Космічні двигуни

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Відділ освіти Олександрійської райдержадміністрації

Фізико-математичний факультет Кіровоградського державного педагогічного університету ім. В. Винниченка

Контрольна робота

КОСМІЧНІ ДВИГУНИ

Підготувала:

Гонтова Анастасія Олександрівна

Науковий керівник:

Волчанський Олег Володимирович

Кіровоград, 2013 рік



ВСТУП

Астрономія одна з найстародавніших наук. Вона єдина досліджує будову і розвиток Всесвіту в цілому. Суттєва відмінність астрономії від інших природничих наук - всі об'єкти досліджень (за винятком метеоритів) знаходяться за межами Землі, а отже, не можуть бути вивчені в наукових лабораторіях. Тому одним із головних завдань сучасної астрономії, поставлених перед вченими, є висадка людей на інші планети нашої системи та виліт космічних кораблів за її межі. Людство вже почало освоєння Всесвіту в минулому столітті. Цьому посприяв винахід високопродуктивних двигунів.

Ракетний двигун - різновид реактивного двигуна, у якому робоче тіло (газ, продукти згоряння, потік іонів) міститься в об'єкті (ракеті). Практичне застосування мають переважно ракетні двигуни, у яких тяга створюється внаслідок спалювання палива, кисень для цього використовується з окиснювача (рідкого кисню, перекису водню та ін.). Ракетні двигуни приводять у дію ракети-носії космічних кораблів та ракетних снарядів.

Темою роботи є знайомство з такими видами ракетних двигунів, як термохімічні, ядерні та електричні; загальний огляд етапів та перспектив створення принципово нових надпотужних ракетних двигунів - термоядерних, іонних та імпульсних.

Мета роботи - створення загальної характеристики видів ракетних двигунів, їх класифікація, визначення переваг використання того чи іншого виду двигуна, пошук шляхів усунення недоліків та проблем, пов'язаних зі створенням та реалізацією найсміливіших задумів учених космічної галузі.

У роботі:

- акцентується увага на нових космічних двигунах, що знаходяться в стані розробки;

- висвітлюються ще нерозв'язані питання щодо їх побудови та експлуатації, можливі шляхи подолання проблем;

- детально описуються діючі ракетні двигуни;

- матеріал викладається логічно та доступно, чим і зумовлюється практична цінність даної роботи.

Структурно робота складається зі вступу, 7 розділів, висновків та списку використаних джерел і налічує 23 сторінки.



1. ПРИЗНАЧЕННЯ І ВИДИ РАКЕТНИХ ДВИГУНІВ

За призначенням ракетні двигуни підрозділяють на кілька основних видів: розгінні (стартові), гальмові, маршові, керуючі й інші. Ракетні двигуни в основному застосовуються на ракетах (звідси узята назва). Крім цього ракетні двигуни іноді застосовують в авіації.

Ракетні двигуни є основними двигунами в космонавтиці.

Малюнок 1:

За видом застосовуваного палива ракетні двигуни підрозділяються на твердопаливні й рідинні.

Військові (бойові) ракети зазвичай мають твердопаливні двигуни. Це пов'язано з тим, що такий двигун заправляється на заводі і не вимагає обслуговування протягом всього терміну збереження і служби самої ракети. Часто твердопаливні двигуни застосовують як розгінні для космічних ракет. Особливо широко, їх застосовують у США, Франції, Японії і Китаї.

Рідинні ракетні двигуни мають більш високі тягові характеристики, ніж твердопаливні. Тому їх застосовують для відправки космічних ракет на орбіту навколо Землі і на міжпланетні перельоти. Основними рідкими паливами для ракет є гас, гептан (диметилгідразин) і рідкий водень. Для таких видів палива обов'язково необхідний окислювач (кисень). Як окислювач у таких двигунах застосовують азотну кислоту і зріджений кисень. Азотна кислота поступається зрідженому кисню за окисними властивостями, але не вимагає підтримки особливого температурного режиму при зберіганні, заправці і використанні ракет.

