Принцип работы реактивного и турбореактивного двигателя самолета и ракеты

Двигатели, работающие на топливе

Общество сразу оценило преимущества использования простейших двигателей, и в последующие годы многие исследователи работали над созданием моделей, не зависящих ни от природных и погодных условий, ни от усталости животного, служащего источником энергии.

Гюйгенс ван Цейлихем Наибольших успехов в этой области добился голландский физик Христиан Гюйгенс ван Цейлихем, который в 1687 г первым предложил использовать порох в качестве источника энергии. По замыслу в двигателе создавалась камера сгорания, где должен был сжигаться порох, а выделяющаяся в результате сгорания энергия преобразовывалась в силу, приводившую в движение конкретный элемент. Порох был первым прототипом современного топлива.

Примечательно, что идея была позаимствована у стрелков, наблюдая за которыми, Гюйгенс заметил, что после выстрела пушки откатывались в сторону, противоположную выстрелу.

Разработки голландца, а также ряда других прекрасных ученых значительно облегчили создание двигателей на топливе, которыми мы пользуемся до сих пор. На смену пороху пришли бензин и дизель, которые имеют разные физические свойства и температуры горения, необходимые для выделения энергии.

Ядерные ракетные двигатели (ЯРД)

Этот тип РД, в отличие от химических, вырабатывает энергию не за счет сжигания топлива, а за счет нагрева рабочего тела энергией ядерных реакций. ЯРД бывают изотопные, термоядерные и ядерные.

История создания

Конструкция и принцип действия ЯРД были разработаны еще в 50-х годах. Уже в 70-е годы в СССР и США были готовы экспериментальные образцы, которые успешно прошли испытания. Твердофазный советский двигатель РД-0410 тягой 3,6 т был испытан на стендовой базе, а американский реактор NERVA должен был быть установлен на ракете «Сатурн-5» до прекращения спонсорства лунной программы. Параллельно также велись работы по созданию газофазного ЯРД. Сейчас есть научные программы разработки ядерных ракетных двигателей, проводятся эксперименты на космических станциях.

Таким образом, уже есть действующие образцы ядерных ракетных двигателей, но пока ни один из них не использовался вне лабораторий или научных баз. Потенциал таких двигателей достаточно высок, но и риски, связанные с их использованием, также значительны, поэтому пока они существуют только в проектах.

Устройство и принцип действия

Ядерные ракетные двигатели бывают газовыми, жидкостными и твердофазными в зависимости от агрегатного состояния ядерного топлива. Топливом в твердофазных ЯРД являются твэлы, как и в ядерных реакторах. Они размещены в корпусе двигателя и в процессе разрушения делящегося материала выделяют тепловую энергию. Рабочее тело — газообразный водород или аммиак — при соприкосновении с твэлом поглощает энергию и нагревается, увеличивается в объеме и сжимается, после чего выходит через сопло под высоким давлением.

Принцип работы жидкофазного ЯРД и его конструкция аналогичны твердофазному, только топливо находится в жидком состоянии, что позволяет повысить температуру, а значит и тягу.

Газофазный ЯРД работает на топливе в газообразном виде. Обычно используют уран. Газообразное топливо может удерживаться в теле электрическим полем, а может находиться в герметичной прозрачной колбе — атомной лампе. В первом случае имеет место контакт рабочей жидкости с топливом, а также частичная утечка последнего, поэтому помимо основной части топлива двигатель должен иметь его запас для периодического пополнения. В случае с ядерной лампой утечки нет, а топливо полностью изолировано от потока рабочего тела.

Преимущества и недостатки ЯРД

Ядерные ракетные двигатели имеют большое преимущество перед химическими — это высокий удельный импульс. Для твердофазных моделей значение составляет 8000-9000 м/с, для жидкофазных моделей – 14000 м/с, для газофазных моделей – 30000 м/с. Однако их использование приводит к загрязнению атмосферы радиоактивными выбросами. Сейчас ведутся работы по созданию безопасного, экологически чистого и экономичного ядерного двигателя, и основным кандидатом на эту роль является газофазный ЯРД с ядерной лампой, где радиоактивный материал находится в герметичной колбе и не выходит наружу при реактивное пламя.

