Оттолкнуться от пустоты: как работают химические реактивные двигатели

Рассказ о реактивных двигателях стоит начать с третьего закона Ньютона: сила действия равна силе противодействия. Проще говоря, каждое движение — это отталкивание чего-то от чего-то. Но в космосе это невозможно, поскольку там отсутствуют даже молекулы газов, от которых можно оттолкнуться, как это делают самолеты при полете в атмосфере.

Впрочем, это не значит, что мы не знаем, как двигаться в пустоте. То, от чего можно отталкиваться, нужно просто принести с собой . Так работает реактивный двигатель — мы с силой выбрасываем определенную массу в направлении, противоположном тому, в котором нужно ускориться, и получаем импульс. В принципе работа реактивного двигателя одинаково удачно описывается и третьим законом Ньютона, и законом сохранения импульса.

Третий закон Ньютона:

a₁×m₁=a₂×m₂

Закон сохранения импульса:

v₁×m₁=v₂×m₂

При старте с Земли удобнее использовать первую, поскольку там основная задача — преодолеть силу тяжести и сопротивления воздуха, следовательно, лучше оперировать силами. В космосе, где самое главное — корректировать вектор скорости, следует говорить именно о массах и скоростях. В этом плане важно определить несколько терминов, которыми мы будем пользоваться в дальнейшем.

Основные понятия теории ракетных двигателей

Реактивная масса — это то самое вещество, которое выбрасывает космический корабль с определенной скоростью, чтобы получить ускорение. Его неверно будет называть горючим по ряду причин, хотя его масса и масса топлива на космическом корабле с химическим реактивным двигателем совпадают.

Система подачи топлива и окислителя в камеру сгорания двигателя F-1 ракеты Saturn V. Ребра на станках камеры обеспечивают стабильное горение топливной смеси

Δv — это суммарное изменение вектора скорости, которое может осуществить корабль, истратив все наличное на борту топливо. В англоязычных источниках обозначение Δv чаще всего употребляют без дополнительных объяснений. В источниках, относящихся к территории бывшего СССР, можно встретить более громоздкие названия: «характеристическая скорость орбитального маневра» и «суммарная характеристическая скорость». Все это практически одно и то же.

Мощность двигателя — это, собственно, сила, с которой он способен выталкивать из себя рабочее тело. Соответственно это та сила, с которой он толкает космический корабль в противоположную сторону.

Самая главная характеристика двигателя — его удельный импульс, то есть импульс, который получает космический корабль при истечении одного килограмма рабочего тела из двигателя с максимально возможной скоростью. Чаще всего по своей величине он совпадает со скоростью истечения реактивной массы из двигателя.

Из всего вышеупомянутого проистекает основная идея эффективной работы реактивного двигателя: взять на борт как можно больше реактивной массы и выбрасывать ее с максимально возможной скоростью, обеспечив максимально возможное Δv. Ну и, конечно, важна высокая мощность, чтобы преодолеть земное притяжение. Обычно эти две задачи выполняют разные двигатели: один используется для старта с Земли, а другой — для маневров в космосе.

Ускорять рабочее тело можно несколькими способами. Наиболее привычны для нас химические реактивные двигатели, где в качестве рабочего тела используются газы, которые образуются вследствие химической реакции. За счет выделяющегося в результате той же реакции тепла давление ее продуктов возрастает и при направленном расширении они разгоняются до определенной скорости.

Существуют еще более простые ракетные двигатели, в которых тягу создает давление водяного пара, образующегося в результате кипения воды (или, например, углекислого газа, возникающего при сублимации «сухого льда»). Однако мощность и удельный импульс у таких двигателей настолько малы, что на практике вместо использования их для запусков ракет любители строят по тому же принципу пушки, чтобы стрелять из них арбузами. Но теоретически в космосе вполне можно летать и на «чайнике» — правда, плоховато.

Твердотопливные ракетные двигатели

Современные химические реактивные двигатели бывают твердотопливными и жидкостными. Первые обычно более простые и мощные, но время их работы крайне ограничено. Это обусловлено особенностью их конструкции. По сути, топливом в твердотопливных ракетах является взрывчатка, которая постепенно сгорает и создает тягу. Примером может служить ускоритель космического корабля Space Shuttle. В нем в качестве топлива используется смесь из перхлората аммония, порошкообразного алюминия, специального полимера и отвердителя для него. Фактически это что-то похожее на пластид или динамит.

