Из каких металлов строят космические корабли, бороздящие бескрайние просторы Вселенной
Черезмесяц исполнится ровно полвека первому старту ракеты Р-7, которыйсостоялся 15 мая 1957 года. Эта ракета, которая до сих пор носит всехнаших космонавтов, является безусловным триумфом конструкторской идеинад конструкционным материалом. Интересно, что ровно через 30 лет послеее запуска, 15 мая 1987 года, состоялся и первый старт ракеты»Энергия», которая, наоборот, использовала массу экзотическихматериалов, недоступных 30 лет назад.
Когда Сталин поставилперед Королевым задачу копирования Фау-2, многие ее материалы были новыдля тогдашней советской промышленности, но к 1955 году уже исчезлипроблемы, которые могли бы помешать конструкторам воплощать идеи. Ктому же материалы, использованные при создании ракеты Р-7, даже в 1955году не отличались новизной – ведь нужно было учитывать затраты времении денег при серийном производстве ракеты. Поэтому основой ееконструкции стали давно освоенные алюминиевые сплавы.
Раньшемодно было называть алюминий «крылатым металлом», подчеркивая, что есликонструкция не ездит по земле или по рельсам, а летает, то онаобязательно должна быть выполнена из алюминия. На самом деле крылатыхметаллов много, и это определение давно вышло из моды. Спору нет,алюминий хорош, достаточно дешев, сплавы его сравнительно прочны, онлегко обрабатывается и т.д. Но из одного алюминия самолет не построишь.А в поршневом самолете и дерево оказывалось вполне уместным (даже вракете Р-7 в приборном отсеке есть фанерные перегородки!). Унаследовавалюминий от авиации, этим металлом стала пользоваться и ракетнаятехника. Но тут-то как раз и обнаружилась узость его возможностей.
«Крылатый металл», любимец авиаконструкторов. Чистый алюминий втрое легче стали, очень пластичен, но не очень прочен.
Чтобыон стал хорошим конструкционным материалом, из него приходится делатьсплавы. Исторически первым был дуралюмин (дюралюминий, дюраль, как мыего чаще всего зовем) – такое имя дала сплаву немецкая фирма, впервыеего предложившая в 1909 году (от названия города Дюрен). Этот сплав,кроме алюминия, содержит небольшие количества меди и марганца, резкоповышающие его прочность и жесткость. Но есть у дюраля и недостатки:его нельзя сваривать и сложно штамповать (нужна термообработка). Полнуюпрочность он набирает со временем, этот процесс назвали «старением», апосле термообработки состаривать сплав нужно заново. Поэтому детали изнего соединяют клепкой и болтами.
В ракете он годится только на»сухие» отсеки – клепаная конструкция не гарантирует герметичности поддавлением. Сплавы, содержащие магний (обычно не больше 6%), можнодеформировать и сваривать. Именно их больше всего на ракете Р-7 (вчастности, из них изготовлены все баки).
Американские инженерыимели в своем распоряжении более прочные алюминиевые сплавы, содержащиедо десятка разных компонентов. Но прежде всего наши сплавы проигрывализаокеанским по разбросу свойств. Понятно, что разные образцы могутнемного отличаться по составу, а это приводит к разнице в механическихсвойствах. В конструкции часто приходится полагаться не на среднююпрочность, а на минимальную, или гарантированную, которая у нашихсплавов могла быть заметно ниже средней.
В последней четверти XXвека прогресс в металлургии привел к появлению алюминий-литиевыхсплавов. Если до этого добавки в алюминий были направлены только наувеличение прочности, то литий позволял сделать сплав заметно болеелегким. Из алюминий-литиевого сплава был сделан бак для водорода ракеты»Энергия», из него же делают сейчас и баки «Шаттлов».
Наконец,самый экзотический материал на основе алюминия – боралюминиевыйкомпозит, где алюминию отведена та же роль, что и эпоксидной смоле встеклопластике: он удерживает вместе высокопрочные волокна бора. Этотматериал только-только начал внедряться в отечественную космонавтику –из него сделана ферма между баками последней модификации разгонногоблока «ДМ-SL», задействованного в проекте «Морской старт».
Выборконструктора за прошедшие 50 лет стал намного богаче. Тем не менее кактогда, так и сейчас алюминий – металл №1 в ракете. Но, конечно же, естьи целый ряд других металлов, без которых ракета не сможет полететь.
Незаменимыйэлемент любых инженерных конструкций. Железо в виде разнообразныхвысокопрочных нержавеющих сталей – второй по применению металл вракетах.
Везде, где нагрузка не распределена по большойконструкции, а сосредоточена в точке или нескольких точках, стальвыигрывает у алюминия.
Сталь жестче – конструкция из стали,размеры которой не должны «плыть» под нагрузкой, получается почтивсегда компактнее и иногда даже легче алюминиевой. Сталь гораздо лучшепереносит вибрацию, более терпима к нагреву, сталь дешевле, заисключением самых экзотических сортов, сталь, в конце концов, нужна длястартового сооружения, без которого ракета – ну, сами понимаете.
