Відштовхнутися від порожнечі: як працюють хімічні реактивні двигуни

Розповідь про реактивні двигуни варто розпочати з третього закону Ньютона: сила дії дорівнює силі протидії. Простіше кажучи, кожен рух — це відштовхування чогось від чогось. Але у космосі це неможливо, оскільки там відсутні навіть молекули газів, від яких можна відштовхнутися, як це роблять літаки під час польоту в атмосфері.

Втім, це не означає, що ми не знаємо, як рухатись у порожнечі. Те, від чого можна відштовхуватися, необхідно просто принести з собою . Так працює реактивний двигун — ми з силою викидаємо певну масу в напрямку, протилежному тому, в якому треба прискоритися, й отримуємо імпульс. У принципі робота реактивного двигуна однаково вдало описується і третім законом Ньютона, і законом збереження імпульсу.

Третій закон Ньютона:

a₁×m₁=a₂×m₂

Закон збереження імпульсу:

v₁×m₁=v₂×m₂

При старті з Землі зручніше використовувати перший, бо там основне завдання — подолати силу тяжіння та опору повітря, тому краще оперувати силами. У космосі, де найголовніше —  коригувати вектор швидкості, варто говорити саме про маси та швидкості. В цьому плані важливо визначити кілька термінів, якими будемо користуватися надалі.

Основні поняття теорії ракетних двигунів

Реактивна маса — це та сама речовина, яку викидає космічний корабель із певною швидкістю, щоб отримати прискорення. Цю речовину неправильно називати пальним через низку причин, хоча її маса та маса палива на космічному кораблі з хімічним реактивним двигуном збігаються.

Система подачі палива й окислювача до камери згоряння двигуна F-1 ракети Saturn V. Ребра на стінках камери забезпечують стабільне горіння паливної суміші

Δv — це сумарна зміна вектора швидкості, яку може здійснити корабель, витративши все наявне на борту паливо. В англомовних джерелах позначення Δv найчастіше вживають без додаткових пояснень. У джерелах, що походять із теренів колишнього СРСР, можна зустріти більш громіздкі назви: «характеристична швидкість орбітального маневру» та «сумарна характеристична швидкість». Усе це приблизно одне і те саме.

Потужність двигуна — це, власне, сила, з якою він здатен виштовхувати з себе робоче тіло. Відповідно, це сила, з якою він штовхає космічний корабель у протилежний бік.

Найголовніша характеристика двигуна — його питомий імпульс, тобто імпульс, який отримує космічний корабель при витіканні одного кілограма робочого тіла з двигуна з максимально можливою швидкістю. Найчастіше він за своєю величиною збігається зі швидкістю витікання реактивної маси з двигуна.

З усього вищезгаданого походить основна ідея ефективної роботи реактивного двигуна: взяти на борт якомога більше реактивної маси та викидати її з найбільшою можливою швидкістю, забезпечивши собі максимально можливе Δv. Ну і, звичайно, важлива висока потужність, аби подолати земне тяжіння. Зазвичай ці дві задачі виконують різні двигуни: один використовується для старту з Землі, а інший — для маневрів у космосі.

Прискорювати робоче тіло можна кількома способами. Найбільш звичними для нас є хімічні реактивні двигуни, де у якості робочого тіла використовуються гази, що утворюються внаслідок хімічної реакції. За рахунок тепла, що виділяється в результаті тої ж реакції, тиск її продуктів зростає і при спрямованому розширенні вони розганяються до певної швидкості.

Існують ще простіші ракетні двигуни, у яких тягу створює тиск водяної пари, що утворюється внаслідок кипіння води (або, наприклад, вуглекислого газу, утвореного сублімацією «сухого льоду»). Однак потужність і питомий імпульс у таких двигунів настільки малі, що на практиці замість використання їх для запусків ракет любителі будують за тим самим принципом гармати, щоб із них стріляти кавунами. Але теоретично в космосі цілком можна літати й на «чайнику» — щоправда, поганенько.

Твердопаливні ракетні двигуни

Сучасні хімічні реактивні двигуни бувають твердопаливними та рідинними. Перші зазвичай простіші й потужніші, але час їхньої роботи вкрай обмежений. Це спричинено особливістю їхньої конструкції. По суті, паливом у твердопаливних ракетах є вибухівка, яка поступово згоряє та створює тягу. Прикладом може бути прискорювач космічного корабля Space Shuttle. У ньому як паливо використовується суміш із перхлорату амонію, порошкоподібного алюмінію, спеціального полімеру й отверджувача для нього. Фактично це щось схоже на пластид або динаміт.

