Всё о Ракетных двигателях. Часть 1

Правда ли, что у ракетных двигателей есть выхлопная труба?

Почему сопла имеют форму колокола, а не какой-нибудь трубки?

Можно ли заправить ракету бензином?

Можно ли создать электрический ракетный двигатель?

Мы в Альфа Центавра посидели, подумали и решили посвятить несколько роликов деталям работы ракетных двигателей.

Такое себе видеоруководство для юных ракетостроителей.

Поэтому заваривайте гиперголики, мы приступаем.

One small step for man, one giant leap for mankind.

Ракетные двигатели — это мощно и просто красиво.

Только глядя на всё это страшное переплетение труб, можно осознать, насколько человек разумен.

Но зачем нужна такая сложность?

Почему нельзя зажечь какое-то прессованное суперэффективное нанотопливо, сесть в ракету и под музыку Дэвида Боуи полететь и покорить, наконец, этот Марс?

В каком веке мы всё-таки живём?

Зачем нам строить эти церны для каждой новой ракеты, а потом ещё их и топить?

Ну, чтобы понять, почему современные двигатели так страшно обросли трубками и клапанами, нужно начать с простого — с третьего закона Ньютона.

Возьмём условный газ, заточим его в оболочку и будем выпускать его из какого-то отверстия в этой оболочке.

Газ будет стремиться вырваться через отверстие и тем самым будет толкать всю конструкцию в противоположном направлении.

Устройство настолько простое, что кальмары пользовались им ещё 65 миллионов лет назад.

Только вместо газа была вода.

Но просто выбрасывать заранее запасённый газ или жидкость – не особо практичная идея.

Вещество очень быстро закончится, а чтобы оно не закончилось, нужны очень большие и толстые баки.

Такое расточительство строго карается формулой Циолковского.

Поэтому мы пошли чуточку дальше без позвоночных и придумали не просто выбрасывать какой-то газ или жидкость, а сжигать определённые вещества и выбрасывать из отверстия продукты сгорания.

При горении химическая энергия, запасённая внутри топлива, самой природой преобразуется в кинетическую энергию выхлопа в устройстве, называемом соплом.

В сопле есть три важных части.

Камера сгорания, конфузор и диффузор.

В камере сгорания происходит ад.

Огромная температура, ужасающее давление и молекулы газа, мечущиеся во все стороны в поиске выхода.

Конфузор, вот этот перешеек, оставляет им единственный возможный путь наружу.

Из-за того, что он уже, чем камера сгорания, молекулам нужно двигаться в строго определённом направлении и таким образом преобразовать своё беспорядочное тепловое движение в направленное и упорядоченное движение на выход.

Беспорядочного движения становится меньше, а значит и давление падает.

Зато растёт скорость частиц, направленная на выход из сопла.

Это и есть закон Бернули, который мы рассматривали в большом видео о ромбах Маха.

Обязательно его посмотрите, ссылка будет в правом верхнем углу и в описании под роликом.

Если переформулировать и упростить закон, то выйдет, что чем меньше сечение, по которому проходит газ, тем быстрее этот газ должен двигаться.

Так вот, конфузор нужен, чтобы закон Бернулли поломать.

Как только скорость газа в конфузоре становится больше звуковой, закон начинает работать в обратную сторону.

Чем больше сечение, по которому проходит газ, тем быстрее он должен двигаться.

Тут и наступает время диффузора, который шире даже камеры сгорания.

И в нём газ на радостях и сверхзвуковой скорости вырывается из ада… хм, двигателя.

Давайте отвлечёмся от физики и посмотрим на химию.

Вытеснительному двигателю для работы нужно три вещества – вытеснительный газ, окислитель и горючее.

Горючее – это то, что мы сжигаем, а окислитель – то, при помощи чего мы это делаем.

Вместе они образуют топливо.

Вытеснительный газ подается в баки окислителя и горючего, после чего они горят в камере сгорания.

В качестве вытеснительного газа обычно используется азот.

Он химически нейтрален, плюс недорогой в производстве.

Для вытеснения водорода вместо азота берут гелий, потому что другие инертные газы при контакте с ним становятся жидкостью.