Нои баки ракеты могут быть стальными. Удивительно? Да. Однако перваяамериканская межконтинентальная ракета Atlas использовала баки именноиз тонкостенной нержавеющей стали. Для того чтобы стальная ракетавыиграла у алюминиевой, многое пришлось радикально изменить. Толщинастенок баков у двигательного отсека достигала 1,27 миллиметра (1/20дюйма), выше использовались более тонкие листы, и у самого верхакеросинового бака толщина составляла всего 0,254 миллиметра (0,01дюйма). А водородный разгонный блок Centaur, сделанный по такому жепринципу, имеет стенку толщиной всего лишь с лезвие бритвы – 0,127миллиметра!
Столь тонкая стенка сомнется даже под собственнойтяжестью, поэтому форму она держит исключительно за счет внутреннегодавления: с момента изготовления баки герметизируются, наддуваются ихранятся при повышенном внутреннем давлении.
В процессеизготовления стенки подпираются специальными держателями изнутри. Самаясложная стадия этого процесса – приварка днища к цилиндрической части.Ее обязательно нужно было выполнить за один проход, в результате ее втечение шестнадцати часов делали несколько бригад сварщиков, по двепары каждая; бригады сменяли друг друга через четыре часа. При этомодна из двух пар работала внутри бака.
Нелегкая, что и говорить,работа. Но зато на этой ракете американец Джон Гленн впервые вышел наорбиту. Да и дальше у нее была славная и долгая история, а блок Centaurлетает и по сей день. У «Фау-2», между прочим, корпус тоже был стальным– от стали полностью отказались только на ракете Р-5, там стальнойкорпус оказался ненужным благодаря отделяющейся головной части.
Какой же металл можно поставить на треье место «по ракетности»? Ответ может показаться очевидным. Титан? Оказывается, вовсе нет.
Основнойметалл электро- и тепловой техники. Ну разве не странно? Довольнотяжелый, не слишком прочный, по сравнению со сталью – легкоплавкий,мягкий, по сравнению с алюминием – дорогой, но тем не менее незаменимыйметалл.
Все дело в чудовищной теплопроводности меди – она большев десять раз по сравнению с дешевой сталью и в сорок раз по сравнению сдорогой нержавейкой. Алюминий тоже проигрывает меди потеплопроводности, а заодно и по температуре плавления. А нужна этабешеная теплопроводность в самом сердце ракеты – в ее двигателе. Измеди делают внутреннюю стенку ракетного двигателя, ту, котораясдерживает трехтысячеградусный жар ракетного сердца. Чтобы стенка нерасплавилась, ее делают составной – наружная, стальная, держитмеханические нагрузки, а внутренняя, медная, принимает на себя тепло.
Втоненьком зазоре между стенками идет поток горючего, направляющегося избака в двигатель, и тут-то выясняется, что медь выигрывает у стали:дело в том, что температуры плавления отличаются на какую-то треть, авот теплопроводность – в десятки раз. Так что стальная стенка прогоритраньше медной. Красивый «медный» цвет сопел двигателей Р-7 хорошо виденна всех фотографиях и в телерепортажах о вывозе ракет на старт.
Вдвигателях ракеты Р-7 внутренняя, «огневая», стенка сделана не изчистой меди, а из хромистой бронзы, содержащей всего 0,8% хрома. Этонесколько снижает теплопроводность, но одновременно повышаетмаксимальную рабочую температуру (жаростойкость) и облегчает жизньтехнологам – чистая медь очень вязкая, ее тяжело обрабатывать резанием,а на внутренней рубашке нужно выфрезеровать ребра, которыми онаприкрепляется к наружной. Толщина оставшейся бронзовой стенки – всегомиллиметр, такой же толщины и ребра, а расстояние между ними – около 4миллиметров.
Чем меньше тяга двигателя, тем хуже условияохлаждения – расход топлива меньше, а относительная поверхностьсоответственно больше. Поэтому на двигателях малой тяги, применяемых накосмических аппаратах, приходится использовать для охлаждения не толькогорючее, но и окислитель – азотную кислоту или четырехокись азота. Втаких случаях медную стенку для защиты нужно покрывать хромом с тойстороны, где течет кислота. Но и с этим приходится смиряться, посколькудвигатель с медной огневой стенкой эффективнее.
Справедливостиради скажем, что двигатели со стальной внутренней стенкой тожесуществуют, но их параметры, к сожалению, значительно хуже. И дело нетолько в мощности или тяге, нет, основной параметр совершенствадвигателя – удельный импульс – в этом случае становится меньше начетверть, если не на треть. У «средних» двигателей он составляет 220секунд, у хороших – 300 секунд, а у самых-пресамых «крутых инавороченных», тех, которых на «Шаттле» три штуки сзади, – 440 секунд.Правда, этим двигатели с медной стенкой обязаны не столько совершенствуконструкции, сколько жидкому водороду. Керосиновый двигатель дажетеоретически таким сделать невозможно. Однако медные сплавы позволили»выжать» из ракетного топлива до 98% его теоретической эффективности.
