Минулого тижня паливні сегменти двох прискорювачів ракети SLS прибули до Космічного центру імені Кеннеді у Флориді, прокатившись практично через усі Сполучені Штати із заходу (штат Юта) на схід. Їх везли спочатку на величезних багатовісних тягачах, а потім залізницею. На космодромі з них зберуть два гігантські прискорювачі надважкої ракети SLS — ключового елемента американської програми повернення на Місяць. N+1 розуміється, чим відрізняються «місячні прискорювачі» від більшості двигунів, на яких сьогодні літають у космос люди. Перші ракети працювали на твердому паливі — пороху, низька енергетика якого компенсувалася простотою виготовлення та використання. Але коли потрібно вирішувати складніші завдання, наприклад, доставити заряд вибухівки на відстань у кілька сотень кілометрів, польоти зажадали нових технологій — так паливо стало рідким, і двигуни відповідно змінилися. Шлях у космос було прокладено на ракетах із ЗРД. На гас-кисневих двигунах літала королівська «сімка», яка вивела на орбіту «Супутник» та Гагаріна. ЖРД стоять на американських «Фальконах» та «Дельтах», російських «Союзах» та «Протонах», китайських «Чанчженах», новозеландських «Електронах». Рідкісний двигун дійсно ефективний: його тягою зручно керувати, його можна вимкнути в будь-який момент і включати багаторазово. А компактні розміри дозволяють легко перевозити двигуни та щільно компонувати їх у торці щаблі. За всієї своєї складності, ЖРД - а це трубки та патрубки, турбонасоси, газогенератори та форсуночні головки - вже давно технологічно доступний рівень досконалості для виходу в космос. Але за плюси ЖРД доводиться сплачувати складнощі експлуатації. Рідкі компоненти палива або отруйні, або кріогенні - і тут вилазить безліч проблем з їх зрідженням, захистом від теплових втрат та розшарування. Витіки парів палива токсичні та пожежонебезпечні. Стартове заправлення ракети вимагає великої наземної інфраструктури: сховищ для палива, систем його подачі. Весь цей ком технологічних операцій ускладнює пуск, на його підготовку йде прорва часу. Заправлену ракету складно зберігати: на старті від неї йде білий туман — це стравлюється рідкий кисень, що випаровується. У порівнянні з цим ракетному двигуну на твердому паливі перед стартом не потрібно нічого, крім прикріплення до ракети — ні заправних операцій, ні суворих протипожежних заходів, ні обслуговування перед стартом. А запуск зводиться до найпростішого запалення запальника. Однак у простих щодо одного твердопаливних двигунів є інша складність. Збільшення їх розмірів обертається ракетобудівників значними труднощами. По-перше, великий тиск, замкнений у ЗРД в камері згоряння, у твердопаливних двигунів поширюється на весь корпус. Він повинен його витримувати — отже, бути міцнішим і, отже, важчим. Але найскладніше це виготовлення великих твердопаливних масивів. Спробуйте зробити паливну шашку вагою сто тонн: така громада опливатиме під власною вагою, почне змінюватися щільність у різних частинах, усередині виникатимуть напруги та тріщини. Тому коли 1962 року з'явилася перша міжконтинентальна твердопаливна ракета Minuteman I масою 28 тонн, у космосі вже літали супутники, запущені рідинними ракетами масою сотні тонн. Але минуло ще 20 років твердопаливних інновацій, і люди таки полетіли в космос на РДТТ — твердопаливні прискорювачі використовувалися при пусках «Спейс Шаттлов». Чорною плямою на історії твердопаливних двигунів лежить катастрофа «Челленджера», яка трапилася через негерметичність ущільнювальних кілець прискорювача - але вона не скасувала принципових переваг твердопаливних прискорювачів: величезну тягу при компактному розмірі, простоту експлуатації та невисокі витрати на виготовлення. Після доопрацювання твердопаливні прискорювачі ще 110 разів вивели у космос шатли. За всю історію програми в космос злітало 355 осіб — це 63 відсотки від усіх людей, які будь-коли побували на орбіті. Іншими словами, сьогодні більше половини всіх учасників космічних польотів потрапляли до космосу на твердопаливному заряді. Тому для повернення на Місяць