Двигуни для космічних польотів відрізняються від земних тим, що вони при можливо меншій масі й обсязі повинні виробляти якомога більшу потужність. Крім того, до них висуваються такі вимоги, як винятково висока ефективність і надійність, значний час роботи.

За видом використовуваної енергії рухові установки космічних апаратів підрозділяються на чотири типи:

- термохімічні;

- ядерні;

- електричні;

- сонячно-вітрильні.

Кожен з перерахованих типів має свої переваги та недоліки й може застосовуватися у визначених умовах.

В даний час космічні кораблі, орбітальні станції і безпілотні супутники Землі виводяться в космос ракетами, які оснащені могутніми термохімічними двигунами. Існують також мініатюрні двигуни малої сили тяги. Це зменшена копія могутніх двигунів. Деякі з них можуть уміститися на долоні. Сила тяги таких двигунів дуже мала, але її буває досить, щоб керувати положенням корабля в просторі. Ядерний ракетний двигун (ЯРД) - це такий ракетний двигун, в якому тяга створюється за рахунок енергії, що виділяється при радіоактивному розпаді або ядерній реакції.

Традиційний ЯРД в цілому являє собою конструкцію з ядерного реактора, системи подачі робочого тіла, і сопла. Робоче тіло (як правило - водень) - подається з бака в активну зону реактора, де, проходячи через нагріті реакцією ядерного розпаду канали, розігрівається до високих температур і потім викидається через сопло, створюючи реактивну тягу. Існують різні конструкції ЯРД - твердофазні, рідиннофазнї та газофазні, залежно від агрегатного стану ядерного палива в активній зоні реактора - тверде паливо, розплав або високотемпературний газ (чи плазма). ЯРД активно розроблялися і випробовувалися в СРСР і США з середини 1950-х років. Дослідження ведуться і на сьогоднішній день.

2. ТЕРМОХІМІЧНІ РАКЕТНІ ДВИГУНИ

Відомо, що в двигуні внутрішнього згоряння, топці парового казана - усюди, де відбувається згоряння, саму активну участь приймає атмосферний кисень. У космічному просторі повітря немає, а для роботи ракетних двигунів у космічному просторі необхідно мати два компоненти - пальне й окислювач.

У рідинних термохімічних ракетних двигунах як пальне використовується: спирт, гас, бензин, анілін, гідразин, диметилгідразин, рідкий водень. Як окислювач застосовують: рідкий кисень, перекис водню, азотна кислота. Можливо, у майбутньому буде застосовуватися як окислювач рідкий фтор, коли будуть винайдені способи збереження й використання такої активної хімічної речовини.

Пальне й окислювач для рідинних реактивних двигунів зберігаються окремо, у спеціальних баках і за допомогою насосів подаються в камеру згоряння. При їхньому з'єднанні в камері згоряння температура піднімається до 3000-4500°С.

Продукти згоряння, розширюючись, розвивають швидкість від 2500 до 4500 м/с. Відштовхуючись від корпуса двигуна, вони створюють реактивну тягу. При цьому, чим більша маса і швидкість витікання газів, тим більша сила тяги двигуна.

Питому тягу двигунів прийнято оцінювати величиною тяги створюваною одиницею маси палива спаленної за одну секунду. Цю величину називають питомим імпульсом ракетного двигуна і вимірюють у секундах (кг., тяги/кг., згорілого палива в секунду). Кращі твердопаливні ракетні двигуни мають питомий імпульс до 190 с., тобто 1 кг., палива згоряючи за одну секунду створює тягу 190 кг. Воднево-кисневий ракетний двигун має питомий імпульс 350 с. Теоретично воднево-фторовий двигун може розвити питомий імпульс більше 400 с.

Зазвичай застосовувана схема рідинного ракетного двигуна працює в такий спосіб. Стиснутий газ створює необхідний напір у баках із кріогенним пальним, для запобігання виникнення газових пузирів у трубопроводах. Насоси подають паливо в ракетні двигуни. Паливо впорскується в камеру згоряння через велику кількість форсунок. Також через форсунки в камеру згоряння впорскують і окислювач.