В качестве топлива в вытеснительных двигателях обычно используются вещества-гиперголики.

Это значит, что окислителю и горючему достаточно просто соприкоснуться, и горение начнётся само собой.

Никаких свечей зажигания или палок с детонаторами, нужен просто их контакт.

Возможность такого лёгкого зажигания пригодилась в космосе, где были нужны повторные включения двигателей.

Этот фактор сыграл свою роль в использовании вытеснительных движков в командном модуле Аполлона в Space Shuttle, Союзе и даже на современных Crew Dragon и Orion.

Гипергаллическое топливо, хоть и имеет очень веское преимущество перед другими, но его неэффективность, а главное экологический вред от продуктов горения, уже практически полностью вытеснили его в узкую нишу маленьких орбитальных двигателей.

Что же касается недостатков вытеснительных движков, то их проблема в масштабируемости.

Для увеличения мощности жидкого ракетного двигателя нужно поднимать давление и температуру в камере сгорания, а сделать это можно лишь подняв давление вытеснительного газа.

Но для этого нужно будет утолщать баки, чтобы они не лопнули, что увеличивает их массу, что в свою очередь увеличивает массу, которую этому двигателю собственно необходимо двигать, что потребует от него ещё большей мощности.

Мы топчемся на месте, а Циолковский всё ещё в деле.

Как быть?

Первое, что возникает в голове, это просто поставить насосы и закачивать топливо в камеру сгорания.

Можно даже попробовать несложные электрические насосы с аккумуляторами на борту.

Звенящая расточительность, скажете вы.

Ну это же ни в какие ворота не лезет, скажут экологи.

Действительно, топить аккумуляторы в воде или сбрасывать их на сушу после каждого запуска в эпоху борьбы с пластиком и перехода на зелёную энергетику кажется дикостью.

Но это если их реально топить.

А мы уже видели, что можно ступеней и возвращать.

Уже вижу, как у вас в голове возникает картинка установки батарей Теслы на возвращаемые Falcon 9.

Однако SpaceX никогда не разрабатывала движки с электронасосами.

Зато их разрабатывала небезызвестная компания Rocket Lab для своей ракеты Electron.

Их 3D-печатный двигатель Rutherford имеет два электронасоса мощностью 37 киловатт каждый.

Один двигатель вполне мог бы возить людей на лифте в какой-нибудь высотке, а не тонуть через две минуты работы.

Ладно-ладно, сейчас Rocket Lab активно разрабатывает схему поимки первой ступени вертолётом, а сам Питер Бек показал концепт многоразовой ракеты Neutron, но речь не об этом, а о насосах.

Так вот, в 2018 году Electron стала первой ракетой на электронасосах, вышедшей на орбиту.

И только в 2021-м компания Astra с четвёртой попытки запустила на орбиту свою Rocket 3.3 с движками на электрических насосах.

Взрывной рост спроса на запуск небольших коммерческих спутников и рост ёмкости аккумуляторов только с относительно недавних пор позволили окупать такие двигатели.

Чтобы сравнить производительность вытеснительных двигателей и двигателей на электрических насосах, поговорим о понятии тяги.

Тяга показывает, с какой силой движок пытается оторваться от земли.

Измеряется она в ньютонах, но чаще в килоньютонах и меганьютонах, то есть в произведении массы на ускорение.

Сила, с которой килограмм вещества давит на поверхность, равна примерно 10 ньютонам, или от 9,78 до 9,82 ньютонов в зависимости от удаления от экватора.

Для зануд.

Эта сила и называется весом.

Так вот, тяга — это сила, противоположная весу.

Задача двигателя состоит в том, чтобы компенсировать свой вес с как можно большим запасом для полезной нагрузки.

Параметр тяговооружённость показывает, во сколько раз сила двигателя превосходит его вес.

К примеру, вытеснительный AJ10190, использовавшийся для двигателя ориентации Space Shuttle, имел тягу около 27 кН при тяговооружённости 23.

Средненькие муравьи хихикают от такой вооружённости.

У электрического Rutherford тяга даже меньше — 25 кН, но вот зато тяговооружённость — 73.

И хоть они оба развивают тягу, способную поднять в воздух самку азиатского слона, Rutherford в три раза легче AJ10190, и потому он установлен именно на первую ступень, а не на вторую.