Явление отдачи

Время шло, наука не стояла на месте. На смену простейшим механическим двигателям пришли паровые, топливные и электрические.

Но научные исследования и разработки на этом не остановились. Как всегда на помощь пришла природа, которая в большинстве случаев подталкивает изобретателей к удивительным открытиям.

Наблюдения за морскими обитателями, такими как каракатица, каракатица и каракатица, привели к неожиданным результатам. Режим передвижения этих морских обитателей был похож на кратковременный толчок. Как будто тело отталкивается от чего-то и движется вперед.

Эти наблюдения были чем-то похожи на замечания Гюгенса о выстреле и пушке, о которых мы упоминали выше.

Так в физике появился термин «феномен отдачи». В ходе дальнейших научных исследований было установлено, что именно благодаря явлению отдачи происходит все движение на планете Земля: автомобиль отталкивается от земли, корабль от воды и т.д.

Движение тел происходит за счет передачи количества движения от одного тела к другому. Для пояснения явления приведем простейший пример: вы решили толкнуть своего товарища в плечо, приложили некую силу, в результате которой он сдвинулся, но вы также испытали силу, толкнувшую вас в противоположную сторону.

Конечно, расстояние, которое пройдете вы с другом, будет зависеть от ряда факторов: сколько вы весите, как сильно вы его толкали.

Твердотопливные ракеты: конфигурации

Читая описание современных твердотопливных ракет, часто можно встретить что-то вроде этого:

Ракетное топливо состоит из перхлората аммония (окислитель, 69,6 мас. %), алюминия (топливо, 16 %), оксида железа (катализатор, 0,4 %), полимера (связующее, скрепляющее топливо, 12,04 %) и эпоксидного отвердителя (1,04 %). 96%). Перфорация выполнена в виде 11-конечной звезды в переднем сегменте двигателя и в виде двойного усеченного конуса в каждом из остальных сегментов, включая последний.

Эта конфигурация обеспечивает высокую тягу при воспламенении, а затем снижает тягу примерно на одну треть после 50 секунд запуска, предотвращая перегрузку устройства при максимальном динамическом давлении. — НАСА

Этим объясняется не только состав топлива, но и форма канала, просверленного в центре топлива. «Перфорация в виде 11-конечной звезды» может выглядеть так:

Смысл в увеличении площади поверхности канала, а значит увеличении площади прогара, а значит тяги. По мере сгорания топлива форма меняется на круг. В случае с космическим челноком такая форма дает сильный взлет и чуть слабее — в середине полета.

Твердотопливные двигатели обладают тремя важными преимуществами:

• простота
• бюджетный
• безопасность

Но есть и два недостатка:

• тяга неуправляемая
• после зажигания двигатель нельзя выключить или снова запустить

Недостатки означают, что твердотопливные ракеты полезны для краткосрочных миссий (ракет) или ракет-носителей. Если вам нужно проверить двигатель, перейдите к жидкостной топливной системе.

Реактивный двигатель и принцип его работы

Таким образом, мы постепенно подошли к оценке самого распространенного в авиастроении и ракетостроении типа двигателя — реактивного двигателя.

Любой из нас способен наблюдать явление реактивной реакции своими глазами. Все, что вам нужно сделать, это надуть воздушный шар и отпустить его. Все знают, что будет дальше: из шара вырвется поток воздуха, который сдвинет корпус шара в противоположную сторону.

Согласитесь, это очень похоже на то, как осьминог, сокращая мышцы, создает поток воды, толкающий его в противоположном направлении.

Описанные выше наблюдения получили точные научные объяснения, нашли отражение в физических законах:

• закон сохранения импульса;
• третий закон ньютона.

