Космические двигатели будущего - Александр Дмитриев

В некоторых случаях даже для двигателей, использующих внутреннюю энергию рабочего тела, выгодно снижать скорость истечения за счет добавления пассивной массы. Например, ракета с ЖРД, покидающая Луну, должна сообщить полезному грузу характеристическую скорость около 2,5 км/с. Оптимальная же скорость истечения для выполнения данной задачи — 1,6 км/с (0,62 vx). ЖРД имеет существенно большую скорость истечения, и поэтому оказывается выгодным снизить ее до оптимальной за счет добавления лунной пыли к рабочему телу (желательно тех ее компонентов, которые испаряются при рабочей температуре двигателя), если на ракете имеются пустые баки, освободившиеся при ее посадке на Луну.[2] В результате этой операции полезный груз может быть увеличен в зависимости от вида ракетного топлива на 20–50 %.

Рис. 3. Классификация автономных двигателей

Другим важным параметром, по которому сравниваются между собой ракетные двигатели, является тяга, т. е. сила, создаваемая двигателем для ускорения ракет. Величина тяги равна произведению секундного расхода отбрасываемой массы (рабочего тела двигателя) на скорость истечения. По этому параметру различают двигатели большой тяги, когда тяга превосходит вес ракеты и последняя может стартовать с поверхности Земли, и малой тяги, пригодные лишь для старта с орбиты спутника.

Разделение на двигатели малой и большой тяги непосредственно связано с еще одним параметром — удельной массой двигателя, равной отношению веса двигателя к развиваемой им тяге. Естественно, что двигатели с удельным весом больше единицы должны быть отнесены к двигателям малой тяги.

Рассмотрим теперь перспективные схемы автономных двигателей, а также способы улучшения существующих схем с точки зрения улучшения рассмотренных параметров, и в первую очередь скорости истечения.[3] Однако прежде отметим, что по способу преобразования энергии в кинетическую энергию отбрасываемой массы можно выделить два основных класса ракетных двигателей — тепловые и электрические (рис. 3). Кроме того, существуют двигатели взрывные, фотонные и др.

Тепловые двигатели. Основной механизм преобразования энергии в тепловых двигателях, как и в любых тепловых машинах (газовых турбинах, двигателях внутреннего сгорания), — это расширение газа, предварительно сжатого и нагретого до высокой температуры. Устройством, осуществляющим это преобразование, является реактивное сопло (профилированный канал переменного сечения), через которое происходит истечение рабочего тела во внешнее пространство.

Скорость истечения на выходе из сопла прямо пропорциональна корню квадратному из температуры рабочего тела и обратно пропорциональна его молекулярному весу. Термодинамический КПД сопла как тепло-. БОЙ машины определяется разностью температур газа на входе и на выходе из сопла, которая, в свою очередь, зависит от относительного перепада давлений, т. е. зависит от степени расширения газа. Степень расширения газа ограничена размерами и весом двигателя, и поэтому в реальных конструкциях термодинамический КПД не превосходит 60–70 %.

Таким образом, имеются лишь две возможности улучшения характеристик тепловых ракетных двигателей — повышение температуры рабочего тела и снижение его молекулярного веса.

Предельные возможности химических двигателей. В тепловых двигателях, использующих энергию химических реакций, к которым относятся широко распространенные в наше время ЖРД и твердотопливные ракетные двигатели (РДТТ), рабочее тело образуется в результате реакции горючего с окислителем. Температура рабочего тела определяется теплотой реакции, а молекулярный вес — молекулярным весом продуктов реакции. Приведенные в табл. 1 химические реакции дают оптимальное соотношение между молекулярным весом и температурой с точки зрения получения наибольшей скорости истечения.

В настоящее время химические ракетные двигатели почти достигли предела своих оптимальных характеристик. Наиболее оптимальные реакции с использованием кислорода в качестве окислителя освоены давно: кислород-керосиновые и водород-кислородные двигатели уже много лет используются в космической технике. Некоторое улучшение характеристик может быть получено при использовании фторсодержащих окислителей. Но так как фтор является химически весьма агрессивным веществом, то сравнительно небольшой выигрыш в удельной тяге, который может оправдать применение этого химического элемента, едва ли оправдает эксплуатационные неудобства.