Робота твердопаливного прискорювача Space Shuttle

Переваги твердопаливного реактивного двигуна добре простежуються на прикладі того ж прискорювача системи Space Shuttle. Це найпотужніший двигун, який взагалі коли-небудь створювало людство — цілих 14,5 млн ньютонів тяги. До того ж конструктивно він дуже простий, хоч і має певні недоліки. По-перше, паливо-вибухівка в ньому горить надзвичайно швидко і, як наслідок, за короткий час повністю згоряє. По-друге, після початку горіння палива його вже неможливо зупинити. Тому такі двигуни користуються великою популярністю у військових, а ось у космічній галузі вони себе зарекомендували переважно як перший ступінь багатоступеневих систем.

Одно- та трикомпонентні рідинні ракетні двигуни

Конструкція хімічного рідинного реактивного двигуна (РРД) залежить від його типу, але в цілому вона складається з ємності, у якій відбувається хімічна реакція, досить хитро влаштованого отвору (сопла), різноманітних конструкцій, що розташовані позаду й по обидва боки від нього та дозволяють керувати потоком реактивної маси, ємностей із хімічними компонентами, що потім перетворяться на реактивну масу, та трубопроводів, які з’єднують усі інші елементи. Плюс, звичайно, системи керування потоками всередині двигуна.

Якщо ж розглядати рідинні хімічні двигуни докладніше, то вони бувають одно-, дво- та трикомпонентними. В першому типі використовується тільки паливо без окислювача. Відповідно, «паливо» у них не згоряє, а розкладається на газоподібні продукти, які й витікають назовні. При цьому треба пам’ятати, що хімічна реакція розкладу має бути екзотермічною, тобто енергія в ході неї повинна виділятись, а не поглинатися.

Двигуни малої тяги системи орієнтації кораблів Apollo

Як приклад можна розглянути двигуни, що працюють на гідразині. В результаті його розкладу на каталізаторі утворюються аміак і азот, які витікають крізь сопло. Також може використовуватися перекис водню, що розкладається на кисень і воду. Всі двигунів цього типу мають суттєвий недолік — низьку енергію хімічних реакцій і, як наслідок, достатньо невелику швидкість витікання продуктів розкладу. У підсумку їхній питомий імпульс не перевищує 2550 м/с, тоді як у двокомпонентних двигунів він від 3000 м/с тільки починається.

Перевага однокомпонентних РРД — у простоті конструкції, завдяки чому їх можна зробити компактнішими. Такі двигуни досить часто використовуються в системах орієнтації великих космічних апаратів (що дозволяють повертати їх у різні боки) та на міжпланетних зондах.

Щодо трикомпонентних двигунів, то з ними все не так просто. Справді, є проєкти з дуже високим питомим імпульсом, який може перевищувати 5000 м/с (за рахунок реакції «водень-берилій-кисень»), але їхня конструкція настільки складна, що жодного працюючого двигуна цього типу за останні десятиліття побудувати так і не вдалось.

Але існують спроби створити його за іншим принципом — заміни типу палива у двокомпонентному реактивному двигуні безпосередньо у польоті. Наприклад, російський РД-701 спочатку працює на керосині та рідкому кисні, а на великій висоті керосин замінюється воднем, і це нібито дає величезний виграш у легкості конструкції та навіть дозволяє будувати одноступеневі ракети-носії. Щоправда, жодної такої ракети досі не збудували.

«Керосин-кисневі» ракетні двигуни

Більшість двигунів, що використовуються зараз на ракетах — двокомпонентні. Це означає, що до камери згоряння з одного боку надходить окислювач, а з іншого — власне паливо. У камері відбувається окислення з виділенням тепла та газів, які й викидаються крізь сопло. На початку ракетобудування користувались екзотичними, як на сьогодні, видами палива. Наприклад, американці заправляли свої ракети звичайним бензином, а німецька V-2 та перша американська міжконтинентальна ракета Redstone взагалі працювали на етиловому спирті.

В 1962 році було успішно проведене перше довготривале випробування двигуна F-1 з повною тягою. Цей двигун був розроблений компанією Rocketdyne під керівництвом Центру космічних польотів ім. Маршалла (NASA). Він працював на суміші гасу типу RP-1 та рідкого кисню

Зараз у якості палива найчастіше застосовують керосин, аміак, гідразин, несиметричний диметилгідразин і водень. Як окислювач зазвичай використовують рідкий кисень, тетраоксид азоту N₂O₄, рідше — азотну кислоту. Всі ці компоненти з’єднуються між собою в різних комбінаціях, дають різні результати та створюють різні проблеми.

