0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Что такое жидкий двигатель

SLM-технология бьет рекорды: напечатан самый большой ракетный двигатель

Производитель металлических аддитивных установок SLM Solutions изготовил для британской аэрокосмической компании Orbex двигатель, который назван самым большим в мире ракетным двигателем, созданным с помощью 3D-печати.

Двигатель для коммерческой орбитальной ракеты-носителя Prime был напечатан на 3D-принтере как цельнометаллическое изделие и будет использоваться для доставки на орбиту небольших спутников. Ракета Prime была недавно официально представлена в ходе церемонии открытия нового головного предприятия Orbex в Форресе (Шотландия), созданного при поддержке фонда Европейской комиссии Horizon 2020, Космического агентства Великобритании (UKSA) и других частных и общественных организаций.

На торжественной церемонии Грэм Тернок, исполнительный директор UKSA, заявил: «Новый проектный комплекс Orbex – еще один шаг Великобритании к самостоятельным коммерческим запускам ракет. Это укрепление ее лидерских позиций в Европе в глазах тех, кто устремляет свой взор на орбиту Земли и за ее пределы в поиске новых возможностей».

Признаки гидроудара

Вот как происходит гидроудар двигателя — транспортное средство резко глохнет. Почти всегда в фильтре или зоне ГБЦ собирается жидкость, а работа агрегата сопровождается характерными звуками. В зависимости от обстановки, силовая установка получает лёгкие или значительные повреждения.

Однако по одним лишь симптомам определить последствия гидроудара удаётся редко. Потребуется окончательная диагностика с замером компрессии, «вскрыванием» движка и другими манипуляциями.

Больше всех страдает дизельный мотор, так как здесь создаётся очень высокое давление внутри цилиндров.

Кроме того, частыми «гостями» ремонтных центров по причине гидроударов становятся автомобили с низким дорожным просветом. Особенно это касается спортивных машин.

Работа двигателя на водороде: особенности водородного ДВС

Начнем с того, что двигатель внутреннего сгорания на водороде по своей конструкции не сильно отличается от обычного ДВС. Все те же цилиндры и поршни, камера сгорания и сложный кривошипно-шатунный механизм для преобразования возвратно поступательного движения в полезную работу.

Единственное, в цилиндрах сгорает не бензин, газ или солярка, а смесь воздуха и водорода. Также нужно учитывать и то, что способ подачи водородного топлива, смесеобразование и воспламенение также несколько другой по сравнению с аналогичными процессами в традиционных аналогах.

На водороде реакция протекает быстрее, что позволяет сдвинуть наполнение цилиндра на момент, когда поршень уже начинает движение в НМТ (нижняя мертвая точка). Также после того, как протекает реакция, результатом становится обычная вода вместо токсичных выхлопных газов. Как видно, на первый взгляд стандартный двигатель относительно легко подстроить под водородное топливо путем доработок впуска, выпуска и системы питания, однако это не так.

Первая проблема заключается в том, как получать необходимый водород. Как известно, водород находится в составе воды и является распространенным элементом, однако в чистом виде практически не встречается. По этой причине для максимальной автономности на транспортное средство нужно отдельно ставить водородные установки, чтобы «расщеплять» воду, позволяя мотору питаться необходимым топливом.

Идея кажется привлекательной. Более того, можно даже обойтись без наружного воздуха на впуске и создать закрытую топливную систему. Другими словами, после каждого раза, когда в камере сгорит заряд, в цилиндре будет оставаться водяной пар. Если этот пар пропустить через радиатор, произойдет конденсация, то есть снова образуется вода, из которой можно повторно получить водород.

Дело в том, что любой двигатель внутреннего сгорания независимо от типа топлива все равно нуждается в системе смазки, чтобы защитить нагруженные узлы и трущиеся пары. Если просто, без моторного масла никак не обойтись. При этом масло частично попадает в камеру сгорания и затем в выхлоп. Это значит, что полностью изолировать топливную систему на водороде (не использовать наружный воздух) практически нереализуемая задача.

По этой причине современные водородные двигатели внутреннего сгорания больше напоминают газовые двигатели, то есть агрегаты на газе пропане. Чтобы использовать водород вместо пропана, достаточно изменить настройки такого ДВС. Правда, КПД на водороде несколько снижается. Однако и водорода нужно меньше, чтобы получить необходимую отдачу от мотора. При этом никаких установок для автономного получения водорода не предполагается.

