Ракетный двигатель raptor реферат
Обновлено: 04.07.2024
SpaceX Raptor ( Раптор ) — криогенный метановый ракетный двигатель, разрабатываемый SpaceX. Он предназначен для установки на нижние и верхние ступени будущих сверхтяжелых РН SpaceX, предназначенных для межпланетных перелётов. Этот двигатель работает на жидких метане и кислороде ( LOX ), а не на керосине RP-1 и жидком кислороде, как в предыдущих РН компании Falcon 9, и их двигателях Merlin-1C и 1D . Ранние концепции для Раптора использовали в качестве топлива жидкий водород ( LH2 ), а не метан.
Этот двигатель, пожалуй, можно назвать важнейшей составляющей представленной Илоном Маском концепции Interplanetary Transport System (ITS), направленной на покорение Марса.
Одной из интересных особенностей данного РД является выбор топлива. Двигатель работает на жидком метане и жидком кислороде. Это дает сразу несколько преимуществ. Пара жидкий метан/жидкий кислород имеет достаточно высокую плотность, что не потребует существенного увеличения баков при необходимости дополнительного запаса топлива. Ранее инженеры SpaceX также рассматривали вариант, при котором бы использовался не метан, а жидкий водород. Но последний более агрессивен по отношению к используемым в ракетостроении материалам, поэтому от этой идеи отказались.
В качестве пояснения. У ракетного двигателя с замкнутой схемой один из компонентов газифицируется в газогенераторе путем сжигания при невысокой температуре с небольшой частью другого компонента. Получаемый в итоге горячий газ используется в качестве рабочего тела турбины турбонасосного агрегата. Сработавший на турбине генераторный газ в конечном итоге попадает в камеру сгорания двигателя, куда также подается оставшаяся часть неиспользованного компонента топлива. В камере сгорания завершается сжигание компонентов и создается реактивная тяга.
В случае с полнопоточным ступенчатым циклом сгорания происходит газификация всего топлива в двух газогенераторах. В одном из них незначительная часть горючего сжигается с практически полным расходом окислителя, а в другом — почти полный расход горючего сжигается с оставшейся частью окислителя. Жидкостный ракетный двигатель закрытого цикла с полной газификацией компонентов имеет более высокий, в сравнении с другими схемами, удельный импульс, обладает большей надежностью и лучшими показателями пожароопасности.
Ссылка на канал в Telegram , в котором я публикую и статьи из Дзен, но в основном то, что сюда не входит по тем или иным причинам, а также немного различной отсебятины.
Первым по настоящему массовым двигателем компании SpaceX был Merlin, работающий на паре RP-1/LOX. Про данный двигатель можно сказать, что хоть он и является самым эффективным газогенераторным двигателем на данной топливной паре в истории США и обладает рекордной тяговооружённостью в целом он в первую очередь сделан с упором на безотказность, многоразовость и дешевизну. Можно сказать, что работая над Falcon 9 ставилась задача прежде всего обкатать до рутинного уровня технологию многоразовости, что в итоге принесло существенные плоды.
Химические формулы топлив, которые предполагалось использовать в двигателях РД-270: слева — НДМГ (C2H8N2; синие шарики — атомы азота, чёрные шарики — атомы углерода, белые шарики — атомы водорода); справа — пентаборан (B5H9; розовые шарики — атомы бора, белые шарики — атомы водорода). Оба соединения крайне токсичны, пентаборан в добавок ко всему обладает склонностью к внезапному самовоспламенению при контакте с воздухом даже при незначительном загрязнении. Кроме того, НДМГ и пентаборан гораздо дороже керосина в производстве.
-
Крайне низкая температура жидкого водорода (около -253 градусов Цельсия) делает его не самым удобным топливом;
При этом использование метана имеет ряд важных преимуществ по сравнению с LH2/LOX и RP-1/LOX:
ЖРД замкнутой схемы (ЖРД закрытого цикла) — жидкостный ракетный двигатель, выполненный по схеме с дожиганием генераторного газа. В ракетном двигателе замкнутой схемы один из компонентов газифицируется в газогенераторе за счёт сжигания при относительно невысокой температуре с небольшой частью другого компонента, и получаемый горячий газ используется в качестве рабочего тела турбины турбонасосного агрегата (ТНА). Сработавший на турбине генераторный газ затем подаётся в камеру сгорания двигателя, куда также подаётся оставшаяся часть неиспользованного компонента топлива. В камере сгорания завершается сжигание компонентов с созданием реактивной тяги. Различают следующие типы ЖРД закрытого цикла:
Пара слов об РД-270. Его разработка началась в 1962 году и была завершена в 1967-ом, то есть через 5 лет. Всего с октября 1967 года и до закрытия программы по созданию УР-700/УР-900 в июле 1969 года было проведено 27 огневых испытаний данного агрегата и собрано в общем сложности 22 экземпляра данного двигателя. Три двигателя испытывались повторно, а один — трижды. Затем проект УР-700/УР-900 был закрыт.