NASA вирішило повернутися до твердопаливних прискорювачів. Корпус великих РДТТ часто виготовляють намотуванням міцних ниток з просоченням полімерами, що твердіють, отримуючи міцний і легкий композитний матеріал. Сопла РДТТ теж часто роблять із композитних матеріалів, використовуючи різні вставки в напружених частинах сопла. Важливими є форма і площа поверхні горіння в паливі. Зазвичай у центрі палива йде канал, який може розширюватися та ускладнюватись — наприклад, набуваючи форми зірки. Чим більша площа горіння, тим більша витрата палива та тяга двигуна. Геометрія каналу та її зміна в процесі горіння програмують величину та зміну тяги двигуна під час роботи. Тверде паливо за складом дуже різноманітне, і ділиться кілька типів. Левову частку займають сумішеві палива - тонко подрібнені та перемішані неорганічні компоненти, з'єднані сполучними речовинами. Одні є окислювачами, інші горючими, вони реагують у фронті горіння палива. Крім пального та окислювача в паливо додають багато допоміжних речовин. Щоб паливо було пластичним, добре розмішувалося і могло подаватися при спорядженні корпусу двигуна шнековими машинами, в паливо вводять пластифікатори. Щоб надати йому твердість, паливо додають епоксидні затверджувачі. При тривалому вертикальному положенні масив палива не повинен опливати, давати тріщини та накопичувати внутрішню напругу — ракети іноді стоять на бойовому чергуванні десятки років. Якщо в паливі з'являться тріщини, то при роботі двигуна вони стануть нерозрахунковими площами горіння, склепіння втратить розрахункову товщину і змінить форму каналу, а напруги, що виникли в масиві палива, приведуть до додаткового розпалу в цих місцях. Ці ризики зростають під дією злітного навантаження, що в рази посилює вагу і тиск маси палива. Фізичні властивості палива регулюються сполучними добавками спеціальних стабілізаторів. Також до палива додають інгібітори та каталізатори горіння, флегматизатори (вони зменшують чутливість палива до тертя, що необхідно при виготовленні суміші та спорядження двигуна), інгібітори окислення та інші добавки. У молекулі перхлорату амонію – чотири атоми кисню. Вони звільняються при нагріванні та окислюють металевий алюміній та полібутадіенакрилонітрил. Полібутадієнакрилонітрил, або бутадієн-нітрильний каучук (БНК) - це жорстка гума, яка працює і пальним, і сполучним. Вуглець і водень БНК при згорянні утворюють газове робоче тіло — суміш переважно вуглекислого газу та водяної пари. Друге пальне, дрібнодисперсний алюміній згоряє без виділення газів, але температура горіння алюмінію дуже висока близько 3300 °С. Це збільшує температуру газів, передаючи їм тепло згоряння металу. Не кожне тверде паливо ви зможете запалити сірником або запальничкою. Деякі палива не горять за звичайного атмосферного тиску — так вони спроектовані. Чому? Тиск усередині каналу двигуна при горінні становить десятки атмосфер. Притиснутий до палаючої поверхні щільний гарячий газ породжує потік тепла масив палива. Чим більше в одному кубічному сантиметрі гарячого газу, а отже, тепла, тим швидше цей сантиметр прогріває шар палива. Прискорення згоряння палива збільшує виділення газів, що призводить до зростання тиску. Підвищений тиск може розірвати корпус двигуна або призвести до нестаціонарного горіння, що розганяється, наввипередки з тиском. Прискорено розвиваючись, ця взаємно підсилювальна зв'язка швидко досягає швидкості та тиску ударної хвилі, що нагріває паливо вже пружним стиском до основних хімічних реакцій - горіння переходить у детонацію. Тому швидкість горіння палива проектують для робочих тисків 30-50 атмосфер.