Ракеты на твёрдом топливе появились гораздо раньше, чем ракеты с жидкостными ракетными двигателями (ЖРД).
Последние настолько стали привычными для нас, что мы забываем о том, когда они стали использоваться для покорения космоса и в боевых действиях воюющих сторон. А это случилось всего каких-то 50 лет назад. До этого твёрдотопливные ракеты, или ракеты с пороховыми двигателями, на протяжении нескольких веков успешно эксплуатировались и применялись в войсках. На возможность использования жидкостей, в том числе жидких водорода H 2 и кислорода O2 , в качестве топлива для ракет указывал К. Э. Циолковский в статье «Исследование мировых пространств реактивными приборами», опубликованной в 1903 г. Первый работающий экспериментальный ЖРД построил американский изобретатель Р. Годдард в 1926 г. Аналогичные разработки в 1931-1933 гг. проводились в СССР группой энтузиастов под руководством Ф. А. Цандера. Эти работы были продолжены в организованном в 1933 г. РНИИ, но в 1938 г. тематика ЖРД в нём была закрыта, а ведущие конструкторы С. П. Королёв и В. П. Глушко были репрессированы как «вредители».
Наибольших успехов в разработке ЖРД в первой половине XX в. добились немецкие конструкторы Вальтер Тиль, Гельмут Вальтер, Вернер фон Браун и др. В ходе Второй мировой войны они создали целый ряд ЖРД для ракет военного назначения: баллистической Фау-2, зенитных Вассерфаль, Шметтерлинг, Райнтохтер R3. В Третьем рейхе к 1944 г. фактически была создана новая отрасль индустрии — ракетостроение, под общим руководством В. Дорнбергера, в то время, как в других странах разработки ЖРД находились в экспериментальной стадии.
По окончании войны разработки немецких конструкторов подтолкнули исследования в области ракетостроения в СССР и в США, куда эмигрировали многие немецкие учёные и инженеры, в том числе В. фон Браун. Начавшаяся гонка вооружений и соперничество СССР и США за лидерство в освоении космоса явились мощными стимуляторами разработок ЖРД.
В 1957 г. в СССР под руководством С. П. Королёва была создана межконтинентальная баллистическая ракета МБР Р-7, оснащённая ЖРД РД-107 и РД-108, на тот момент самыми мощными и совершенными в мире, разработанными под руководством В. П. Глушко. Эта ракета была использована, как носитель первых в мире искусственных спутников Земли (ИСЗ), первых пилотируемых космических аппаратов и межпланетных зондов.
В 1969 г. в США был запущен первый космический корабль серии Аполлон, выведенный на траекторию полёта к Луне ракетой-носителем Сатурн-5, первая ступень которой была оснащена 5-ю двигателями F-1. Двигатель этого типа и в настоящее время является самым мощным среди однокамерных ЖРД, уступая по тяге четырёхкамерному двигателю РД-170, разработанному конструкторским бюро (КБ) «Энергомаш» в Советском Союзе в 1976 г.
Ракеты прошлого и будущего
... Изучить устройство ракетного двигателя и понять принцип его работы. В этом и состоит вся суть реферата, т.к. это реферат по физике. 2) Описать историю развития ракетостроения. По истории ракеты можно ...
В настоящее время космические программы всех стран базируются на использовании ЖРД.
2. ОСНОВНЫЕ ВИДЫ РАКЕТНОГО ТОПЛИВА
Выбор ракетного топлива зависит от многих факторов. Идеального топлива нет, у каждого есть свои плюсы и минусы. Такие факторы, как цена, удельный импульс, скорость горения, функция зависимости скорости горения от давления, безопасность и технологичность изготовления и другие могут влиять на выбор топлива.
2.1 ЖИДКИЕ РАКЕТНЫЕ ТОПЛИВА
Окислитель и горючее двухкомпонентных топлив содержатся в отдельных ёмкостях — баках и при помощи различных устройств раздельно подаются в камеру двигателя для сжигания. Двухкомпонентные жидкие топлива в настоящее время имеют самое широкое применение, так как они обеспечивают самую наибольшую удельную тягу двигателя, легко позволяют регулировать величину и направление тяги в полете, а также выключать двигатель и запускать его повторно. Недостаток этих топлив — сложное устройство двигателя с большим числом деталей и узлов со сложной системой управления и регулирования.
