Как работают ракетные двигатели?

Что такое баллистическая ракета

Баллистическая ракета — это снаряд, поражающий цель по неуправляемой траектории.

С учетом данного аспекта, у него есть два этапа полета:

• короткий управляемый этап, по которому задается дальнейшая скорость и траектория;
• свободный полет — получив основную команду, снаряд движется по баллистической траектории.

Нередко в подобном вооружении применяются многоступенчатые системы разгона. Каждая ступень отсоединяется после отработки топлива, что позволяет увеличить скорость снаряда за счет уменьшения веса.

Разработка баллистической ракеты связана с исследованиями К. Э. Циолковского. Еще в 1897 году он определил связь между скоростью под действием тяги ракетного двигателя, его удельным импульсом, а также массой в начале и конце полета. Расчеты ученого до сих пор занимают важнейшее место при проектировании.

Следующее важное открытие сделал Р. Годдард в 1917

Он применил жидкостный ракетный двигатель для сопла Лаваля. Такое решение вдвое увеличило силовую установку и имело значительный отклик в последующих работах Г. Оберта и команды Вернера фон Брауна.

Герман Оберт был одним из первых, кто задумался о применении подобных открытий в области космонавтики. Однако раньше него, идеи Циолковского и Годдарда были реализованы командой Вернера фон Брауна в военной сфере. Именно на основе их исследований в Германии появились первые серийно производимые баллистические ракеты «Фау-2» (V2).

8 сентября 1944 года они впервые были применены при бомбардировке Лондона. Однако в ходе оккупации Германии союзниками все документы исследований были вывезены из страны. Дальнейшие разработки велись уже со стороны США и СССР.

Серия и служба

25 ноября 1950 года ракетный комплекс Р-1 / 8А11 был принят на вооружение. В начале лета следующего года появилось распоряжение о запуске серийного производства. Изначально ракеты должны были выпускаться в рамках кооперации опытного производства НИИ-88 и завода №586 (г. Днепропетровск). В дальнейшем опытный завод научной организации должен был сосредоточить усилия на другой продукции и выйти из производства Р-1. Серийные ракеты первой партии попали на полигон примерно через год после запуска производства. К этому времени было решено, что Р-1 поступят на вооружение ракетных бригад особого назначения РВГК.

Серийное производство ракет Р-1 и компонентов ракетного комплекса продолжалось до 1955 года. Вскоре после этого стартовал процесс замены устаревающего оружия новыми образцами. БОН РВГК списывали ракеты Р-1 и получали вместо них более совершенные Р-2. Последние ракеты «Победа», насколько известно, были запущены на полигонах в 1957 году. С момента начала испытаний и до завершения эксплуатации было проведено 79 запусков ракет. Также состоялось почти 300 тестовых запусков двигателей. К началу шестидесятых годов армия лишилась последних ракет Р-1 и освоила новые ракетные комплексы.

Отечественная программа создания перспективных баллистических ракет дальнего действия стартовала с изучения и сборки трофейных зарубежных образцов. В ходе проверок и испытаний было определено, что такое оружие представляет интерес и может быть скопировано. Впрочем, речь не шла о прямом копировании, и до серийного производства в итоге были доведены ракеты новой конструкции, имевшие серьезные преимущества перед базовыми образцами немецкой разработки.

Комплекс с баллистической ракетой Р-1 / 8А11 стал первым образцом своего класса, принятым на вооружение в нашей стране. Впоследствии были созданы новые модификации ракеты с теми или иными отличиями и преимуществами. Затем началась разработка совершенно новых ракет, лишь частично основывающихся на существующей. Впрочем, такое развитие технологий продолжалось в течение ограниченного времени. К началу шестидесятых годов конструкторам пришлось искать совершенно новые идеи и решения.

Какое топливо используется в ракете

При выборе типа ракетного топлива больше всего всего внимания уделяется особенностям использования ракеты и тому, каким двигателем ее планируется оснастить. Грубо можно сказать, что все типы топлива делятся в основном по форме выпуска, удельной температуре сгорания и КПД. Среди основных типов двигателей выделяется твердотопливные, жидкостные, комбинированные и прямоточные воздушно-реактивные.

