Космические двигатели

[Privet]

Мог бы кто-нибудь дать краткий экскурс по космическим двигателям.

В частности, какие топливные компоненты обычно используются? Например, в "Энергии" используются керосин+кислород в первой ступени и водород+кислород во второй. Почему керосин охлаждают? Какие компоненты использовались ранее? В статье по лунной программе упоминается, что первые ракеты использовали ядовитое топливо. Что это было?

Какое топливо используют американцы?

Что такое электрореактивные двигатели?

В Калининграде был завод по изготовлению плазменных двигателей. Возможно, ошибаюсь в названии. Может быть, ионные? Для чего они применяются?

Есть какие-нибудь предпосылки для появления принципиально новых двигателей? Испытывалось ли что-то новое в последнее время?

Может, кто-нибудь подкинет ссылки?

Давно я не читал ничего по этой тематике. Интересно в каком направлении идет прогресс в этой области.

[PavelM]

[quote:fd83541625]Мог бы кто-нибудь дать краткий экскурс по космическим двигателям. [/quote:fd83541625]

Принципов не так уж и много, вернее он один - реактивная тяга - нужно выбрасывать что-то назад чтобы двигаться вперед. Чем выше скорость выброса рабочего тела и его масса, тем выше тяга двигателя.

Если совсем кратко, вот основные группы двигателей практически опробованные на сегодняшний день:

[b:fd83541625]1.Химические двигатели[/b:fd83541625]
Наиболее широко используются, тяговый импульс ограничен предельной температурой горения компонентов. Здесь уже близок практический предел. Теоретически надежда остается на высокоактивные топлива со свободными радикалами, которые могут дать прирост импульса в 2-3 раза. Используются в качестве основных тяговых двигателей.

1.1 Твердотопливные - РДТТ (пороха, твердое топливо заливаемое прямо в камеру двигателя при его изготовлении, процесс горения практически неуправляем, топливо выгорает до конца.)

1.2 Жидкостные - ЖРД
(двух- трех-компонентное жидкое топливо, окислитель+восстановитель, достаточно просты в управлении, многоразового включения)

[b:fd83541625]2. Электродвигатели (ЭРД)[/b:fd83541625]
Двигатели с очень высокой скоростью истечения рабочего тела (сотни и тысячи км/с), но из-за его малой массы обладающие крайне низкой тягой - десятки ньютонов против ЖРД (десятки тонн). Часто используются в качестве вспомогательных и корректирующих двигателей.

2.1 Электротермические (нагрев рабочего тела (газа) электрическим током)

2.2 Электромагнитные (разгон и выброс рабочего тела (электропроводящего газа) с помощью магнитного поля)

2.3 Ионные или электростатические (выброс заряженных частиц (ионов) под действием сверхвысоких напряжений, предварительно рабочее тело ионизируется)

[b:fd83541625]3. Ядерные двигатели (ЯРД)[/b:fd83541625]
Грубо говоря основаны на принципе ядерного реактора нагревающего рабочее тело (газ) до высоких температур. Классифицируются по состоянию (фазе) ядерного топлива. Т.е. например в газофазных ЯРД ядерная реакция идет в газовой среде, а сама среда удерживается в нужной форме магнитными полями. ЯРД очень перспективны с точки зрения большой тяги и высокого удельного импульса (50-1000 Км/с). Основная проблема - безопасность экипажа и населения при авариях.