Работа твердотопливного ускорителя Space Shuttle

Преимущества твердотопливного реактивного двигателя хорошо прослеживаются на примере того же ускорителя системы Space Shuttle. Это самый мощный двигатель, который вообще когда-либо создавало человечество — целых 14,5 млн ньютонов тяги. К тому же конструктивно он очень прост, хоть и имеет некоторые недостатки. Во-первых, топливо-взрывчатка в нем горит очень быстро и, как следствие, за короткое время полностью сгорает. Во-вторых, после начала горения топлива его уже невозможно остановить. Поэтому такие двигатели пользуются большой популярностью у военных, а вот в космической отрасли они себя зарекомендовали преимущественно как первые ступени многоступенчатых систем.

Одно- и трехкомпонентные жидкостные ракетные двигатели

Конструкция химического жидкостного реактивного двигателя (ЖРД) зависит от его типа, но в целом она состоит из емкости, в которой происходит химическая реакция, достаточно хитро устроенного отверстия (сопла), разнообразных конструкций, расположенных сзади и с обеих сторон от него и позволяющих управлять потоком реактивной массы, емкостей с химическими компонентами, которые затем превратятся в реактивную массу, и трубопроводов, соединяющих все остальные элементы. Плюс, конечно, системы управления потоками внутри двигателя.

Если же рассматривать жидкостные химические двигатели детальнее, то они бывают одно-, двух- и трехкомпонентными. В первом типе используется только горючее без окислителя. Соответственно, «топливо» в них не сгорает, а разлагается на газообразные продукты, которые и вытекают наружу. При этом следует помнить, что химическая реакция разложения должна быть экзотермической, то есть энергия в ходе нее должна выделяться, а не поглощаться.

Двигатели малой тяги системы ориентации кораблей Apollo

В качестве примера можно рассмотреть двигатели, работающие на гидразине. В результате его разложения на катализаторе образуются аммиак и азот, вытекающие через сопло. Также может использоваться перекись водорода, разлагающаяся на кислород и воду. Все двигатели этого типа имеют существенный недостаток — низкую энергию химических реакций и, как следствие, сравнительно небольшую скорость истечения продуктов разложения. В результате их удельный импульс не превышает 2550 м/с, тогда как у двухкомпонентных двигателей он от 3000 м/с только начинается.

Преимущество однокомпонентных ЖРД — в простоте конструкции, благодаря чему их можно сделать более компактными. Такие двигатели довольно часто используются в системах ориентации больших космических аппаратов (позволяющих поворачивать их в разные стороны) и на межпланетных зондах.

Что касается трехкомпонентных двигателей, то с ними все не так просто. Действительно, существуют проекты с очень высоким удельным импульсом, который может превышать 5000 м/с (за счет реакции «водород-бериллий-кислород»), но их конструкция настолько сложна, что ни одного работающего двигателя этого типа за последние десятилетия построить так и не удалось.

Однако предпринимались попытки создать его по другому принципу — с заменой типа топлива в двухкомпонентном реактивном двигателе непосредственно в полете. К примеру, российский РД-701 вначале работает на керосине и жидком кислороде, а на большой высоте керосин заменяется водородом, и это якобы дает огромный выигрыш в легкости конструкции и даже позволяет строить одноступенчатые ракеты-носители. Правда, ни одой подобной ракеты до сих пор не построили.

«Керосин-кислородные» ракетные двигатели

Большинство двигателей, используемых сейчас на ракетах — двухкомпонентные. Это означает, что в камеру сгорания с одной стороны поступает окислитель, а с другой — горючее. В камере происходит окисление с выделением тепла и газов, которые и выбрасываются через сопло. На заре ракетостроения использовались экзотические, с нынешней точки зрения, виды топлива. К примеру, американцы заправляли свои ракеты обычным бензином, а немецкая V-2 и первая американская межконтинентальная ракета Redstone вообще работали на этиловом спирте.

В 1962 году было успешно проведено первое продолжительное испытание двигателя F-1 с полной тягой. Этот двигатель разработала компания Rocketdyne под руководством Центра космических полетов им. Маршалла (NASA). Он работал на смеси керосина типа RP-1 и жидкого кислорода

Сейчас в качестве топлива чаще всего применяют керосин, аммиак, гидразин, несимметричный диметилгидразин и водород. В качестве окислителя обычно используют жидкий кислород, тетраоксид азота N₂O₄, реже — азотную кислоту. Все эти компоненты соединяются между собой в различных комбинациях, дают разные результаты и создают различные проблемы.