В качестве самого простого твердого топлива можно привести в пример порох, которым заправляются фейерверки. При сгорании он выделяет не очень большое количество энергии, но его достаточно для вывода на высоту нескольких десятков метров красочного заряда. В начале статьи я говорил о китайских стрелах XI века. Они являются еще одним примером твердотопливных ракет.

В некотором роде порох тоже можно назвать топливом твердотопливной ракеты.

Для боевых ракет твердое топливо производится по иной технологии. Обычно им является алюминиевый порошок. Главным плюсом таких ракет является легкость их хранения и возможность работы с ними, когда они заправлены. Кроме этого, такое топливо стоит относительно недорого.

Минусом твердотопливных двигателей является слабый потенциал отклонения вектора тяги. Поэтому для управления в таких ракетах часто используются дополнительные небольшие двигатели на жидком углеводородном топливе. Такая гибридная связка позволяет более полно использовать потенциал каждого источника энергии.

Использование именно комбинированных систем хорошо тем, что позволяет уйти от сложной системы заправки ракеты непосредственно перед запуском и необходимости откачки большого количества топлива в случае его отмены.

Отдельно стоит отметить даже не криогенный двигатель (заправляется сжиженными газами при очень низкой температуре) и не атомный, про который много говорят в последнее время, а прямоточный воздушно-реактивный. Такая система работает за счет создания давления воздуха в двигателе при движении ракеты на большой скорости. В самом двигателе производится впрыск топлива в камеру сгорания и смесь поджигается, создавая давление больше, чем на входе. Такие ракеты способны летать со скоростью, которая в несколько раз превышает скорость звука, но для запуска двигателя нужно давление, которое создается на скорости чуть выше одной скорости звука. Именно поэтому для запуска должны быть использованы вспомогательные средства.

«Кассамы», на взлет!

Впрочем, те же, например, палестинские боевики давно уже создали несколько типов самодельных ракет «Кассам». Названы они так в честь аль-Кассама, влиятельного исламского священника и руководителя террористической организации «Чёрная рука» на территории подмандатной Палестины.

Открываем «Википедию» и читаем: это обычная металлическая труба, начиненная смесью белого сахарного песка с калийной селитрой KNO3. Взрывчатка к ней часто также самодельная, из-за чего радиус поражения, к счастью, невелик.

Всего с 2001-го по 2012 год таких ракет по территории государства Израиль было выпущено… около 6280 штук, из которых системе ПВО удалось уничтожить только 439! Погибло 27 человек, и 700 человек было ранено. Плюс к этому следует добавить расходы на перехват этих ракет и еще причиненный ими огромный моральный ущерб.

Система спасения

Система спасения — одна из самых сложных в ракете. Она включает в себя парашют, крепление к корпусу, а также механизм выброса парашюта. Она в обязательном порядке порядке должна быть проверена не один раз на земле. Я использую пиротехнический вариант выброса парашюта (мортирка), инициируемый бортовым компьютером. Хотя встречаются и другие решения — механические и пневматические, или вовсе инерционные. Пиротехническая система одна из самых популярных и простых, содержит минимум компонентов.

Заготовка для мортирки

Сам парашют — это купол диаметром в 70 сантиметров, сшитый из прочной и лёгкой ткани (рип-стоп). Можно рассчитать точно необходимую площадь парашюта для плавного спуска в зависимости от массы ракеты. Хотя, из практики, парашют лучше делать меньше диаметром — это увеличит скорость падения ракеты, конечно, но ракету будет меньше сдувать ветром, и поэтому меньше шансов намотать километры от места запуска до места падения.

Вырезаем парашют

Не менее важно обеспечить крепление системы спасения ракеты с корпусом. Обычно в корпус устанавливаются силовые болты, к которым привязывается силовой трос (фал), соединяющийся со стропами парашюта

Фал пропускается через пыж — лёгкий цилиндр, который впритирку устанавливается ко внутреннему диаметру ракеты — он необходим для выброса парашюта, работая как поршень, приводимый в движение газами из мортирки.

Конструкция крепления системы спасения

Головной обтекатель также подвязывается к фалу.