Наиболее радикальный путь улучшения характеристик химических двигателей — это использование реакций рекомбинации свободных радикалов. Свободным радикалом называют электрически нейтральный атом или группу атомов с неустойчивым состоянием электронной оболочки, которые получаются в результате диссоциации молекулярных соединений. Например, в реакции Н2О → ОН + Н гидроксильный остаток и атомарный водород являются радикалами. Наибольшей энергией обладает реакция образования молекулы водорода Н + Н → Н2 (удельная энергия этой реакции соответствует скорости истечения около 30 км/с).

Однако из-за высокой склонности свободных радикалов к слиянию в устойчивую молекулу их накопление и хранение возможно лишь при температурах, близких 0 К, когда резко снижаются скорости химических реакций. Но и при 0 К остается возможность для так называемых туннельных реакций. Поэтому в чистом виде свободные радикалы хранить невозможно. Предполагается вмораживать радикалы в нейтральную матрицу (например, атомарный водород помещать в кристаллическую решетку твердого водорода), при этом концентрация свободных радикалов принципиально не может превосходить 50 %.

Даже смесь из 10 %-ного атомарного водорода и 90 %-ного молекулярного водорода позволит получить скорость истечения около 5 км/с при температуре всего 1200 К. За более чем 20 лет работы над этой проблемой удалось добиться концентрации свободных радикалов, не превышающей десятые доли процента. Тем не менее те преимущества, которые может дать применение свободных радикалов, стимулируют дальнейшие исследования.

Ядерные тепловые двигатели. Наиболее перспективным направлением улучшения характеристик тепловых ракетных двигателей представляется использование энергии ядерных реакций. Как уже указывалось, ядерные реакции целесообразно применять лишь в схемах с разделенными источниками энергии и отбрасываемой массой. Ядерное горючее здесь выступает в качестве источника тепла, которое передается рабочему телу.

В простейшем ядерном ракетном двигателе, как и в реакторах атомных электростанций, активная зона состоит из тепловыделяющих элементов, которые представляют собой соединения урана или плутония, заключенные в оболочку. В результате ядерного распада горючего они нагреваются. Жидкое рабочее тело с помощью насосов подается в активную зону, где оно, отбирая тепло от активной зоны, испаряется, температура его повышается, а в реактивном сопле происходит увеличение его скорости.

Наивысшая температура рабочего тела ограничена температурой плавления тепловыделяющих элементов, а с учетом необходимого температурного перепада (для теплопередачи) и химической стойкости материалов не может превышать 2000 К. Так как в химических двигателях температура рабочего тела составляет 3000–3500 К, то единственным способом увеличения скорости истечения в ядерных двигателях с твердой активной зоной по сравнению с химическими является снижение молекулярного веса рабочего тела. Минимальным молекулярным весом обладает водород (2 г/моль), для него возможно получение скорости истечения 8–9,5 км/с. Это верхний предел для ядерных тепловых ракетных двигателей с твердой активной зоной. Близкие к этим значениям характеристики были получены в США на экспериментальном ядерном двигателе «Нерва».

Для дальнейшего повышения температуры рабочего тела в ядерных двигателях необходим переход к реакторам, в которых делящееся вещество находится в газообразной фазе. Однако при разработке этих газофазных ядерных реакторов возникает ряд проблем. Для самоподдерживающейся ядерной реакции необходимо, чтобы в реакции участвовала масса ядерного горючего, не меньшая критической. Поскольку плотность ядерного горючего в газообразной фазе при высокой температуре мала, для достижения критической массы нужны высокие давления и большие объемы активной зоны.[4]

Вторая трудноразрешимая проблема разработки газофазных реакторов — это вынос непрореагировавшего ядерного горючего вместе с рабочим телом, что сильно снижает энергетические характеристики ракеты.

В зависимости от того, перемешивается ли рабочее тело с ядерным горючим или отделено от него, различают схемы соответственно гомогенных и гетерогенных двигателей. Принципиальным недостатком гомогенных схем, который ставит под сомнение их целесообразность, является большой вынос урана вместе с рабочим телом — около 100 кг на 1 т рабочего тела.