Именно на них основан принцип работы реактивного двигателя: в двигатель поступает поток воздуха, который сгорает в камере сгорания, смешивается с топливом, в результате чего возникает реактивная струя, заставляющая тело двигаться вперед.

Принцип работы достаточно прост, но устройство такого двигателя достаточно сложное и требует точных расчетов.

Разгонный блок

Может показаться, что как только ракета выходит в космос, цель достигнута. Но это не всегда так. Целевая траектория космического корабля или полезной нагрузки может быть намного выше линии, с которой начинается космос. Так, например, геостационарная орбита, на которой размещены телекоммуникационные спутники, находится на высоте 35 786 км над уровнем моря. Для этого предназначена верхняя ступень, которая на самом деле является еще одной ступенью ракеты. Космос начинается уже на высоте 100 км, там начинается невесомость, что является серьезной проблемой для обычных ракетных двигателей.

Одна из главных «рабочих лошадок» российской космонавтики ракета-носитель «Протон» совместно с разгонным блоком «Бриз-М» обеспечивает выведение на геостационарную орбиту полезных грузов массой до 3,3 тонны. Но изначально запуск осуществляется на низкую опорную орбиту (200 км). Хотя разгонный блок и называют одной из ступеней корабля, он отличается от обычной ступени двигателями.
РН «Протон-М» с РБ «Бриз-М» на сборке

Для вывода космического корабля или корабля на целевую орбиту или вывода его на стартовую или межпланетную орбиту разгонный блок должен иметь возможность выполнять один или несколько маневров, при которых изменяется скорость полета. А для этого приходится каждый раз включать двигатель. Также в периоды между маневрами двигатель выключается.

Таким образом, двигатель разгонного блока способен многократно включаться и выключаться, в отличие от двигателей других ступеней ракеты. Исключения составляют многоразовые Falcon 9 и New Shepard, у которых двигатели первой ступени используются для торможения при посадке на Землю.

Полезная нагрузка

Ракеты существуют для того, чтобы что-то отправлять в космос. Особенно космические корабли и космические корабли. В отечественной космонавтике это транспортно-грузовой корабль «Прогресс» и пилотируемый корабль «Союз», направляемые к МКС. Из космических аппаратов в этом году на российских ракетах-носителях американский КА Intelsat DLA2 и французский КА Eutelsat 9B, отечественное навигационное судно Глонасс-М №53 и, конечно же, КА ЭкзоМарс-2016, предназначенный для поиска метана в атмосфере Марса.

Ракеты имеют разные характеристики полезной нагрузки. Масса полезной нагрузки ракеты-носителя легкого класса «Рокот», предназначенной для выведения космических аппаратов на низкие околоземные орбиты (200 км), составляет 1,95 т. Ракета-носитель «Протон-М» относится к тяжелому классу. Он уже размещает 22,4 тонны на низкой орбите, 6,15 тонны на геопереходной орбите и 3,3 тонны на геостационарной орбите. В зависимости от модификации и космодрома «Союз-2» способен выводить от 7,5 до 8,7 т, на геопереходную орбиту — от 2,8 до 3 т и на геостационарную — от 1,3 до 1,5 т.

Ракета предназначена для пусков со всех площадок Роскосмоса: Восточный, Плесецк, Байконур и совместный российско-европейский проект. Ракета-носитель «Союз-ФГ», предназначенная для запуска транспортных и пилотируемых кораблей на МКС, имеет массу полезного груза от 7,2 тонны (с пилотируемым кораблем «Союз») до 7,4 тонны (с грузовым кораблем «Прогресс»). В настоящее время это единственная ракета, используемая для доставки космонавтов и астронавтов на МКС.

Полезная нагрузка обычно размещается в самом верху ракеты. Для преодоления аэродинамического сопротивления космический корабль или корабль помещают внутрь носовой оболочки ракеты, которая после прохождения плотных слоев атмосферы освобождается.