В сборе внутренние компоненты ракеты ракеты занимают весь внутренний объем.

Модель ракеты со всеми компонентами

Что такое баллистическая ракета

Запуск баллистической ракеты

Баллистическая ракета — это снаряд, поражающий цель по неуправляемой траектории.

С учетом данного аспекта, у него есть два этапа полета:

• короткий управляемый этап, по которому задается дальнейшая скорость и траектория;
• свободный полет — получив основную команду, снаряд движется по баллистической траектории.

Нередко в подобном вооружении применяются многоступенчатые системы разгона. Каждая ступень отсоединяется после отработки топлива, что позволяет увеличить скорость снаряда за счет уменьшения веса.

Разработка баллистической ракеты связана с исследованиями К. Э. Циолковского. Еще в 1897 году он определил связь между скоростью под действием тяги ракетного двигателя, его удельным импульсом, а также массой в начале и конце полета. Расчеты ученого до сих пор занимают важнейшее место при проектировании.

Следующее важное открытие сделал Р. Годдард в 1917

Он применил жидкостный ракетный двигатель для сопла Лаваля. Такое решение вдвое увеличило силовую установку и имело значительный отклик в последующих работах Г. Оберта и команды Вернера фон Брауна.

Параллельно данным открытиям свои исследования продолжал и Циолковский. К 1929 году он разработал многоступенчатый принцип движения с учетом земной гравитации. Также он разработал ряд идей по оптимизации системы сгорания.

Герман Оберт был одним из первых, кто задумался о применении подобных открытий в области космонавтики. Однако раньше него, идеи Циолковского и Годдарда были реализованы командой Вернера фон Брауна в военной сфере. Именно на основе их исследований в Германии появились первые серийно производимые баллистические ракеты «Фау-2» (V2).

8 сентября 1944 года они впервые были применены при бомбардировке Лондона. Однако в ходе оккупации Германии союзниками все документы исследований были вывезены из страны. Дальнейшие разработки велись уже со стороны США и СССР.

Что из себя представляет крылатая ракета

Крылатые ракеты, готовые к запуску

Крылатая ракета — это беспилотный летательный аппарат. По своей структуре и истории создания он ближе к авиации, нежели к ракетостроению. Устаревшее название — самолет-снаряд — оно вышло из употребления, поскольку так называли и планирующие авиабомбы.

С учетом специфики строения и применения крылатых ракет выделяют следующие преимущества и недостатки таких снарядов:

• программируемый курс полета, что позволяет создавать комбинированную траекторию и обходить противоракетную оборону противника;
• движение на малой высоте с учетом рельефа делает снаряд менее заметным для радиолокационного обнаружения;
• высокая точность современных крылатых ракет сочетается с высокой стоимостью их изготовления;
• снаряды летят с относительно небольшой скоростью — примерно 1150 км/ч;
• поражающая мощность невысокая, исключение — ядерные боеприпасы.

История разработки крылатых ракет связана с появлением авиации. Еще до Первой мировой войны возникла идея летающей бомбы. Необходимые для ее реализации технологии были вскоре разработаны:

• в 1913 комплекс радиоуправления беспилотным летательным аппаратом изобрел школьный учитель физики Вирт;
• в 1914 был успешно опробован гироскопический автопилот Э. Сперри, позволявший удерживать самолет на заданном курсе без участия пилота.

На фоне подобных технологий сразу в нескольких странах велись разработки летающих снарядов. Большинство из них велись параллельно с работой над автопилотированием и радиоуправлением. Идея оснастить их крыльями принадлежит Ф. А. Цандеру. Именно он в 1924 году опубликовал рассказ «Перелеты на другие планеты».

Первым успешным серийным производством подобных летательных аппаратов принято считать английскую радиоуправляемую воздушную мишень Queen. Первые образцы были созданы в 1931, в 1935 запущено серийное производство Queen Bee (пчелиная матка). Кстати, именно с этого момента беспилотники получили неофициальное название Drone — трутень.

Основной задачей первых беспилотников была разведка. Для боевого применения не хватало точности и надежности, что при высокой стоимости разработки делало производство нецелесообразным.

Несмотря на это, исследования и испытания в данном направлении продолжались, особенно с началом Второй мировой войны.