У будь-якій машині при згорянні палива утворюються великі теплові потоки, які нагрівають стінки двигуна. Якщо не охолоджувати стінки камери, то вона швидко прогорить, з якого б матеріалу вона не була зроблена. Рідинний реактивний двигун, як правило, охолоджують одним з компонентів палива. Для цього камеру роблять двостінною. У зазорі між стінками протікає холодний компонент палива.

Велику силу тяги створює двигун, що працює на рідкому кисні і рідкому водні. У реактивному струмені цього двигуна гази мчать зі швидкістю більше 4 км/с. Температура цього струменя близько 3000°С, і складається вона з перегрітої водяної пари, що утворюється при згорянні водню і кисню. Основні дані типових палив для рідинних реактивних двигунів наведені в таблиці.

Але в кисні, поруч з перевагами, є й один недолік - при нормальній температурі він являє собою газ. Зрозуміло, що застосовувати в ракеті газоподібний кисень не можна, адже в цьому випадку довелося б його зберігати під великим тиском у масивних балонах.

Тому вже Ціолковський К.Е., першим запропонував кисень, як компонент ракетного палива, говорив про рідкий кисень як про компонент без якого космічні польоти не будуть можливі.

Щоб перетворити кисень у рідину, його потрібно остудити до температури -183°С. Однак зріджений кисень легко і швидко випаровується, навіть якщо його зберігати в спеціальних теплоізолюючих посудинах. Тому не можна довго тримати споряджену ракету, двигун якої використовує як окислювач рідкий кисень. Заправляти кисневий бак такої ракети доводиться безпосередньо перед запуском. Якщо таке можливо для космічних й інших ракет цивільного призначення, то для військових ракет, які потрібно підтримувати в готовності до негайного запуску протягом тривалого часу, таке неприйнятно. Азотна кислота не має такого недоліку і тому є окислювачем з довготривалим терміном зберігання. Цим пояснюється її міцне положення в ракетній техніці, особливо військовій, незважаючи на істотно меншу силу тяги, яку вона забезпечує.

Таблиця - Дані типових палив для рідинних реактивних двигунів:

Окислювач	Пальне	Щільність, кг/м3	Питома тяга, з	Згоряння, кДж/кг
Азотна кислота	Гас	1,36	235	6100
Рідкий кисень	Гас	1,0	275	9200
Рідкий кисень	Рідкий водень	0,25	340	13400
Рідкий кисень	Диметилгідразин	1,02	285	9200
Рідкий фтор	Гідразин	1,32	345	9350

Використання найбільш сильного з усіх відомих хімії окислювачів - фтору дозволить істотно збільшити ефективність рідинних реактивних двигунів. Однак рідкий фтор дуже незручний в експлуатації і збереженні через отруйність і низьку температуру кипіння (-188°С). Але це не зупиняє вчених-ракетників: експериментальні двигуни на фторі вже існують і випробуються в лабораторіях і на експериментальних стендах.

Радянський вчений Ф.А. Цандер ще в тридцяті роки у своїх працях запропонував використовувати в міжпланетних польотах як пальне легкі метали, з яких буде виготовлено космічний корабель - літій, берилій, алюміній та ін. Особливо як добавку до звичайного палива, наприклад воднево-кисневого. Подібні «потрійні композиції» здатні забезпечити найбільшу з можливих для хімічних палив швидкість витікання - до 5 км/с. Але це вже практично межа ресурсів хімії. Більшого вона практично зробити не може. Хоча в пропонованому описі поки переважають рідинні ракетні двигуни, потрібно сказати, що першим в історії людства був створений термохімічний ракетний двигун на твердому паливі - РДТП.