Двигателю ориентации не нужно противодействовать ускорению свободного падения, ему достаточно лишь вовремя включаться и очень точно расходовать топливо.

Потому вытеснительные двигатели используются как двигатели ориентации или двигатели второй ступени.

Единственное исключение из правил — это испанские вытеснительные двигатели TEPREL, которые будут установлены и испытаны на первой ступени ракеты Miura 5 в 2024 году.

Ну вот как она полетит, тогда и поговорим.

Другой подход — использовать хорошо изученную и очень живучую технологию парогенератора.

Это мы так плавно переходим в царство жидкостных ракетных двигателей, работающих по так называемому открытому циклу.

Во времена Второй мировой внутри нацистской ракеты V2 стоял двигатель А4, работавший на жидком кислороде и этиловом спирте.

Всё это добро подавалось в камеру сгорания как раз насосом, который работал на паровой тяге.

Что интересно, пар производился из перекиси водорода, а не из воды.

Наверное, потому что быстро сделать из воды пар можно только хорошенько его нагрев, а вот в перекись достаточно добавить марганцовки, и она нагревается сама.

Так вот, лопасти турбины, находившиеся на одном валу с насосом, приводились в движение паром и закачивали горючий окислитель в камеру сгорания.

Пар при этом проходил через теплообменник и выбрасывался за борт.

Поэтому, собственно, такую схему можно назвать открытой.

Вся конструкция — турбина плюс насосы — образовывала турбонасосный агрегат.

Можно считать, что Вернер фон Браун начал эру Steampunk в космонавтике.

Именно по такой технологии работают американские самолётные движки AR-22, AR-23, ракетно-боевые XLR-83NA1, GE X-405, RMI 6000C, советские RD-101, RD-110, не выходящие из моды RD-107 и 108, перекочевавшие из «семёрки» в «союзы»,

И это не говоря уже о том множестве двигателей, работавших просто на перекиси и марганцовке в качестве топлива.

Схема с парогенератором оказалась очень успешной по причине огромной производительности и дешевизны.

Но почему мы должны возить с собой дополнительную жидкость и баки для неё, когда у нас уже есть готовый горячий газ в камере сгорания?

Мы можем подавать этот газ на турбину, раскручивать топливные насосы, а потом просто сбрасывать его за борт, как в случае с парами перекиси.

Такая схема называется отводным открытым циклом.

Лётное испытание New Shepard с двигателем BE-3 стало первым в мире доказательством работы такого типа схем.

До этого в 1969 году успешно испытали модификацию сатурновского двигателя J-2, но, к сожалению, полететь ей так и не удалось.

Зато в 2021-м удалось полетать ракете Firefly Alpha с двигателем River 1.

Пускай и всего две с половиной минуты, но зато в 22-м году компания исправилась.

Хотя их простота и безопасность подкупают, такие двигатели почему-то не получили широкого распространения.

А вот идея использовать одно и то же топливо для вращения турбины и для сжигания в камере была соблазнительной.

Так появились газогенераторные схемы.

По сути, это двигатель внутри двигателя.

В самом начале пути малая часть горючего и окислителя ответвляется в небольшую камеру сгорания, где очень быстро превращается в горячий газ и раскручивает турбину, а затем выходит за борт через отдельную выхлопную трубу.

Такая схема работы ЖРД называется открытым циклом с газогенератором.

Вот кадры работы кислород керосинового Мерлина, двигателя Falcon.

Видите, никакого обмана насчёт выхлопной трубы.

Такая копоть получается из-за того, что в газогенератор подаётся смесь с большой концентрацией горючего, и топливо из-за этого сгорает не так эффективно, как в основной камере сгорания.

Всё ради меньшей температуры, чем в основной камере сгорания.

Таким образом, турбонасос не превращается в кисель из высокотехнологичных сплавов.

Но как же тогда работают двигатели на отведённом из камеры сгорания газе?

В такого типа двигателях используются теплообменники, где этот газ охлаждается.

Кстати, топливо сжигают в камере сгорания тоже не при самом эффективном соотношении.