Отже, для запуску двигуна цей тиск треба спочатку створити. Це досягається спеціальним зарядом іншого палива, подібним до порохової шашки. Його згоряння піднімає тиск у каналі двигуна (із закритим заглушкою соплом) до робочого, у якому починається стійке горіння основного палива. І одночасно нагріває поверхню палива на початок хімічних реакцій. Відповідно, специфічно влаштовано та вимкнення такого двигуна. Наприклад, бойовим міжконтинентальним ракетам необхідно зупинити двигун останнього ступеня при досягненні потрібної швидкості, інакше боєголовка перелетить свою мету (яка, як правило, знаходиться ближче за максимальну дальність ракети). Якщо випалювати паливо повністю, і запускати ракету високою навісною траєкторією, її політний час неприпустимо подовжиться. Двигун слід зупинити вчасно. Для обнулення його тяги підривають шнури детонації, прокладені в корпусі двигуна. Шнури підривом вирізують у стінці корпусу два отвори, і тиск у каналі двигуна миттєво скидається – без тиску паливо гасне, і тяга обнулюється. На прес-брифінгу екіпажу Crew Dragon одразу після стикування корабля з МКС астронавт Боб Бенкен зазначив, як плавно йшов «Фалькон» перші хвилини польоту порівняно з «Шаттлом». Це пов'язано саме з тим, що двигун "Мерлін" - рідинний, а "Шатлі" використовували на старті, крім своїх двигунів, ще й твердопаливні прискорювачі SRB. Перед входом до імітатора польоту на шатлі в Космічному центрі ім. Кеннеді у автора цих рядків попросили викласти з кишень усі дрібні предмети, ключі та монети. Інакше їх могло викинути з кишень злітною тряскою. Перші дві хвилини, на етапі роботи твердопаливних прискорювачів, трясе так, ніби ви мчите на возі великою бруківкою. На трансляціях з кабіни шатла видно, як екіпаж при запуску мотає в кріслах, а щойно прискорювачі від'єднуються — тряска припиняється, і залишається лише відчутна вібрація водневих двигунів шатла. У гарячому газі, що заповнює канал твердопаливного двигуна, що працюють, виникають акустичні коливання. Вони зливаються в сильніші хвилі і посилюються – зростає тиск у фронті хвилі, а більша швидкість звуку в розжареному газі дає хвилі більшу швидкість руху. Натикаючись на паливну поверхню, що горить, акустичні хвилі своїм тиском прискорюють горіння і виділення енергії — і самі отримують від палива, що горить, посилюючий удар і відбиваються. Так вони гуляють по всьому стислому газу каналу всередині палива, підтримуючи та збільшуючи свою силу. Під їх дією горіння палива, в середньому рівномірне, відчуває часті та численні локальні посилення. Що і викликає вібрації двигуна, які призводять до трясіння. Вихлоп прискорювача виглядає як яскраве біле полум'я. Яскравість йому надають розпечені тверді мікрочастинки, що добре випромінюють світло видимого діапазону: у свічки це мікрочастинки твердого вуглецю, а у твердого ракетного палива світять частки продуктів розкладання перхлорату амонію, оксиду алюмінію — і той самий вуглець. Надзвуковий вихлопний струмінь гальмується об повітря, породжуючи сильні звукові поля. Від струменя відходять множинні акустичні хвилі, двигун реве і гуркотить. Інтенсивність цього процесу така сильна, що на вогневих випробуваннях рев двигуна знімає ґрунтовий пил — і здається, що ґрунт димиться. Піднятий із землі пил забарвлює в темний колір дим струменя, що б'є на випробуваннях горизонтально. Також дим затемнюється незгорілим вуглецем полібутадієну. Без цих темних включень вихлоп мав би білий колір, утворений частинками оксиду алюмінію та хлориду амонію. Прискорювачі ракети SLS створені на базі прискорювачів твердопаливних «Спейс Шаттлов». До чотирьох паливних сегментів додали п'ятий, таким чином збільшивши довжину, масу та потужність прискорювачів. Відмовилися від багаторазовості, скоротивши парашутний блок приводнення та всі витрати, пов'язані з циклом повторного використання. Висота прискорювача 54 метри (це 18-поверховий будинок), маса — 726 тонн, а тяга зросла до 1620 тонн, що вчетверо потужніше за ракету-носій «Союз». Крізь сопло прискорювача вільно може пройти доросла людина. Складається прискорювач із трьох основних елементів. Головна, або передня, збірка об'єднує конус носового обтічника та передню спідницю, в якій знаходиться бортова електроніка та вузол передачі тягового зусилля на центральний ступінь ракети. П'ять паливних сегментів виробляють із великою витратою робоче тіло — газ із високою температурою та тиском. Хвостова спідниця захищає сопло від потоку, що набігає, містить командну апаратуру і механізм