Паливо - наприклад, спеціальний порох - знаходиться безпосередньо в камері згоряння. Камера згоряння з реактивним соплом, заповнена твердим паливом - от і вся конструкція. Режим згоряння твердого палива залежить від призначення РДТП (стартовий, маршовий чи комбінований). Для твердопаливних ракет, що застосовуються у військовій справі, характерна наявність стартового і маршового двигунів. Стартовий РДТП розвиває велику тягу за дуже короткий час, що є необхідним для сходу ракети з пускової установки і її первісного розгону. Маршовий РДТП призначений для підтримки постійної швидкості польоту ракети на основній (маршовій) ділянці траєкторії польоту. Різниця між ними полягає, в основному, в конструкції камери згоряння і профілі поверхні горіння паливного заряду, що визначають швидкість горіння палива від якого залежить час роботи і тяга двигуна. На відміну від таких ракет космічні ракети-носії для запуску супутників Землі, орбітальних станцій і космічних кораблів, а також міжпланетних станцій працюють тільки в стартовому режимі зі старту ракети до випровадження об'єкта на орбіту навколо Землі чи на міжпланетну траєкторію.

В цілому, твердопаливні ракетні двигуни мають багато переваг перед двигунами на рідкому паливі - вони прості у виготовленні, тривалий час можуть зберігатися, завжди готові до дії, відносно вибухобезпечні. Але по питомій тязі твердо паливні двигуни на 10-30% поступаються рідинним.

3. Ядерні ракетні двигуни

Один з основних недоліків ракетних двигунів, що працюють на рідкому паливі - це обмежена швидкість витікання газів. У ядерних ракетних двигунах (ЯРД) реалізована можливість використовувати колосальну енергію, що виділяється при розкладанні ядерного «пального», для нагрівання робочої речовини.

Принцип дії ядерних ракетних двигунів майже не відрізняється від принципу дії термохімічних двигунів. Різниця полягає в тому, що робоче тіло нагрівається не за рахунок своєї власної хімічної енергії, а за рахунок «сторонньої» енергії, що виділяється при внутрішньоядерній реакції. Робоче тіло пропускається через ядерний реактор, у якому відбувається реакція розподілу атомних ядер (наприклад, урану), і при цьому нагрівається.

У ядерних ракетних двигунах відпадає необхідність в окислювачі і тому може бути використана тільки одна рідина. Як робоче тіло доцільно застосовувати речовини, що дозволяють двигуну розвивати велику силу тяги. Цю умову найповніше задовольняє водень, потім аміак, гідразин і вода.

Процеси, при яких виділяється ядерна енергія, підрозділяють на:

- радіоактивні перетворення;

- реакції розподілу важких ядер;

- реакцію синтезу легких ядер.

Радіоізотопні перетворення реалізуються в так званих ізотопних джерелах енергії. Питома масова енергія (енергія, що може виділити речовину масою 1кг) штучних радіоактивних ізотопів значно вища, за питому масову енергію хімічних палив. Так, для 210 Ро вона дорівнює 5*108 кДж/кг, водночас як для хімічного палива (берилію з киснем), що виробляє найбільшу кількість енергії, це значення не перевищує 3*104 кДж/кг.

У найпростішій схемі ядерного ракетного двигуна з реактором, що працює на твердому ядерному пальному робоче тіло розміщене в баці. Насос подає його в камеру двигуна. Розпорошуючи паливо за допомогою форсунок, робоче тіло вступає в контакт із тепловиділяючим ядерним пальним, нагрівається, розширюється і з великою швидкістю викидається через сопло назовні. В ядерному імпульсному двигуні атомні заряди потужністю приблизно в кілотонну на етапі зльоту мали вибухати зі швидкістю один заряд в секунду. Ударна хвиля повинна була прийматися "штовхачем" - потужним металевим диском з теплозахисним покриттям, і, потім, відбившись від нього, створити реактивну тягу. Імпульс, прийнятий плитою штовхача, через елементи конструкції передавався кораблю. Потім, коли висота і швидкість виростуть, частоту вибухів можна було зменшити. При зльоті корабель повинен був летіти строго вертикально, щоб мінімізувати площу радіоактивного забруднення атмосфери. У США були проведені кілька випробувань моделі літального апарату з імпульсним приводом (для вибухів використовувалася звичайна хімічна вибухівка). Отримано позитивні результати про принципову можливість керованого польоту апарату з імпульсним двигуном. Реальних випробувань імпульсного ЯРД з підривом ядерних пристроїв не проводилося. Подальші практичні розробки в області імпульсних ЯРД були припинені в кінці 1960-х рр.