Схема ракетного двигателя с полной газификацией. Данная архитектура позволяет существенно повысить надёжность (к примеру, за счёт снижения количества необходимых насосов и трубопроводов) и характеристики двигателя при одновременном снижении его массы. Preburner — газогенератор; Pump — турбонасосы; Combustion Chamber — главная камера сгорания. Для сравнения в спойлере ниже приведена схема двигателя закрытого цикла с восстановительным генераторным газом, в котором топливо подаётся только через газогенератор, а окислитель ещё и напрямую из баков.
Есть, правда, у схемы с полной газификацией подводный камень — главные камеры сгорания двигателей, произведённых по такой технологии очень сложно тестировать. Дело в том, что большинство современных двигателей могут тестироваться по частям: насосы отдельно, камеры сгорания отдельно и так далее. При использовании же полной газификации это не представляется возможным ввиду того, что все детали двигателя очень сильно зависят друг от друга. Замкнутая схема с полной газификацией компонентов топлива подразумевает газификацию в двух отдельных газогенераторах (газогенератор — устройство для преобразования твёрдого или жидкого топлива в газообразную форму): в одном небольшая часть горючего сжигается с огромным количеством расходом окислителя (по сути это своего рода окислительный газогенератор), а в другом — переизбыток горючего сжигается с небольшим объёмом окислителя (по сути это своего рода топливный газогенератор). Поступление окислителя и топлива в газогенераторы осуществляется с помощью турбонасосов и эти же самые турбонасосы сразу после запуска двигателя работают за счёт энергии полученных в газогенераторах продуктов газификации. Наконец, в отличие от всех остальных схем полнопоточный закрытый цикл подразумевает поступление в камеру сгорания топлива о окислителя исключительно в газообразном виде, то есть она (камера сгорания) подключена исключительно к газогенераторам, но не к бакам, стало бы испытать камеру сгорания без газогенераторов и соответствующих турбонасосов принципиально невозможно. В общем для испытаний нужно собирать двигатель полностью.
Илон Маск представляет публике обзор характеристик двигателя Raptor на Международном конгрессе астронавтики, 27 сентября 2016 года, Гвадалахара, Мексика.
Пожалуй, важнейшей составляющей представленной Илоном Маском концепции Interplanetary Transport System (ITS), направленной на покорение Марса, является новейший ракетный двигатель Raptor. Что же он собой представляет и чем лучше существующих аналогов?
Самый громкий проект
Концепция ITS — часть еще более масштабного проекта Илона Маска, направленного на колонизацию Марса. При этом разработанный космический транспорт компания SpaceX хочет использовать и для полетов к другим планетам Солнечной системы.
Почему Raptor?
Этот вопрос стоит рассмотреть более детально. У ракетного двигателя с замкнутой схемой один из компонентов газифицируется в газогенераторе путем сжигания при невысокой температуре с небольшой частью другого компонента. Получаемый в итоге горячий газ используется в качестве рабочего тела турбины турбонасосного агрегата. Сработавший на турбине генераторный газ в конечном итоге попадает в камеру сгорания двигателя, куда также подается оставшаяся часть неиспользованного компонента топлива. В камере сгорания завершается сжигание компонентов и создается реактивная тяга.
В случае с полнопоточным ступенчатым циклом сгорания происходит газификация всего топлива в двух газогенераторах. В одном из них незначительная часть горючего сжигается с практически полным расходом окислителя, а в другом — почти полный расход горючего сжигается с оставшейся частью окислителя. Жидкостный ракетный двигатель закрытого цикла с полной газификацией компонентов имеет более высокий, в сравнении с другими схемами, удельный импульс, обладает большей надежностью и лучшими показателями пожарной безопасности.
Наконец, самое главное, о чем нельзя не упомянуть в свете намерений Маска. Неизвестно, как сложится судьба Interplanetary Transport System: все-таки в этом случае SpaceX замахнулась на что-то почти невероятное. Но вот создание Raptor — вполне реальная цель для уже доказавшей свои способности компании.
Измеритель диаметра, измеритель эксцентриситета, автоматизация, ГИС, моделирование, разработка программного обеспечения и электроники, БИМ
Итак, на 2017 год компания SpaceX, пожалуй, ближе всех к отправке на Марс чего либо, отличающегося от зонда или марсохода. Более того, в планы компании входят вполне себе массовые пилотируемые экспедиции на Красную планету, которые будут обеспечивать долговременное присутствие человека на четвёртой от Солнца планете. Кроме того, SpaceX рассматривает проведение исследовательских миссий в тех частях Солнечной системы, мысли о которых не посещали даже головы самых отчаянных романтиков ракетной индустрии. Но какие технологии стоят за данными планами? Давайте разбираться.