Драгоценныйметалл, известный человечеству с древности. Металл, без которого необойтись нигде. Как гвоздь, которого не оказалось в кузнице в известномстихотворении, он держит на себе все.
Именно он связывает медьсо сталью в жидкостном ракетном двигателе, и в этом, пожалуй,проявляется его мистическая сущность. Ни один из других конструкционныхматериалов не имеет никакого отношения к мистике – мистический шлейфвеками тянется исключительно за этим металлом. И так было в течениевсей истории его использования человеком, существенно более долгой, чему меди или железа. Что уж говорить об алюминии, который был открыттолько в девятнадцатом столетии, а стал относительно дешевым и тогопозже – в двадцатом.
За все годы человеческой цивилизации уэтого необыкновенного металла было огромное количество применений иразнообразных профессий. Ему приписывали множество уникальных свойств,люди использовали его не только в своей технической и научнойдеятельности, но и в магии. К примеру, долгое время считалось, что «егобоится всевозможная нечисть».
Главным недостатком этого металлабыла дороговизна, из-за чего его всегда приходилось расходоватьэкономно, точнее, разумно – так, как требовало очередное применение,которое ему придумывали неугомонные люди. Рано или поздно ему находилите или иные заменители, которые с течением времени с большим илименьшим успехом вытесняли его.
Сегодня, практически на нашихглазах, он исчезает из такой прекрасной сферы деятельности человека,как фотография, которая в течение почти полутора столетий делала нашужизнь более живописной, а летописи – более достоверными. А пятьдесят(или около того) лет назад он стал утрачивать позиции в одном издревнейших ремесел – чеканке монет. Конечно, монеты из этого металлавыпускают и сегодня – но исключительно для нашего с вами развлечения:они давно перестали быть собственно деньгами и превратились в товар –подарочный и коллекционный.
Возможно, когда физики изобретуттелепортацию и ракетные двигатели будут уже не нужны, наступитпоследний час и еще одной сферы его применения. Но пока что найти емуадекватную замену не удалось, и этот уникальный металл остается вракетостроении вне конкуренции – так же, как и в охоте на вампиров.
Выуже наверняка догадались, что все вышесказанное относится к серебру. Современ ГИРДа и до сих пор единственным способом соединения частейкамеры сгорания ракетных двигателей остается пайка серебряными припоямив вакуумной печи или в инертном газе. Попытки найти бессеребряныеприпои для этой цели ни к чему пока не привели. В отдельных узкихобластях эту задачку иногда удается решить – например, холодильникисейчас чинят с помощью медно-фосфорного припоя, – но в ЖРД заменысеребру нет. В камере сгорания большого ЖРД его содержание достигаетсотен граммов, а иногда доходит до килограмма.
Драгоценнымметаллом серебро называют скорее по многотысячелетней привычке, естьметаллы, которые не считаются драгоценными, но стоят намного дорожесеребра. Взять хотя бы бериллий. Этот металл втрое дороже серебра, но ион находит применение в космических аппаратах (правда, не в ракетах).Главным образом он получил известность благодаря способности замедлятьи отражать нейтроны в ядерных реакторах. В качестве конструкционногоматериала его стали использовать позже.
Конечно, невозможноперечислить все металлы, которые можно назвать гордым именем»крылатые», да и нет в этом нужды. Монополия металлов, существовавшая вначале 1950-х годов, давно уже нарушена стеклои углепластиками.Дороговизна этих материалов замедляет их распространение в одноразовыхракетах, а вот в самолетах они внедряются гораздо шире. Углепластиковыеобтекатели, прикрывающие полезную нагрузку, и углепластиковые сопладвигателей верхних ступеней уже существуют и постепенно начинаютсоставлять конкуренцию металлическим деталям.
Но с металлами,как известно из истории, люди работают уже приблизительно десять тысячлет, и не так-то просто найти равноценную замену этим материалам.
Титан и титановые сплавы
Самый модный металл космического века.
Вопрекишироко распространенному мнению, титан не очень широко применяется вракетной технике – из титановых сплавов в основном делают газовыебаллоны высокого давления (особенно для гелия). Титановые сплавыстановятся прочнее, если поместить их в баки с жидким кислородом илижидким водородом, в результате это позволяет снизить их массу. Накосмическом корабле ТКС, который, правда, так ни разу и не полетел скосмонавтами, привод стыковочных механизмов был пневматическим, воздухдля него хранился в нескольких 36-литровых шар-баллонах из титана срабочим давлением 330 атмосфер. Каждый такой баллон весил 19килограммов. Это почти впятеро легче, чем стандартный сварочный баллонтакой же вместимости, но рассчитанный на вдвое меньшее давление!
