Ракетні двигуни

Відомо, що в двигуні внутрішнього згоряння, топці парового казана – усюди, де відбувається згоряння, сама активна участь приймає атмосферний кисень. У космічному просторі повітря ні, а для роботи ракетних двигунів у космічному просторі необхідно мати два компоненти – пальне й окислювач.

У рідинних термохімічних ракетних двигунах як пальне використовується спирт, гас, бензин, анілін, гидразин, диметилгидразин, рідкий водень. Як окислювач застосовують рідкий кисень, перекис водню, азотна кислота. Можливо, у майбутньому буде застосовуватися як окислювач рідкий фтор, коли будуть винайдені способи збереження й використання такої активної хімічної речовини.

Пальне й окислювач для рідинних реактивних двигунів зберігаються роздільно, у спеціальних баках і за допомогою насосів подаються в камеру згоряння. При їхньому з'єднанні в камері згоряння розвивається температура до 3000 – 4500 °С.

Продукти згоряння, розширюючи, здобувають швидкість від 2500 до 4500 м/с. Відштовхуючи від корпуса двигуна, вони створюють реактивну тягу. При цьому, чим більше маса і швидкість витікання газів, тим більше сили тяги двигуна.

Питому тягу двигунів прийнято оцінювати величиною тяги створюваною одиницею маси палива спаленної за одну секунду. Цю величину називають питомим імпульсом ракетного двигуна і вимірюють у секундах (кг тяги / кг згорілого палива в секунду). Кращі твердопаливні ракетні двигуни мають питомий імпульс до 190 с., тобто 1 кг палива згоряє за одну секунду створює тягу 190 кг. Воднево-кисневий ракетний двигун має питомий імпульс 350 с. Теоретично воднево-фторовый двигун може розвити питомий імпульс більш 400 с.Звичайно застосовувана схема рідинного ракетного двигуна працює в такий спосіб. Стиснутий газ створює необхідний напір у баках із криогенним пальним, для запобігання виникнення газових пузирив у трубопроводах. Насоси подають паливо в ракетні двигуни. Паливо впорскується в камеру згоряння через велику кількість форсунок. Також через форсунки в камеру згоряння впорскують і окислювач.

У будь-якій машині при згорянні палива утворяться великі теплові потоки, що нагрівають стінки двигуна. Якщо не прохолоджувати стінки камери, то вона швидко прогорить, з якого би матеріалу вона ні була зроблена. Рідинний реактивний двигун, як правило, прохолоджують одним з компонентів палива. Для цього камеру роблять двох стіночною. У зазорі між стінками протікає холодний компонент палива.

Велику силу тяги створює двигун, що працює на рідкому кисні і рідкому водні. У реактивному струмені цього двигуна гази мчаться зі швидкістю більше 4 км/с. Температура цього струменя близько 3000°С, і складається вона з перегрітої водяної пари, що утвориться при згорянні водню і кисню. Основні дані типових палив для рідинних реактивних двигунів приведені в таблиці №1

Таб. №1

ОкислювачПальнеЩільність, кг/м3Питома тяга, зПитома теплота згоряння, кдж/кг

Азотна кислотаГас1,362356100

Рідкий кисеньГас1,02759200

Рідкий кисеньРідкий водень0,2534013400

Рідкий кисеньДиметилгидразин1,022859200

Рідкий фторГидразин1,323459350

Але в кисню поряд з достоїнствами є й один недолік – при нормальній температурі він являє собою газ. Зрозуміло, що застосовувати в ракеті газоподібний кисень не можна адже в цьому випадку довелося б його зберігати під великим тиском у масивних балонах. Тому вже Ціолковський, першим запропонував, кисень як компонент ракетного палива, говорив про рідкий кисень як про компонент без якого космічні польоти не будуть можливі.

Щоб перетворити кисень у рідину, його потрібно остудити до температури -183°С. Однак зріджений кисень легко і швидко випаровується, навіть якщо його зберігати в спеціальних теплоизолюючих посудинах. Тому не можна довго тримати споряджену ракету, двигун якої використовує як окислювач рідкий кисень. Заправляти кисневий бак такої ракети приходиться безпосередньо перед запуском. Якщо таке можливо для космічних і інших ракет цивільного призначення, то для військових ракет, що потрібно підтримувати в готовності до негайного запуску протягом тривалого часу таке неприйнятно. Азотна кислота не має такого недоліку і тому є окислювачем, що зберігається. Цим порозумівається її міцне положення в ракетній техніці, особливо військової, незважаючи на істотно меншу силу тяги, що вона забезпечує.