Стихиометрическое соотношение показывает, сколько нужно окислителя, чтобы сжечь столько-то топлива без остатка.

Расчёты делаются на основе уравнений химической реакции.

Например, для того чтобы сжечь 1 килограмм керосина, нужно 3,1 килограмма кислорода.

Таким образом, стихиометрическое соотношение для этой пары 3.1.

А в Мерлине в камере топливо сгорает при стихиометрическом соотношении 2.3.

Связано это с хитростью конвертации химической энергии в тепловую.

Важно не только максимально эффективно сжигать смесь, но ещё и следить, чтобы молекулы продуктов сгорания, выходящих из сопла, были как можно легче.

У керосина, как и у подавляющего числа горючих, эти молекулы легче, чем у кислорода, и потому очень желательно, чтобы его было немножко больше, чем диктует нам стихиометрическое соотношение.

Водород так вообще имеет в ядре один лишь протон, так что его крутость в этом отношении зашкаливает, а эффективность в качестве горючего максимальная.

Ещё, к слову, есть температурные ограничения на эффективность горения.

Внутри камеры сгорания RS-25, легендарной тяговой лошадки Шаттла и его ещё более прожорливого наследника SLS, температура достигала безумных 3300 градусов по Цельсию при соотношении кислорода к водороду 6 к 1, а это на секунду температура кипения железа и почти температура плавления вольфрама.

Даже специально разработанный для этой камеры сгорания сплав меди, серебра и циркония просто не справится с таким адским пламенем при идеальном соотношении 6.9.

Гениальные инженерные решения в сфере материаловедения для двигателей – это вообще тема для отдельного видео.

Но раз уж затронули тему термических нагрузок, то нужно поговорить и о борьбе с ними.

Рассмотрим ещё раз самую сложную из рассмотренных нами на этот момент двигательных схем, а именно открытый цикл с газогенератором.

Двигатель имеет две основных магистрали, ведущие из баков окислителя и горючего в камеру сгорания, две магистрали ответвления от основных для газогенератора и ещё контур охлаждения.

На изображении вы видите много отверстий для охлаждения сопла и камеры сгорания.

Например, в том же Мерлине охлаждённый по SpaceX-овски керосин течёт из баков в эти трубки, забирает лишнее тепло и направляется в камеру сгорания уже порядком разогретой.

В этом процессе за одну секунду задействуется почти 50 килограмм керосина.

Причём трубки вырезают прямо на камере сгорания и сопле, а потом уже запаивают.

В отличие от, например, шаттловских РС-25, где тысячи трубок обжимаются по форме и накладываются как бы ещё одним слоем поверх металла сопла.

Правда, таких продвинутых методик не было во время зарождения ракетных технологий.

Зато понимание того, что любому сплаву при 2700 градусах по Цельсию не будет ничего хорошего, было.

Потому в том же немецком А4 часть спирта сначала проливалась между двойной стенкой камеры сгорания и только потом горела.

Теперь, если учесть регенеративный контур охлаждения, то схема усреднённого открытоциклового двигателя будет выглядеть вот так.

Давление в разных частях магистрали рассчитывается таким образом, чтобы обеспечить оптимальный расход топлива на охлаждение, газогенератор и основную работу.

Интересно, что контур охлаждения замкнутый, и всё горючее, проходящее по бесчисленным трубкам, нагревается и сжигается в камере сгорания.

Жидкий водород так вообще практически мгновенно превращается в газ, пройдя весь цикл охлаждения.

Горячий газ плюс турбина?

Хм.

Именно эта идея дала начало ещё одному ответвлению в открытых циклах.

Его назвали открытым циклом с фазовым переходом.

Испарённая избыточным теплом камера сгорания топлива направляется на турбину, вращает её и выходит наружу через выхлопную трубу.

Очень похоже на открытую схему с отведением, но газ получается не в результате сгорания в камере, а в результате испарения от её нагрева.

Чтобы оценить главное преимущество схемы с фазовым переходом перед отводной, представьте, что вам нужно нагреть руки в квартире.

Гораздо безопаснее греться вблизи батареи, чем сливать с неё кипяток прямо на себя.

Кстати, температура испарённого топлива в таких движках действительно близка к комнатной.