Ракета «Зеніт-3SL» на платформі «Морський старт»

Насамперед варто згадати комбінацію «керосин — рідкий кисень». Точніше, в ракетах зазвичай використовують спеціальну суміш вуглеводнів на основі керосину, але для спрощення вважатимемо, що це саме керосин. Цей вид двигуна застосовували у радянських ракетах типу Р-7 і всіх інших, побудованих на їхній основі, аж до сучасних «Союзів». Американські ракети сімейств Atlas та Delta, перший ступінь носія Saturn V, що доставив американських астронавтів на Місяць, Falcon 1 і Falcon 9, українські «Зеніти» — теж «керосиново-кисневі». Такі ж двигуни використовує американська компанія Firefly, що розробляє власне сімейство ракет-носіїв.

Комбінація «керосин-кисень» — це дуже популярний компроміс між ефективністю, складністю, ціною та безпекою. З питомим імпульсом у 3350 м/с ці ракети можна вважати «середняками». Середньою є й вартість палива. Керосин, звичайно, вибухонебезпечний, і хоча продукти його згоряння (вуглекислий газ) завдають шкоди довкіллю, проте не настільки значної. З рідким киснем усе набагато гірше — він існує при температурах, суттєво нижчих від нуля за Цельсієм, тож до всього вищенаписаного про конструкцію двигуна треба ще додати систему кріогенного охолодження для баків з окислювачем. Її дію можна спостерігати на відео, коли ракета перед запуском «парує».

«Токсичні» двигуни

Наступною за популярністю є комбінація гідразину N₂H₄ або несиметричного диметилгідразину (НДМГ) з азотним тетраоксидом (АТ). Двигуни цього типу використовуються на російських «Протонах» і «Рокотах», китайському «Чанчжен-2», американських Titan 2, 3 та 4. Навіть місячні модулі програми Apollo заправляли цією диявольською сумішшю. Українські «Циклони», до речі, теж працюють на ній.

Аварія ракети «Протон-М» 2 липня 2013 року. На момент падiння в ракеті було близько 600 тонн токсичного палива

За що всі так люблять НДМГ+АТ? По-перше, при контакті ці речовини самі собою вступають у реакцію (самозапалюються), що значно спрощує конструкцію двигуна. По-друге, в одиницю об’єму вміщується на 10% більше НДМГ+АТ, ніж кисню та керосину. По-третє, жоден із цих компонентів не потребує кріогенної системи охолодження. Тому їм можна вибачити трохи нижчий, ніж у керосин-кисневих ракет, питомий імпульс у 3180-3220 м/с.

Самиця сайгака поїла трави, на яку перед тим унаслідок аварії потрапив НДМГ

А ось про що не можна забувати, так це про те, що ця суміш — жахлива отрута. Усі варіанти поєднань гідразину та НДМГ мають статус або «токсично», або «надзвичайно токсично». Тобто всього кілька крапель цього палива, пролитих на землю, вже становлять небезпеку для життя. Якщо ви чули слово «гептил» — це просто інша назва НДМГ. Як і азотний тетраоксид, він не лише токсичний, але й канцерогенний. Отже, навіть уберігшись від отрути, ви маєте ризик невдовзі отримати рак. До речі, двигуни космічного корабля Dragon компанії SpaceX теж працюють на комбінації трохи менш токсичної похідної гідразину (монометилгідразині) з тим самим азотним тетраоксидом.

Водень і кисень

Ще однією популярною комбінацією є використання рідкого водню як палива та рідкого кисню як окислювача. Такі двигуни були встановлені на другому та третьому ступенях Saturn V, європейській Ariane 5, вони працюють на деяких американських ракетах останнього покоління та японських Н-ІІ.

«Воднево-киснева» ракета Ariane 5

Переваги такого типу двигунів — у високому питомому імпульсі (до 4280 м/с) й екологічній чистоті. Ані паливо, ані окислювач, ані продукт їхньої реакції (вода) шкоди довкіллю не завдають. Щоправда, двигун досягає повної сили тільки на великій висоті, але все одно він надзвичайно потужний.

Недолік такого поєднання — у надзвичайній складності конструкції двигуна. Обидва компоненти в ньому потребують кріогенної системи, тобто ракета, крім окислювача та палива, повинна нести ще й чималий бак із охолоджувачем. Другий мінус — у той самий об’єм рідкого кисню та рідкого водню вміщується втричі менше, ніж рідкого кисню та керосину.

Гібридні ракетні двигуни

Окремо варто згадати так звані гібридні ракетні двигуни, в яких паливо перебуває у твердому агрегатному стані, а окислювач у рідкому чи газоподібному. Характерним прикладом є двигун ракетоплана SpaceShioTwo. У цьому кораблі окислювачем є звичайний N₂O, також відомий як закис азоту. Тверде паливо за останні кілька років змінювалося двічі. Спочатку це був полібутадієн із кінцевими гідроксильними групами, потім його замінили на термопластичний поліамід. Проте пізніше розробникам щось не сподобалось, і вони повернулися до першого варіанту. Так чи інакше, якщо дуже спростити, паливо SpaceShioTwo це спеціальний пластик, що виділяє під час горіння багато тепла.