Первым по настоящему массовым двигателем компании SpaceX был Merlin, работающий на паре RP-1/LOX. Про данный двигатель можно сказать, что хоть он и является самым эффективным газогенераторным двигателем на данной топливной паре в истории США и обладает рекордной тяговооружённостью в целом он в первую очередь сделан с упором на безотказность, многоразовость и дешевизну. Можно сказать, что работая над Falcon 9 ставилась задача прежде всего обкатать до рутинного уровня технологию многоразовости, что в итоге принесло существенные плоды.
Химические формулы топлив, которые предполагалось использовать в двигателях РД-270: слева — НДМГ (C2H8N2; синие шарики — атомы азота, чёрные шарики — атомы углерода, белые шарики — атомы водорода); справа — пентаборан (B5H9; розовые шарики — атомы бора, белые шарики — атомы водорода). Оба соединения крайне токсичны, пентаборан в добавок ко всему обладает склонностью к внезапному самовоспламенению при контакте с воздухом даже при незначительном загрязнении. Кроме того, НДМГ и пентаборан гораздо дороже керосина в производстве.
При этом использование метана имеет ряд важных преимуществ по сравнению с LH2/LOX и RP-1/LOX:
ЖРД замкнутой схемы (ЖРД закрытого цикла) — жидкостный ракетный двигатель, выполненный по схеме с дожиганием генераторного газа. В ракетном двигателе замкнутой схемы один из компонентов газифицируется в газогенераторе за счёт сжигания при относительно невысокой температуре с небольшой частью другого компонента, и получаемый горячий газ используется в качестве рабочего тела турбины турбонасосного агрегата (ТНА). Сработавший на турбине генераторный газ затем подаётся в камеру сгорания двигателя, куда также подаётся оставшаяся часть неиспользованного компонента топлива. В камере сгорания завершается сжигание компонентов с созданием реактивной тяги. Различают следующие типы ЖРД закрытого цикла:
Пара слов об РД-270. Его разработка началась в 1962 году и была завершена в 1967-ом, то есть через 5 лет. Всего с октября 1967 года и до закрытия программы по созданию УР-700/УР-900 в июле 1969 года было проведено 27 огневых испытаний данного агрегата и собрано в общем сложности 22 экземпляра данного двигателя. Три двигателя испытывались повторно, а один — трижды. Затем проект УР-700/УР-900 был закрыт.
Схема ракетного двигателя с полной газификацией. Данная архитектура позволяет существенно повысить надёжность (к примеру, за счёт снижения количества необходимых насосов и трубопроводов) и характеристики двигателя при одновременном снижении его массы. Preburner — газогенератор; Pump — турбонасосы; Combustion Chamber — главная камера сгорания. для сравнения в спойлере ниже приведена схема двигателя закрытого цикла с восстановительным генераторным газом, в котором топливо подаётся только через газогенератор, а окислитель ещё и напрямую из баков.
Есть, правда, у схемы с полной газификацией подводный камень — главные камеры сгорания двигателей, произведённых по такой технологии очень сложно тестировать. Дело в том, что большинство современных двигателей могут тестироваться по частям: насосы отдельно, камеры сгорания отдельно и так далее. При использовании же полной газификации это не представляется возможным ввиду того, что все детали двигателя очень сильно зависят друг от друга. Замкнутая схема с полной газификацией компонентов топлива подразумевает газификацию в двух отдельных газогенераторах (газогенератор — устройство для преобразования твёрдого или жидкого топлива в газообразную форму): в одном небольшая часть горючего сжигается с огромным количеством расходом окислителя (по сути это своего рода окислительный газогенератор), а в другом — переизбыток горючего сжигается с небольшим объёмом окислителя (по сути это своего рода топливный газогенератор). Поступление окислителя и топлива в газогенераторы осуществляется с помощью турбонасосов и эти же самые турбонасосы сразу после запуска двигателя работают за счёт энергии полученных в газогенераторах продуктов газификации. Наконец, в отличие от всех остальных схем полнопоточный закрытый цикл подразумевает поступление в камеру сгорания топлива о окислителя исключительно в газообразном виде, то есть она (камера сгорания) подключена исключительно к газогенераторам, но не к бакам, стало бы испытать камеру сгорания без газогенераторов и соответствующих турбонасосов принципиально невозможно. В общем для испытаний нужно собирать двигатель полностью.
Илон Маск представляет публике обзор характеристик двигателя Raptor на Международном конгрессе астронавтики, 27 сентября 2016 года, Гвадалахара, Мексика.
Понравилась статья? Тогда поддержите нас, поделитесь с друзьями и заглядывайте по рекламным ссылкам!
Читайте также: