Механика космического полета в элементарном изложении - Левантовский В.И.
Скачать (прямая ссылка):
Ракетные двигатели твердого топлива (РДТТ). Твердое топливо горит за счет кислорода, содержащегося в нем самом. РДТТ имеет значительно более простую конструкцию, чем ЖРД- Не нужны ни раздельные баки для горючего и окислителя, ни насосы (рис. 6). В РДТТ оказывается более трудно, чем в ЖРД, регулировать горение, но зато хранение твердых топлив значительно проще, чем жидких (особенно в условиях космического пространства). Удельный вес РДТТ меньше удельного веса ЖРД, и в этом их преимущество. Тяги РДТТ достигают сотен тонн. Время действия — менее минуты.
В начале 1967 г. в США был испытан РДТТ диаметром 6,6 м и Длиной 24 м, причем тяга достигла 1600 тс. Считается теоретически возможным создание РДТТ диаметром 15 м, с тягой до 4500 тс [1.8]. 38 ГЛ. 1. ДВИГАТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ДЛЯ КОСМИЧЕСКИХ ПОЛЕТОВ
Связки огромных РДТТ должны найти широкое применение в качестве первых, стартовых ступеней (бустеров) огромных ракет-носителей. Однако РДТТ никогда не смогут полностью вытеснить ЖРД, так как даже в будущем скорость истечения из них, по-видимому, не сможет превысить 3—3,5 км/с [1.8]. К 1977 г., по опубликованным в США данным, скорость истечения из РДТТ лишь едва достигла 2,7 км/с.
РДТТ небольшой тяги находят применение в качестве тормозных двигателей космических аппаратов. Необычные РДТТ весьма малой тяги используются в системах ориентации и стабилизации. Их «топливо» не сгорает, а представляет собой легко возгоняющееся (сублимирующееся) под действием электрического импульса твердое вещество (микроракетные сублимационные двигатели) [1.8].
ЖРД на свободных радикалах (рекомбинацион-ные двигатели). Так называются теоретически возможные двигатели химического типа, использующие тепловую энергию, выделяющуюся при рекомбинации (воссоединении) в молекулы атомов или групп атомов, представляющих собой незаряженные части молекул. Примером такой реакции может служить соединение двух отдельных атомов водорода H в молекулу водорода H2. При реакции развивается огромная температура — около 10 OOO0C, а молекулярный вес расширяющегося газа минимален. Скорость истечения могла бы теоретически достичь 21 км/с [1.11]. Но чрезмерно высокая температура вынудит разбавлять свободные атомы водорода H молекулами H2, что понизит температуру и уменьшит скорость истечения. Таким путем может быть достигнута скорость истечения около 10 км/с [1.12] (при 50% свободных атомов в смеси). К сожалению, получение и хранение (в «замороженном» состоянии) свободных радикалов в широких масштабах представляет практически неразрешимую проблему из-за дороговизны и взрывоопасности [1.8].
Использование воздушно-реактивных двигателей (ВРД). Можно добиться увеличения характеристической скорости ракеты, если в камере сгорания в качестве окислителя будет использоваться кислород атмосферы. Для этого на первой ступени должны быть установлены ВРД (возможно, в сочетании с ЖРД), подобные применяющимся в реактивной авиации. Помимо использования самостоятельных ВРД возможно также подсасывание воздуха из атмосферы в реактивную струю ЖРД или РДТТ [1.8]. Указанные двигательные установки в будущем могут найти применение на орбитальных самолетах.
§ 5. Ядерные тепловые двигатели
Существует много типов двигателей, использующих ядерную энергию. В этом параграфе мы не будем рассматривать двигатели, в которых ядерная энергия предварительно преобразуется в элек- § 5. ЯДЕРНЫЕ ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ
39
трическую. Их мы выделим в самостоятельный класс двигателей (см. § 7 настоящей главы), здесь же рассмотрим ядерные тепловые (ядернотермические) двигатели. Когда мы будем, для краткости, говорить о ядерных ракетных двигателях (ЯРД), то будем подразумевать под ними тепловые.
Принцип действия этих двигателей почти не отличается от принципа действия химических двигателей. Разница заключается в том, что рабочее тело нагревается не за счет своей собственной химической энергии, а за счет «постороннего» тепла, выделяющегося при внутриядерной реакции. Приблизительная пропорциональность скорости истечения величине VT/M остается в силе. Критерием выбора рабочего тела теперь служит главным образом
Срваддля о&лаждеяш
Рис. 7. Схема твердофазного ЯРД.
молекулярный вес М. Поэтому превосходным рабочим телом может служить водород, неплохим будет и вода. Рабочее тело пропускается через ядерный реактор, в котором происходит реакция деления атомных ядер (например, урана), и при этом нагревается.
Понятно, что твердофазный ядерный реактор (с твердым ядерным горючим, рис. 7) может нагреть рабочее тело лишь до температуры, меньшей его собственной температуры плавления. Между тем наиболее тугоплавкий материал, из которого могут быть сделаны элементы ядерного реактора, содержащие уран, а именно карбид гафния и тантал, плавится уже при температуре 3900°С [1.13, 1.141. Превышение температуры превратило бы твердофазный реактор в жидкую массу, охлаждать же ядерный реактор, подобно стенкам камеры, бессмысленно. В проводившихся в США экспериментах температура рабочего тела — водорода была менее 2000°С, а скорость истечения достигала 8 км/с [1.8] (ЯРД «Нерва») х). В будущем можно ожидать повышения скорости истечения до 12 км/с и несколько выше [1.9, 1.131.