Ракета
Ракета (от итал. rocchetta — маленькое веретено):
- снаряд, взлетающий высоко в воздух при воспламенении наводящегося в нём твёрдого горючего (применяется в военном деле для сигнализации и освещения местности, а также для фейерверков) [1] ;
- летательный аппарат, движущийся под действием реактивной силы (тяги), возникающей при отбрасывании массы сгорающего ракетного топлива (рабочего тела), являющегося частью собственной массы ракеты. В военной терминологии слово «Ракета» обозначает класс, как правило, беспилотных летательных аппаратов, применяемых для поражения удалённых объектов (доставка к цели боевого заряда, обычного или ядерного) и использующих для полёта принцип реактивного движения [2] ;
- небольшое пассажирское быстроходное судно на подводных крыльях [1] .
Полёт ракеты не требует наличия атмосферы, что позволяет использовать её в качестве основного технического средства для достижения космического пространства и одного из наиболее эффективных средств доставки боевого заряда в военных действиях. В зависимости от типа применяемого в ракетном двигателе топлива большинство ракет подразделяются на ракеты с жидкостными ракетными двигателями (ЖРД) и с твердотопливными ракетными двигателями. При полёте в атмосфере применяются также воздушно-реактивные двигатели. В перспективе возможно создание ракет, использующих ядерный ракетный двигатель [2] .
- 1 Конструкции ракет
- 2 Ракеты и Космонавтика
- 2.1 Конструкция ракеты для полётов в космос
- 2.1.1 Носовой конус
- 2.1.2 Корпус
- 2.1.3 Крылья
- 2.1.4 Материалы
Конструкции ракет
Ракета состоит из двигательной установки (одного или нескольких двигателей и топливного отсека), полезной нагрузки и некоторых вспомогательных систем и механизмов (система подачи топлива, электрооборудование, рулевые приводы и др.). Большинство ракет оборудованы системой управления (для управляемых ракет), которая обеспечивает полёт ракеты по требуемой траектории, сохранение устойчивости движения и др. Основные силовые элементы конструкции ракеты выполняются в виде тонкостенных оболочек из высокопрочных сплавов и композиционных материалов [2] .
По числу ступеней ракеты делятся на одноступенчатые и составные (многоступенчатые). Одноступенчатая ракета практически не способна обеспечить скорость, необходимую для достижения межконтинентальной дальности и осуществления космического полёта. Для этой цели используется составная ракета, в которой первая ракетная ступень (отделяемая часть составной ракеты, обеспечивающая благодаря работе двигателей разгон ракеты на определённом участке траектории полёта) начинает работать с момента пуска. После исчерпания топлива первая ступень отделяется, разгон полезного груза продолжает вторая ступень и т. д. Одним из основных свойств составной ракеты является её способность существенно увеличить конечную скорость за счёт сброса в процессе полёта элементов конструкции, необходимость в которых к этому моменту полёта исчезла. Различают конструктивные схемы составных ракет с поперечным делением — так называемый тандем, когда ступени расположены последовательно по высоте ракет и их двигатели последовательно вступают в работу и с продольным делением — так называемая пакетная схема, допускающая одновременную работу двигателей различных ступеней и комбинированную.
Ракеты и Космонавтика
Ракеты — самый эффективный способ покинуть атмосферу Земли и достичь космоса. Хотя астрономы и учёные веками мечтали об исследовании Вселенной, технические вопросы, связанные с полётами в космос, были решены только в XIX веке. Газодинамическая лаборатория, советская научно-исследовательская лаборатория, сыграла решающую роль в начальном развитии ракетной техники. В 1921 году они сосредоточились на твердотопливных ракетах, что в конечном итоге привело к первому запуску в 1928 году. Хотя ракета пролетела всего 1300 метров, это была большая веха.
В 1926 году профессор Роберт Годдард из Университета Кларка соединил сверхзвуковое сопло с камерой сгорания высокого давления, удвоив тягу и увеличив КПД двигателя с 2 % до 64 %. Он использовал жидкое топливо вместо пороха, чтобы уменьшить вес и максимально повысить эффективность ракет. Его работа положила начало совершенно новой эре современных ракет [3] .
Конструкция ракеты для полётов в космос
Конструкция (или каркас) ракеты изготовлена из лёгких, но прочных материалов. Хотя ракеты космических челноков весят сотни тысяч килограммов, они спроектированы так, чтобы быть как можно легче, чтобы они могли доставлять грузы на орбиту Земли, используя минимум топлива. В то же время конструкция должна быть достаточно прочной, чтобы выдерживать экстремальные температуры верхних слоёв атмосферы. Конструкция состоит из различных компонентов.
Носовой конус
Верхняя часть ракеты имеет коническую форму для изменения поведения встречного воздушного потока и уменьшения аэродинамического сопротивления. Внутри этого конуса находится камера, в которой могут находиться спутники, вспомогательное оборудование, растения или животные. Внешняя поверхность конуса спроектирована таким образом, чтобы выдерживать экстремальные температуры, возникающие при аэродинамическом нагреве [3] .
