Тепловой двигатель

1.  
   – рулевые камеры сгорания;
2.  
   – основные камеры сгорания;
3.  
   – силовая рама;
4.  
   – газогенератор;
5.  
   – теплообменник на турбине;
6.  
   – насос окислителя;
7.  
   – насос горючего

 
Большую силу тяги создает двигатель, работающий на жидком кислороде и жидком водороде. В реактивной струе этого двигателя газы мчатся со скоростью немногим больше 4 км/с. Температура этой струи около 3000°С, и состоит она из перегретого водяного пара, который образуется при сгорании водорода и кислорода. Основные данные типичных топлив для жидкостных реактивных двигателей приведены в таблице №1 
 
Но у кислорода наряду с достоинствами есть и один недостаток – при нормальной температуре он представляет собой газ. Понятно, что применять в ракете газообразный кислород нельзя ведь в этом случае пришлось бы его хранить под большим давлением в массивных баллонах. Поэтому уже Циолковский, первым предложивший кислород в качестве компонента ракетного топлива, говорил о жидком кислороде как о компоненте без которого космические полеты не будут возможны. Чтобы превратить кислород в жидкость, его нужно охладить до температуры -183°С. Однако сжиженный кислород легко и быстро испаряется, даже если его хранить в специальных теплоизолированных сосудах. Поэтому нельзя долго держать снаряженной ракету, двигатель которой использует в качестве окислителя жидкий кислород. Заправлять кислородный бак такой ракеты приходится непосредственно перед запуском. Если такое возможно для космических и других ракет гражданского назначения, то для военных ракет, которые требуется поддерживать в готовности к немедленному запуску в течение длительного времени такое неприемлемо. Азотная кислота не обладает таким недостатком и поэтому является «сохраняющимся» окислителем. Этим объясняется её прочное положение в ракетной технике, особенно военной, несмотря на существенно меньшую силу тяги, которую она обеспечивает. Использование наиболее сильного из всех известных химии окислителей – фтора позволит существенно увеличить эффективность жидкостных реактивных двигателей. Однако жидкий фтор очень неудобен в эксплуатации и хранении из-за ядовитости и низкой температуры кипения (-188°С). Но это не останавливает ученых-ракетчиков: экспериментальные двигатели на фторе уже существуют и испытываются в лабораториях и на экспериментальных стендах. Советский ученый Ф.А. Цандер еще в тридцатые годы в своих трудах предложил использовать в межпланетных полетах в качестве горючего легкие металлы, из которых будет изготовлен космический корабль – литий, бериллий, алюминий и др. В особенности как добавку к обычному топливу, например водородно-кислородному. Подобные «тройные композиции» способны обеспечить наибольшую из возможных для химических топлив скорость истечения – до 5 км/с. Но это уже практически предел ресурсов химии. Большего она практически сделать не может. Хотя в предлагаемом описании пока преобладают жидкостные ракетные двигатели, нужно сказать, что первым в истории человечества был создан термохимический ракетный двигатель на твердом топливе – РДТТ. Топливо – например специальный порох – находится непосредственно в камере сгорания. Камера сгорания с реактивным соплом, заполненная твердым топливом – вот и вся конструкция. Режим сгорания твердого топлива зависит от предназначения РДТТ (стартовый, маршевый или комбинированный). Для твердотопливных ракет применяемых в военном деле характерно наличие стартового и маршевого двигателей. Стартовый РДТТ развивает большую тягу на очень короткое время, что необходимо для схода ракеты с пусковой установки и её первоначального разгона. Маршевый РДТТ предназначен для поддержания постоянной скорости полета ракеты на основном (маршевом) участке траектории полета. Различия между ними заключаются в основном в конструкции камеры сгорания и профиле поверхности горения топливного заряда, которые определяют скорость горения топлива от которой зависит время работы и тяга двигателя. В отличие от таких ракет космические ракеты-носители для запуска спутников Земли, орбитальных станций и космических кораблей, а также межпланетных станций работают только в стартовом режиме со старта ракеты до вывода объекта на орбиту вокруг Земли или на межпланетную траекторию. В целом твердотопливные ракетные двигатели не имеют много преимуществ перед двигателями на жидком топливе: они просты в изготовлении, длительное время могут храниться, всегда готовы к действию, относительно взрывобезопасны. Но по удельной тяге твердотопливные двигатели на 10-30% уступают жидкостным. 

Турбовинтовой двигатель

Турбовинтовой двигатель  часть тяги создаёт за счёт винта, другую часть за счёт отдачи выхлопных газов. По конструкции он представляет собой газовую турбину (роторный двигатель внутреннего сгорания), на вал которой насажен воздушный винт.

Турбореактивный двигатель

Турбореактивный двигатель создаёт тягу за счёт отдачи выхлопных газов. По конструкции он представляет собой газовую турбину (роторный двигатель внутреннего сгорания), на вал которой насажен компрессор, повышающий давление для эффективного сжигания топлива.

