Volar al espacio es sin duda uno de los logros más sorprendentes de nuestra civilización. El famoso Gagarin "¡vamos!" y el primer paso de Armstrong sobre la superficie lunar: hitos históricos en el camino hacia planetas distantes y otros sistemas estelares. Nada hubiera sucedido sin un motor de cohete, lo que nos permitió superar la fuerza gravitatoria del planeta y hacer posible entrar en la órbita de la Tierra.
El dispositivo del motor de cohete, por un lado, es tan sencillo que usted mismo puede construirlo en casa, gastando literalmente tres kopecks en él. Pero, por otro lado, el diseño de cohetes espaciales y militares es tan complejo que solo algunos estados del mundo tienen su tecnología de fabricación.
Un motor de cohete (RD) es un tipo de motor a reacción, cuyo cuerpo de trabajo y fuente de energía está directamente a bordo del avión. Esta es su principal diferencia con respecto a los motores a reacción. Por lo tanto, la calle de rodaje no depende del oxígeno de la atmósfera y, por lo tanto, puede utilizarse para vuelos en el espacio (sin aire) del espacio.
Rusia es uno de los líderes mundiales en el campo de la construcción de motores de cohetes. El retraso heredado de la Unión Soviética es impresionante. La industria nacional es capaz de producir los mejores motores de cohetes de varios propósitos. Prueba de ello es el motor de cohete RD-180, que se utiliza en el Atlas estadounidense. Las entregas a los Estados Unidos comenzaron en 2000 y continúan hasta el día de hoy. Hay otros desarrollos interesantes, y estamos hablando no solo de motores potentes para misiles balísticos o espaciales, sino también de calles de rodaje para varios sistemas de armas.
Actualmente, los llamados motores químicos de cohetes más comunes, en los que se forma el impulso específico debido a la combustión del combustible. Además de estos, también hay motores nucleares y eléctricos. En este artículo hablaremos sobre cómo funciona el motor de cohete, le informaremos sobre sus ventajas y desventajas, y también presentaremos la clasificación actual de las calles de rodaje.
Algunos físicos o cómo funciona.
Los diferentes tipos de motores de cohetes tienen diferencias significativas en su diseño, pero el trabajo de cualquiera de ellos se basa en la famosa tercera ley de Newton, que dice que "cada acción tiene la misma resistencia". El RD emite un chorro de fluido de trabajo en una dirección y, de acuerdo con el postulado newtoniano, se mueve en la dirección opuesta. Los productos de la combustión de combustible pasan por la boquilla, formando antojos: estos son los conceptos básicos de la teoría de los motores de cohetes.
Si estás parado en el bote, lanza una piedra desde la popa, entonces tu barco navegará un poco por delante. Este es el modelo visual del funcionamiento de todos los motores de cohetes. Otro ejemplo sería el trabajo de una manguera contra incendios, desde la cual se expulsa agua a alta presión. Para sostenerlo necesitas hacer algún esfuerzo. Si pones a un bombero en una patineta y le das una manguera, se moverá a una velocidad bastante alta.
La característica principal que determina la efectividad de tales sistemas es el empuje (fuerza de empuje). Se forma como resultado de la transformación de la energía inicial en el chorro cinético del fluido de trabajo. En el sistema métrico, el empuje del motor de cohete se mide en newtons, mientras que los estadounidenses lo cuentan en libras.
Otro parámetro importante de los motores de cohetes es el impulso específico. Esta es la relación entre la fuerza de empuje (o la cantidad de movimiento) y el consumo de combustible por unidad de tiempo. Este parámetro se considera como el grado de perfección de una calle de rodaje en particular, y es una medida de su eficiencia.
Los motores químicos funcionan debido a la reacción exotérmica de la combustión del combustible y el oxidante. Este tipo de RD tiene dos componentes:
- Una boquilla en la que la energía térmica se convierte en cinética;
- La cámara de combustión, donde tiene lugar el proceso de combustión, es decir, la conversión de energía química del combustible en calor.
De la historia de este número.