3.1 Твердофазные
3.2 Жидкофазные
3.3 Газофазные

[b:fd83541625]4. Прочая экзотика[/b:fd83541625]
Эти пока испытывались в качестве экспериментальных.
4.1 Солнечный ракетный двигатель (Нагрев рабочего тела теплом Солнца)
4.2 (нереактивный) Солнечный парус (пленка гигантской площади - несколько кв.км под давление солнечного света и частиц движется по принципу паруса)

Есть еще всякие экзотические нереактивные эффекты движения - магнитный эффект Серла, эффект экранирования гравитации Подклетнова, эффект Бифельда-Брауна (Biefield-Brown Effect) и т.д. Но объективной информации о результатах опытов не имеется, кроме последнего. В качестве курьеза можно почитать тут:
http://www.skyzone.ru/tech_gravity.html

О топливах можно почитать тут:
http://space.org.ru//OSU/LRE/part2

Ядовитое топливо о котором Вы говорите скорее всего гептил он же несимметричный диметилгидразин, использующийся с тетраоксидом азота в качестве окислителя. Высокотоксичен, плохо разлагается в окр. среде, бесцветная прозрачная жидкость с запахом тухлой селедки. Широко использовался в ракетах-носителях первых поколений.

Подогрев керосина используется для уменьшения засмоления трубопроводов и камер двигателя.

Сборная солянка:
http://colonization.narod.ru/practica/rocket/index.htm
http://www.astronet.ru:8100/db/msg/1177 ... r4_04.html
http://www.novosti-kosmonavtiki.ru/cont ... 8/58.shtml
http://www.kerc.msk.ru/ipg/development/ ... ment.shtml
http://kuasar.narod.ru/ideas/nuclear-jets/
http://engine.aviaport.ru/issues/05/page41.html

[tau797]

PavelM, спасибо большое за ссылки!

Кстати - по поводу ЭРД. Недавно читал в журнале "Полет" статью о путях резкого повышения их тяги за счет специальных эффектов устойчивости в плазме. Причем там тесно связано с МГД-генераторами (обратный эффект). Таким образом открывается путь к созданию мощных реактивных двигателей с высоким удельным импульсом.

Насколько я понимаю, кстати, реактивное движение может быть не только за счет испускания ракетой вещества, но и другой формы материи - поля.
Например, электромагнитного (о проекте звездолета на подобном двигателе рассказывала когда-то ТМ). Вариант - фотонная ракета, с хранилищами аннигилирующих вещества и антивещества.

[oMoses]

Принимая во внимание среднею продолжительность человеческой жизни и текущее положение в области двигателестроения, приходится признать, что даже освоение планет Солнечной системы человечеством будет не легкой задачей. Нужны иные принципы, прорыв... А вот где он? Мало мы еще понимаем в теории поля и телепортация пока не проглядывается, хотя, кажется, в США имеется пара лабораторий (MIT?), где бьются и в этом направлении.

[U-96]

В статье по лунной программе упоминается, что первые ракеты использовали ядовитое топливо. Что это было?

Несимметричный диметилгидразин, или гептил. Только почему "первые ракеты"? Он и сейчас широко используется, особенно в ракетных войсках и в научно-космических программах, которыми руководят "ученые" в погонах.
Отрава редкостная, более токсичен чем синильная кислота, канцероген. Легко растворяется в воде, в природе распадается в течение около 50 лет, но при этом в качестве ракетного топлива пригоден в течение 3-4 лет после производства.
По-моему употребление в СССР слова керосин как название ракетного топлива - это одобренный КГБ для широкого использования синоним гептила.

[PavelM]

Вот еще подборка по электрическим двигателям:

http://martiantime.narod.ru/Base/erd.htm

[Privet]

Уникальный топик!

http://www.novosti-kosmonavtiki.ru/ubb/ ... 00260.html

Сейчас читаю.

[NB1]

2. Электродвигатели (ЭРД)
Двигатели с очень высокой скоростью истечения рабочего тела (сотни и тысячи км/с), но из-за его малой массы обладающие крайне низкой тягой - десятки ньютонов против ЖРД (десятки тонн). Часто используются в качестве вспомогательных и корректирующих двигателей.