Вошедшие в историю слова Юрия Гагарина: «Я вижу Землю..какая красота!» им было сказано именно после сдувания головного корпуса ракеты «Восток».

Монтаж головного устройства ракеты-носителя «Протон-М», полезной нагрузки космических аппаратов

Какими они бывают?

Классификация ракетных двигателей основана на способе получения энергии для выбрасывания рабочего тела. По этому параметру РД составляет:

• химический;
• ядерный (термоядерный);
• электрические (электроракетные);
• газ.

Каждый из вышеперечисленных типов можно разделить на более мелкие категории. Химические двигатели (ХРМ), например, в зависимости от агрегатного состояния топлива бывают твердотопливными и жидкотопливными. Существует также химический гибридный ракетный двигатель (ХРД). В состав КРД также входит клиновой воздушно-реактивный двигатель, который имеет другую форму и конструкцию сопла. Раздельные газофазные и твердофазные ядерные РД. Существует несколько типов электростанций.

Химический РД: преимущества и недостатки

Этот тип ракетного двигателя является наиболее распространенным и основным. Можно сказать, что именно правозащитники дали простор человечеству. Он работает за счет экзотермической химической реакции, при которой и топливо, и окислитель находятся на борту самолета и вместе образуют топливо. Он одновременно выполняет функции источника энергии и основы для рабочего тела.

УРД имеют сравнительно небольшой удельный импульс (по сравнению с электрикой), но позволяют развивать большую тягу. Это особенно важно для запуска ракетных двигателей и при выводе полезной нагрузки на орбиту.

В жидкостных двигателях окислитель и горючее находятся в жидкой фазе. С помощью топливной системы они подаются в камеру, где догорают и вытекают через форсунку.
Запуск американского космического корабля. Он использует два типа химических ракетных двигателей: боковые ускорители используют твердое топливо, а маршевые двигатели используют жидкое топливо

В твердотопливных РД смесь горючего и окислителя размещается непосредственно в камере сгорания. Как правило, топливо имеет форму стержня с центральным каналом. Процесс горения идет от центра к периферии, газы, выходящие через сопло, образуют тягу. Такие двигатели имеют ряд преимуществ: они относительно просты, дешевы, экологичны и надежны.

К недостаткам твердотопливного химического двигателя можно отнести ограниченное время работы, малый удельный импульс (по сравнению с жидкостными ракетными двигателями) и невозможность повторного запуска — после пуска его уже нельзя остановить. Вышеуказанные функции определяют сферу применения твердотопливных ракетных двигателей – это баллистические и метеорологические ракеты, реактивные снаряды НАР, реактивные снаряды для реактивных систем залпового огня. Твердое топливо также используется для запуска ракетных двигателей.

Плавучие рулежные дорожки имеют более высокий удельный импульс, их можно останавливать и снова запускать, а тягу можно регулировать. Кроме того, по сравнению с твердотопливными они легче и компактнее. Но есть и ложка дегтя: жидкостные двигатели отличаются сложной конструкцией и дороговизной, поэтому основная их область применения — космонавтика.

Различные комбинации используются в качестве компонентов топлива для жидкостных ракетных двигателей. Например, кислород + водород или четырехокись азота + несимметричный диметилгидразин. В последние годы большой популярностью пользуются ракеты, использующие кислород и керосин. Топливо может состоять из пяти и более частей. Ракетные двигатели на метане считаются очень перспективными; сегодня они производятся в нескольких странах мира одновременно. К другим интересным разработкам в этой области можно отнести так называемый детонационный ракетный двигатель, топливо которого не горит, а взрывается.
Российский ракетный двигатель РД-180. Здесь используется пара кислород+керосин

Работы по совершенствованию КРД не прекращаются, но, вероятно, предел ее возможностей уже достигнут — конструкторы «выжали» из химического топлива все, что могли. Серьезной проблемой HRD является огромная масса топлива, которую должен поднять самолет. И это дико неэффективно. Система съемных подножек несколько улучшила ситуацию, но явно не была панацеей.

