Міністерство освіти України
Реферат
з фізики на тему:
РАКЕТНІ ДВИГУНИ
Виконав
учень 5-В класу
Коломийської гімназії
ім. М. Грушевського
Снаговський Микола
2003р.
Зміст
1.УВЕДЕННЯ.
2.ПРИЗНАЧЕННЯІВИДИРАКЕТНИХДВИГУНІВ.
3.ТЕРМОХІМІЧНІРАКЕТНІДВИГУНИ.
4.ЯДЕРНІРАКЕТНІДВИГУНИ.
5.ІНШІВИДИРАКЕТНИХДВИГУНІВ.
6. ЕЛЕКТРИЧНІРАКЕТНІДВИГУНИ.
Ракетний двигун – це реактивний двигун, що не використовує для роботи навколишнє середовище (повітря, воду). Найбільше широко застосовуються хімічні ракетні двигуни. Розробляються і випробуються інші види ракетних двигунів – електричні, ядерні й інші. На космічних станціях і апаратах широко застосовують і найпростіші ракетні двигуни, що працюють на стиснутих газах. Звичайно як робоче тіло в них використовують азот.
По призначенню 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.
По виду застосовуваного палива (робітника тіла) ракетні двигуни підрозділяються на: твердо паливні й рідинні.
Військові (бойові) ракети звичайно мають твердо паливні двигуни. Це пов'язано з тим, що такий двигун заправляється на заводі і не вимагає обслуговування весь термін збереження і служби самої ракети. Часто твердо паливні двигуни застосовують як розгінні для космічних ракет. Особливо широко, у цій якості, їх застосовують у США, Франції, Японії і Китаї.
Рідинні ракетні двигуни мають більш високі тягові характеристики, чим твердо паливні. Тому їх застосовують для відпровадження космічних ракет на орбіту навколо Землі і на міжпланетні перельоти. Основними рідкими паливами для ракет є гас, гептан (диметилгидразин) 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 уступає зрідженому кисню по окисних властивостях, але не вимагає підтримки особливого температурного режиму при збереженні, заправлення і використанні ракет.
Двигуни для космічних польотів відрізняються від земних тем, що вони при можливо меншій масі й обсязі повинні виробляти як можна велику потужність. Крім того, до них пред'являються такі вимоги, як винятково висока ефективність і надійність, значний час роботи. По виду використовуваної енергії рухові установки космічних апаратів підрозділяються на чотири типи: термохімічні, ядерні, електричні, сонячно – вітрильні. Кожний з перерахованих типів має свої переваги й недоліки і може застосовуватися у визначених умовах.
В даний час космічні кораблі, орбітальні станції і безпілотні супутники Землі виводяться в космос ракетами, оснащеними 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.
Відомо, що в двигуні внутрішнього згоряння, топці парового казана – усюди, де відбувається згоряння, сама активна участь приймає атмосферний кисень. У космічному просторі повітря ні, 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, гидразин, диметилгидразин, 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 роздільно, у спеціальних баках і за допомогою насосів подаються в камеру згоряння. При їхньому з'єднанні в камері згоряння розвивається температура до 3000 – 4500 °С.
Продукти згоряння, розширюючи, здобувають швидкість від 2500 до 4500 м/с. Відштовхуючи від корпуса двигуна, вони створюють реактивну тягу. При цьому, чим більше маса і швидкість витікання газів, тим більше сили 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 згоряє за одну секунду створює тягу 190 кг. Воднево-кисневий ракетний двигун має питомий імпульс 350 с. Теоретично воднево-фторовый двигун може розвити питомий імпульс більш 400 с.
Звичайно застосовувана схема рідинного ракетного двигуна працює в такий спосіб. Стиснутий газ створює необхідний напір у баках із криогенним пальним, для запобігання виникнення газових пузирив 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 утворяться великі теплові потоки, що нагрівають стінки двигуна. Якщо не прохолоджувати стінки камери, то вона швидко прогорить, з якого би матеріалу вона ні була зроблена. Рідинний реактивний двигун, як правило, прохолоджують одним з компонентів палива. Для цього камеру роблять двох стіночною. 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 мчаться зі швидкістю більше 4 км/с. Температура цього струменя близько 3000°С, і складається вона з перегрітої водяної пари, що утвориться при згорянні водню і кисню. Основні дані типових палив для рідинних реактивних двигунів приведені в таблиці №1
Таб. №1
| Окислювач | Пальне | Щільність, кг/м3 | Питома тяга, з | Питома теплота 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 | Диметилгидразин | 1,02 | 285 | 9200 |
| Рідкий фтор | Гидразин | 1,32 | 345 | 9350 |
Але в кисню поряд з достоїнствами 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, 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 теплоизолюючих посудинах. Тому не можна довго тримати споряджену ракету, двигун якої використовує як окислювач рідкий кисень. Заправляти кисневий бак такої ракети приходиться безпосередньо перед запуском. Якщо таке можливо для космічних і інших ракет цивільного призначення, то для військових ракет, що потрібно підтримувати в готовності до негайного запуску протягом тривалого часу таке неприйнятно. Азотна кислота не має такого недоліку і тому є окислювачем, щозберігається. Цим порозумівається її міцне положення в ракетній техніці, особливо військової, незважаючи на істотно меншу силу тяги, що вона забезпечує.
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 низкою температури кипіння (-188°С). Але це не зупиняє вчених-ракетників: експериментальні двигуни на фторі вже існують і випробуються в лабораторіях і на експериментальних стендах.
Радянський учений Ф.А. Цандер ще в тридцяті роки у своїх працях запропонував використовувати в міжпланетних польотах як пальне легкі метали, з яких буде виготовлений космічний корабель – літій, бериллій, алюміній і ін. Особливо як добавку до звичайного палива, наприклад воднево-кисневому. 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 твердотопливных ракет застосовуваних у військовій справі характерна наявність стартового і маршового двигунів. Стартовий РДТП розвиває велику тягу на дуже короткий час, що необхідно для сходу ракети з пускової установки і її первісного розгону. Маршовий РДТП призначений для підтримки постійної швидкості польоту ракети на основному (маршовій) ділянці траєкторії польоту. Розходження між ними полягають 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 видпровадження об'єкта на орбіту навколо Землі чи на міжпланетну траєкторію.