Первые испытания и применения показали низкую точность снаряда. Из-за этого планировалось использовать их вместе с пилотом, который на заключительном этапе должен был покинуть снаряд с парашютом.

Как и в случае с баллистическими ракетами, разработки немецких ученых перешли к победителям. Дальнейшую эстафету по проектированию современных крылатых ракет переняли СССР и США. Планировалось использовать их в качестве ядерных боеприпасов. Однако разработка таких снарядов была остановлена в связи с экономической нецелесообразностью и успехом развития баллистических ракет.

Что из себя представляет крылатая ракета

Крылатая ракета —  это беспилотный летательный аппарат. По своей структуре и истории создания он ближе к авиации, нежели к ракетостроению. Устаревшее название — самолет-снаряд — оно вышло из употребления, поскольку так называли и планирующие авиабомбы.

Не следует связывать термин «крылатая ракета» с английским cruise missile. К последнему относятся только программно-управляемые снаряды, сохраняющие постоянную скорость большую часть полета.

С учетом специфики строения и применения крылатых ракет выделяют следующие преимущества и недостатки таких снарядов:

• программируемый курс полета, что позволяет создавать комбинированную траекторию и обходить противоракетную оборону противника;
• движение на малой высоте с учетом рельефа делает снаряд менее заметным для радиолокационного обнаружения;
• высокая точность современных крылатых ракет сочетается с высокой стоимостью их изготовления;
• снаряды летят с относительно небольшой скоростью — примерно 1150 км/ч;
• поражающая мощность невысокая, исключение — ядерные боеприпасы.

История разработки крылатых ракет связана с появлением авиации. Еще до Первой мировой войны возникла идея летающей бомбы. Необходимые для ее реализации технологии были вскоре разработаны:

• в 1913 комплекс радиоуправления беспилотным летательным аппаратом изобрел школьный учитель физики Вирт;
• в 1914 был успешно опробован гироскопический автопилот Э. Сперри, позволявший удерживать самолет на заданном курсе без участия пилота.

На фоне подобных технологий сразу в нескольких странах велись разработки летающих снарядов. Большинство из них велись параллельно с работой над автопилотированием и радиоуправлением. Идея оснастить их крыльями принадлежит Ф. А. Цандеру. Именно он в 1924 году опубликовал рассказ «Перелеты на другие планеты».

Основной задачей первых беспилотников была разведка. Для боевого применения не хватало точности и надежности, что при высокой стоимости разработки делало производство нецелесообразным.

Несмотря на это, исследования и испытания в данном направлении продолжались, особенно с началом Второй мировой войны.

Первой классической крылатой ракетой принято считать немецкую «Фау-1». Ее испытания прошли 21 декабря 1942, а боевое применение она получила к концу войны против Великобритании.

Первые испытания и применения показали низкую точность снаряда. Из-за этого планировалось использовать их вместе с пилотом, который на заключительном этапе должен был покинуть снаряд с парашютом.

Как и в случае с баллистическими ракетами, разработки немецких ученых перешли к победителям. Дальнейшую эстафету по проектированию современных крылатых ракет переняли СССР и США. Планировалось использовать их в качестве ядерных боеприпасов. Однако разработка таких снарядов была остановлена в связи с экономической нецелесообразностью и успехом развития баллистических ракет.

Командно-измерительный комплекс космодрома

В последний период подготовки космического комплекса на старте и после пуска в работу включаются специалисты еще одной важной части космодрома — командно-измерительного комплекса (КИК), обеспечивающего траекторные измерения движения ракеты-носителя с космическим аппаратом на активном участке полета, а также получение, обработку и анализ данных о работе бортовых систем, комплекса в целом, объективных показателей о состоянии космонавтов. В связи с ростом числа космических аппаратов, постоянно функционирующих на орбитах, изменялись функции, структура, техническая оснащенность командно-измерительного комплекса, который в последнее время все чаще правильно называют наземным автоматизированным комплексом управления (НАКУ)

В связи с ростом числа космических аппаратов, постоянно функционирующих на орбитах, изменялись функции, структура, техническая оснащенность командно-измерительного комплекса, который в последнее время все чаще правильно называют наземным автоматизированным комплексом управления (НАКУ).