Следует отметить, что химические ракетные двигатели используются не только для покорения космоса. Они нашли свое применение на земле, но в основном только в военном деле. Все боевые ракеты, от небольших самолетов или противотанковых ракет до огромных межконтинентальных баллистических ракет, оснащаются CRM. Подавляющее большинство из них имеют более простые и надежные твердотопливные двигатели. Примером мирного использования HRD являются геофизические и метеорологические ракеты.

На атомном корабле к звездам!

Жидкостный ракетный двигатель дал человеку космос и помог добраться до ближайших планет. Скорость реактивной струи ракеты с жидким топливом не превышает 4,5-5 м/с, что делает ее непригодной для дальних полетов — для этого нужны десятки метров в секунду. Космические аппараты XRD по-прежнему способны доставлять людей на близлежащие планеты, такие как Марс или Венера, но для путешествия к отдаленным объектам Солнечной системы нам придется придумать что-то новое. Один из выходов из этого тупика — использование энергии, скрытой в атомном ядре.

Ядерный ракетный двигатель (ЯРД) — это тип силовой установки, в которой рабочее тело нагревается за счет энергии ядерного деления или синтеза. В зависимости от состояния топлива оно может быть твердой, жидкой или газообразной фазой. В качестве рабочей жидкости обычно используется водород или аммиак. Тяга ЯРД вполне сравнима с химическими двигателями, имея при этом высокий удельный импульс. Но есть одна проблема — загрязнение атмосферы радиоактивными выхлопами.

Проект ЯРД с фиксированной фазой. Пока они только на чертежах или в макетах

История ядерных двигателей началась в середине 1950-х годов; к их практическому созданию были привлечены две страны мира, США и Советский Союз. Еще в 1958 году американцы поставили перед собой задачу создать ядерный ракетный двигатель для полетов на Луну и Марс (программа NERVA). Примерно в то же время подобными проблемами занимались и советские конструкторы. В конце 70-х был создан ядерный ракетный двигатель РД-0410, но полноценных испытаний он так и не прошел.

В настоящее время наиболее перспективными выглядят газофазные ядерные двигатели, где топливо находится в газообразном виде в специальной герметичной колбе. Это исключает контакт с рабочим органом и значительно снижает вероятность радиоактивного заражения. Несмотря на то, что основные технические проблемы создания ЯРД давно решены, ни одна из них пока не нашла своего применения на практике. Хотя именно этот ЯРД выглядит наиболее перспективным с точки зрения реального использования.

Твердотопливные ракеты: топливная смесь

Ракетные двигатели на твердом топливе — первые двигатели, созданные человеком. Они были изобретены сотни лет назад в Китае и используются до сих пор. Красный свет от ракет воспет в национальном гимне (написанном в начале 1800-х годов) и относится к небольшим твердотопливным ракетам, используемым для доставки бомб или зажигательных устройств. Как видите, такие ракеты существуют уже давно.

Идея твердотопливной ракеты довольно проста. Вам нужно сделать что-то, что быстро горит, но не взрывается. Как известно, порох не годится. Порох состоит из 75 % селитры (селитры), 15 % древесного угля и 10 % серы. В ракетном двигателе нет необходимости во взрывах — нужно, чтобы топливо сгорело. Вы можете изменить смесь на 72% нитратов, 24% древесного угля и 4% серы. Вместо пороха вы получаете ракетное топливо. Эта смесь будет гореть быстро, но не взорвется при правильной загрузке. Вот типичный график:

Слева вы видите ракету до зажигания. Твердое топливо показано зеленым цветом. Он имеет форму цилиндра с просверленной посередине трубкой. При воспламенении топливо горит вдоль стенки трубы. Когда он горит, он выгорает по направлению к телу, пока не сгорит полностью. В небольшой модели ракетного двигателя или небольшой ракетки процесс горения может длиться секунду или меньше. В большой ракете топливо горит не менее двух минут.