2.1 Электротермические (нагрев рабочего тела (газа) электрическим током)

2.2 Электромагнитные (разгон и выброс рабочего тела (электропроводящего газа) с помощью магнитного поля)

2.3 Ионные или электростатические (выброс заряженных частиц (ионов) под действием сверхвысоких напряжений, предварительно рабочее тело ионизируется)

Электротермические ... вряд ли перспективны, т.к. "интересные" температуры слишком высоки и разрушат тело двигателя. Самые жаростойкие керамики в пар превращаются. И потом электроэнергию еще надо добыть на борту, а ее опять же получают с невысоким КПД из химического топлива, значит проблема отвода тепла также встает.
выброс заряженных частиц (ионов) под действием сверхвысоких напряжений, предварительно рабочее тело ионизируется тоже малоперспективен - кто интересовался ускорителями частиц, всякими циклотронами, поймет, почему.
Мой приятель, однокурсник в прошлом, в отличие от меня, разгильдяя, наукой заниматься не прекращал. Он сейчас один из ведущих в мире специалистов в матмоделировании процессов в физике плазмы. Член нескольких ученых советов в ведущих институтах России, доктор и пр., живет в Масачусетсе и профессорствует в MIT. Один из основных проектов, над которым он сейчас в составе группы работает, как раз проект НАСА межпланетного плазменного двигателя малой мощности.
Идея плазменного двигателя - горящий на сверхвысокой температуре плазменный шнур, удерживаемый не стенками двигателя, а электро-магнитным полем, но имеющий "окошечко" со стороны сопла. Проблема схожая с той, которую не первый десяток лет пытаются решить для получения управляемого термоядерного синтеза. Деталей я не знаю, ес-но. Но продвижение довольно немалое, хотя нерешенных проблемок еще очень много и вряд ли в ближайшие 5 лет что-то на нем полетит.

[Privetka]

Забыл я основные формулы. Помню только - высокая скорость истечения - низкая тяга, а почему так - из головы выдуло...

Есть у кого линк на основные закономерности? Где бы можно было это посмотреть?

P.S. Это Privet... с чужого компа...

[NB1]

Забыл я основные формулы. Помню только - высокая скорость истечения - низкая тяга, а почему так - из головы выдуло...

Есть у кого линк на основные закономерности? Где бы можно было это посмотреть?

P.S. Это Privet... с чужого компа...

Тяга зависит от суммарного импульса испускаемых частиц за единицу времени. Импульс - произведение массы на скорость. Но проблема в том, что корабль как бы отталкивается сам от себя, т.е. несет с собой ту массу, которую вынужден расходовать. Можно просто камнями с кормы кидаться - будешь ускоряться. Но камни быстро закончатся, а скорость не разовьешь.
Идеально для корабля, весом, скажем, в 100 тонн, для того, чтобы двигаться с ускорением g, выпуливать за секунду (10^5(kg)*10(m/s^2)/3*10^8 (м/s)= примерно 3.3 грамма фотонов. К сожалению ни один из известных искусственных источников света (кроме ядерных бомб) такую огромную массу фотонов за секунду источать не умеет. Это ведь чистая энергия, равная примерно 3*10^8 Мдж, или энергия, получаемая при сжигании примерно 10 млн кубометров газа или 15 тыс тонн солярки.
Поэтому приходится довольствоваться частицами помедленнее, нерелятивисткими частицами. Как известно, температура материи есть скорость частиц, ее составляющих. На сегодня, пока не научились эффективно использовать для тяги релятивистские скорости, главным сдерживающим фактором фактически является прочность молекулярных связей. Ведь чем быстрее движется молекула, тем легче ей оторваться от материи (разрушив ее тем самым в этом месте) у улететь нафиг. Для истекающих частиц, конечно, это хорошо. Но для тела корабля - плохо. Из самых тугоплавких простых веществ на сегодня Тантал 2996 град С, Рений 3180 град С. Из сложных известных мне самый тугоплавкие - углеродистый титан (TiC) 3257 град С (4300 град - испарение) и углиродистый цирконий (ZrC) - 3530 град С плавление (5100 град - кипение).
Квадрат средней скорости молекул в газе равен
(2*k*T)/m
где k - постоянная Больцмана 1.38/10^23 Дж/K
T - температура в Кельвинах
m - масса частицы газа (молекулы).

