Монотопливная ракета
 | Эта статья нуждается в дополнительных цитатах для проверки . ( август 2011 г. ) |
Ракета с монотопливом , (или « монохимическая ракета ») — это ракета используется одно химическое вещество в которой в качестве топлива . [1] Монотопливные ракеты обычно используются в качестве небольших ракет для управления ориентацией и траекторией на спутниках, верхних ступенях ракет, пилотируемых космических кораблях и космических самолетах. [2]
Монотопливные ракеты на основе химической реакции
[ редактировать ]Простейшие монотопливные ракеты основаны на химическом разложении хранимого топлива после прохождения его через слой катализатора. [3] Мощность двигателя поступает от газа под высоким давлением, образующегося во время реакции разложения, что позволяет соплу ракеты ускорять газ для создания тяги.
Наиболее часто используемым монотопливом является гидразин ( N 2 H 4 , или H 2 N−NH 2 ), соединение, нестабильное в присутствии катализатора и являющееся также сильным восстановителем . Наиболее распространенным катализатором является гранулированный оксид алюминия (оксид алюминия, Al 2 O 3 ), покрытый иридием . Эти гранулы с покрытием обычно имеют торговую марку Aerojet S-405 (ранее производившуюся Shell ). [4] или WC Heraeus H-KC 12 GA (ранее производившийся Kali Chemie). [5] нет Воспламенителя с гидразином . Aerojet S-405 является самопроизвольным катализатором, то есть гидразин разлагается при контакте с катализатором. Разложение и приводит к образованию газа с является сильно экзотермическим температурой 1000 ° C (1830 ° F), который представляет собой смесь азота , водорода и аммиака . Основным ограничивающим фактором монотопливной ракеты является ее срок службы, который в основном зависит от срока службы катализатора. Катализатор может подвергаться каталитическому отравлению и каталитическому истиранию, что приводит к выходу катализатора из строя. Другим монотопливом является перекись водорода , которая при очистке до концентрации 90% и выше саморазлагается при высоких температурах или в присутствии катализатора.
Большинство монотопливных ракетных систем с химической реакцией состоят из топливного бака , обычно титановой или алюминиевой сферы, с контейнером из этилен-пропиленовой резины или поверхностного натяжения устройством управления топливом , заполненным топливом. Затем в бак нагнетается гелий или азот , который выталкивает топливо к двигателям. тарельчатому , а Из бака труба ведет к клапану затем в камеру разложения ракетного двигателя. Обычно спутник будет иметь не один двигатель, а от двух до двенадцати, каждый со своим клапаном.
Ракетные двигатели ориентации для спутников и космических зондов часто очень маленькие, диаметром 25 мм (0,98 дюйма) или около того , и устанавливаются группами, направленными в четырех направлениях (внутри плоскости).
Ракета запускается, когда компьютер посылает постоянный ток через небольшой электромагнит , который открывает тарельчатый клапан. Выстрел часто бывает очень коротким, несколько миллисекунд , и, если его производить на воздухе, он будет звучать как камешек, брошенный в металлический мусорный бак; если работать долго, раздается пронзительное шипение.
Монотопливо с химической реакцией не так эффективно, как некоторые другие технологии движения. Инженеры выбирают монотопливные системы, когда потребность в простоте и надежности перевешивает потребность в высоком импульсе. Если двигательная установка должна производить большую тягу или иметь высокий удельный импульс , как на главном двигателе межпланетного космического корабля, используются другие технологии.
