Voar para o espaço é sem dúvida uma das conquistas mais surpreendentes da nossa civilização. O famoso Gagarin "vai!" e o primeiro passo de Armstrong na superfície lunar - marcos históricos no caminho para planetas distantes e outros sistemas estelares. Nada teria acontecido sem um motor de foguete, o que nos permitiu superar a força gravitacional do planeta e tornou possível entrar na órbita da Terra.
O dispositivo do motor do foguete, por um lado, é tão simples que você mesmo pode construí-lo em casa, gastando literalmente três copeques nele. Mas, por outro lado, o design de foguetes espaciais e militares é tão complexo que apenas alguns poucos estados do mundo têm sua tecnologia de fabricação.
Um motor de foguete (RD) é um tipo de motor a jato, cujo corpo de trabalho e fonte de energia está diretamente a bordo da aeronave. Esta é a sua principal diferença em relação aos motores a jato. Assim, a taxiway não depende do oxigênio da atmosfera e, portanto, pode ser usada para vôos no espaço (sem ar).
A Rússia é um dos líderes mundiais no campo da construção de motores de foguetes. O backlog herdado da União Soviética é impressionante. A indústria doméstica é capaz de produzir os melhores motores de foguetes de várias finalidades. Prova disso é o motor de foguete RD-180, que é usado no Atlas americano. As entregas para os Estados Unidos começaram em 2000 e continuam até hoje. Há outros desenvolvimentos interessantes, e estamos falando não apenas de motores potentes para mísseis espaciais ou balísticos, mas também de pistas de taxiamento para vários sistemas de armas.
Atualmente, os motores de foguetes químicos chamados mais comuns, em que o impulso específico é formado devido à combustão de combustível. Além destes, também existem motores nucleares e elétricos. Neste artigo vamos falar sobre como o motor de foguete funciona, falar sobre suas vantagens e desvantagens e também apresentar a classificação atual das taxiways.
Alguma física ou como funciona
Diferentes tipos de motores de foguete têm diferenças significativas em seu design, mas o trabalho de qualquer um deles é baseado na famosa terceira lei de Newton, que diz que "toda ação tem resistência igual". O RD emite um jato de fluido de trabalho em uma direção, e ele, de acordo com o postulado newtoniano, se move na direção oposta. Os produtos de combustão de combustível passam pelo bocal, formando desejos - estes são os princípios básicos da teoria dos motores de foguetes.
Se você está de pé no barco, jogue uma pedra da popa, então seu navio navegará um pouco à frente. Este é o modelo visual do funcionamento de todos os motores de foguete. Outro exemplo seria o trabalho de uma mangueira de incêndio, da qual a água é ejetada sob alta pressão. Para segurá-lo, você precisa fazer algum esforço. Se você colocar um bombeiro em um skate e lhe der uma mangueira, ele se moverá a uma velocidade razoavelmente alta.
A principal característica que determina a eficácia de tais sistemas é o empuxo (força de empuxo). É formado como resultado da transformação da energia inicial no jato cinético do fluido de trabalho. No sistema métrico, o impulso do motor de foguete é medido em newtons, enquanto os americanos contam em libras.
Outro parâmetro importante dos motores de foguete é o impulso específico. Essa é a razão entre a força de empuxo (ou quantidade de movimento) e o consumo de combustível por unidade de tempo. Este parâmetro é considerado como o grau de perfeição de uma taxiway particular e é uma medida de sua eficiência.
Motores químicos operam devido à reação exotérmica de combustão de combustível e oxidante. Este tipo de RD possui dois componentes:
- Um bocal no qual a energia térmica é convertida em cinética;
- A câmara de combustão, onde ocorre o processo de combustão, ou seja, a conversão da energia química do combustível em calor.