El motor de cohete es uno de los tipos de motores más antiguos conocidos por la humanidad. No podemos responder con precisión a la pregunta cuando se hizo exactamente el primer cohete. Existe la suposición de que esto fue hecho por los antiguos griegos (la paloma de madera de Arquita de Tarent), pero la mayoría de los historiadores consideran que China es el lugar de nacimiento de esta invención. Esto sucedió alrededor del siglo III dC, poco después del descubrimiento de la pólvora. Originalmente, los cohetes se usaban para fuegos artificiales y otros entretenimientos. El motor de cohete en polvo fue bastante efectivo y fácil de fabricar.
Se cree que estas tecnologías llegaron a Europa en algún lugar del siglo XIII, estudiaron al naturalista inglés Roger Bacon.
El primer misil de combate fue desarrollado en 1556 por Konrad Haas, quien inventó varios tipos de armas para el Emperador Ferdinand I. Este inventor puede llamarse el primer creador de la teoría de los motores de cohetes. También fue autor de la idea de un cohete de múltiples etapas: el mecanismo de operación de un avión consiste en a partir de dos cohetes. La investigación fue continuada por un polaco, Kazimir Semenovich, que vivió a mediados del siglo XVII. Sin embargo, todos estos proyectos quedaron en papel.
El uso práctico de los misiles comenzó solo en el siglo XIX. En 1805, el oficial británico William Congreve mostró cohetes de pólvora, que tenían un poder sin precedentes en ese momento. La presentación quedó impresionada y los misiles Congreve fueron adoptados por el ejército británico. Su principal ventaja, en comparación con la artillería de cañón, era la alta movilidad y el costo relativamente bajo, y el principal inconveniente era la precisión del incendio, que dejaba mucho que desear. A fines del siglo XIX, los cañones con rifles se extendieron ampliamente, dispararon con mucha precisión, por lo que los misiles fueron retirados del servicio.
En Rusia, este problema fue manejado por el General Zasyadko. No solo mejoró los misiles Congrive, sino también el primero en proponer su uso para un vuelo al espacio. En 1881, el inventor ruso Kibalchich creó su propia teoría de los motores de cohetes.
Otro de nuestros compatriotas, Konstantin Tsiolkovsky, hizo una gran contribución al desarrollo de esta tecnología. Entre sus ideas está el motor de cohete líquido (LRE), que trabaja en una mezcla de oxígeno e hidrógeno.
A principios del siglo pasado, los entusiastas de muchos países del mundo estaban comprometidos en la creación de un RD líquido, el primero en triunfar fue el inventor estadounidense Robert Goddard. Su cohete, trabajando en una mezcla de gasolina y oxígeno líquido, fue lanzado con éxito en 1926.
La Segunda Guerra Mundial fue un período del retorno de las armas de cohetes. En 1941, la instalación del fuego de volea BM-13, la famosa Katyusha, fue adoptada por el Ejército Rojo, y en 1943 los alemanes comenzaron a usar el balístico V-2 con un motor de cohete propulsante líquido. Fue desarrollado bajo la dirección de Werner von Braun, quien luego dirigió el programa espacial estadounidense. Alemania también dominó la producción del KR V-1 con un motor a reacción de flujo directo.
Después del final de la guerra entre la URSS y los Estados Unidos, comenzó una verdadera carrera de "cohetes". El programa soviético fue dirigido por Sergey Korolev, un destacado diseñador de motores de cohetes, fue bajo su liderazgo que se creó el ICBM R-7 nacional, y luego se lanzó el primer satélite artificial y se llevó a cabo un vuelo espacial tripulado.
A lo largo de los años, se han hecho intentos para crear motores de cohetes que funcionen a expensas de la energía de la descomposición nuclear (síntesis), pero nunca llegó al uso práctico de tales centrales eléctricas. En los años 70, el uso de motores de cohetes eléctricos comenzó en la URSS y en los Estados Unidos. Hoy en día se utilizan para corregir las órbitas y el curso de las naves espaciales. En los años 70 y 80 se realizaron experimentos con XRD de plasma, que se cree que tienen un buen potencial. Las grandes esperanzas se atribuyen a los motores de cohetes iónicos, cuyo uso teóricamente podría acelerar significativamente las naves espaciales.