Монотопливные двигатели на солнечной энергии
[ редактировать ]Концепция создания на низкой околоземной орбите (НОО) складов топлива , которые можно было бы использовать в качестве промежуточных станций для остановки и дозаправки других космических кораблей на пути к миссиям за пределами НОО, предполагает, что отходы газообразного водорода — неизбежного побочного продукта длительного хранения жидкости Хранение водорода в радиационно-тепловой среде космоса — можно было бы использовать в качестве монотоплива в солнечно-тепловой двигательной установке. Отработанный водород будет продуктивно использоваться как для поддержания орбитальной станции, так и для управления ориентацией, а также для обеспечения ограниченного топлива и тяги для использования в орбитальных маневрах для лучшего сближения с другими космическими кораблями, которые будут приближаться для получения топлива из депо. [6]
Солнечно-тепловые монотопливные двигатели также являются неотъемлемой частью конструкции криогенной носителя ракеты- следующего поколения , предложенной американской компанией United Launch Alliance (ULA). Advanced Common Evolved Stage (ACES) задуман как более дешевый, более функциональный и более гибкий разгонный блок, который дополнит и, возможно, заменит существующие ULA Centaur и ULA Delta Cryogenic Second Stage разгонные блоки (DCSS). Опция ACES Integrated Vehicle Fluids исключает весь гидразин и гелий из космического корабля, который обычно используется для ориентации и удержания станции, и вместо этого зависит от солнечно-тепловых монотопливных двигателей, использующих отработанный водород. [7]
История
[ редактировать ]
Советские конструкторы начали экспериментировать с монотопливными ракетами еще в 1933 году. [8] Они полагали, что их монотопливные смеси четырехокиси азота с бензином или толуолом и керосином приведут к созданию в целом более простой системы; однако они столкнулись с проблемами, связанными с сильными взрывами с предварительно смешанным топливом и окислителем, служащим монотопливом, что заставило конструкторов отказаться от этого подхода. [8]
Хельмут Вальтер был немецким инженером, одним из первых пионеров монотопливных ракет, использующих в качестве топлива перекись водорода. [9] Хотя его первоначальная работа касалась подводных лодок, те же струи кислорода, вырабатываемые для сгорания в газовых турбинах, могли быть направлены через сопло для создания тяги. [9] Ракета, разработанная Вальтером, использовалась в немецком истребителе ME-163 в 1944 году и стала первым самолетом, преодолевшим скорость 1000 км/ч (635 миль в час). [9]
После Второй мировой войны британцы продолжили эксперименты с монотопливом на основе перекиси водорода. [9] Они разработали ракету на перекиси водорода de Havilland Sprite , которая могла бы развивать тягу в 5000 фунтов силы за 16 секунд. Не предназначенная для космических полетов, ракета обеспечит возможность горячего и высокого взлета de Havilland Comet 1, первому коммерческому реактивному авиалайнеру. [9]
В Соединенных Штатах, когда НАСА начало изучать монотопливо в Лаборатории реактивного движения (JPL), свойства существующего топлива потребовали, чтобы двигатели были непрактично большими. [10] Добавление катализатора и топлива для предварительного нагрева сделало их более эффективными, но вызвало обеспокоенность по поводу безопасности и обращения с опасными топливами, такими как безводный гидразин . [10] Однако простота двигателей, спроектированных на основе ранних монотопливных двигателей, предлагала множество упрощений и впервые была испытана в 1959 году в ходе миссии Able-4 . [11] Это испытание позволило миссиям «Рейнджер» и «Маринер» использовать аналогичный двигатель для корректирующих маневров. [11] и в выводе на орбиту спутника Telstar , который Национальный музей авиации и космонавтики считает самым важным спутником связи в начале космической гонки. [12]
В 1964 году НАСА начало использовать лунную исследовательскую машину для обучения астронавтов Аполлона пилотированию лунного экскурсионного модуля (LEM) с использованием системы ориентации, состоящей из 16 монотопливных двигателей на перекиси водорода, для направления LEM к поверхности Луны. [13]
Разгонные блоки начали использовать монотопливные двигатели в качестве удобного устройства управления в начале 1960-х годов, когда компания General Dynamics предложила ВВС США верхнюю ступень Centaur. [14] из которых версии до сих пор используются в United Launch Alliance ракетах Atlas и Vulcan . [15]
Новые разработки
[ редактировать ]НАСА разрабатывает новую монотопливную двигательную установку для небольших, недорогих космических кораблей с требованиями к перепаду скорости вращения в диапазоне 10–150 м/с. Эта система основана на монотопливной смеси нитрата гидроксиламмония (HAN)/воды/топлива, которая является чрезвычайно плотной, экологически безопасной и обещает хорошие характеристики и простоту. [16]
Компания EURENCO Bofors произвела LMP-103S как заменитель гидразина в соотношении 1:1 путем растворения 65% динитрамида аммония NH 4 N(NO 2 ) 2 в 35% водном растворе метанола и аммиака. ЛМП-103С имеет на 6% больший удельный импульс и на 30% большую плотность импульса, чем гидразиновое монотопливо. Кроме того, гидразин высокотоксичен и канцерогенен, а LMP-103S умеренно токсичен. LMP-103S соответствует классу ООН 1.4S, допускающему транспортировку на коммерческих самолетах, и был продемонстрирован на спутнике Prisma в 2010 году. Специального обращения не требуется. ЛМП-103С может заменить гидразин как наиболее часто используемый монотопливо. [17] [18]
См. также
[ редактировать ]- Монотопливо
- Гиперголическое топливо
- Жидкостная ракета
- Марсианский разведывательный орбитальный аппарат
- Реактивное колесо
- Топливная смесь закиси азота
- Технологии ракетных двигателей (значения)
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Армия США: элементы самолетов и ракетных установок . Министерство обороны. Командование материального обеспечения армии США. Июль 1969. стр. 1–11 . Проверено 1 марта 2024 г.