Da história desta edição
O motor de foguete é um dos mais antigos tipos de motores conhecidos pela humanidade. Não podemos responder precisamente à pergunta quando exatamente o primeiro foguete foi feito. Há uma suposição de que isso foi feito pelos antigos gregos (o pombo de madeira do Archite de Tarent), mas a maioria dos historiadores considera a China como o berço dessa invenção. Isso aconteceu por volta do século 3 dC, logo após a descoberta da pólvora. Originalmente, foguetes eram usados para fogos de artifício e outros entretenimentos. O motor de foguete de pó era bastante eficaz e fácil de fabricar.
Acredita-se que essas tecnologias chegaram à Europa em algum ponto do século XIII, estudaram o naturalista inglês Roger Bacon.
O primeiro míssil de combate foi desenvolvido em 1556 por Konrad Haas, que inventou vários tipos de armas para o imperador Ferdinand I. Este inventor pode ser chamado o primeiro criador da teoria dos motores de foguete, ele também criou a idéia de um foguete multi-estágio - o mecanismo de operação de uma aeronave de dois foguetes. A pesquisa foi continuada por um polonês, Kazimir Semenovich, que viveu em meados do século XVII. No entanto, todos esses projetos permaneceram no papel.
O uso prático dos mísseis começou apenas no século XIX. Em 1805, o oficial britânico William Congreve mostrou foguetes em pó, que tinham um poder sem precedentes na época. A apresentação ficou impressionada e os mísseis de Congreve foram adotados pelo exército britânico. Sua principal vantagem, comparada com a artilharia de barril, era a alta mobilidade e o custo relativamente baixo, e a principal desvantagem era a precisão do fogo, que deixava muito a desejar. No final do século XIX, os canhões fuzilados estavam amplamente espalhados, eles disparavam com muita precisão, então os mísseis foram retirados de serviço.
Na Rússia, esta questão foi tratada pelo general Zasyadko. Ele não apenas melhorou os mísseis Congrive, mas também o primeiro a propor usá-los para um vôo para o espaço. Em 1881, o inventor russo Kibalchich criou sua própria teoria dos motores de foguete.
Outro nosso compatriota, Konstantin Tsiolkovsky, fez uma enorme contribuição para o desenvolvimento desta tecnologia. Entre suas idéias está o motor de foguete líquido (LRE), trabalhando em uma mistura de oxigênio e hidrogênio.
No início do século passado, entusiastas em muitos países do mundo estavam engajados na criação de um RD líquido, o primeiro a ter sucesso foi o inventor americano Robert Goddard. Seu foguete, trabalhando em uma mistura de gasolina e oxigênio líquido, foi lançado com sucesso em 1926.
A Segunda Guerra Mundial foi um período do retorno de armas de foguete. Em 1941, a instalação do fogo BM-13, o famoso Katyusha, foi adotada pelo Exército Vermelho e, em 1943, os alemães começaram a usar o V-2 balístico com um motor de foguete de propulsor líquido. Foi desenvolvido sob a direção de Werner von Braun, que mais tarde dirigiu o programa espacial americano. A Alemanha também dominou a produção do KR V-1 com um motor a jato de fluxo direto.
Após o fim da guerra entre a URSS e os EUA, uma verdadeira corrida de foguetes começou. O programa soviético era liderado por Sergey Korolev, um proeminente projetista de motores de foguete, sob sua liderança que o ICBM R-7 doméstico foi criado, e mais tarde o primeiro satélite artificial foi lançado e um vôo espacial tripulado foi realizado.
Ao longo dos anos, tentativas foram feitas para criar motores de foguetes operando às custas da energia da decadência nuclear (síntese), mas nunca chegou ao uso prático de tais usinas. Nos anos 70, o uso de motores de foguetes elétricos começou na URSS e nos EUA. Hoje eles são usados para corrigir as órbitas e o curso da espaçonave. Nos anos 70 e 80, houve experimentos com DRXs plasmáticos, que se acredita terem bom potencial. Grandes esperanças são atribuídas aos motores de foguetes de íons, cujo uso teoricamente poderia acelerar significativamente as espaçonaves.