повороту реактивного сопла для управління вектором тяги. Обидві збірки, передня і задня, несуть по чотири невеликі РДТТ для відведення прискорювача, що відпрацював, від центрального ступеня. У верхньому паливному сегменті стоїть також запалювач для запуску двигуна. Корпуси паливних сегментів обклеюють зсередини листами гумової ізоляції. Вони захищають метал корпусу від жару у двигуні. Прискорювачі SLS працюватимуть дві хвилини та шість секунд, кожну секунду спалюючи по 6 тонн палива. Після цього вони відокремляться від ракети та впадуть в Атлантичний океан. Вони стали найбільшими і потужними ракетними двигунами, що серійно випускаються, коли-небудь зробленими людиною. Вони будуть створювати чотири п'яті всієї тяги надважкої SLS, що летить на Місяць. Діставшись до Космічного центру імені Кеннеді, непаливні частини надійдуть у складальний комплекс BFF для монтажу переднього та заднього збирання прискорювача. А паливні сегменти везуть до спеціалізованого цеху RPSF, де розгортають вертикально. Перший і останній сегменти з'єднують з головною та задньою збірками, перевіряють і складують з іншими трьома паливними сегментами. Перед пуском ракети всі сегменти відправлять у будівлю вертикального складання, найбільшу у світі одноповерхову будівлю висотою 160 метрів, де прискорювачі зберуть цілком і прикріплять до ракети. Залишається подивитись, як пройде перший запуск «Артеміда-1», намічений на 2021 рік, та побачити роботу прискорювачів у першому реальному космічному старті. Микола Цигікало Ви, напевно, запитували себе: на якому паливі літають ракети? Сьогодні я розповім вам 100% правду про паливо, яке використовується в космічних апаратах. Виявляється, існує кілька типів палива, які використовуються при запуску ракет у космос. Одне з них - це рідке паливо, що складається з кисню та водню. Це суміш, яка при горінні утворює воду та забезпечує ракету необхідною тягою. Ще один тип палива, який використовується в космічній промисловості, - це тверде паливо.Воно складається із суміші пального та окислювача, які змішуються у спеціальну реактивну суміш. Після запуску, воно горить, створюючи необхідну тягу для підйому ракети в космос. Таким чином, ракети можуть літати на різних типах палива, залежно від їхньої конструкції та призначення. Існує багато різних типів палива, які використовуються для активації двигунів ракети. Один з найбільш поширених типів палива - це реактивне паливо. Реактивне паливо складається з двох основних компонентів: палива та окислювача. Паливо зазвичай являє собою вуглеводневу сполуку, таку як гас або водень. водню. Реактивне паливо має багато переваг. По-перше, воно має високу енергетичну щільність, що означає, що маленька кількість палива здатна виділяти велику кількість енергії. забезпечує високе прискорення та здатне досягти великих швидкостей, що необхідно для досягнення орбіти та подолання гравітації Землі. Проте реактивне паливо також має недоліки.Воно є дуже небезпечним і може викликати серйозні вибухи та пожежі у разі неправильного поводження або зберігання. Крім того, викиди та викиди від згоряння реактивного палива можуть завдавати шкоди навколишньому середовищу. Тому існують суворі правила та норми безпеки щодо використання, зберігання та видалення реактивного палива. Твердотельне паливо є готовою сумішшю пального елемента, окислювача і спеціальних добавок, які забезпечують ефективне згоряння. Така суміш пресується у спеціальні гільзи, які потім встановлюються усередині ракетних двигунів. Однією з основних переваг твердотільного палива є його висока питома специфічна імпульсна тяга, тобто здатність виробляти велику кількість тяги в одиницю часу і з урахуванням маси палива. Це робить його ідеальним вибором для первинного зльоту ракети. Переваги твердотільного палива: Однак, у твердотільного палива є деякі недоліки. Головний із них — його неможливість регулювати потяг під час польоту. Після початку згоряння твердотільного палива, його тяга поступово зменшуватиметься у міру того, як виснажується запас палива.