4. ЕЛЕКТРИЧНІ РАКЕТНІ ДВИГУНИ

Малюнок 2. - Схема електромагнітних двигунів:



Де:

а - прискорювальний канал МГД-двигуна;

б - торцевий коаксіальний МГД-двигун;

в - коаксіальний імпульсний РД;

г - лінійний імпульсний РД;

д - пінчевий імпульсний РД;

е - ерозійний імпульсний РД.

Е - напруженість електричного поля;

Н, В - напруженість і індукція магнітного поля;

F - прискорювальна електромагнітна сила.

1 - робоче тіло;

2 - електроізоляційна проставка (перегородка);

3 - корпус;

4 - електроживлення;

5 - електроди;

6 - сопло;

7 - реактивна плазмовий струмінь (плазмовий згусток);

8 - зона електричної дуги;

9 - конденсаторна батарея;

10 - пружина подачі робочого тіла.

Майже всі розглянуті вище ракетні двигуни, розвивають величезну силу тяги і призначені для виведення космічних апаратів на орбіту навколо Землі і розгону їх до космічних швидкостей для міжпланетних польотів. Зовсім інша справа - рухові установки для уже виведених на орбіту чи на міжпланетну траєкторію космічних апаратів.

Тут, як правило, потрібні двигуни малої потужності (пару кіловатів чи навіть ватів) здатні працювати сотні і тисячі годин і багаторазово включатися і виключатися. Вони дозволяють підтримувати політ на орбіті по заданій траєкторії, компенсуючи опір польоту, який створюється верхніми шарами атмосфери і сонячним вітром.

В електричних ракетних двигунах розгін робочого тіла до визначеної швидкості виробляється нагріванням його електричною енергією. Електроенергія надходить від сонячних чи батарей атомної електростанції. Способи нагрівання робочого тіла різні, але реально застосовується в основному електродуговий. Він показав себе дуже надійним і витримує велику кількість включень.

Як робоче тіло в електродугових двигуна застосовують водень. За допомогою електричної дуги водень нагрівається до дуже високої температури і він перетворюється в плазму - електрично-нейтральну суміш позитивних іонів і електронів.

Швидкість витікання плазми з двигуна досягає 20 км/с. Коли учені вирішать проблему магнітної ізоляції плазми від стінок камери двигуна, тоді можна буде значно підвищити температуру плазми і довести швидкість витікання до 100 км/с.

Малюнок 3. - Схеми електротермічних РД:

Де:

а - омічний РД;

б - електродуговий РД;

в - індукційний РД;

1 - сопло;

2 - робоче тіло;

3 - електроживлення;

4 - електроізоляційна проставка;

5 - нагрівальний елемент (камера нагрівання);

6 - тепловий екран;

7 - корпус;

8 - електроди;

9 - зона електричної дуги;

10 - високочастотний генератор;

11 - індукційна котушка;

12 - магнітні силові лінії;

13 - охолоджувач.

Перший електричний ракетний двигун був розроблений у Радянському Союзі в 1929-1933 рр., під керівництвом В.П. Глушко (згодом він став творцем двигунів для радянських космічних ракет і академіком) в знаменитій газодинамічній лабораторії (ГДЛ).

5. Термоядерний ракетний двигун

Команда американських учених використовує особливу установку для випробування ядерної зброї, щоб розробити термоядерний ракетний двигун (ТЯРД).

Принцип дії і облаштування ТЯРД виглядають таким чином: основною частиною двигуна є реактор, в якому відбувається керована реакція термоядерного синтезу.

Реактор є порожнистою "камерою" циліндричної форми, відкритою з одного боку.

Нині найбільш перспективною вважається схема "магнітних дзеркал" (англ. tandem mirrors), хоча можливі й інші схеми утримання: газодинамічні пастки, відцентрове утримання, обернене магнітне поле (FRC).



Малюнок 4. - Варіанти конструкції ТЯРД:

За сучасними оцінками, довжина реакційної "камери" складе від 100 до 300 м., при діаметрі 1-3 м.