Это универсальный комплекс наземных, морских и воздушных средств и аппаратуры для обмена командно-программной, телеметрической и траекторной информацией с любым типом космического аппарата и управления всей орбитальной группировкой, находящейся в данный момент в космосе.

КИК космодрома включает в себя пристартовые измерительные пункты и десятки измерительных пунктов вдоль трасс полета космических комплексов; баллистический центр, автоматические системы сбора, обработки, передачи и отображения информации; информационно-вычислительные центры; системы связи и телеобмена с космонавтами.

В состав командно-измерительного комплекса космодрома входят также кинотеодолитные станции (пункты), предназначенные для непосредственного визуального слежения и съемки полета космического комплекса на начальном участке.

Вся информация, получаемая в ходе нормального или аварийного полета, обрабатывается в вычислительном центре. Результаты этой обработки являются основным беспристрастным документом, характеризующим полет, и исходным материалом для принятия решения по конкретному космическому объекту. В связи с этим наибольшую ценность имеет информация измерительного комплекса при летно-конструкторских испытаниях, когда “незаметное” отклонение любого параметра может привести к срыву целой программы.

План космодрома «Байконур»

Запуски ракет: статистика

В целом с начала 20 века активность на космодромах мира существенно упала. Если сравнивать двух лидеров в этой отрасли – Россию и США, то последние каждый год производят намного меньше запусков, по сравнению с первой страной. В период с 2004 по 2010 год с космодрома Америки было запущено 102 ракеты, которые успешно справились с поставленными задачами. К тому же, было 5 неудачных запусков. В России успешно завершилось 166 стартов, а 8 закончились аварией.

Среди числа неудачных запусков аппаратов особо заметными являются аварии «Протон-М». С 2010 по 2014 год в результате таких неудач были потеряны не только амии ракеты-носители, но и несколько спутников и даже один иностранный аппарат. Конечно же, подобная ситуация с одной из самых мощных ракет-носителей не могла остаться без внимания: были уволены чиновники, а также причастные к возникновению таки неудач. Кроме того, начали создаваться проекты по совершенствованию космической индустрии России.

Сегодня, как и 50 лет назад, человек не менее заинтересован в освоении космоса. Современный этап отличается возможностью плодотворного международного сотрудничества, что эффективно реализуется в проекте МКС. Но многие моменты нуждаются в доработки, пересмотра или модернизации. Хочется верить, что с использованием новых технологий и знаний статистика запусков в будущем будет более радужной.  

С какой скоростью летают ракеты?

Прежде, чем ответить на этот вопрос, давайте поймем в чем ее измеряют. Ракеты летают чертовски быстро и говорить о привычных км/ч или м/сек не приходится. Скорость многих современных летательных аппаратов измеряют в Махах.

Непривычная величина измерения скорости появилась не просто так. Название “число Маха” и обозначение “М” предложил в 1929 году Якоб Аккерет. Оно выражается как отношение скорости движения потока или тела к скорости распространения звука в среде, в которой происходит движение. Если учесть, что скорость распространения звуковой волны у поверхности земли примерно равна 331 м/сек (около 1200 км/ч), не трудно догадаться, что единицу можно получить только если поделить 331 на 331. То есть, скорость один Мах (М) у поверхности земли составляет примерно 1200 км/ч. С набором высоты скорость распространения звуковой волны падает из-за уменьшения плотности воздуха.

Таким образом, один Мах у поверхности земли и на высоте 20 000 метров отличается примерно на 10 процентов. Стало быть и скорость тела, которую оно должно развить, чтобы получить число Маха, уменьшается. Упрощенно среди обывателей принято называть число Маха скоростью звука. Если такое упрощение не применяется в точных расчетах, его вполне можно допустить и считать примерно равным величине у поверхности земли.

Ракеты могут запускаться с самолета.

Такую скорость не так легко представить, но крылатые ракеты могут летать на скорости до 5 Махов (примерно 7 000 км/ч в зависимости от высоты). Баллистические ракеты и вовсе способны развивать скорость до 23 Махов. Именно такую скорость на испытаниях показал ракетный комплекс Авангард. Получается, что на высоте 20 000 метров, это будет около 25 000 км/ч.