Робота двигуна ракетоплана SpaceShipTwo

Варто сказати, що інженери Virgin Galactic нічого принципово нового не винайшли. Саме з гібридними двигунами починали працювати Корольов і Годдард ще у 1930-х роках. І більшість сучасних любительських ракет зараз літають на двигунах гібридної схеми. Головна причина цього простота конструкції, дешевизна та відносна безпечність палива. Тобто, обидва його компоненти становлять певну загрозу для навколишнього середовища, але у порівнянні з НДМГ-АТ їх можна вважати безпечними. Питомий імпульс у таких двигунів більший, ніж у твердопаливних, але за цим параметром вони все ще не здатні змагатися з рідинними. Проте більша питома вага палива легко може перекрити цей недолік. Теоретично.

Гібридний ракетний двигун міг би бути чудовим поєднанням переваг рідинних і твердопаливних двигунів, але ракетники ще кілька десятиліть тому виявили у ньому один фундаментальний недолік. Два компоненти, що перебувають у різних агрегатних станах, досить непросто рівномірно подати до місця хімічної реакції, до того ж у міру згоряння палива ця задача ускладнюється. І чим більша ракета, тим більше додаткових пристроїв для забезпечення рівномірної роботи двигуна всередині неї треба встановлювати. В результаті простота конструкції перестає себе виправдовувати.

Ймовірно, саме ці проблеми й стали причиною того, що SpaceShipTwo, який уперше був представлений публіці 13 років тому, досі не почав комерційно використовуватися. Інформації щодо двигуна небагато, але, схоже, його потужність уже перевищила ту межу, за якою гібридні ракетні двигуни припиняють стабільно працювати, а причини цього інженерам так і не вдалось усунути.

Екзотичні варіанти рідкопаливних двигунів

Що стосується останніх тенденцій, то зараз дві найбільш інноваційні компанії — SpaceX і Blue Origin — розробляють двигуни, які працюють на комбінації «рідкий метан — рідкий кисень». Це дозволить не просто отримати високу потужність (питомий імпульс 3800 м/с), але й досягти питомої ваги палива, подібної до «керосин-кисневих» ракет.

Варто згадати й екзотичний варіант окислювача — рідкий флуор. У нього дуже непогані показники у поєднанні з гідразином (4000 м/с), а особливо — з воднем, де питомий імпульс теоретично сягає 4420 м/с. Але використовувати його — означає зібрати всі можливі проблеми з окислювачем в одній речовині. Бо він одночасно потребує охолодження майже до -200°С, є надзвичайно токсичним, реагує з виділенням тепла майже з усім, до чого доторкнеться, й до того ж має досить невисоку питому вагу. Попри блискучі теоретичні перспективи, зв’язуватися з флуором ніхто не ризикує.

Загалом про хімічні реактивні двигуни варто сказати, що, попри високу потужність і простоту, вони мають доволі туманні перспективи у якості засобу пересування в космосі. Річ у тім, що ми не знаємо, як підняти їхній питомий імпульс вище 5000 м/с. Енергія хімічних реакцій порівняно невелика і, як наслідок, більшу частину маси космічних апаратів складають паливні компоненти. Щоб отримати пристойне Δv, ми зараз вимушені викидати надзвичайно багато палива.

Однак якщо у космосі ми, цілком можливо, почнемо найближчим часом застосовувати двигуни з більшим Δv, то для того, аби відірвати корабель від Землі, ми ще довго будемо користуватися старими хімічними двигунами. Й заміна їм з’явиться ще не скоро…

Тільки найцікавіші новини та факти в нашому Telegram-каналі!

Долучайтеся: https://t.me/ustmagazine

Науковці знайшли нейтронні зорі на орбітах подібних до Сонця світил
Орбіта гарячого Юпітера виявилась найвитягнутішою з усіх екзопланет
Рамзес зустрінеться з Апофісом: ESA відправить місію до рекордного астероїда
NASA показала красу космічного корабля Cygnus перед його знищенням: фото
Смерть місяцехода: NASA закрила проєкт VIPER
Вчені відкрили 10 дивовижних пульсарів
Колишні керівники NASA та ESA закликали залишити МКС у космосі для наступних поколінь
Ілон Маск переносить свою штаб-квартиру через «гендерний» закон
На HBO виходить фільм про «дикий дикий космос». І це — не фантастика
Прорив у фізиці: вчені навчили ядра атомів поглинати та випромінювати енергію