Турбореактивный двигатель недаром называют еще газотурбинным, поскольку работает на работе расширения газа. Забор воздуха при полете происходит через входное устройство, где оно уже частично сжимается. С помощью механической работы компрессора, давление воздуха продолжает расти.

Компрессор  состоит из ротора и статора. Ротор  состоит из дисков с лопатками, раскручиваясь, заставляет воздух двигаться вдоль  оси через ряд неподвижно закрепленных лопаток или статора компрессора. После расширенный воздух попадает в камеру сгорания, которая состоит из жаровых труб. Часть воздуха идет на сгорания керосина, часть - охлаждает внешнюю поверхность жаровых труб, что позволяет поддерживать нужную температуру, часть уходит на раскрутку турбины (устройство такое же, как у компрессора).

Основная же часть идет на создание реактивной тяги, мощным импульсом вырываясь через сопло двигателя. Ротор компрессора и турбины соединены общим валом. В воздухе его раскрутки поддерживается турбиной, запускается же с помощью стартера от наземного или бортового электроагрегатов.

Схема турбо-реактивного двигателя

1. Входное  устройство. 2. Компрессор. 3. Ротор компрессора. 4. Статор компрессора. 5. Форсунки. 6. Вал. 7. Камера сгорания. 8. Ротор турбины. 9. Статор турбины. 10. Сопло.

Ракетный  двигатель

Ракетный двигатель может создавать тягу в безвоздушном пространстве. ракетный двигатель — реактивный двигатель, источник энергии и рабочее тело которого находится в самом средстве передвижения. Ракетный двигатель — единственный практически освоенный для вывода полезной нагрузки на орбиту искусственного спутника Земли и применения в условиях безвоздушного космического пространства тип двигателя. Другие типы двигателей, пригодные для применения в космосе (например, солнечный парус, космический лифт) пока еще не вышли из стадии теоретической и/или экспериментальной отработки.

Сила тяги в  ракетном двигателе возникает в  результате преобразования исходной энергии  в кинетическую энергию реактивной струи рабочего тела. В зависимости от вида энергии, преобразующейся в кинетическую энергию реактивной струи, различают химические ракетные двигатели, ядерные ракетные двигатели и электрические ракетные двигатели.

Характеристикой эффективности ракетного двигателя  является удельный импульс (в двигателестроении применяют несколько другую характеристику — удельная тяга) — отношение количества движения, получаемого ракетным двигателем, к массовому расходу рабочего тела. Удельный импульс имеет размерность м/c, то есть размерность скорости. Для идеального ракетного двигателя удельный импульс численно равен скорости истечения рабочего тела из сопла.

Твёрдотопливный ракетный двигатель

Твердотопливный ракетный двигатель (РДТТ). В РДТТ всё  топливо в виде заряда помещается в камеру сгорания; двигатель обычно работает непрерывно до полного выгорания топлива.

РДТТ были первыми ракетными  двигателями, нашедшими практическое применение. Ракеты с РДТТ (пороховые  ракеты) известны уже около 1000 лет; они использовались как сигнальные, фейерверочные, боевые. Описания "огненных стрел" — прототипов пороховых ракет — содержатся в китайских иЗЮЗийских рукописях 10 в. Это оружие представляло собой обычные стрелы, к которым прикреплялись бамбуковые трубки, заполненные порохом. В 1-й половине 17 в. в "Уставе" Онисима Михайлова описываются первые русские ракеты — артиллерийские ядра с каналом, в котором помещался пороховой заряд. В 1798

индийцы применяли боевые ракеты против английских колонизаторов, а в 1807 англичане использовали подобные ракеты в войне с Данией (при осаде Копенгагена). Первоначально топливом для РДТТ служил дымный порох. В конце 19 в. был разработан бездымный порох, превосходивший дымный по устойчивости горения и работоспособности. В дальнейшем были получены новые высокоэффективные виды твёрдых топлив, что позволило конструировать боевые ракеты с РДТТ самой различной дальности, вплоть до межконтинентальных баллистических ракет.

Твердотельные двигатели

В двигателях этого  типа в качестве рабочего тела используется твёрдое тело, а при работе двигателя изменяется не объём рабочего тела, а его форма (источник: журнал “Техника молодёжи“). Такой двигатель позволяет использовать рекордно малый перепад температур.

Также существует разработка двигателя с внешним нагревом, в котором ротор в виде пустотелого кольца частично заполнен легкоиспаряемым твёрдым телом. Незаполненная часть ротора и часть рабочего тела нагреваются, образующийся пар перетекает из нагретой части ротора в ненагретую, нарушая тем самым равновесие ротора в поле силы тяжести. В результате ротор приводится во вращение. (Кравченко А.И. Роторный тепловой двигатель с внешним нагревом. Патент Украины № 78272, 2013 г.)