Можливість регулювання тяги є важливою особливістю для деяких місій, де необхідне точне керування швидкістю та траєкторією польоту. Твердотельне паливо використовують у різних видах ракет, від великих космічних апаратів до ракет-носіїв і пускових установок. Воно є одним із ключових компонентів, які забезпечують нашим ракетам можливість підкорювати простори космосу. Рідке паливо - це так само важливий компонент для польотів у космосі, як повітря для дихання. Воно забезпечує необхідну енергію, щоб підняти ракету в небо та подолати силу тяжіння Землі. Кораблі та ракети використовують різні типи рідкого палива, які забезпечують високу енергетичну потужність та ефективність. Наприклад, одним з найпоширеніших видів рідкого палива є комбінація гасу та рідкого кисню. Унікальні властивості рідкого палива роблять його ідеальним для використання у космічному просторі. Воно має високу густину енергії, що дозволяє зберігати велику кількість палива на невеликому обсязі. Це особливо важливо при польотах у космос, де кожна унція має велике значення. Крім того, рідке паливо має високу стабільність і передбачуваність. Його властивості можуть бути точно вимірювані та контрольовані, що дозволяє інженерам точно розрахувати потрібну кількість палива для кожного польоту. Проте польоти до космосу вимагають не лише досконалих технологій, а й величезних фінансових вкладень. У процесі створення та виробництва рідкого палива знаходять застосування спеціалізовані матеріали та обладнання, що виправдовує дорожнечу процесу. У результаті рідке паливо є ключовим компонентом для досягнення космічних висот. Воно забезпечує силу та енергію, необхідні для запуску ракет у космос. Завдяки унікальним властивостям рідкого палива люди змогли здійснювати мрії про підкорення космосу і залишати сліди людської присутності у великому незвіданому всесвіті. Кріогенне паливо - це суміш спеціальних хімічних речовин, які знаходяться в рідкому стані за дуже низьких температур. Саме слово "кріогенне" походить від грецького "кріо", що означає "холод", і "ген", що перекладається як "утворюється". Таким чином, кріогенне паливо - це паливо, яке утворюється чи залишається у холодному стані. Одним із найбільш уживаних кріогенних палив є рідкий кисень (LOX) та рідкий водень (LH2). Рідкий кисень є охолодженим кисень, який має температуру близько -183 градусів Цельсія. Рідкий водень має температуру близько -253 градусів Цельсія. Основна причина використання кріогенного палива полягає у його високій енергетичній ефективності. Водень і кисень є гранично чистими паливами і мають високі показники специфічної імпульсності (відносини сили тяги до витрат палива) і теплоти згоряння. Таким чином, двигуни, що працюють на кріогенному паливі, забезпечують більш високу ефективність, потужність та дальність польоту. Необхідність зберігати кріогенне паливо за дуже низьких температур викликає певні складності. Для цього використовуються спеціальні термічно ізольовані ємності та системи подачі палива.Також потрібне постійне обслуговування та контроль температури для запобігання його нагріванню та випаруванню. Кріогенне паливо широко використовується в ракетобудуванні. Наприклад, ракети-носії SpaceX Falcon 9 та Falcon Heavy, а також космічний корабель Space Shuttle, всі вони використовують кріогенне паливо для своїх двигунів. Навіть знаменита ракета Saturn V, яка доставила астронавтів на Місяць, працювала на рідкому кисні та рідкому водні. У результаті кріогенне паливо - це секрет успіху ракетних запусків. Воно забезпечує як високу ефективність двигунів, а й можливість досягнення великих швидкостей і дальностей. Завдяки використанню кріогенного палива, ми можемо здійснювати захоплюючі подорожі до космосу та дослідити невідомі простори всесвіту. А що ви думаєте про кріогенне паливо? Пишіть у коментарях! Гіперголічне паливо, це особливий тип ракетного палива, який має унікальні властивості і дозволяє ракетам літати без необхідності зовнішнього джерела запалювання. Це означає, що суміші гіперголічного палива займаються автоматично при змішуванні