Корпус
В корпусе ракеты размещаются топливо, окислитель и двигатель. Топливо и окислитель вместе образуют ракетное топливо. Топливо — это химическое вещество; оно не может гореть или приводить в действие ракетный двигатель без окислителя (кислорода). Поскольку ракеты летят в космос (где нет воздуха), они должны нести с собой кислород.
Количество топлива и окислителя, которое необходимо перевозить, точно рассчитывается для каждой миссии. Ракета может оторваться от земли только в том случае, если она создаёт тягу, превышающую общую массу аппарата. Большая масса означает, что вам нужен более мощный двигатель, который, в свою очередь, потребует больше топлива. Вот почему значение имеет каждый грамм веса, и масса сокращается до самого необходимого.
В типичной ракете около 90 % общей массы составляет топливо, 6 % приходится на конструкцию (корпус, двигатель, крылья), а 4 % может составлять полезная нагрузка (космонавты, спутники, дополнительные приборы, продукты) [3] .
Крылья
Крылья прикреплены к нижней части корпуса ракеты. Они обеспечивают устойчивость во время полёта. Другими словами, они поддерживают ориентацию аппарата и намеченную траекторию полёта. Они работают так же, как оперение, расположенное в хвосте стрелы. Тяга на оперении удерживает хвост сзади, чтобы острие стрелы летело прямо по ветру.
Без крыльев ракета потеряла бы управление через несколько секунд после выхода из пусковой установки. Это происходит потому, что на аппарат одновременно действуют несколько сил (аэродинамика, гравитация, а также сила, создаваемая двигателем). Как только центр тяжести опускается ниже центра давления, ракета становится неустойчивой.
При создании ракеты конструкторы учитывают различные факторы, такие как форма, количество, размер и расположение плавников. Обычно они располагаются в задней части, если только ракета не оснащена бортовой автоматизированной системой наведения [3] .
Материалы
Корпус ракеты изготавливается из нескольких прочных, но лёгких материалов. Дюралюминий, например, является наиболее распространённым сплавом, используемым в корпусах ракет. Этот сплав состоит из алюминия, меди и небольшого количества марганца и магния, которые делают его более твёрдым и прочным. Поскольку он обладает низкой свариваемостью, дюралюминиевые детали обычно скрепляются болтами или заклёпками.
Космическая гонка между США и Советским Союзом привела к разработке многочисленных прочных алюминиевых сплавов, содержащих до 10 компонентов. Большинство из них, включая алюминиевые и литиевые сплавы, до сих пор используются для изготовления деталей многоступенчатых ракет. Другим распространённым сплавом является нержавеющая сталь. Она превосходит алюминиевые сплавы по многим параметрам. Она твёрдая и лёгкая, может выдерживать экстремальные нагрузки без деформации, и при этом она гораздо дешевле алюминиевых сплавов. В настоящее время она используется для изготовления топливных баков (с толщиной стенки около 0,5-1 мм).
Медные сплавы также используются в некоторых компонентах. Хромомедный сплав, например, используется для изготовления внутренней стенки ракетного двигателя. Он может выдерживать экстремальное тепло (3 500 Кельвинов), вырывающееся из сопел во время запуска. Кроме того, титан используется для изготовления импеллеров для ракетных двигателей. В отличие от других материалов, титан и его сплавы не подвергаются коррозии в аэрокосмической среде. Они обладают превосходной стойкостью в большинстве окислительных, нейтральных и ингибированных восстановительных условиях. Но поскольку они тяжелее и дороже алюминиевых и стальных сплавов, их используют в очень ограниченных количествах [3] .
Система полезной нагрузки
Полезная нагрузка зависит от космической миссии. Одна и та же ракета может быть модифицирована для запуска полезной нагрузки для различных целей, например, спутников для мониторинга погоды, связи, шпионажа или исследования космического пространства.
Однако самая ценная полезная нагрузка, которую несёт любая ракета, — это люди.
Вывести в космос спутники и сложные приборы требуют серьёзной подготовки. Полезную нагрузку нужно не только поднять в космос, но и благополучно доставить на нужную орбиту. Не должно быть никаких физических повреждений из-за экстремального ускорения, вызванного тягой ракеты, или быстрых изменений величины или направления ускорения, вызванных дросселированием двигателя. Кроме того, биологические, химические или электротехнические полезные нагрузки могут быть повреждены резкими изменениями температуры или давления, а также радиационным облучением космическими лучами.
Чтобы этого не произошло, большинство полезных нагрузок создаются таким образом, чтобы выдерживать определённые жёсткие условия на пути к месту назначения. Кроме того, они заключены в носовой конус (также называемый обтекателем полезной нагрузки), который защищает их от экстремальных температур и давления [3] .
