Как работает твердотопливная ракета

Твердотопливные ракеты включают в себя все старые ракеты с фейерверками, однако теперь существуют более совершенные виды топлива, конструкции и функции с твердотопливными двигателями.

Твердотопливный ракеты были изобретены до ракет на жидком топливе. Твердотопливный тип начался с работ ученых Засядько, Константинова и Конгрев. Сейчас в продвинутом состоянии твердотопливные ракеты продолжают широко использоваться и сегодня, включая двигатели с двойным ускорителем Space Shuttle и ступени запуска Delta.

Площадь поверхности - это количество топлива, которое подвергается воздействию пламени внутреннего сгорания и находится в прямой зависимости от тяги. Увеличение площади поверхности увеличит тягу, но сократит время горения, поскольку топливо расходуется с ускоренной скоростью. Оптимальная тяга, как правило, постоянная, что может быть достигнуто путем поддержания постоянной площади поверхности на протяжении всего ожога.

Примеры конструкций зерен с постоянной площадью поверхности включают: торцевое горение, горение внутреннего ядра и наружного ядра и горение внутреннего звездного ядра.

Различные формы используются для оптимизации отношений тяги зерна, так как некоторые ракеты могут требовать изначально высокая тяговая составляющая для взлета, в то время как более низкая тяга будет достаточна для ее регрессивной тяги после запуска требования. Сложные структуры сердцевин зерен при контроле открытой поверхности топлива ракеты часто имеют детали, покрытые негорючим пластиком (таким как ацетат целлюлозы). Этот слой предохраняет пламя внутреннего сгорания от воспламенения той части топлива, которая воспламеняется только позже, когда ожог непосредственно достигает топлива.

При проектировании ракетного зерна зерна должен учитываться удельный импульс зерна, поскольку это может быть разностный отказ (взрыв) и успешно оптимизированная ракета, создающая тягу.

• Когда зажигается сплошная ракета, она потребляет все топливо, без какой-либо опции для отключения или регулировки тяги. Лунная ракета «Сатурн-V» использовала почти 8 миллионов фунтов тяги, что было бы невозможно при использовании твердого топлива, требующего высокоимпульсного жидкого топлива.
• Опасность, связанная с предварительно смешанным топливом ракет-монотопливов, то есть иногда нитроглицерин является ингредиентом.

Одним из преимуществ является легкость хранения ракетного топлива. Некоторые из этих ракет - маленькие ракеты, такие как Честный Джон и Найк Геркулес; другие - большие баллистические ракеты, такие как Polaris, Sergeant и Vanguard. Жидкие пропелленты могут предложить лучшую производительность, но трудности в хранении топлива и обращении с жидкостями близки к абсолютному нулю (0 градусов) кельвин) ограничил их использование, не в состоянии удовлетворить строгие требования военных средств к его огневой мощи.

Жидкостные ракеты были впервые теоретизированы Циолкозским в его «Исследовании межпланетного пространства с помощью реактивных устройств», опубликованном в 1896 году. Его идея была реализована 27 лет спустя, когда Роберт Годдард запустил первую ракету на жидком топливе.

Ракеты на жидком топливе продвинули русских и американцев в космическую эру с помощью мощных ракет "Энергия SL-17" и "Сатурн V". Высокая тяговая мощность этих ракет позволила нашим первым полетам в космос. «Гигантский шаг для человечества», который произошел 21 июля 1969 года, когда Армстронг ступил на Луну, стал возможным благодаря 8 миллионам фунтов тяги ракеты Сатурн V.

Два металлических бака содержат топливо и окислитель соответственно. Из-за свойств этих двух жидкостей они обычно загружаются в свои емкости непосредственно перед запуском. Отдельные баки необходимы, так как многие жидкие топлива сгорают при контакте. При заданной последовательности запуска открываются два клапана, позволяя жидкости стечь по трубопроводу. Если эти клапаны просто открываются, позволяя жидким топливам поступать в камеру сгорания, будет иметь место слабая и нестабильная скорость тяги, поэтому либо подача сжатого газа, либо подача турбонасоса используемый.

Более простая из двух, подача газа под давлением, добавляет баллон с газом высокого давления в движительную систему. Газ, нереактивный, инертный и легкий газ (такой как гелий), удерживается и регулируется под интенсивным давлением с помощью клапана / регулятора.

Вторым и часто предпочтительным решением проблемы перекачки топлива является турбонасос. Турбонасос работает так же, как и обычный насос, и обходит систему, находящуюся под давлением газа, высасывая пропелленты и ускоряя их в камеру сгорания.

Окислитель и топливо смешиваются и поджигаются внутри камеры сгорания, и создается тяга.

К сожалению, последний пункт делает жидкие ракеты запутанными и сложными. Настоящий современный жидкостный бипропеллентный двигатель имеет тысячи трубопроводных соединений, несущих различные охлаждающие, заправочные или смазочные жидкости. Кроме того, различные узлы, такие как турбонасос или регулятор, состоят из отдельных головокружений труб, проводов, регулирующих клапанов, датчиков температуры и опорных стоек. Учитывая множество частей, вероятность сбоя одной интегральной функции велика.

Как отмечалось ранее, жидкий кислород является наиболее часто используемым окислителем, но он также имеет свои недостатки. Чтобы достичь жидкого состояния этого элемента, температура -183 градусов по Цельсию должна быть получены - условия, при которых кислород легко испаряется, теряя большую сумму окислителя просто во время загрузки. Азотная кислота, другой мощный окислитель, содержит 76% кислорода, находится в жидком состоянии в STP и имеет высокий удельный весВсе большие преимущества. Последняя точка является измерением, аналогичным плотности, и когда она поднимается выше, это также влияет на характеристики топлива. Но азотная кислота опасна при обращении (при смешивании с водой образуется сильная кислота) и образует вредные побочные продукты при сгорании с топливом, поэтому ее использование ограничено.

Разработанные во втором веке до нашей эры древними китайцами, фейерверки - самая старая и самая упрощенная форма ракет. Первоначально фейерверк имел религиозные цели, но позже был приспособлен для военного использования в средние века в виде «пылающих стрел».

В течение десятого и тринадцатого веков монголы и арабы принесли основной компонент этих ранних ракет на Запад: порох. Хотя пушка и пушка стали основными разработками восточного внедрения пороха, в результате появились и ракеты. Эти ракеты были по существу увеличенным фейерверком, который продвигал, помимо длинного лука или пушки, пакеты с взрывчатым порохом.

Во время империализма конца восемнадцатого века полковник Конгрив разработал свои знаменитые ракеты, которые преодолевают расстояния в четыре мили. «Красный блик ракет» (американский гимн) описывает использование ракетной войны в ее ранней форме военной стратегии во время вдохновляющей битвы Форт МакГенри.

Предохранитель (хлопковый шпагат, покрытый порохом) зажигается спичкой или «панком» (деревянной палочкой с углистым красным светящимся наконечником). Этот взрыватель быстро сгорает в ядре ракеты, где он воспламеняет стенки пороха внутреннего ядра. Как упоминалось ранее, одним из химических веществ в порохе является нитрат калия, самый важный ингредиент. Молекулярная структура этого химического вещества, KNO3, содержит три атома кислорода (O3), один атом азота (N) и один атом калия (K). Три атома кислорода, запертые в этой молекуле, обеспечивают «воздух», который взрыватель и ракета использовали для сжигания двух других ингредиентов, углерода и серы. Таким образом, нитрат калия окисляет химическую реакцию, легко выделяя кислород. Однако эта реакция не является спонтанной и должна инициироваться жаром, таким как спичка или «панк».