Система аварийного спасения

Ракету, выводящую на орбиту пилотируемый космический корабль, почти всегда можно отличить по внешнему виду от ракеты, выводящей грузовой корабль или космический корабль. Чтобы в случае возникновения аварийной ситуации на ракете-носителе экипаж пилотируемого космического корабля остался жив, используется система аварийного спасения (АСС). По сути, это еще одна (пусть и небольшая) ракета в головной части пусковой установки. Со стороны SAS выглядит как башня необычной формы на вершине ракеты. Его задача состоит в том, чтобы в экстренной ситуации извлечь пилотируемый космический корабль и увезти его с места крушения.

В случае взрыва ракеты при старте или в начале полета маршевые двигатели в системе спасения отрывают часть ракеты, в которой находится пилотируемый корабль, и уводят ее с места аварии. После этого осуществляется парашютный спуск. В случае продолжения полета в штатном режиме после достижения безопасной высоты аварийно-спасательная система отделяется от ракеты-носителя. На больших высотах роль САС не так важна. Здесь экипаж уже может спастись благодаря отделению спускаемого аппарата корабля от ракеты.
Ракета-носитель «Союз» с САС на вершине ракеты

Читайте также: Почему Плутон — не планета, и где находится девятая планета Солнечной системы

Устройство реактивного двигателя

Реактивный двигатель состоит из следующих основных элементов:

• компрессор, подсасывающий воздух в двигатель;
• камера внутреннего сгорания, где топливо смешивается с воздухом, происходит их сгорание;
• турбина – обеспечивает дополнительное ускорение потока тепловой энергии, полученной в результате сгорания топлива и воздуха;
• сопло, важнейший элемент, преобразующий внутреннюю энергию в «движущую силу» — кинетическую энергию.

Благодаря общему взаимодействию этих элементов на выходе реактивного двигателя образуется мощная реактивная струя, придающая объектам, на которых установлен двигатель, наибольшую скорость.

Реактивные двигатели в самолете

Накануне мировой войны ученые ведущих стран усердно работали над созданием самолетов с реактивными двигателями, которые позволили бы их странам безоговорочно диктовать свои условия в небе.

Первый реактивный самолет был разработан немцами в 1937 году, а испытания начались только в 1939 году. Однако имевшиеся в то время двигатели потребляли невероятное количество топлива, а дальность полета такого самолета составляла всего 60 км.

В то же время Япония и Великобритания смогли сделать свои самолеты с реактивными двигателями. Но это были лишь прототипы, которые так и не пошли в серийное производство.

Первым серийным реактивным самолетом стал немецкий «Мессершмит», который, однако, не позволил нацистской коалиции одержать верх в развязанной ими войне.

Мессершмитт Ме-262 Швальбе/Штурмфогель

В гражданской авиации реактивные самолеты впервые появились в 1952 году в Великобритании.

С тех пор и по сегодняшний день реактивные двигатели были основными двигателями, используемыми в самолетостроении. Именно благодаря им современные авиалайнеры развивают скорость до 800 километров в час.

Ступени

Полезная нагрузка, запускаемая в космос, составляет лишь малую часть массы ракеты. Ракеты-носители в основном «транспортируют» себя, то есть свою конструкцию: топливные баки и двигатели, а также необходимое для работы топливо. Топливные баки и ракетные двигатели находятся на разных этапах ракеты, и когда в них заканчивается топливо, они становятся ненужными. Чтобы не нести лишнюю нагрузку, они разделены. Кроме полноценных ступеней применяются и подвесные топливные баки, не оснащенные собственными двигателями. Во время полета они также сбрасываются.
Первая ступень ракеты-носителя «Протон-М» / © ФГУП «Государственный научно-производственный космический центр имени Хруничева