Система наведения
Система наведения ракеты состоит из сложных радаров, датчиков, коммуникационного оборудования и бортовых вычислительных блоков.
Она выполняет две основные функции:
- обеспечение стабильности во время запуска;
- управление аппаратом во время манёвров.
Учёные разработали множество методов управления ракетами во время полёта. Большинство из этих методов предполагает анализ всех сил, действующих на транспортное средство, которые вносят свой вклад в конечное движение. Как только система получает все данные, она может точно рассчитать траекторию полёта для выхода на целевую орбиту.
Ранние ракеты (а также некоторые современные) обычно используют подвижные хвостовые крылья. Эти крылья обеспечивают нужное количество аэродинамической силы, делая аппарат устойчивым во время полёта.
В более новых ракетах (разработанных в конце 1970-х годов и позднее) используется система векторизации тяги, называемая карданной тягой. В этой системе выхлопное сопло перемещается из стороны в сторону для создания управляющего момента. При перемещении сопла направление тяги изменяется относительно центра тяжести ракеты.
В целом, система наведения состоит из трёх компонентов:
- Вход: включает датчики, радио- и спутниковые каналы связи и другие источники данных.
- Обработка: содержит несколько центральных процессоров, которые обрабатывают данные и рассчитывают «следующий шаг» для достижения правильного курса.
- Выход: данные передаются непосредственно на цифровой автопилот для принятия необходимых мер.
Автопилот постоянно обеспечивает обратную связь с системой наведения о состоянии органов управления полётом [3] .
Двигатель
Цель ракетного двигателя — создание тяги. Хотя разные типы двигателей работают по-разному, все они основаны на третьем законе движения Ньютона: каждое действие имеет равную и противоположную реакцию. Двигатель выбрасывает массу (в виде газа под высоким давлением) в одном направлении, чтобы вызвать реакцию в противоположном направлении. Масса поступает из топлива.
В отличие от самолетного двигателя, ракетному двигателю требуется топливо плюс окислитель (источник кислорода). Это связано с тем, что в космосе нет кислорода, поэтому ракета должна иметь свой собственный. Топливо и кислород смешиваются и воспламеняются в камере сгорания. В результате реакции образуется выхлоп, который проходит через сопло для создания тяги. Величина создаваемой тяги зависит от того, какая масса проходит через двигатель и какова скорость истечения газа. (Когда топливо сгорает, оно превращается из твёрдого тела в газ или из жидкости в газ).
Существует два основных типа ракетных двигателей:
- ракеты на твёрдом топливе — они могут храниться годами без значительной деградации топлива, и их можно надёжно запускать. Однако из-за их низкой производительности (по сравнению с жидкотопливными ракетами) в настоящее время они не используются для крупных миссий. Они используются для вывода лёгких полезных грузов (менее 2 тонн) на низкую околоземную орбиту..
- ракеты на жидком топливе — они тяжелее и сложнее в хранении и обращении, однако они обеспечивают большую тягу на единицу веса сжигаемого топлива. Их можно легко остановить после запуска, что обеспечивает дополнительный уровень безопасности. Эти двигатели могут быть спроектированы таким образом, чтобы запускаться и выключаться несколько раз во время полёта для орбитального маневрирования..
Некоторые ракетные двигатели работают на электричестве (дуговая реактивная ракета и резистивная реактивная ракета) или на ядерной энергии (ракета с газовым реактором и ракета с фрагментами деления). Однако в настоящее время они очень неэффективны и требуют большого количества исследований и испытаний [3] .
Топливо
Топливо — это масса, хранящаяся в баке перед использованием в качестве высокоскоростной массы, которая выбрасывается (в виде газа) из сопла ракеты для создания тяги.
Наиболее распространёнными топливами являются топливо, такое как керосин или жидкий водород, и окислители, такие как азотная кислота или жидкий кислород. Топливо сжигается вместе с окислителем в камере сгорания, в результате чего образуется огромное количество горячего газа.
Современные ракеты, такие как Falcon Heavy, Falcon 9, Atlas V, Long March 6, «Ангара» и «Зенит», используют жидкий кислород с высокоочищенным керосином. Эта смесь используется для ускорителей первой ступени, которые взлетают с уровня земли. Некоторые ракетные топлива (называемые монопропеллентами) не нужно сжигать, чтобы произошла химическая реакция. Они могут быть разложены с помощью катализатора с получением горячего газа. Перекись водорода, закись азота и гидразин — прекрасные примеры таких монотоплив.
Ранние ракеты использовали твёрдое топливо, которое содержало смесь гранул твёрдых окислителей, таких как перхлорат аммония, динитрамид аммония и нитрат аммония, в полимерном связующем веществе, с порошками взрывчатых соединений, таких как HMX или RDX. В состав твёрдых ракетных топлив также добавляют стабилизаторы, модификаторы скорости горения и пластификаторы [3] .
Примечания
- ↑ 1,01,1Значение слова «ракета»(неопр.) . Картаслов.ру. Дата обращения: 21 мая 2023.