Если предположить, что пуляемся мы молекулами водорода (хотелось бы, но обычно истекает более тяжелый газ), что нагрели газ до 1000 К, то средняя скорость молекул будет примерно 1500 м/сек. Самое обидное, что скорость пропорциональна корню квадратному из температуры.
В реальности 2-3 тыс Кельвинов (это сегодняшний технологический предел) дает скорость истечения тяжелых частиц не превышающую 1 км.сек, или в
300 000 раз меньше скорости света.

Поэтому сегодняшние ракеты-носители способны вывести на околоземную орбиту не более 2% от стартовой массы.

Малая тяга, двигателей с высокой скоростью истечения "засела в голове" потому, что пока не удавалось испускать с высокой скоростью сколько нибудь заметные массы. Естественные технологические трудности, к-рые, будем надеяться, когда-то преодолеют. Или потому, что чем выше скорость истечения топлива, тем бОльшая доля энергии уходит в кинетическую энергию испускаемых частиц и меньшая - в кин.энергию корабля. Например в том примере с 3 граммами фотонов лишь одна стомиллионная доля энергии передалась кораблю, а остальное улетело с фотонами в пространство. Но тут уж либо в массе выигрываем, либо в энергии - таковы законы природы.
Из этого следует, кстати, что межпланетные корабли должны иметь малую массу и будущее транспортировок с большими скоростями не за одним большим кораблем, а за множеством маленьких с тем, чтобы "собирать" доставленные объекты уже на месте.

[PavelM]

У НАСА есть серьезные планы постройки космического корабля с ЯРД способного осуществить полет к Марсу за 2 месяца. Ожидается что Буш разблокирует большой бюджет под это дело. Проект Прометей.

http://www.space.com/businesstechnology ... 30117.html

[tau797]

У НАСА есть серьезные планы постройки космического корабля с ЯРД способного осуществить полет к Марсу за 2 месяца. Ожидается что Буш разблокирует большой бюджет под это дело. Проект Прометей.

http://www.space.com/businesstechnology ... 30117.html

Вот по-русски на эту же тему:

http://www.spacenews.ru/spacenews/src/s ... ?id=126968

Если это верно, то это - грандиозно! Ранее назывались сроки 2015-2020 гг!
видимо, действительно возможности традиционных двигателей (см.ниже)
исчерпаны, и полет состоится с применением ЯРД.

http://www.spacenews.ru/spacenews/src/s ... ?id=126971
http://www.spacenews.ru/spacenews/src/s ... ?id=126924

[Sanek]

Идеально для корабля, весом, скажем, в 100 тонн, для того, чтобы двигаться с ускорением g, выпуливать за секунду (10^5(kg)*10(m/s^2)/3*10^8 (м/s)= примерно 3.3 грамма фотонов.

Нда, не стой под струёй. Даже близко. Как с земли на таком взлетать?

[oMoses]

У НАСА есть серьезные планы постройки космического корабля с ЯРД способного осуществить полет к Марсу за 2 месяца. Ожидается что Буш разблокирует большой бюджет под это дело. Проект Прометей.

http://www.space.com/businesstechnology ... 30117.html

Действительно, здорово!!!

[tau797]

У НАСА есть серьезные планы постройки космического корабля с ЯРД способного осуществить полет к Марсу за 2 месяца. Ожидается что Буш разблокирует большой бюджет под это дело. Проект Прометей.

http://www.space.com/businesstechnology ... 30117.html

Действительно, здорово!!!