Существуют две классические схемы построения многоступенчатых ракет: с поперечным и продольным разделением ступеней. В первом случае ступени располагаются одна над другой и включаются только после отделения предыдущей, нижней ступени. Во втором случае вокруг корпуса второй ступени размещено несколько одинаковых ступеней ракеты, которые включаются и выпускаются одновременно. В этом случае двигатель второй ступени также может работать при пуске. Но широко применяется и комбинированная продольно-поперечная схема.
Варианты компоновки ракеты / © Википедия

Ракета-носитель легкого класса «Рокот» была запущена в феврале этого года с космодрома в Плесецке и представляет собой трехступенчатую поперечную ступень разделения. А вот ракета-носитель «Союз-2», запущенная с нового космодрома Восточный в апреле этого года, представляет собой трехступенчатое продольно-поперечное разделение.

Интересной схемой двухступенчатой ​​ракеты с продольным разделением является система «Спейс шаттл». Вот в чем разница между американскими шаттлами и Бураном. Первая ступень системы космического челнока — боковые ускорители, вторая — сам шаттл (орбитальный аппарат) со съемным внешним топливным баком, по форме напоминающий ракету. Во время запуска запускаются двигатели как шаттла, так и ракет-носителей. В системе «Энергия-Буран» двухступенчатая сверхтяжелая ракета-носитель «Энергия» являлась самостоятельным элементом и, помимо вывода в космос МТКК «Буран», могла использоваться и в других целях, например, для обеспечения автоматического и пилотируемого экспедиции на Луну и Марс.

Электрические ракетные двигатели (ЭРД)

Еще одним потенциальным конкурентом химических ракетных двигателей является электрический ракетный двигатель, работающий на электрической энергии. ЭРД может быть электротермическим, электростатическим, электромагнитным или импульсным.

История создания

Первый ЭРД был спроектирован в 30-х годах советским конструктором В.П. Глушко, хотя идея создания такого двигателя появилась еще в начале ХХ века. В 60-е годы ученые СССР и США активно работали над созданием электрической двигательной установки, и уже в 70-е годы первые образцы стали использоваться в космических аппаратах в качестве управляющих двигателей.

Устройство и принцип работы

Электрическая ракетная двигательная установка состоит из самой ЭРД, состав которой зависит от ее типа, систем подачи рабочего тела, управления и электроснабжения. Электротермический РД нагревает поток рабочего тела за счет тепла, выделяемого нагревательным элементом, или в электрической дуге. В качестве рабочих тел используют гелий, аммиак, гидразин, азот и другие инертные газы, реже водород.

Электростатические РД делятся на коллоидные, ионные и плазменные. В них заряженные частицы в рабочем теле разгоняются электрическим полем. В коллоидных или ионных РД ионизация газа обеспечивается ионизатором, высокочастотным электрическим полем или газоразрядной камерой. В плазменных РД рабочее тело — инертный газ ксенон — проходит через кольцевой анод и поступает в газоразрядную камеру с компенсирующим катодом.

При высоком напряжении между анодом и катодом зажигается искра, ионизирующая газ, в результате чего образуется плазма. Положительно заряженные ионы выходят через сопло с большой скоростью, достигаемой за счет ускорения электрического поля, а электроны выводятся компенсирующим катодом.

Электромагнитный РД имеет собственное магнитное поле — внешнее или внутреннее, которое разгоняет заряженные частицы в рабочей жидкости.

Импульсные РД работают за счет испарения твердого топлива под действием электрических разрядов.

Преимущества и недостатки ЭРД, сфера использования

Среди преимуществ ЭРД:

• высокий удельный импульс, верхняя граница которого практически не ограничена;
• низкий расход топлива (рабочей жидкости).

Из истории данного вопроса

Ракетный двигатель — один из старейших типов двигателей, известных человечеству. Мы не можем точно ответить на вопрос, когда именно была изготовлена ​​первая ракета. Есть предположение, что это сделали древние греки (деревянный голубь Архита из Тарента), но большинство историков считают родиной этого изобретения Китай. Это произошло примерно в 3 веке нашей эры, вскоре после открытия пороха. Изначально ракеты использовались для фейерверков и других развлечений. Пороховой ракетный двигатель был достаточно эффективен и прост в изготовлении.