- ↑ 2,02,12,2В. П. Легостаев.Ракета(неопр.) . Большая Российская Энциклопедия 2004-2017. Дата обращения: 21 мая 2023.
- ↑ 3,03,13,23,33,43,53,63,73,85 самых важных частей ракеты(неопр.) . Новая наука (20 июля 2022). Дата обращения: 21 мая 2023.
Ссылки
- Космическая энциклопедия
- Большая Российская Энциклопедия
- Государственная корпорация по космической деятельности «Роскосмос»
Данная статья имеет статус «готовой». Это не говорит о качестве статьи, однако в ней уже в достаточной степени раскрыта основная тема. Если вы хотите улучшить статью — правьте смело!
- Знание.Вики:Cite web (не указан язык)
- Технологии
- Все статьи
- Ракеты
- Космонавтика
- Оружие
Из чего делают ракеты
COLOR THEME
BACKGROUND TEXTURE
BACKGROUND IMAGE
- О нас О БраМосе
- Совместное Предприятие
- Партнёры СП
- История
- Перспективы и задачи
- Культура деятельности
- Отделы и подразделения
- Столпы БраМоса
- Отличительные черты
- От идеи-к бизнесу
- Устройство ракеты
- История ракет
- Классификация ракет
- КПРУРО
- Ракеты БРАМОС
- Ракетный комплекс надводного базирования
- Ракетный комплекс наземного базирования
- Авиационный вариант
- Вариант пуска с подводной лодки
- Новости компании
- Пресс-релизы
- Рабочая среда
- Перспективы карьерного роста
- Вакансии
- Главная
- /
- Устройство ракеты
Устройство ракеты
Ракета – это саморегулируемое беспилотное летательное средство (выведенное на траекторию силой броска, выстреливания и др. путём), предназначенное для доставки полезного груза (боевого заряда) с целью уничтожения объекта-цели. Ракета проектируется с учётом следующих факторов: цели поражения, траектории полёта, несомой боеголовки, дальности и скорости полёта и платформы базирования.
Основные технические и технологические средства, используемые в ракетах, суть следующие:
- Двигатель ракеты
- Система управления и наведения
- Аэродинамические элементы: корпус ракеты, крылья, стабилизаторы, хвост
- Наведение на конечном участке траектории (если это относится к точному управляемому оружию)
- Боеголовка
Двигательная установка в ракете необходима для обеспечения конечных характеристик: дальности полёта, скорости, способности нести боеголовку. Ракета приводится в движение при помощи ракетного или реактивного двигателей с использованием твёрдого или жидкого топлива. В некоторых ракетах для выведения их на заданный уровень используются технологии гибридных видов топлива.
Функция системы наведения заключается в том, чтобы поддерживать выбранную траекторию движения ракеты, используя механизм контроля высоты. Это осуществляется через управление её тангажём (поперечное вращение), креном (вращение по вертикальной оси) и рысканием (вращение по продольной оси). Система наведения работает по автопилотному принципу, уменьшая колебания, способные отклонить ракету от заданного курса.
В некоторых ракетах команды наведения генерируются изнутри – бортовым компьютером. В других ракетах команды ракете передаются от внешних источников.
Для управления полётом ракеты используются аэродинамические элементы ракеты, которые также называют «управляющими поверхностями». Стабилизаторы, крылья и хвост являются тремя основными поверхностями, посредством которых осуществляется управления ракетой. Направление полёта ракеты можно изменить, приводя в движение эти поверхности управления.
В случае высокоточного оружия, когда ракета начинает поиск цели, включается в действие головка самонаведения. Это устройство определяет также время активации боеголовки. После обнаружения цели устройство посылает электрический импульс для срабатывания пускового механизма и активации боеголовки. Головка самонаведения имеет в своей основе радар или устройства инфракрасного или лазерного излучения.
Боеголовка ракеты выбирается с учётом цели, которую нужно поразить. Она наносит удар по цели, тем самым задействуя поражающую способность ракетного оружия. Чтобы достичь желаемого эффекта в зоне поражения, выбирается оптимальная точка удара – чем ближе к цели производится удар, тем меньшая требуется боеголовка. В других случаях, когда требуется нанесение удара ракетой по укреплённым объектам, перед детонацией боеголовки применяются различного рода технологии, увеличивающие глубину проникновения ракетного удара.
Виды ракетного топлива: современные вещества и перспективные разработки
Оторваться от Земли, набрать скорость, достаточную, чтобы выйти на орбиту – это требует колоссальных затрат топлива. Например, сухая масса ракеты «Союз» – это масса без учета топлива, чуть больше тридцати трех с половиной тонн. Но на старте общая масса ракеты – почти 308 тонн – только одиннадцать процентов от общей массы выходят в космос с полезной нагрузкой. Больше 270 тонн топлива сгорает, чтобы «Союз» преодолел притяжение.