Ракета «Зенит-3SL» на платформе «Морской старт»

Прежде всего, следует вспомнить комбинацию «керосин — жидкий кислород». Точнее, в ракетах обычно используют специальную смесь углеводородов на основе керосина, но для простоты будем считать, что это именно керосин. Такой вид двигателя применяли в советских ракетах типа Р-7 и всех других, построенных на их основе, вплоть до современных «Союзов». Американские ракеты семейств Atlas та Delta, первая ступень носителя Saturn V, доставившего американских астронавтов на Луну, Falcon 1 и Falcon 9, украинские «Зениты» — тоже «керосиново-кислородные». Такие же двигатели использует американская компания Firefly, разрабатывающая собственное семейство ракет-носителей.

Комбинация «керосин-кислород» — весьма популярный компромисс между эффективностью, сложностью, ценой и безопасностью. С удельным импульсом в 3350 м/с эти ракеты можно считать «середняками». Средней является и стоимость топлива. Керосин, конечно, взрывоопасен, и хотя продукты его сгорания (углекислый газ) причиняют вред окружающей среде, однако не столь значительный. С жидким кислородом все гораздо хуже — он существует при температурах существенно ниже нуля по Цельсию, поэтому ко всему вышесказанному о конструкции двигателя нужно еще добавить систему криогенного охлаждения для баков с окислителем. Ее действие можно наблюдать на видео, когда ракета перед запуском «парит».

«Токсичные» двигатели

Следующей по популярности является комбинация гидразина N₂H₄ или несимметричного диметилгидразина (НДМГ) с азотным тетраоксидом (АТ). Двигатели этого типа используются на российских «Протонах» и «Рокотах», китайском «Чанчжен-2», американских Titan 2, 3 та 4. Даже лунные модули программы Apollo заправлялись этой дьявольской смесью. Украинские «Циклоны», кстати, тоже работают на ней.

Авария ракеты «Протон-М» 2 июля 2013 года. На момент падения в ракете было порядка 600 тонн токсичного топлива

За что все так любят НДМГ+АТ? Во-первых, при контакте эти вещества сами собой вступают в реакцию (самовоспламеняются), что значительно упрощает конструкцию двигателя. Во-вторых, в единицу объема вмещается на 10% больше НДМГ+АД, чем кислорода и керосина. В-третьих, ни один из этих компонентов не нуждается в криогенной системе охлаждения. Поэтому им можно простить немного более низкий, чем у керосин-кислородных ракет, удельный импульс в 3180-3220 м/с.

Самка сайгака поела травы, на которую перед этим вследствие аварии попал НДМГ

А вот о чем нельзя забывать, так это о том, что эта смесь — ужасная отрава. Все варианты сочетания гидразина и НДМГ имеют статус либо «токсично», либо «чрезвычайно токсично». То есть всего несколько капель этого топлива, пролитых на землю, уже представляют опасность для жизни. Если вы слышали слово «гептил» — это просто другое название НДМГ. Как и азотный тетраоксид, он не только ядовитый, но и канцерогенный. То есть, даже уберегшись от отравления, вы рискуете вскоре заработать рак. Кстати, двигатели космического корабля Dragon компании SpaceX тоже работают на комбинации чуть менее токсичной производной гидразина (монометилгидразине) с тем самым азотным тетраоксидом.

Водород и кислород

Еще одной популярной комбинацией является использование жидкого водорода в качестве горючего и жидкого кислорода в качестве окислителя. Такие двигатели были установлены на второй и третьей ступенях Saturn V, европейской Ariane 5, они работают на некоторых американских ракетах последнего поколения и японских Н-ІІ.

«Водородно-кислородная» ракета Ariane 5

Преимущества двигателей такого типа — в высоком удельном импульсе (до 4280 м/с) и экологической чистоте Ни горючее, ни окислитель, ни продукт их реакции (вода) вреда окружающей среде не наносят. Правда, двигатель достигает полной силы только на большой высоте, но все равно он очень мощный.

Недостаток такого сочетания — в чрезвычайной сложности конструкции двигателя. Оба компонента нуждаются в криогенной системе, то есть ракета, кроме горючего и окислителя, должна нести еще и солидный бак с охладителем. Второй минус — жидкого кислорода и жидкого водорода в тот же объем вмещается втрое меньше, чем жидкого кислорода и керосина.

Гибридные ракетные двигатели

Отдельно следует упомянуть так называемые гибридные ракетные двигатели, в которых горючее находится в твердом агрегатном состоянии, а окислитель — в жидком или газообразном. Характерным примером является двигатель ракетоплана SpaceShioTwo. В этом корабле окислителем является обычный N₂O, также известный как закись азота (веселящий газ). Твердое топливо за последние несколько лет менялось дважды. Сначала это был полибутадиен с концевыми гидроксильными группами, затем его заменили термопластичным полиамидом. Однако позже разработчикам что-то не понравилось, и они вернулись к первому варианту. Так или иначе, говоря максимально просто, горючее SpaceShioTwo — это специальный пластик, выделяющий во время горения много тепла .