No entanto, até agora quase todas essas tecnologias estão em sua infância, e o principal veículo dos exploradores espaciais continua sendo o bom e velho foguete "químico". Atualmente, o americano F-1, que participou do projeto lunar, e o soviético RD-170/171, usado no programa "Energy-Buran", concorrem ao título de "o mais poderoso motor de foguete do mundo".
Como eles são?
A classificação dos motores de foguete é baseada no método de obtenção de energia para rejeitar o fluido de trabalho. Com base nesse parâmetro, as taxiways são:
- químico;
- nuclear (termonuclear);
- elétrico (foguete elétrico);
- gás.
Cada um dos tipos acima pode ser dividido em categorias menores. Motores químicos (HDR), por exemplo, dependendo do estado de agregação do combustível, são combustíveis sólidos e combustíveis líquidos. Há também um motor de foguete híbrido químico (GRD). O HDR também inclui um motor de foguete de ar comprimido, que tem um formato diferente e um design de bico. Existem RD nuclear em fase gasosa e em fase sólida. Existem vários tipos de usinas de energia elétrica.
RD Química: vantagens e desvantagens
Este tipo de motor de foguete é o mais comum e bem dominado. Podemos dizer que foi o HRD que deu espaço para a humanidade. Funciona devido a uma reação química exotérmica, e tanto o combustível quanto o oxidante estão a bordo da aeronave e juntos formam o combustível. Também serve como fonte de energia e base para o fluido de trabalho.
Os HDDs têm um impulso específico relativamente pequeno (quando comparado com os elétricos), mas permitem que eles desenvolvam maior tração. Isso é especialmente importante para o lançamento de motores de foguete e para a remoção de cargas úteis em órbita.
Nos motores líquidos, o oxidante e o combustível estão na fase líquida. Com a ajuda do sistema de combustível, eles são alimentados na câmara, onde são queimados e fluem através do bocal.
Em um combustível sólido RD, uma mistura de combustível e oxidante é colocada diretamente na câmara de combustão. Como regra geral, o combustível tem a forma de uma haste com um canal central. O processo de combustão vai do centro para a periferia, os gases saindo pelo bocal formam um impulso. Esses motores têm várias vantagens: são relativamente simples, baratos, ecológicos e confiáveis.
As desvantagens de um motor químico de propulsor sólido incluem a duração limitada de sua operação, um pequeno indicador do impulso específico (comparado a XRDs líquidos) e a impossibilidade de reiniciar - após o início, ele não pode mais ser parado. As características acima determinam o escopo do uso de taxiways de propulsores sólidos - estes são foguetes balísticos e meteorológicos, mísseis, mísseis, mísseis, projéteis de foguete para sistemas de fogo de vôlei. Combustíveis sólidos também são usados na partida de motores de foguetes.
As taxiways líquidas têm um impulso específico mais alto, podem ser paradas e religadas novamente, e impulsionadas - para regular. Além disso, em comparação com o combustível sólido, são mais leves e compactos. Mas há também uma mosca na pomada: os motores fluidos têm uma estrutura complexa e alto custo, então a área principal de seu uso é a astronáutica.
Como componentes de combustível para XRD líquido, use várias combinações. Por exemplo, oxigênio + hidrogênio ou tetraoxido de nitrogênio + dimetil-hidrazina assimétrica. Nos últimos anos, os foguetes de oxigênio e querosene tornaram-se muito populares. O combustível pode consistir em cinco ou mais partes. Motores de foguete de metano são considerados muito promissores, hoje eles estão envolvidos em sua criação em vários países do mundo ao mesmo tempo. Entre outros desenvolvimentos interessantes nesta área, podemos mencionar o chamado motor de foguete de detonação, cujo combustível não queima, mas explode.