В материале «Научной России» о видах ракетного топлива, которые используют сегодня, и о перспективных разработках.
Твердое ракетное топливо
Сегодня дымный порох используют в основном в петардах, салютах и других пиротехнических изделиях, хотя изначально именно он был первым ракетным топливом. Одно из четырех великих китайских изобретений – по отдельным данным, смесь селитры, древесного угля и серы использовали в ракетах еще во втором веке нашей эры.
Твердое ракетное топливо – это вещество, или смесь веществ, которые способны гореть без доступа кислорода, при этом выделяя достаточно много газа. Среди достоинств твёрдотопливных двигателей называют относительную простоту в изготовлении и применении, отсутствие проблемы с утечками токсичных веществ, надежность и возможность долговременного хранения топлива. Недостатки таких двигателей – это невысокий удельный импульс, трудности в управлении тягой двигателя и его повторным запуском, высокий уровень вибраций при работе. Из-за недостатков твёрдотопливных двигателей, первыми в космос полетели именно ракеты с двигателями на жидком топливе, хотя, твердые горючие смеси были изобретены раньше.
Твердотопливные ускорители использовали при запуске американских шаттлов – два таких устройства, длиной сорок пять с половиной метров и общей массой 1180 тонн разгоняли корабли и отделялись на высоте около сорока пяти километров примерно через две минуты после запуска: они спускались на парашютах и после заправки их использовали снова.
Современные твердые топлива – это смесь горючих веществ и окислителя. Для ракетостроения подходят многие, но большинство основаны на окислителях, которые способны взаимодействовать с разным горючим. Это могут быть перхлораты аммония, лития или калия. Или нитраты калия или аммония. Как горючее используют металлы, или их сплавы, например, алюминий, магний, литий и бериллий. Возможно использование и других материалов: полимеров или смол, как полиэтилен, каучук и битум.
Жидкое ракетное топливо
Жидкостные реактивные двигатели могут использовать в качестве топлива одно-, двух- и трёхкомпонентные смеси. У них высокий удельный импульс, их можно останавливать и повторно запускать, что важно при маневрировании в космосе, сами ракеты на жидкостных двигателях получаются легче. Но они сложнее устроены и дороже: система топливных баков, трубопроводов и насосов требует более тщательной подготовки и проверки в процессе сборки и перед запуском.
Элементы жидкого топлива – это горючее и окислитель. Они подаются из разных баков под давлением через форсунки и перемешиваются в камере сгорания. После воспламенения начинается процесс горения, которое продолжается, пока горючее и окислитель поступают в камеру. Керосин, водород, сжиженный для закачки в баки и азотно-водородное соединение гидразин – основные виды горючего для жидкостных ракетных двигателей. Если в качестве горючего используют керосин или водород, в качестве окислителя применяют сжиженный кислород. Если горючим выступает гидразин, то как окислитель используют четырехокись азота — N2O4.
Чище остальных горит водород – соединяясь с кислородом он выделяет только тепло и водяные пары. Керосин, который очищают, чтобы использовать как горючее, при сгорании выделяет угарный и углекислый газы.
Топливо жидкостных двигателей может быть и однокомпонентным. Из-за небольшого удельного импульса и меньшей эффективности такие виды менее популярны, чем двухкомпонентные смеси, но их отличает простота в конструкции двигателя. Однокомпонентное топливо – это жидкость, которая при взаимодействии с катализатором разлагается с образованием горячего газа. Это может быть гидразин, который разлагается на аммиак и азот, или концентрированный пероксид водорода, который образует перегретый водяной пар и кислород. В качестве катализатора может выступать, например, окись железа.
Топливо будущего
Химические ракетные топлива, и жидкие, и твердые, способны вывести космические аппараты на околоземные или лунные орбиты, но для дальних космических миссий их может быть недостаточно.
Одно из предложений, которое может решить проблему с дальними полетами – это ядерные двигатели. По расчетам, ядерный тепловой двигатель может доставить ракету на Марс всего за три месяца. Одна из американских компаний предложила использовать ядерный двигатель со сжиженным водородом в качестве рабочего тела. В такой системе реактор вырабатывает тепло из уранового топлива. Это тепло нагревает жидкий водород, который при расширении и создает тягу. Разработки ядерных ракетных двигателей начинались еще в пятидесятых годах, но пока ни один из таких аппаратов не был запущен.
А в марте 2021 года в Роскосмосе сообщили, что в 2025-2030 годах планируют испытать еще одну перспективную разработку – новые ионные двигатели мощностью от 200 Вт до 35 кВ. Ионные двигатели – это тип электрических ракетных двигателей, которые создают тягу на базе ионизированного газа, разогнанного до высоких скоростей в электрическом поле. Такие разработки уже используются в космических миссиях. Ионные двигатели отличаются малым расходом топлива и долгим временем работы.
Фото на главной странице: Роскосмос
По материалам из открытых источников
- 2.1 Конструкция ракеты для полётов в космос