самовоспламеняющимся
Несамовоспламеняющиеся
однокомпонентные
Преимуществом
Таблица 1. Основные характеристики двухкомпонентных жидких топлив при оптимальном соотношении компонентов (давление в камере сгорания 100 кгс / см 2 , на срезе сопла 1 кгс / см2 ).
|
Окисли-тель |
Горючее |
Тепло-творность топлива*, ккал / кг |
Плот-ность*, г / см2 |
Темпера-тура в камере сгорания, К |
Удельный импульс в пустоте, сек |
|
|
Азотная кислота (98 %) |
Керосин |
1460 |
1,36 |
2980 |
313 |
|
|
ТГ-02 |
1490 |
1,32 |
3000 |
310 |
||
|
Анилин (80 %) + фурфуриловый спирт (20 %) |
1420 |
1,39 |
3050 |
313 |
||
|
Жидкий кислород |
Спирт (94 %) |
2020 |
0,39 |
3300 |
255 |
|
|
Водород |
2020 |
0,32 |
3250 |
391 |
||
|
Керосин |
2200 |
1,04 |
3755 |
335 |
||
|
НДМГ |
2200 |
1,02 |
3670 |
344 |
||
|
Гидразин |
2230 |
1,07 |
3446 |
346 |
||
|
Аммиак |
2200 |
0,84 |
3070 |
323 |
||
|
АТ |
Керосин |
1550 |
1,27 |
3516 |
309 |
|
|
НДМГ |
2200 |
1,20 |
3469 |
318 |
||
|
Гидразин |
2230 |
1,23 |
3287 |
322 |
||
|
Жидкий фтор |
Водород |
2300 |
0,62 |
4707 |
412 |
|
|
Гидразин |
2230 |
1,31 |
4775 |
370 |
||
В двухкомпонентных топливах для полного сгорания обоих компонентов на каждую единицу массы одного из них требуется строго определённое количество другого. Так, для сжигания 1 кг керосина необходимо 15 кг воздуха, или 5,5 кг азотной кислоты, или 3,4 кг жидкого кислорода. В практически выполненных ЖРД окислитель подаётся в камеру в несколько меньшем количестве , чем требуется для полного сгорания.
Оказывается, в этом случае получается наибольшее значение удельной тяги. Причина заключается в том, что при уменьшении расхода окислителя несколько изменяется состав продуктов сгорания. Вследствие этого снижается процесс теплового распада молекул газов — продуктов сгорания — на атомы и ионы, который происходит с большим поглощением теплоты и бесполезным уносом её за пределы сопла, а также улучшаются условия превращения энергии в сопле.
высококипящие
высококипящим
2.1.1 Окислители
количество окислителя по массе превышает количество горючего
Свойства топлива во многом зависят от характера окислителя
жидкий кислород
азотная кислота
Рассмотрим некоторые виды окислителей.
1.
Особенности
Основное свойство
Жидкий кислород не ядовит . Кратковременно соприкосновение его в небольших количествах с открытыми участками тела человека неопасно: образующийся газообразный слой не допускает обмораживания кожи.
дешёвых окислителей
2.
Особенности
HNO
большим удельным весом
При обычных условиях эксплуатации азотная кислота — жидкость, что является одним из её преимуществ. Ракеты, в которых она используется в качестве окислителя, могут длительное время храниться заправленными , в постоянной готовности к пуску. К недостаткам в эксплуатации относится значительное повышение давления в герметически закрытых ёмкостях с азотной кислотой, вследствие процесса её разложения. Главный недостаток азотной кислоты — высокая коррозийная активность по отношению к большинству материалов. Агрессивность азотной кислоты значительно усложняет обращение с ней. Хранение и транспортировка её производится с использованием специальных ёмкостей.
Недостатки
азотной кислоты
N 2 + 2 O2 => 2 NO2
3.
Особенности
более эффективным окислителем
Недостатки
низкая температура кипения
4.
Особенности:
веществ-стабилизаторов
малой коррозийной активностью
Недостатки
В настоящее время пероксид водорода мало применяется, т. к. топлива на его основе дают сравнительно невысокую тягу.
5.