А! Все, оказывается, не так сенсационно и бравурно:

[url=http://www.spacenews.ru/spacenews/src/spacenews/full_news.cfm?id=127324]О Кифа неправильно поняли и "заставили лететь" на Марс
22.01.2003. Вслед за многочисленными публикациями, захлестнувшими в последние дни практически все специализирующимися на космосе издания, американское аэрокосмическое ведомство сочло необходимым в неофициальном порядке высказать свою позицию о возможности расширения работ над ракетой с ядерным двигателем (проект "Прометей").
По информации от представителей NASA, слова директора агентства Шона О'Кифа (Sean O'Keefe), на которые ссылалась газета Los Angeles Times в номере от 17 января, были неправильно поняты. Рассказывая о перспективах применения ядерных ракетных двигателей, О'Киф лишь акцентировал внимание корреспондента газеты на важности данного направления работ, но не предрекал создания уже в ближайшее десятилетие достаточно мощной ракеты, способной доставить человека на Марс.[/url]

http://www.space.com/businesstechnology ... 30117.html

Но по крайней мере НАСА реанимирует проект постройки реального ядерного реактивного двигателя.

А наши, оказывается, давно предлагают объединить усилия в пилотируемом полете на Марс

[NB1]

Идеально для корабля, весом, скажем, в 100 тонн, для того, чтобы двигаться с ускорением g, выпуливать за секунду (10^5(kg)*10(m/s^2)/3*10^8 (м/s)= примерно 3.3 грамма фотонов.

Нда, не стой под струёй. Даже близко. Как с земли на таком взлетать?

Думаю, что с Земли - ни в коем случае. И надо запускать его с расстояния где-то дальше, чем от Земли до Луны (зависит, конечно, от угла рассеяния). Такая струя света (даже если предположить, что все фотоны будут с длинной волны не короче видимого цвета) может не только серьезно порушить экосистему, но даже вызвать геологические изменения. Но об этом вопрос в общем то и не стоит . Такие двигатели можно будет обсуждать лишь когда найдут способ превращать в энергию хотя бы 10% массы топлива. В ядерных бомбах преобразуются лишь доли процента.

[PavelM]

Интересно, с точки зрения современного материловедения, возможно ли создание сверхпрочной жаростойкой оболочки для ядерного реактора, чтобы при сходе с орбиты не происходило его разрушения?

[NB1]

Интересно, с точки зрения современного материловедения, возможно ли создание сверхпрочной жаростойкой оболочки для ядерного реактора, чтобы при сходе с орбиты не происходило его разрушения?

Это не материаловедение, а современная физика. С точки зрения современной физики не существует молекулярных связей, способных держать температуру выше 5000 град. И я сомневаюсь, что могут быть решения на этом пути.

[NB1]

Теоретически фотонный двигатель можно довести до выше 50% КПД по энергии.
Представьте себе, что корабль оставляет с зади себя идеальное плоское зеркало ("база"), которое позиционируется строго перпендикулярно линии между ним и зеркалом. У корабля анологичное зеркало торчит из задницы и повернуто идеально перпендикулярно линии корабль-база. Выстреливается пучок фотонов, который начинает между зеркалами туда-сюда летать (пренебрегаем рассеянием света), передавая часть своей энергии и при каждом ударе практически двойной импульс разности скоростей нерелятивистких частей (корабля и его базы, на которой, кстати, можно и оставить энергоустановку с топливом, вместо того, чтобы тащить на себе).
Фотоны бесконечно мотаются между базой и кораблем, пока в конец не растратят свою энергию. При скорости корабля относительно базы меньше 0.1 скорости света и при бесконечной массе базы кпд теоретически может достичь 0.94%.
Правда всатет проблема торможения - надо будет перед собой еще одну базу выставлять и об нее тормозиться.

Кстати, никак не найду ошибку
Если, скажем, масса М базы и корабля в первый момент испускания в 10^10 раз больше массы фотона m. Каждый раз (в первое время, пока они еще не разогнались) ударяясь о базу и о корабль (удар абсолютно упругий, скорости еще далеко не релятивисткие) он передает импульс, равный без очень малого 2mc, при этом практически не теряет энергии.
с=3*10^8 м/cек.

