германия, където през 1929 г. Оберт работи като консултант за филма “Жена на Луната” (Frau im Mond) на бележития немски режисьор Фриц Ланг. Оберт и неговият екип построяват модела на ракетата във филма — най-реалистичното представяне на ракета в научнофантастичен филм дотогава. През същата година работи с Вернер фон Браун (Wernher von Braun), който по-късно разработва за NASA ракетата Saturn V, отвела Apollo 11 до Луната.

Робер Есно-Пелтери (френски Robert Esnault-Pelterie; 8 ноември 1881 г. – 6 декември 1957 г.)

Френски авиоинженер, който е работил и в сферата на ракетостроенето. Разработва и продава авиодвигатели под името REP. През 1913 г. независимо извежда уравнението на Циолковски без да е запознат с работата на руския учен. Основните му предложения включват използване на ядрена енергия (в частност радий) като гориво за ракетните двигатели. През 30-те години на XX век Есно-Пелтери изучава различни видове ракети за Френското военно министерство, но впоследствие военните не проявяват интерес към по-нататъшни изследвания. Заедно с френския банкер Андре-Луис Хирш, Есно-Пелтери основава Prix REP-Hirsch. Това е награда, която Френското астрономическо общество връчва от името на двамата, за особени заслуги в сферата на астронавтиката. Един от лауреатите е именно Херман Оберт.

Автор: Венцислав В. Димитров

Космически неща

2 коментара

  • “Този газ от своя страна бива контролирано изведен навън от горивната камера през дюза” – това не е вярно!
    Извеждането на работния газ сва през СОПЛО.

Вашият коментар

Вашият имейл адрес няма да бъде публикуван. Задължителните полета са отбелязани с *