Особенности:
образует самовоспламеняющиеся топлива
Недостатки
2.1.2 Горючее
В качестве горючего в жидких топливах применяются в основном вещества, в которых окисляемыми атомами химических элементов являются атомы углерода и водорода . В природе существует чрезвычайно большое количество химических соединений этих элементов. Большинство из них относятся к органическим веществам.
правильный выбор имеет большое значение
чаще всего применяется углеводород
Рассмотрим некоторые виды горючего.
1.
Особенности
Недостатки
кислородом
2.
Особенность
Недостатки:
Для улучшения физико-химических свойств, амины используются в качестве горючего в смеси с другими веществами, в том числе и с другими аминами .
Горючее на основе аминов нашло применение в самовоспламеняющихся топливах с азотной кислотой, четырёхоксидом азота и их смесями.
3.
применяется в смесях с другими веществами
Особенности:
Недостатки:
4. НЕСИММЕТРИЧНЫЙ ДИМЕТИЛГИДРАЗИН [H 2 N-N(CH 3 ) 2 ] представляет собой бесцветную прозрачную жидкость с резким запахом.
Особенности
Недостатки
2.1.3 Сравнение наиболее распространённых жидких ракетных топлив
наибольшую удельную тягу
Особое место
2.
хорошими охлаждающими свойствами
Такие горючие как смесь аминов , несимметричный диметилгидразин и некоторые другие вещества образуют с азотнокислотными окислителями самовоспламеняющиеся топлива . Керосин и другие углеводороды требуют принудительного зажигания .
3.
самовоспламеняемость
2.2 Твёрдые ракетные топлива, По внешнему виду
безопасны
Рис.1. Структурная формула нитроглицерина
2.2.1 Ракетные пороха
нитраты целлюлозы,
1.
легко воспламеняются
2.
НИТРОГЛИЦЕРИН
Нитроглицерин
нитроцеллюлозы
НИТРОГЛИКОЛЬ
нитроглицерина
3.
4. СТАБИЛИЗАТОРЫ
5.
6.
высоких температур и давления
2.2.2 Смесевые ракетные топлива
Смесевые топлива по сравнению с порохами, по составу значительно проще. Они включают в себя два-три, редко четыре компонента. Рассмотрим некоторые из них.
1.
ПЕРХЛОРАТ
ПЕРХЛОРАТ КАЛИЯ
НИТРАТ АММОНИЯ
перхлораты лития[LiClO
2.
мономеров
инициаторами
смешиваться с наполнителями
Для применения в качестве горюче-связующих веществ удовлетворительными свойствами обладают синтетические соединения типа каучуков , смол и пластмасс , а также тяжёлые нефтепродукты — асфальт и битум . Состав и свойства нефтепродуктов колеблются в очень широких пределах, а нужные механические свойства сохраняются только в небольшом интервале температур. Поэтому чаще употребляются синтетические вещества , имеющие более постоянный состав и лучшие механические свойства. На практике применяют каучуки — ПОЛИУРЕТАНОВЫЙ , БУТАДИЕНОВЫЙ и ПОЛИСУЛЬФИДНЫЙ , смолы — ПОЛИЭФИРНУЮ , ЭПОКСИДНУЮ И КАРБАМИДНУЮ , а также некоторые пластмассы, в состав которых входят атомы азота , кислорода , серы или хлора .
недостатки
3.
БЕРИЛЛИЙ
Кроме чистых металлов изучается применение в качестве дополнительных горючих веществ их соединений с водородом (гидридов).
4.
Технология изготовления зарядов из смесевых топлив включает смешение компонентов топлива, отливку и отверждение. В общем процесс изготовления смесевых топлив проще, чем порохов, однако при изготовлении крупногабаритных зарядов приходится преодолевать большие технологические трудности.
Список литературы
[Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/kursovaya/raketnyie-topliva/
ракетное топливо горючее окислитель
Использованные электронные ресурсы:
1. http://vzvod341forever.narod.ru «Ракетные топлива современных межконтинентальных баллистических ракет».
2. http://bastion-karpenko.narod.ru А.В. Карпенко «Из истории твёрдотопливных ракет».
3. https://ru.wikipedia.org/wiki/Жидкостный_ракетный_двигатель Википедия (свободная энциклопедия).