Считается, что эти технологии пришли в Европу где-то в 14 веке, их изучал английский натуралист Роджер Бэкон.

Первая боевая ракета была разработана в 1556 году Конрадом Хаасом, изобретавшим различные виды оружия для императора Фердинанда I. Этого изобретателя можно назвать первым создателем теории ракетных двигателей, он же является автором идеи многоступенчатая ракета — в работах Хааса механизм работы летательного аппарата, состоящий из двух ракет. Исследования продолжил поляк Казимир Семенович, живший в середине XVII века. Однако все эти проекты остались на бумаге.

Практическое использование ракет началось только в 19 веке. В 1805 году британский офицер Уильям Конгрив продемонстрировал пороховые ракеты, имевшие невиданную по тем временам мощность. Презентация произвела настоящее впечатление, и ракеты Конгрева были приняты на вооружение британской армии.

Главным их преимуществом, по сравнению с пушечной артиллерией, была высокая мобильность и относительно невысокая стоимость, а главным недостатком — точность стрельбы, которая оставляла желать лучшего. В конце 19 века широкое распространение получили нарезные орудия, которые стреляли очень точно, поэтому ракеты были прекращены.
Так использовались ракеты Конгрива. Современная реконструкция

В России этой проблемой занимался генерал Засядко. Он не только усовершенствовал ракеты Конгрива, но и первым предложил использовать их для космических полетов. В 1881 году русский изобретатель Кибальчич создал собственную теорию ракетных двигателей.

Другой наш соотечественник, Константин Циолковский, внес большой вклад в развитие этой области техники. Среди его идей — жидкостный ракетный двигатель (ЖРД), работающий на смеси кислорода и водорода.

В начале прошлого века созданием жидкостного ракетного двигателя занимались энтузиасты во многих странах мира, первым это удалось американскому изобретателю Роберту Годдарду. Его ракета, работающая на смеси бензина и жидкого кислорода, была запущена в 1926 году.

Вторая мировая война была периодом возвращения ракетного оружия. В 1941 году Красная Армия приняла на вооружение реактивную систему залпового огня БМ-13 — знаменитую «Катюшу», а в 1943 году немцы стали использовать баллистическую Фау-2 с жидкостным ракетным двигателем. Он был разработан под руководством Вернера фон Брауна, который впоследствии стал главой космической программы США. Германия также освоила производство КР Фау-1 с прямоточными воздушно-реактивными двигателями.
Ракета Фау-2. Немцы называли его «оружием возмездия». Правда, Гитлеру это мало помогло

После окончания войны между СССР и США началась настоящая «ракетная гонка». Советскую программу возглавил выдающийся конструктор ракетных двигателей Сергей Королев, именно под его руководством была создана отечественная МБР Р-7, а позже был запущен первый искусственный спутник Земли и осуществлен полет человека в космос.

В разные годы предпринимались попытки создания ракетных двигателей, работающих на энергии ядерного распада (синтеза), но практическое применение таких силовых установок так и не было реализовано. В 1970-е годы в СССР и США началось использование электрических ракетных двигателей. Сегодня они используются для коррекции траекторий и курсов космических аппаратов. В 70-х и 80-х были эксперименты с плазменными РД, считается, что у них хороший потенциал. Большие надежды возлагаются на ионные ракетные двигатели, использование которых теоретически может значительно ускорить космические аппараты.

Но пока почти все эти технологии находятся в зачаточном состоянии, старая добрая «химическая» ракета остается основным транспортным средством для космонавтов. В настоящее время американский F-1, участвовавший в лунном проекте, и советский РД-170/171, использовавшийся в программе «Энергия-Буран», соревнуются за звание «самого мощного ракетного двигателя в мире».