Безгенераторная прелесть, казалось бы.

Но нужно учесть, что она не будет работать, скажем, на керосине.

Просто потому что лишнего тепла может и не хватить, чтобы он достаточно газифицировался для раскрутки турбин.

Этан только начал осваиваться частниками, а возиться с постоянно норовящим где-то пролиться или испариться водородом – та ещё головная боль.

Приплюсуйте сюда меньшую производительность, чем в газогенераторных схемах, и получится не очень популярный тип двигателей.

Хотя всё-таки в красной книге есть пара японских водородных движков LE-5A и LE-5B, работающих по этой схеме.

Самыми популярными в открытых схемах стали газогенераторные циклы двигателей.

Как мы видим, они получаются самыми мощными, а значит, смогут вести на себе больше груза.

Поговорим о проблемах масштабирования разных типов двигателей.

Если мы вернёмся к схеме работы простейшего вытеснительного двигателя, то увидим, что чем больше разница давления в системе двигатель-среда, тем больше тяга.

В вытеснительной схеме мы могли наращивать эту разницу только подъёмом давления вытеснительного газа, что влекло бы за собой более тяжёлые и толстые баки, которые бы в свою очередь уменьшали бы тяговооружённость всей ракеты.

В случае электрических насосов увеличение мощности насосов очень быстро приводит к росту массы аккумуляторов.

В отводных открытых циклах турбонасос работает на газе из камеры сгорания, и чтобы вмиг не расплавить турбину, газу нужно пройти через какие-то теплообменники.

Чем сильнее мы хотим раскрутить турбонасос, тем большее количество камерного газа нужно пропустить через теплообменники, а значит и их масса будет расти.

Циклы с фазовым переходом страдают от закона квадрата-куба.

Давление в трубонасосе напрямую зависит от лишнего тепла, выделяемого камерой сгорания и соплом.

Допустим, что для увеличения тяги в два раза нужно увеличить количество избыточного тепла в четыре раза.

Количество теплоты, передаваемого от камеры сгорания к трубкам охлаждения, зависит от площади камеры.

И при увеличении площади камеры сгорания в четыре раза её масса возрастает уже в восемь раз.

В случае же открытого цикла нас ограничивает только механическая и температурная стойкость турбины в газогенераторе.

Чем большее давление нам удастся создать в газогенераторе, тем большим будет давление в основной камере сгорания.

А что там говорить, F1, один из самых мощных двигателей, отправлявших ступени к орбите, работал по открытой схеме с газогенератором и развивал безумные 6,77 мега Ньютона.

Это в 25 раз больше, чем V2.

Причём разница в их возрасте тоже 25 лет.

Нумерология какая-то получается.

Конечно, есть подвох в том, что выливать больше топлива мимо камеры сгорания может быть не очень экономно, но об этом мы поговорим уже в следующей части.

Там же мы затронем тему смесительных головок, системы зажигания смеси и дресселирования тяги.

Это более продвинутый уровень понимания того, как работают современные жидкостные ракетные двигатели.

А сегодня вы прошли базовый, с чем я вас и поздравляю.

Пожалуйста, напишите в комментариях, как вам идея такой обучающей серии видео.

Не забудьте подписаться на канал и ударить в колокольчик, ролики у нас выходят нечасто, зато вы ничего не пропустите.

И обязательно поставьте лайк, ведь это позволяет продвигать видео и демонстрировать его большему числу новичков.

Ну а я прощаюсь с вами до следующего ролика.

Отмечу только, что такие видео выходят на канале при поддержке наших спонсоров на YouTube и патронов на Patreon.

Это люди, которые позволяют нам заниматься вообще всем.

И каналом, и нашим сайтом, и вести социальные сети, и многими-многими другими вещами, которые малозаметны, но тем не менее позволяют проекту существовать.

На экране вы видите имена этих замечательных людей, а если хотите присоединиться к их списку, можете сделать это по ссылкам в закреплённом комментарии.

Сейчас мы получаем доход только от спонсоров, потому что рекламу мы никогда не продавали, а та реклама, которую в роликах публикует Google, практически полностью обесценилась.

Спонсоры — это единственная наша поддержка.

Спасибо!

Продолжение следует...