Конечно, такая скорость достигается на заключительной стадии полета при спуске, но представить, что рукотворный объект может перемещаться с такой скоростью, все равно сложно.

Как видим, ракеты перестали быть просто бомбой, которую кидают далеко вперед. Это настоящее произведение инженерного искусства. Вот только хотелось бы, чтобы эти разработки шли в мирное русло, а не предназначались для разрушения.

Использование науки при создании ракет

Его подход сильно отличался от того, что демонстрировали изобретатели прошлого. Если М.И. Картмазов, А.Д. Засядько и К.А. Шильдер работали по факту, учась на своих ошибках и просто исправляя то, что плохо показало себя в испытаниях, К.И. Константинов применял именно научный подход.

К.И. Константинов предложил подобные пусковые установки. Они существенно облегчали развертывание, ускоряли стрельбу и повышали ее точность.

Он много работал с физикой, химией, баллистикой и другими науками, прежде чем делать опытный образец. В итоге появилось много разных ракет с калибром от 2 до 4 дюймов и с дальностью стрельбы от 1,3 до 4 километров. Они могли запускаться с переносных треног или с колесных установок. Ракеты можно даже было запускать из помещений, что по тем временам было большим новшеством. Все это было хорошо продемонстрировано во время Крымской войны.

Впрочем, хоть ракеты Константинова и были хорошими, они все равно немного уступали французским в первую очередь по дальности. Но получив образцы ракет противника, инженер быстро смог доработать свои образцы и сделать так, чтобы они не уступали ракетам противника.

В отличии от других исследователей и изобретателей К.И. Константинов полагался в основном на научные данные, а не на метод проб и ошибок.

Устройство РД-107/108

Двигатель РД-107/108 состоит из четырех камер сгорания, турбонасосного агрегата, газогенератора, испарителя азота для наддува баков ракеты и комплекта агрегатов автоматики. Для управления полетом ракеты на двигателях имеются рулевые камеры: два на РД-107 и четыре на РД-108.

Несоизмеримые с возможностями существующих металлов температуры горения и продуктов сгорания, большое количество выделяемого тепла требуют охлаждения стенок камеры сгорания и сопла. В РД-107/108 эта инженерная задача решается двухстеночной конструкцией камеры сгорания и сопла и организацией охлаждения стенки со стороны горячего тракта подачей горючего (керосина) в камеру сгорания через межстеночные пространства.

Вторая особенность РД-107/108 − открытая схема сброса генераторного газа. Окислитель и горючее хранятся в отдельных баках и подаются в систему с помощью турбонасосного агрегата (ТНА). Для привода насосов горючего и окислителя используется турбина, в качестве рабочего тела для которой используется парогаз – продукт каталитического разложения пероксида водорода. Выхлопы турбины выбрасываются за срез сопла. 

Жидкотопливные ракеты

В 1926 году Роберт Годдард испытал первый двигатель на основе жидкого топлива. Его двигатель использовал бензин и жидкий кислород. Также он пытался решить и решил ряд фундаментальных проблем в конструкции ракетного двигателя, включая механизмы накачки, стратегии охлаждения и рулевые механизмы. Именно эти проблемы делают ракеты с жидким топливом такими сложными.

Основная идея проста. В большинстве жидкотопливных ракетных двигателях топливо и окислитель (например, бензин и жидкий кислород) закачиваются в камеру сгорания. Там они сгорают, чтобы создать поток горячих газов с высокой скоростью и давлением. Эти газы проходят через сопло, которое еще больше их ускоряет (от 8000 до 16 000 км/ч, как правило), а после выходят. Ниже вы найдете простую схему.

• Жидкий водород и жидкий кислород (основные двигатели космических шаттлов).
• Бензин и жидкий кислород (первые ракеты Годдарда).
• Керосин и жидкий кислород (использовались на первой ступени «Сатурна-5» в программе «Аполлон»).
• Спирт и жидкий кислород (использовались в немецких ракетах V2).
• Четырехокись азота/монометилгидразин (использовались в двигателях «Кассини»).