Читать еще:  Что такое русский электрический двигатель а

Что касается попытки подать водород в обычный бензиновый или дизельный двигатель, автоматически возникают риски и сложности. Прежде всего, высокие температуры и степень сжатия могут привести к тому, что водород будет вступать в реакцию с нагретыми элементами ДВС и моторным маслом.

Так или иначе, даже с учетом всех сложностей, ряд проблем удается обойти не только на роторных, но даже и на поршневых моторах, что позволяет водороду считаться достаточно перспективной альтернативой бензину, газу или солярке. Например, экспериментальная версия модели BMW 750hL, которую представили в 2000 году, имеет водородный двигатель на 12 цилиндров. Агрегат успешно работает на таком горючем и способен разогнать автомобиль до скорости около 140 км/час.

Правда, никаких отдельных установок для получения водорода из воды на машине не имеется. Вместо этого стоит особый бак, который просто заправлен водородом. Запас хода на полном баке водорода составляет около 300 км. После того, как водород закончится, двигатель в автоматическом режиме начинает работать на бензине.

Двигатель на водородных топливных элементах

Обратите внимание, под водородными двигателями понимаются как агрегаты, работающие на водороде (водородный ДВС), так и моторы, которые используют водородные топливные элементы. Первый тип мы уже рассмотрели выше, теперь давайте остановимся на втором варианте.

Топливный элемент на водороде фактически представляет собой «батарейку». Другими словами, это водородный аккумулятор с высоким КПД около 50%. Устройство основано на физико-химических процессах, в корпусе такого топливного элемента имеется особая мембрана, проводящая протоны. Эта мембрана разделяет две камеры, в одной из которых стоит анод, а в другой катод.

В камеру, где расположен анод, поступает водород, а в камеру с катодом попадает кислород. Электроды дополнительно покрыты дорогими редкоземельными металлами (зачастую, платиной). Это позволяет играть роль катализатора, который оказывает воздействие на молекулы водорода. В результате водород теряет электроны. Одновременно протоны идут через мембрану на катод, при этом катализатор также воздействует и на них. В итоге происходит соединение протонов с электронами, которые поступают снаружи.

Подобные водородные двигатели позволяет пройти не менее 200 км. на одном заряде. Основным минусом является высокая стоимость топливных элементов по причине использования платины, палладия и других дорогих металлов. В результате конечная стоимость транспорта с таким двигателем сильно возрастает.

Спасение от перехвата и чрезмерная стоимость. Потенциал и перспективы программы DARPA DRACO

Агентство перспективных разработок DARPA продолжает поиски технологий, позволяющих повысить живучесть и устойчивость военной орбитальной группировки. Наиболее смелое предложение в этой области предусматривает создание ядерной двигательной установки DRACO для спутников, при помощи которой они смогут маневрировать и уходить из-под удара. Такая концепция выглядит весьма интересно, однако имеет как преимущества, так и недостатки.

Перспективная разработка

Новую программу DRACO (Demonstration Rocket for Agile Cislunar Operations – «Демонстрационная ракета для гибких операций в межлунном пространстве») запустили около года назад. Были составлены общие планы по проведению тех или иных работ, а также определены ключевые требования и технологии проекта. Кроме того, начался поиск исполнителей.

В сентябре 2020 г. DARPA подписало соглашение с компанией Gryphon Technologies. В течение нескольких следующих лет она должна будет оказывать научную и технологическую поддержку разработчикам двигателя DRACO. Стоимость заключенного контракта достигла 14 млн долл.

В апреле этого года стали известны планы на ближайшее будущее; также были заключены новые соглашения с исполнителями работ. В ближайшие 18 месяцев предполагается выполнить проектные работы, разделенные на два направления – Track A и Track B. Целью «Трека А» является разработка нового ядерного ракетного двигателя. В рамках параллельного проекта «B» проработают облик «операционного» космического аппарата под такой двигатель (Operational System – OS), а также создадут демонстратор технологий (Demonstration System – DS).

Исполнителем проекта Track A назначена компания General Atomics; ей будет помогать Gryphon Technologies, ранее привлеченная к программе. Разработку космических аппаратов поручили компаниям Lockheed Martin и Blue Origin. Все участники программы будут постоянно взаимодействовать друг с другом и обмениваться технической и иной информацией.