Термоядерне паливо - заздалегідь нагріта плазма з суміші паливних компонентів - подається в камеру реактора, де і відбувається постійна реакція синтезу. Генератори магнітних полів (магнітні котушки), що оточують активну зону, створюють в камері реактора поля великої напруженості і складної конфігурації, які утримують високотемпературну термоядерну плазму від зіткнення з конструкцією реактора і стабілізують процеси, що відбуваються в ній.

Зона термоядерного "горіння" (плазмовий факел) формується по поздовжній осі реактора. Отримана плазма витікає з реактора через сопло, створюючи реактивну тягу.

Слід зазначити можливість "багато-режимної" роботи ТЯРД. Шляхом уприскування в струмінь плазмового факела відносно холодної речовини можна різко підвищити загальну тягу двигуна (за рахунок зниження питомого імпульсу), що дозволить кораблю з ТЯРД ефективно маневрувати в гравітаційних полях масивних небесних тіл, наприклад великих планет, де часто потрібна велика загальна тяга двигуна. За загальними оцінками, ТЯРД такої схеми може розвивати тягу від декількох кілограмів аж до десятків тонн при питомому імпульсі від 10000 сек., до 4 млн. сек.

Для порівняння, показник питомого імпульсу найбільш досконалих хімічних ракетних двигунів - близько 450 сек.

ТЯРД може використовувати різні види термоядерних реакцій залежно від виду палива. Зокрема, на теперішній час можуть бути здійсненими наступні типи реакцій:

Вибір палива залежить від багатьох чинників - його доступність і дешевизна, енергетичний вихід, легкість досягнення потрібних для реакції термоядерного синтезу умов (в першу чергу, температури), необхідних конструктивних характеристик реактора та інш. Найбільш перспективні для здійснення ТЯРД так звані "безнейтронні" реакції, оскільки породжуваний термоядерним синтезом нейтронний потік (наприклад, в реакції дейтерій-тритій) відносить значну частину потужності і не може бути використаний для створення тяги. Крім того, нейтронна радіація породжує радіоактивність в конструкції реактора і корабля, створюючи небезпеку для екіпажа. Реакція дейтерій-гелій-3 є перспективною у тому числі і унаслідок відсутності нейтронного виходу. Нині запропонована ще одна концепція ТЯРД - з використанням малих кількостей антиматерії в якості каталізатора термоядерної реакції.

Сьогодні до збірки ТЯРД поки далеко. Ще належить вирішити ряд складних технічних завдань по створенню Z-пінч двигуна. За допомогою установки Charger 1, вчені повинні оцінити безпеку і придатність для використання в якості палива літію-6, ефективність роботи МГД-генераторів, надійність магнітного сопла, антирадіаційного захисту і т. д.

Все це вчені планують зробити протягом найближчих 11 років. Треба відзначити, що в НАСА паралельно працює безліч програм із забезпечення польотів вглиб Сонячної системи: вирішуються проблеми збереження здоров'я екіпажу міжпланетного корабля, відпрацьовуються системи посадки, обладнання для роботи на поверхні планет і астероїдів і т. д.

6. Іонний ракетний двигун

Іонний двигун - різновид електричного ракетного двигуна, робочим тілом якого є іонізований газ (ксенон, цезій тощо).

Малюнок 5:

Принцип роботи двигуна полягає в іонізації газу і його розгоні електростатичним полем. При цьому, завдяки високому відношенню заряду до маси, можливо розігнати іони до дуже високих швидкостей (понад 210 км/с., порівняно з 3-4,5 км/с., у хімічних ракетних двигунах). Таким чином, в іонному двигуні можна досягти дуже великого питомого імпульсу. Це дозволяє значно зменшити витрати реактивної маси іонізованого газу порівняно з витратою реактивної маси в хімічних ракетах, але вимагає великих витрат енергії.

Джерелом іонів є газ, зазвичай аргон або водень. Бак з газом розташовується в передній частині двигуна, звідти газ надходить до відсіку іонізації, де утворюється холодна плазма, що розігрівається в наступному відсіку іонним циклотронним резонансним нагріванням. Після нагрівання високоенергетична плазма надходить до магнітного сопла, де магнітним полем формується потік, розганяється і викидається назовні - утворюється тяга.