Sin embargo, hasta ahora casi todas estas tecnologías están en su infancia, y el principal vehículo de los exploradores espaciales sigue siendo el viejo cohete "químico". Actualmente, el F-1 estadounidense, que participó en el proyecto lunar, y el RD-170/171 soviético, que se usó en el programa "Energy-Buran", compiten por el título de "el motor de cohete más poderoso del mundo".
¿Cómo son?
La clasificación de los motores de cohetes se basa en el método de obtención de energía para rechazar el fluido de trabajo. En base a este parámetro, las calles de rodaje son:
- química
- nuclear (termonuclear);
- eléctrico (cohete eléctrico);
- gas
Cada uno de los tipos anteriores se puede dividir en categorías más pequeñas. Los motores químicos (HDR), por ejemplo, según el estado de agregación del combustible, son combustible sólido y líquido. También hay un motor de cohete híbrido químico (GRD). El HDR también incluye un motor de cohete de cuña de aire, que tiene una forma y un diseño de boquilla diferentes. Hay RD nuclear en fase gaseosa y en fase sólida. Existen varios tipos de centrales eléctricas.
Química RD: ventajas y desventajas
Este tipo de motor de cohete es el más común y bien dominado. Podemos decir que fue HRD el que le dio espacio a la humanidad. Funciona debido a una reacción química exotérmica, y tanto el combustible como el oxidante están a bordo del avión y juntos forman el combustible. También sirve como fuente de energía y la base para el fluido de trabajo.
Los HDD tienen un impulso específico relativamente pequeño (en comparación con los eléctricos), pero les permiten desarrollar una mayor tracción. Esto es especialmente importante para el lanzamiento de motores de cohetes y cuando se eliminan las cargas útiles en órbita.
En los motores líquidos, el oxidante y el combustible están en fase líquida. Con la ayuda del sistema de combustible, se introducen en la cámara, donde se queman y fluyen a través de la boquilla.
En un combustible sólido RD, una mezcla de combustible y oxidante se coloca directamente en la cámara de combustión. Como regla general, el combustible tiene la forma de una barra con un canal central. El proceso de combustión va del centro a la periferia, los gases, que salen a través de la boquilla, forman un empuje. Estos motores tienen varias ventajas: son relativamente simples, baratos, ecológicos y confiables.
Las desventajas de un motor químico de propulsante sólido incluyen la duración limitada de su funcionamiento, un pequeño indicador del impulso específico (en comparación con los XRD líquidos) y la imposibilidad de reiniciar, después de su arranque, ya no se puede detener. Las características anteriores determinan el alcance del uso de las calles de rodaje de combustible sólido: cohetes balísticos y meteorológicos, misiles, misiles, misiles, proyectiles de cohetes para sistemas de fuego de volea. Los combustibles sólidos también se utilizan para arrancar motores de cohetes.
Las calles de rodaje líquidas tienen un impulso específico más alto, se pueden detener y reiniciar nuevamente, y empujar - para regular. Además, en comparación con el combustible sólido, son más ligeros y más compactos. Pero también hay una mosca en el ungüento: los motores de fluidos tienen una estructura compleja y un alto costo, por lo que el área principal de su uso es la astronáutica.
Como componentes del combustible para líquidos XRD usar varias combinaciones. Por ejemplo, oxígeno + hidrógeno o nitrógeno tetraóxido + dimetilhidracina asimétrica. En los últimos años, los cohetes de oxígeno y queroseno se han vuelto muy populares. El combustible puede consistir en cinco o más partes. Los motores de cohetes de metano se consideran muy prometedores, y hoy están comprometidos en su creación en varios países del mundo a la vez. Entre otros desarrollos interesantes en esta área, podemos mencionar el llamado motor de detonación del cohete, cuyo combustible no se quema, sino que explota.
El trabajo para mejorar el HDR no se detiene, pero es probable que ya se hayan alcanzado sus límites: los diseñadores han "exprimido" todo lo que pudieron del combustible químico. Un problema grave del HDR es la enorme masa de combustible que el avión debe levantar. Y esto es tremendamente ineficaz. El esquema con pasos desmontables mejoró algo la situación, pero claramente no se convirtió en una panacea.