Читать еще:  Что такое горячий или холодный двигатель

В июне к DRACO присоединилась еще одна компания – Ultra Safe Nuclear Technologies (USNC-Tech) из состава Ultra Safe Nuclear Corporation (USNC). Ее задачей станет помощь с разработкой обоих «треков» в контексте безопасности двигательной установки и сопутствующих систем.

Таким образом, определен окончательный список участников программы и начаты реальные исследовательские и конструкторские работы. На них планируют потратить несколько лет и сотни миллионов долларов. Первый полет демонстратора DS с двигателем DRACO запланирован на 2025 г. Как сообщалось ранее, ракета-носитель с химическим двигателем выведет DS на орбиту, где и пройдет проверка двигательной установки. Как скоро новые технологии удастся довести до стадии OS и внедрения на практике, неизвестно.

Новые принципы

Целью программы DRACO является создание ядерной двигательной установки типа NTP (Nuclear Thermal Propulsion). Архитектура и принцип работы такого двигателя хорошо известен, однако DARPA пока не публиковало техническое задание и точные характеристики будущего изделия.

Ключевым элементом двигателя NTP / DRACO является ядерный реактор требуемой мощности. Как сообщается, реактор будет использовать уран с уровнем обогащения в пределах 5-20 проц. (т.н. HALEU – High Assay Low Enriched Uranium). Тепло от реактора будет использоваться для нагрева рабочего тела, которым станет сжиженный водород или иное вещество. Жидкое вещество будет испаряться, получать дополнительную энергию и истекать через сопло с высокой скоростью, обеспечивающей необходимую тягу.

По расчетам, двигатель NTP, использующий водород, по общим характеристикам и возможностям будет примерно вдвое эффективнее и экономичнее химического. Это даст известные выгоды при разработке и эксплуатации космических кораблей. В частности, можно будет уменьшать баки для водородного «топлива» и сокращать общую массу корабля.

Главной целью проекта DRACO является повышение безопасности космических аппаратов военного назначения на низких орбитах. Развитые страны, рассматриваемые в качестве вероятных противников США, имеют или разрабатывают противоспутниковое вооружении. Соответственно, в ходе полномасштабного конфликта орбитальная группировка Пентагона рискует быстро потерять, как минимум, часть техники и возможностей.

Главным результатом проекта DRACO должна стать универсальная ядерная двигательная установка, пригодная для монтажа на космические аппараты различного назначения. С ее помощью предлагается выводить спутники из-под удара противоспутниковых ракет или аппаратов-перехватчиков.

Принцип такой защиты достаточно прост. При обнаружении атаки ядерный двигатель должен будет быстро перевести аппарат на другую орбиту, в т.ч. более высокую, за пределами досягаемости оружия противника. После исчезновения угрозы DRACO сможет вернуть аппарат на прежнюю орбиту. Высокая экономичность по ядерному топливу и рабочему телу позволит совершать такие маневры неоднократно.

Потенциал проекта

На уровне ключевых идей и концепций программа DRACO выглядит достаточно интересной и многообещающей. В то же время, очевидно, что разработка всех необходимых компонентов будет связана с серьезными трудностями и окажется достаточно дорогой. Удастся ли преодолеть все ожидаемые и внезапные сложности и выполнить все планы – покажет время.

Идея о применении экономичной двигательной установки для вывода спутника из-под удара имеет высокий потенциал и представляет большой интерес. Существующие и перспективные противоспутниковые ракеты и аппараты-перехватчики предназначаются для поражения орбитальных целей на известной траектории, которая позволяет рассчитать точку упреждения.

Внезапное изменение параметров орбиты цели, как минимум, снизит эффективность такого оружия. Противнику придется запускать новые средства перехвата, успешное применение которых тоже не гарантировано. Также DRACO сможет поднимать спутник выше рубежа перехвата – это сделает любые ракеты и боевые космические аппараты бесполезными.

Впрочем, получение таких возможностей связано с целым рядом трудностей разного рода. В первую очередь, следует учитывать, что двигатели типа NTP, пригодные для интеграции в ракетно-космическую технику, пока существуют только на теоретическом уровне. Компаниям General Atomics, Gryphon Tech., USNC-Tech и др. только предстоит найти все необходимые технологии и создать полноценный работающий двигатель.