компонентів, без необхідності використання спеціальних пристроїв, що запалюють. Ракети, які використовують гіперголічне паливо, можуть бути запущені будь-коли без попередньої підготовки або запалювання. Це робить їх дуже гнучкими, оскільки вони можуть бути запущені негайно у разі потреби. Приклади гіперголічного палива: Переваги використання гіперголічного палива: Гіперголічне паливо є одним із головних типів ракетного палива, що використовується в космічній та ракетній галузях. Воно забезпечує ефективну та надійну роботу ракет, сприяючи дослідженню космосу та розвитку технологій. І ось ми приходимо до поняття іонного палива. Ця передова технологія відкриває нові горизонти у галузі ракетних двигунів та космічних досліджень. Хоча цей тип палива може здатися чимось із фантастичних книг, він уже давно існує і демонструє дедалі більшу перспективу. Іонне паливо - це плазма, що складається з заряджених частинок, таких як іони або електрично заряджені атоми. Воно відрізняється від традиційного палива, яке ми використовуємо на Землі. Коли іонне паливо іонізується (тобто робиться зарядженим), його частинки прискорюються в електричному полі, створюючи неймовірно високу швидкість. Одна з найдивовижніших властивостей іонного палива — унікальна здатність створювати тягу з невеликими змінами маси. Це означає, що ракети, що працюють на іонному паливі, можуть отримати значну швидкість, споживаючи лише невелику кількість палива. Іонне паливо має низку переваг перед традиційними ракетними паливами: Незважаючи на те, що іонне паливо є прогресивною технологією, воно вже знайшло своє застосування у космічній індустрії. Наприклад, міжпланетні зонди, такі як Dawn та Deep Space 1, використовували іонні двигуни для своїх експедицій у космос. У майбутньому іонне паливо може стати основним джерелом енергії для космічних польотів та космічної експлорації. Це відкриє нові можливості для дослідження наших сонячної системи та за її межами. Звичайно, іонне паливо не підкорить космос відразу, але насправді вже довело свою ефективність. Так що давайте слідуємо за розвитком цієї дивовижної технології та чекаємо, що вона принесе нам у майбутньому! Ракети можуть літати на різних типах палива, які забезпечують необхідну енергію для двигунів. Залежно від конкретної ракети та її призначення використовуються різні види палива. Одним із найпоширеніших типів палива для ракет є рідке паливо. Воно складається з комбінації окислювача та палива.Прикладами рідкого палива є кисень та гас, кисень та водень, рідкий водень та рідкий кисень та інші комбінації. Тверде паливо є сумішшю окислювача і палива, яка знаходиться в твердому стані. Воно є гранули або блоки, які згоряють при дії високих температур. Прикладами твердого палива для ракет можуть бути гексоген, алюмінієва пудра та інші сполуки. Гібридне паливо є комбінацією рідкого і твердого палива. У цьому випадку лише один компонент є твердим, а другий рідким. Така комбінація дозволяє отримати переваги обох типів палива. Прикладом гібридного палива може бути суміш рідкого кисню і твердого пального речовини, наприклад, гелію. Також існують ракети, які використовують ядерне паливо. Вони працюють на основі ядерної енергії та забезпечують значно більшу потужність. Однак через потенційний вплив на навколишнє середовище та інші негативні наслідки використання ядерного палива в ракетах вважається вкрай небезпечним і обмеженим.На твердій тязі
Двигун
Твердопаливний двигун складається з трьох базових частин: корпусу, палива та реактивного сопла.
Рецепт суміші
Горіння
Жорсткий візник
Прискорювач SLS
Яке паливо використовується для запуску ракет у космос?
Паливо для активації двигунів ракети
Твердотільне паливо: потужний засіб енергії для ракет
Рідке паливо: найважливіший компонент для польотів у космос
Кріогенне паливо: секрет успіху ракет
Гіперголічне паливо
Іонне паливо: майбутнє ракетної технології
Що таке паливо?
Переваги іонного палива
Застосування іонного палива
На якому пальному літають ракети?
Рідке паливо
Тверде паливо
Гібридне паливо
Ядерне паливо