O trabalho para melhorar o HDR não para, mas é provável que seus limites já tenham sido atingidos - os projetistas “espremeram” tudo o que puderam do combustível químico. Um problema sério do HDR é a enorme massa de combustível que a aeronave deve levantar. E isso é descontroladamente ineficaz. O esquema com degraus destacáveis melhorou um pouco a situação, mas claramente não se tornou uma panacéia.
Deve-se notar que os motores de foguetes químicos são usados não apenas para exploração espacial. Eles encontraram seu uso na Terra, basicamente, apenas em assuntos militares. Todos os mísseis de combate, começando com pequenas aeronaves ou anti-tanque, e terminando com enormes ICBMs, estão equipados com HRA. Surpreendentemente, eles têm motores de combustível sólido mais simples e confiáveis. Um exemplo do uso pacífico de HRD são os foguetes geofísicos e meteorológicos.
Na nave atômica para as estrelas!
O motor de foguete líquido deu espaço ao homem e ajudou a chegar aos planetas mais próximos. A velocidade de escape do jato de jatos no combustível líquido não excede 4,5-5 m / s, o que o torna inadequado para missões distantes - isso requer dezenas de metros por segundo. Espaçonaves com defensores de direitos humanos ainda são capazes de entregar uma pessoa aos planetas mais próximos - como Marte ou Vênus - mas, para viajar para objetos distantes do Sistema Solar, teremos que criar algo novo. Uma das saídas desse impasse parece ser o uso de energia escondida no núcleo atômico.
Um motor de foguete nuclear (YARD) é um tipo de usina em que o fluido de trabalho é aquecido por energia nuclear de fissão ou síntese. Dependendo do estado do combustível, pode ser fase sólida, líquida ou gasosa. O hidrogênio ou amônia é comumente usado como meio de trabalho. A tração YARD é bastante comparável com os motores químicos, enquanto eles têm um impulso específico alto. Mas há um problema - a poluição da atmosfera por exaustão radioativa.
A história dos motores nucleares começou em meados dos anos 50, dois países do mundo - os Estados Unidos e a União Soviética - estavam engajados em sua criação prática. Já em 1958, os americanos definiram a tarefa de criar um YARD para voos para a Lua e Marte (o programa NERVA). Na mesma época, os designers soviéticos também lidavam com problemas semelhantes. No final dos anos 70, o motor de foguete nuclear RD-0410 foi criado, mas não passou nos testes completos.
Atualmente, os mais promissores são os motores nucleares em fase gasosa, nos quais o combustível está em estado gasoso em um frasco selado especial. Isso elimina o contato com o fluido de trabalho e reduz significativamente a probabilidade de contaminação radioativa. Apesar do fato de que os principais problemas técnicos de criação de NREs foram resolvidos há muito tempo, até agora nenhum deles encontrou sua aplicação na prática. Embora, este YARD específico seja o mais promissor do ponto de vista do uso real.
Motores de foguetes elétricos, suas características, vantagens e desvantagens
Outro concorrente possível, que tem a chance de substituir o HRD, é um motor de foguete elétrico (ERE), que usa energia elétrica para dispersar o fluido de trabalho.
A idéia de criar uma usina de energia como essa nasceu no início do século 20, na década de 1930, o cientista soviético Glushko implementou na prática. O trabalho ativo na propulsão elétrica começou nos Estados Unidos e na URSS nos anos 60 e, na década de 1970, os primeiros motores de foguete deste tipo já estavam instalados em espaçonaves.
Existem vários tipos de ERDs:
- eletrotérmico;
- eletrostático;
- eletromagnético;
- plasma
Motores de foguetes elétricos têm uma alta taxa de impulso específica, o que lhes permite consumir economicamente o fluido de trabalho, mas eles também precisam de muita energia, o que é um problema sério. Até agora, a única fonte real de propulsão elétrica são os painéis solares. Eles têm baixo empuxo, o que não permite que eles sejam usados dentro da atmosfera da Terra - o motor de foguete de lançamento do motor de propulsão definitivamente não funcionará. Atualmente eles são usados como desvio - para a correção das órbitas da espaçonave.