Работа двигателя ракетоплана SpaceShipTwo

Стоит отметить, что инженеры Virgin Galactic ничего принципиально нового не изобрели. Именно с гибридными двигателями начинали работать Королев и Годдард еще в 1930-х годах. И большинство современных любительских ракет сейчас летают на двигателях гибридной схемы. Главная причина этого — простота конструкции, дешевизна и относительная безопасность топлива. То есть оба его компонента представляют определенную угрозу окружающей среде, но по сравнению с НДМГ-АТ их можно считать безопасными. Удельный импульс у таких двигателей больше, чем у твердотопливных, но соперничать с жидкостными по этому параметру они все еще не способны. Однако больший удельный вес топлива легко может перекрыть этот недостаток. Теоретически.

Гибридный ракетный двигатель мог бы стать отличным сочетанием преимуществ жидкостных и твердотопливных двигателей, но ракетчики еще несколько десятилетий назад обнаружили у него один фундаментальный недостаток. Два компонента, находящиеся в различных агрегатных состояниях, довольно непросто равномерно подать к месту химической реакции, к тому же по мере сгорания топлива эта задача усложняется. И чем больше ракета, тем больше дополнительных устройств для обеспечения равномерной работы двигателя нужно применять. В результате простота конструкции перестает себя оправдывать.

Вероятно, именно эти проблемы и стали причиной того, что SpaceShipTwo, впервые представленный публике 13 лет назад, до сих пор не начал коммерчески использоваться. Информации о двигателе немного, но, похоже, его мощность уже превысила тот предел, за которым гибридные ракетные двигатели прекращают стабильно работать, а причины этого инженерам так и не удалось устранить.

Экзотические варианты жидкотопливных двигателей

Что касается последних тенденций, то сейчас две наиболее инновационные компании — SpaceX и Blue Origin — разрабатывают двигатели, работающие на комбинации «жидкий метан — жидкий кислород». Это позволит не просто получить высокую мощность (удельный импульс 3800 м/с), но и достичь удельного веса топлива, подобного «керосин-кислородным» ракетам.

Следует упомянуть и экзотический вариант окислителя — жидкий фтор. У него весьма неплохие показатели в сочетании с гидразином (4000 м/с), а особенно — с водородом, где удельный импульс теоретически достигает 4420 м/с. Но использовать его — значит собрать все возможные проблемы с окислителем в одном веществе. Он одновременно нуждается в охлаждении почти до -200°С, чрезвычайно токсичен, реагирует с выделением тепла почти со всем, к чему прикоснется, и к тому же имеет довольно невысокий удельный вес. Несмотря на блестящие теоретические перспективы, связываться со фтором никто не рискует.

В целом о химических реактивных двигателях следует сказать, что, несмотря на высокую мощность и простоту, они имеют довольно туманные перспективы в качестве средства передвижения в космосе. Дело в том, что мы не знаем, как поднять их удельный импульс выше 5000 м/с. Энергия химических реакций сравнительно невелика и, как следствие, большую часть космических аппаратов занимают топливные компоненты. Чтобы получить приличное Δv, мы сейчас вынуждены выбрасывать чрезвычайно много топлива.

Но если в космосе мы, вполне возможно, начнем в ближайшее время применять двигатели с большим Δv, то для того, чтобы оторвать корабль от Земли, мы еще долго будем пользоваться старыми химическими двигателями. И замена им появится еще не скоро…

Только самые интересные новости и факты в нашем Telegram-канале!

Присоединяйтесь: https://t.me/ustmagazine

Ученые нашли нейтронные звезды на орбитах подобных Солнцу светил
Орбита горячего Юпитера оказалась самой вытянутой из всех экзопланет
Рамзес встретится с Апофисом: ESA отправит миссию к рекордному астероиду
NASA показала красоту космического корабля Cygnus перед его уничтожением: фото
Смерть лунохода: NASA закрыла проект VIPER
Ученые открыли 10 удивительных пульсаров
Бывшие руководители NASA и ESA призвали оставить МКС в космосе для следующих поколений
Илон Маск переносит свою штаб-квартиру из-за «гендерного» закона
На HBO выходит фильм о «диком диком космосе». И это — не фантастика
Прорыв в физике: ученые научили ядра атомов поглощать и излучать энергию