Недолік двигуна в його нинішніх реалізаціях - дуже слабка тяга (десяті частки ньютона). Неможливо використовувати іонний двигун для старту з планети, але у відкритому космосі при досить довгій роботі двигуна можливо розігнати космічний апарат до швидкостей, недоступних зараз жодним іншим існуючим видам двигунів.

В існуючих реалізаціях для підтримки роботи двигуна використовуються сонячні батареї. Але для роботи в далекому космосі такий спосіб неприйнятний. Тому вже зараз для цього іноді використовуються ядерні установки.

Малюнок 6. - Випробування іонного двигуна на ксеноні:

Однією з основних проблем, які обмежують використання іонних двигунів межами ближнього космічного простору і Сонячної системи, є ерозія матеріалу стінок робочої камери і вихідного каналу цих двигунів. Але команда вчених із Каліфорнійського технологічного інституту знайшла спосіб захистити матеріал стінок двигуна від бомбардування розігнаними іонами за допомогою спеціально сформованого захисного магнітного поля.

Іони в електричних ракетних двигунах утворюються у результаті зіткнень атомів газу з електронами. У результаті таких зіткнень у робочій камері двигуна утворюється потік плазми, що створює магнітне поле певної конфігурації, напрямок якого перпендикулярний напрямку вихідного каналу іонного двигуна. Розгінне електричне поле, за рахунок якого іони розганяються до швидкості близько 70 тисяч кілометрів за годину, орієнтоване у напрямку вздовж каналу до вихідного отвору.

Малюнок 7. - Іонний двигун NSTAR амери-канської АМСDeep Space1:

Однак, присутність електрично-зарядженої плазми у робочій камері і розгінному каналі двигуна зумовлює взаємодію плазми з магнітним полем, що у свою чергу породжує появу відхилень частини електричного поля від нормального напряму. У деяких локальних областях напрямок електричного поля навіть стає паралельним напряму магнітного поля і окремі іони, замість того, щоб летіти назовні з сопла двигуна, ударяються об стінки розгінного каналу і робочої камери, вибиваючи звідти атоми матеріалу, що призводить до появи ерозії, яка руйнує матеріал.

Однак команда вчених придумала нову конструкцію іонного двигуна, у якій ефекти взаємодії плазми і магнітного поля мінімізовані, тому електричне поле залишається завжди паралельним до стінок розгінного каналу двигуна і всі іони успішно покидають межі двигуна, не завдаючи йому фізичної шкоди. Вченим вдалося домогтися такого ефекту, провівши складне математичне моделювання, яке описує взаємодію магнітних, електричних полів та плазми всередині іонного двигуна.

Це дозволило вченим визначити оптимальну топологію магнітного поля, за допомогою якої основна маса іонів розганяється до високих швидкостей на значній відстані від стінок двигуна, а з наближенням до стінок енергія іонів значно зменшується. Іони, що володіють низькою енергією, навіть зіткнувшись з матеріалом стінки, не можуть вибити атоми матеріалу, що дозволило звести практично нанівець ерозію матеріалу конструкції іонного двигуна.

7. ІМПУЛЬСНИЙ РАКЕТНИЙ ДВИГУН

Малюнок 8. - Запуск установки "Сатурн" у Національній лабораторії Сандія (США), що використовує Z-pinch ефект:

Сьогодні імпульсний двигун знаходиться на стадії розробки. Вчені з Дослідницького центру аерофізики університету Алабами, NASA, компанії Boeing і Національної лабораторії Оак-Рідж об'єднали свої зусилля для створення космічного імпульсного двигуна, що працює на ядерному синтезі. У цій розробці використовується дейтерій, один із стабільних ізотопів водню, і Li6, стабільний ізотоп літію, об'єднані в одній кристалічній структурі.