Cabe señalar que los motores de cohetes químicos se utilizan no solo para la exploración espacial. Sin embargo, encontraron su uso en la Tierra, básicamente solo en asuntos militares. Todos los misiles de combate, comenzando con aviones pequeños o antitanques y terminando con enormes ICBM, están equipados con HRA. En su gran mayoría, tienen motores de combustible sólido más simples y más confiables. Un ejemplo del uso pacífico de HRD son los cohetes geofísicos y meteorológicos.
¡En la nave atómica a las estrellas!
El motor de cohete líquido le dio espacio al hombre y ayudó a llegar a los planetas más cercanos. La velocidad del chorro de escape del chorro de combustible líquido no supera los 4,5-5 m / s, lo que lo hace inadecuado para misiones a distancia, lo que requiere decenas de metros por segundo. Las naves espaciales con HRD aún pueden entregar a una persona a los planetas más cercanos, como Marte o Venus, pero para viajar a objetos distantes del Sistema Solar tendremos que encontrar algo nuevo. Una de las formas de salir de este callejón sin salida parece ser el uso de la energía oculta en el núcleo atómico.
Un motor de cohete nuclear (YARD) es un tipo de planta de energía en la cual el fluido de trabajo se calienta por fisión nuclear o energía de síntesis. Dependiendo del estado del combustible, puede ser sólido, líquido o en fase gaseosa. El hidrógeno o el amoníaco se utiliza comúnmente como medio de trabajo. La tracción YARD es bastante comparable con los motores químicos, mientras que tienen un alto impulso específico. Pero hay un problema: la contaminación de la atmósfera por el escape radioactivo.
La historia de los motores nucleares comenzó a mediados de los años 50, dos países en el mundo, Estados Unidos y la Unión Soviética, estaban comprometidos en su creación práctica. Ya en 1958, los estadounidenses establecieron la tarea de crear un PATIO para vuelos a la Luna y Marte (el programa NERVA). Casi al mismo tiempo, los diseñadores soviéticos también se ocuparon de cuestiones similares. A finales de los 70, se creó el motor de cohete nuclear RD-0410, pero no pasó las pruebas completas.
Actualmente, los más prometedores son los motores nucleares de fase gaseosa, en los que el combustible se encuentra en estado gaseoso en un matraz especial sellado. Esto elimina su contacto con el fluido de trabajo y reduce significativamente la probabilidad de contaminación radiactiva. A pesar de que los principales problemas técnicos de la creación de NRE se han resuelto durante mucho tiempo, hasta ahora ninguno de ellos ha encontrado su aplicación en la práctica. Aunque, este YARD particular, parece el más prometedor desde el punto de vista del uso real.
Motores de cohetes eléctricos, sus características, ventajas y desventajas.
Otro posible competidor, que tiene la posibilidad de reemplazar el HRD, es un motor de cohete eléctrico (ERE), que utiliza energía eléctrica para dispersar el fluido de trabajo.
La idea de crear una central eléctrica de este tipo nació a principios del siglo XX, y en la década de 1930, el científico soviético Glushko la implementó en la práctica. El trabajo activo en propulsión eléctrica comenzó en los Estados Unidos y la URSS en la década de 1960, y en la década de 1970, los primeros motores de cohetes de este tipo ya estaban instalados en una nave espacial.
Hay varios tipos de ERDs:
- electrotérmica;
- electrostática
- electromagnetico
- plasma
Los motores de cohetes eléctricos tienen una alta tasa de impulso específica, lo que les permite consumir económicamente el fluido de trabajo, pero también necesitan mucha energía, lo cual es un problema grave. Hasta el momento, la única fuente real de propulsión eléctrica son los paneles solares. Tienen un empuje bajo, que no les permite ser usados dentro de la atmósfera de la Tierra: el motor de lanzamiento del motor de propulsión definitivamente no funcionará. Actualmente se utilizan como shunting, para la corrección de las órbitas de las naves espaciales.