- ^ Саттон, Джордж; Библарц, Оскар. Элементы ракетной двигательной установки (7-е изд.). Уайли-Интерсайенс. п. 259. ИСБН 0-471-32642-9 .
- ^ Цена, Т; Эванс, Д. (15 февраля 1968 г.). Состояние монотопливной гидразиновой технологии . ТР 32-1227. Пасадена, Калифорния: Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства. стр. 1–2.
{{cite book}}: CS1 maint: дата и год ( ссылка ) - ^ Aerojet Rocketdyne (12 июня 2003 г.). «Aerojet объявляет о лицензировании и производстве монотопливного катализатора спонтанного вытеснения S-405» . aerojetrocketdyne.com . Проверено 9 июля 2015 г.
- ^ Уилфрид Лей; Клаус Виттманн; Вилли Халлманн (2009). Справочник по космической технике . Джон Уайли и сыновья. п. 317. ИСБН 978-0-470-74241-9 .
- ^ Зеглер, Фрэнк; Бернард Каттер (2 сентября 2010 г.). «Переход к архитектуре космического транспорта на базе депо» (PDF) . Конференция и выставка AIAA SPACE 2010 . АААА. п. 3. Архивировано из оригинала (PDF) 20 октября 2011 г. Проверено 25 января 2011 г.
выкипевший отработанный водород является наиболее известным топливом (в качестве монотоплива в базовой солнечно-тепловой двигательной установке) для этой задачи. Практический склад должен выделять водород с минимальной скоростью, соответствующей потребностям содержания станции.
- ^ Зеглер и Каттер, 2010, стр. 5.
- ^ Jump up to: а б Саттон, Джордж (2006). История жидкостных ракетных двигателей . Рестон, Вирджиния: Американский институт аэронавтики и астронавтики. стр. 533–534. ISBN 1563476495 .
- ^ Jump up to: а б с д и Стоукс, PR (14 января 1998 г.). «Перекись водорода для энергетики и движения» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 15 февраля 2006 года . Проверено 24 января 2024 г.
- ^ Jump up to: а б Цена, ТВт; Эванс, Д.Д. (15 февраля 1968 г.). «Состояние монотопливных гидразиновых технологий» (PDF) . ТР 32-1227. Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства. стр. 1–2 . Проверено 21 марта 2024 г.
- ^ Jump up to: а б Цена, ТВт; Эванс, Д.Д. (15 февраля 1968 г.). «Состояние монотопливных гидразиновых технологий» (PDF) . ТР 32-1227. Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства. стр. 1–2 . Проверено 21 марта 2024 г.
- ^ «Телстар» . Национальный музей авиации и космонавтики . Проверено 8 марта 2024 г.
- ^ «55 лет назад: первый полет лунной исследовательской машины» . Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства . 30 октября 2019 года . Проверено 8 марта 2024 г.
- ^ Арриги, Роберт (12 декабря 2012 г.). «Кентавр: рабочая лошадка Америки в космосе» . Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства . Проверено 19 апреля 2024 г.
- ^ «Руководство пользователя Atlas V» (PDF) . Объединенный стартовый альянс. 2010 . Проверено 19 апреля 2024 г.
- ^ Янковский, Роберт С. (1–3 июля 1996 г.). Оценка монотоплива для космических аппаратов на основе HAN . 32-я совместная конференция по двигательной активности. Лейк-Буэна-Виста, Флорида: НАСА. Технический меморандум НАСА 107287; АИАА-96-2863.
- ^ «Зеленое топливо ЛМП 103С» . ecaps.se . Архивировано из оригинала 25 апреля 2024 года . Проверено 25 апреля 2024 г.
- ^ «Высокоэффективная экологически чистая силовая установка (LMP-103S)» . ecaps.space . Архивировано из оригинала 7 июня 2023 года . Проверено 3 февраля 2023 г.