Новий імпульсний двигун буде заснований на принципах реакції ядерного синтезу, що використовує технологію зета-стиску (Z-pinch). Зета-стиск плазми реалізується за рахунок магнітного поля величезної сили, що виникає при пропусканні крізь плазму електричного струму величезної сили. Це магнітне поле стискає плазмовий шнур до неймовірно малого діаметру, ядра дейтерію та літію плазми настільки наближуються один до одного, що починає відбуватись реакція ядерного синтезу, у результаті якої виділяється цілий океан енергії. Варто відзначити, що технології ядерного синтезу на основі зета-стиску вже досить давно реалізовуються і вивчаються на установці Z Machine, що знаходиться у Національній лабораторії Сандія (Sandia National Labs) американського Міністерства енергетики. На повній потужності імпульсний двигун буде майже безперервно здійснювати серію зета-стисків плазми. Але для людей, що знаходяться на борті космічного корабля з таким двигуном, імпульси будуть непомітними та зіллються у безперервному потоці тяги, що забезпечить величезне прискорення космічного корабля. Імпульсний двигун зможе забезпечити тягу, у мільйони разів більшу за ту, яка розвивається двигунами сучасної ракети-носія класу Saturn-V.

Крім величезної тяги, імпульсний двигун на ядерному синтезі буде набагато більш ефективним, ніж традиційний ракетний двигун. Використовуючи імпульсні двигуни, люди зможуть літати далі, швидше і витрачаючи значно меншу кількість палива. Політ від Землі до Марса, може зайняти кілька тижнів часу, а не місяців. За попередніми розрахунками, імпульсний двигун зможе розігнати космічний апарат до максимальної швидкості у 100 тисяч кілометрів за годину.



ВИСНОВКИ

У моїй роботі розглянуто:

1. Класифікацію ракетних двигунів;

2. Будову та принцип дії існуючих двигунів;

3. Питання щодо побудови та експлуатації нових космічних двигунів.

В ході опрацювання літератури та інформаційних ресурсів всесвітньої мережі Інтернет узагальнено такі відомості про ракетні двигуни:

- ракетні двигуни за призначенням підрозділяють на: розгінні, гальмові, маршові, керуючі й інші;

- за видом використовуваної енергії рухові установки космічних апаратів підрозділяються на чотири типи: термохімічні, ядерні, електричні, сонячно-вітрильні.

Хімічний ракетний двигун - це двигун, в якого для створення тяги використовується хімічна енергія палива.

Ядерний ракетний двигун, в якому тяга створюється за рахунок енергії, що виділяється при радіоактивному розпаді або ядерній реакції. Відповідно типові ядерної реакції, що відбувається в ЯРД, виділяють радіоізотопний ракетний двигун, термоядерний ракетний двигун і власне ЯРД.

Термоядерні ракетні двигуни, у яких як паливо можна використовувати ізотоп водню.

Іонний двигун - різновид електричного ракетного двигуна, робочим тілом якого є іонізований газ.

Електричний ракетний двигун - ракетний двигун, в якому як джерело енергії для створення тяги використовується електрична енергія бортової енергоустановки космічного літального апарату.

Імпульсні ядерні ракетні двигуни використовують енергію вибухів невеликих ядерних зарядів. ракетний твердопаливний двигун

Існуючі види ракетних двигунів не можуть задовольнити потреби людства у дослідженнях та міжпланетних подорожах.

Саме тому вчені всього світу наполегливо і невпинно працюють над створенням нових видів надпотужних ракетних двигунів, експериментують з різними способами отримання енергії, невтомно шукають шляхи подолання технічних проблем. Основними з них є слабка тяга, ерозія матеріалу стінок двигунів, збереження здоров'я екіпажу міжпланетного корабля, відпрацювання системи посадки, створення й удосконалення обладнання для роботи на поверхні планет і астероїдів та ін.

Але всі ці проблеми ніщо порівняно з горизонтами, які відкриються людству після створення двигунів з реактивними швидкостями.



Список використаних джерел

1. Астрономічний енциклопедичний словник. - Львів, 2003.

2. Ракети-носії і космічні ступені ракет як об'єкти керування. - Дніпропетровськ: ДНУ, 2007.

3. Твердопаливні ракетні двигуни. Матеріали і технології. - Дніпропетровськ: ДДУ, 1999.

Размещено на Allbest.ru