Передовой опыт использования жидкостных ракетных двигателей

Основная часть

Качественный скачок в развитии космических транспортных средств может быть достигнут путем разработки и внедрения принципиально новых двигателей, использующих быстропротекающие (взрывные) процессы, например пульсирующих детонационных двигателей. Для такого типа двигателей характерны:

- детонационный механизм преобразования энергии,

- высокая (вплоть до ультразвуковой) частота рабочих циклов,

- отсутствие механической клапанной решетки,

- возможность работы как в ракетном, так и воздушно-реактивном режимах [1].

Однако, исследования российских ученых, проводимые на базе отраслевых НИИ и конструкторских бюро соответствующего профиля, показали, что жидкостные ракетные двигатели остаются основными для перспективных средств выведения летательных аппаратов на орбиту в ближайшие 20 лет. Необходимо отметить, что в основе действия жидкостного ракетного двигателя лежит химическая реакция жидкого топлива, в качестве которого выступает, например, сжиженный газ. Перспективные разработки в сфере разработки новых современных конструкций в полной мере основаны на жидкостных ракетных двигателях. Однако, такие исследования не всегда завершаются успешными испытаниями и внедрением, что связано с огромными затратами на финансирование как со стороны государства, так и со стороны частных инвесторов. В настоящее время российская компания «Лин Индастриал» разрабатывает ракету «Таймыр» с диапазоном полезных нагрузок от 10 килограмм до 180-ти при выводе на низкую околоземную орбиту. Еще в 2016 году «Лин Индастриал» провела огневые испытания жидкостного ракетного двигателя РДЛ-100С «Атар», предназначенного для носителя, а также испытала дозвуковой «летающий стенд» с целью отработки одного из вариантов системы управления. В настоящее время проект не закончен по причине его остановки руководством - «Роскосмос» не проявил большого интереса к инвестированию, а денег частных инвесторов оказалась недостаточно.

Такая ситуация характерна не только для российской космонавтике, где ЖРД все же являются основой. Ученые-конструкторы других стран неустанно совершенствуют конструкции ЖРД. Так, например, Китай обладает независимыми надёжными средствами для доступа в космическое пространство, обеспечив себе конкурентные преимущества на мировом рынке [2]. Совершенствуя свои конструкторские разработки в разных направлениях освоения космического пространства китайские ученые основываются на использовании ЖРД. Ракета легкого класса Newline-1, разрабатываемая частной компанией Linkspace, будет состоять из двух ступеней, первая из которых сможет возвращаться на Землю и использоваться повторно, подобно американской Falcon 9. RLV-T5, имеющая длину 8,1 метров и диаметр 65 см., укомплектована пятью жидкостными двигателями. В качестве горючего используется этанол и сжиженный кислород.

Необходимо отметить конструктивные разработки в Иране. В основе самых современных проектов страны лежит создание ракеты-носителя (РН) Сафир. В настоящее время эта серия достаточно успешно эксплуатируется правительство в научных целях и имеет место несколько вариантов модернизаций ракеты-носителя. Все они представляет собой двухступенчатую жидкостную ракету. Стартовая масса РН составляет около 25 т, длина - 25-30 м. В двигательных установках в качестве компонентов топлива используется окислитель АК-27И (на основе азотной кислоты) и углеводородное горючее - ТМ-185 [2].

Современные ЖРД - визитная карточка японской космонавтики. В 2020 году закончено строительство новой ракеты компанией Mitsubishi Heavy Industries. Базовая структура ракеты включает усовершенствованный жидкостной двигатель.

В целом, в качестве перспективных направлений использования ЖРД ученые Исследовательского центра им. М.В. Келдыша совместно с ЦНИИМаш выделили следующие технологии [3]:

- использование сжиженных природных газов (СПГ) в качестве универсального, экологически чистого горючего;

- применение новых схем двигателя, в частности с дожиганием восстановительного генераторного газа, и эффективных систем охлаждения камер сгорания;

- использование высокоэффективных систем контроля качества и надежности двигателей в производстве;

- применение новых рациональных схем трехкомпонентных ЖРД.

Эти технологии характеризуют три типа перспективных ЖРД:

1 Кислородно-метановые ЖРД. Создание такого двигателя может рассматриваться как составная часть общероссийской программы расширения и повышения эффективности использования сжиженных природных газов на автомобильном, железнодорожном, авиационном транспорте и в ракетно - космической технике. Необходимость реализации такой программы может быть обусловлена дефицитом вырабатываемых из нефти топлив, большими запасами, доступностью и относительной дешевизной природного газа, а также экологическими преимуществами его применения.

2 Трехкомпонентный двигатель. Для разработки в дальнейшем наиболее эффективных одноступенчатых систем выведения необходимо создание ЖРД нового поколения, работающих при использовании с жидким кислородом двух горючих- водорода и УВГ. Основным преимуществом трехкомпонентных ЖРД по сравнению с двухкомпонентными кислородно - водородными двигателями является уменьшение потребных запасов водорода в 1,5...2 раза, что позволит сократить затраты на выведение ПН. Это обеспечит также уменьшение «сухой» массы конструкции носителя. Проведенные исследования показали конкурентоспособность и значительную эффективность ЖРД, работающих на трехкомпонентном топливе.

3 Жидкостно-воздушный ракетный двигатель (ЖВРД). Разработка двигателей, работающих с использованием атмосферного воздуха, связана с решением ряда новых научно-технических проблем, что, как показывает анализ, отодвигает возможность создания ЖВРД на более отдаленное будущее. ЖВРД следует рассматривать в первую очередь как перспективный двигатель для одноступенчатых многоразовых воздушно -космических систем.[4].

Кроме того, необходимо отметить возможности использования различных добавок и присадок для повышения эффективности жидких ракетных горючих. Их внедряют на нефтеперерабатывающих заводах. Литий и бериллий- представители таких добавок [5].

Выводы

жидкостный ракетный двигатель космический

В заключение следует говорить о том, что на настоящем этапе развития космических транспортных средств сложилась ситуация, когда возможности по совершенствованию химических ракетных двигателей традиционных типов (на основе стационарных или медленно протекающих рабочих процессов) практически полностью исчерпаны и ограничены незначительным улучшением энергомассовых характеристик, достигаемым, как правило, в ущерб надежности, безопасности и экологичности. Качественный скачок в развитии космических транспортных средств может быть достигнут путем разработки и внедрения принципиально новых двигателей, использующих быстропротекающие (взрывные) процессы, например пульсирующих детонационных двигателей.

Библиографические ссылки