M* dV = 2 * m * c
т.е.
dV=( 2* m/M)* с = 5*10^(-9) * 3*10^8 = 1.5 м в секунду
Уже подозрительно большое приращение скорости!

Значит после каждого удара скорости корабля или базы в противоположном направлении будут увеличиваться на 1.5 метра в секунду (блин, бешенное ускорение, учитывая, что корабль от базы пока находится очень близко и не успел далеко отлететь и этих ударов за секунду будут сотни тысяч).

Т.о. после каждого удара кинетическая энергия корабля или базы увеличивается на M * (dV)^2= 10^10 * m * 2.25 метров квадратных делить на квадратную секунду или почти но одну миллионную энергии фотона.
За миллион ударов корабль и база разгонятся относительно неподвижной системы координат в противоположных направлениях примерно до 1.5% скорости света (если предположить, что фотон не терял энергии). Все еще мало релятивистская скорость. Тогда после миллионного удара он будет отскакивать от зеркала с энергией на (0.015)^2 меньшей, чем до удара.

Но в конце концов можно сделать "базу" и "корабль" не в 10^10 а в 10^20 раз тяжелее фотона. А кинетическую энергию извлекать и пускать на нужды народного хозяйства. По моему вечный двигатель получается.

Возможно эта задачка где-нибудь в учебниках рассматривалась.

Специалисты-релятивисты. В чем ошибочность моих рассуждений ?! Интуитивно понимаю, что бред. Но где - не вижу. Стар уже, соображаю плохо и забыл все.

[Gorgona]

Если выбрасывать с корабля массу m1 при разности скоростей корабль-база v, в базу стукнется масса m2=m1*sqr(1-v^2/c^2), обратно вернётся масса m3=m2*sqr(1-v^2/c^2) и т.д. Просьба не пинать, выводить лень было, но принцип ясен.

[tau797]

Первый космический аппарат с ионным двигателем стартует в марте

Японский исследовательский зонд MUSES-C, научной программой которого впервые в мире предусматривается взятие проб грунта с поверхности астероида и доставка их на Землю, будет оснащен ионным двигателем. Прототип такого двигателя на испытаниях в японском институте космических исследований ISAS, начавшихся 30 марта 2000 года, автономно (правда, не непрерывно - с несколькими плановыми отключениями) отработал уже более 18000 часов, продемонстрировав исключительную надежность. Данная расчетная продолжительность работы была достигнута еще в два часа пополудни 25 октября 2002 года, но двигатель работает до сих пор и не сломался. На всем протяжении испытаний двигатель обеспечивал расчетную тягу. В качестве рабочего вещества в ионном двигателе использовался ксенон.
Аппарат MUSES-C станет первым в мире космическим аппаратом, основная двигательная установка которого будет ионной. До этого в космическом пространстве проводились только испытания ионных двигателей. Правда, один из таких экспериментальных двигателей неожиданно сумел спасти спутник связи Artemis, который из-за неполадок ракеты-носителя не удалось вывести на расчетную геостационарную орбиту. Запасов обычного химического ракетного топлива на борту было недостаточно для подъема аппарата на заданную высоту
Во японцы дают!

[GShapiev]

Статья о ядерных двигателях в научно-популярном журнале "Мембрана".
http://www.membrana.ru/articles/technic ... 93500.html

Кстати интересные статьи попадаются.

[tau797]

С начала 1980-х годов группа под руководством американского астронавта Франклина Чанг-Диаса ведет разработку магнитно-плазменного двигателя с переменным импульсом тяги (Variable Specific Impulse Magnetoplazma Rocket, VASIMR)

[tau797]

— И космические корабли,- добавляет ученый. - По нашим прикидкам получается, что необязательно брать топливо на борт. Межпланетный или межзвездный корабль вполне может лететь по волнам электронов, от них же и отталкиваясь