Следует отметить, что DARPA проявляет определенный оптимизм и планирует провести первый орбитальный полет OS / DRACO уже в 2025 г. Это может указывать на проведение и успешное завершение части научно-исследовательских работ. По их результатам начнется разработка полноценного проекта. При всей сложности поставленных задач, у участников программы все еще остается достаточно времени до указанных сроков.

Читать еще:  Ваз 2121 как установить дизельный двигатель

Программа DRACO, как и множество других многообещающих проектов, может столкнуться с проблемами финансового характера. Точная стоимость разработки принципиально нового двигателя и сопутствующих изделий еще не определена, хотя уже ясно, что речь идет о сотнях миллионов или миллиардах долларов. Высокая стоимость в сочетании со сложностью и техническими рисками может стать поводом для самой жесткой критики или даже для закрытия проекта.

Успешное завершение разработки и проведение испытаний DS и OS с изделием DRACO тоже не гарантирует полный успех. Перспективная ядерная установка разрабатывается для использования на космических аппаратах. Сколько будут стоить серийные двигатели и как они повлияют на стоимость обновления орбитальной группировки – большой вопрос.

В отдаленном будущем наработки по DRACO могут найти применение в разных сферах ракетно-космической отрасли, где требуются компактные и экономичные двигательные установки. Однако подобные перспективы целого направления прямо зависят от результатов нынешнего проекта. Если оно не устроит военных и конгрессменов, не стоит удивляться, что гражданская космонавтика тоже откажется от ядерных двигателей.

С неопределенным будущим

Как и полагается организации перспективных разработок в оборонной сфере, агентство DARPA вновь пытается создать полноценный ядерный ракетный двигатель, причем для решения конкретных задач и с прицелом на применение в реальных проектах. Предлагаемые идеи представляют большой интерес и новый проект действительно способен создать большой задел на будущее, когда противоспутниковое оружие станет реальной и серьезной угрозой.

Однако успешное завершение программы DRACO пока остается под вопросом. Перед ней стоят весьма сложные задачи, решение которых вряд ли будет быстрым, недорогим и простым с точки зрения науки и техники. Соответственно, программа рискует столкнуться с задержками, недостатком финансирования и другими проблемами. Удастся ли соблюсти все сроки, уложиться в смету и создать технику с требуемыми характеристиками – станет ясно в течение нескольких следующих лет.

Сфера применения

Как уже было сказано выше, ЖРД используется в основном как двигатель космических аппаратов и ракет-носителей. Основными преимуществами ЖРД есть:

  • наивысший удельный импульс в классе;
  • возможность выполнения полной остановки и повторного запуска в паре с управляемостью по тяге дает повышенную маневренность;
  • значительно меньший вес топливного отсека в сравнении со твердотопливными двигателями.

Среди недостатков ЖРД:

  • более сложное устройство и дороговизна;
  • повышенные требования к безопасной транспортировке;
  • в состоянии невесомости необходимо задействовать дополнительные двигатели для осаждения топлива.

Однако основным недостатком ЖРД является предел энергетических возможностей топлива, что ограничивает космическое освоение с их помощью до расстояния Венеры и Марса.

Проблема разжижения смазочного материала достаточно распространена на изношенных двигателях, где герметичность камеры сгорания или уплотнителей уже нарушена. Обычно масло теряет изначальную густоту ввиду ряда причин.

  1. Камера сгорания топлива повреждена. На поршне присутствуют герметизирующие кольца, дополнительно рабочие зазоры сведены к минимуму, что гарантирует нормальную компрессию. Если система изношена, частицы топлива могут просачиваться в картерный отсек. При увеличении концентрации топлива, автомасло теряет вязкость.
  2. Имеются нарушения в уплотнительных элементах двигателя. Некоторые прокладки препятствуют попаданию охлаждающей жидкости в картер. При износе прокладок антифриз может проникать в масло, чем и вызывать изменение плотности.

Твердотопливный ракетный двигатель

Наиболее древний тип ракетных двигателей, РДТТ является также самым просто устроенным из них. Он использует неконтролируемый процесс окисления твердого топлива для создания тяги.

Преимущества

  • Высокая тяговооружённость (TWR, Thrust-To-Weight ratio);
  • Двигатель и резервуары компонентов объединены в один ускоритель, что понижает количество частей, упрощает структуру ракеты.

В связи с этим РДТТ используются в основном на первых ступенях запуска, где важна большая тяга, а о массе ракеты можно не беспокоиться.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector