Для эффективного торможения космического корабля направление струи выхлопных газов

Обновлено: 05.07.2024

Для придания наиболее эффективного ускорения космическому кораблю

Для придания наиболее эффективного ускорения космическому кораблю струя выхлопных газов, вырывающаяся из сопла его ракетного двигателя, должна быть направлена по направлению движения корабля противоположно направлению движения корабля перпендикулярно направлению движения корабля под произвольным углом к направлению движения корабля.

Слайд 31 из презентации «Законы сохранения»

Мы никуда не полетим с Земли без «гипердвигателя». И нам придётся его создать, если хотим осваивать космос…

Невзирая на то, что минуло уже 60 лет с тех пор, как человечество вошло в космическую эпоху, прогресс в космической экспансии совсем незначительный. Ещё меньше прогресса наблюдается в скорости перемещения по нашей Солнечной системе.

Современные ракетные двигатели позволяют достигнуть в приемлемые сроки разве что Луну. Полёт же к планетам Солнечной системы занимает годы, а некоторые миссии по их изучению становятся делом нескольких поколений людей.

Показательным примером служат программы «Вояджер» и «Пионер», зонды которых уже полвека бороздят просторы Солнечной системы.

Почему так? Во-первых, Вселенная огромна, а во-вторых, перемещение в космическом пространстве имеет ряд фундаментальных ограничений, которые совершенно не способствуют покорению космоса.

Даже если не брать во внимание биологические факторы, а оперировать сугубо техническими, проекты межпланетных путешествий представляется весьма ограниченными.

На сегодня одним из реализованных на практике способов передвижения в космическом пространстве является реактивное движение. Согласно третьему закону Ньютона (сила действия равна силе противодействия), для того, чтобы оттолкнуться от пустоты и начать двигаться, требуется отбросить часть собственной массы. Увы, но другого эффективного способа передвижения вдали от массивных небесных тел (звёзд и планет) на сегодня нет.

В общем, при реактивном движении есть прямая зависимость от скорости истечения топлива и его массы. Чем больше эти физические величины, тем большую скорость будет развивать космический аппарат.

Тут у нас есть один выход – увеличивать скорость истечения топлива: чем она будет больше, тем меньше топлива потребуется брать с собой.

Физические процессы, происходящие при химических реакциях окисления, которые используются в сегодняшних ракетных двигателях для создания тяги, ограничены скоростью истечения в 5 км в секунду (удельная тяга).

Выходит, что для путешествия по Солнечной системе в разумные сроки требуются космические корабли исполинских масштабов с огромным количеством топлива. Это совершенно неприемлемо с точки зрения затрат ресурсов на данное путешествие.

Но принципы реактивного движения могут быть реализованы не только классическими химическими ракетными двигателями, но и многими другими.

Например, тяга в ионных двигателях создаётся за счёт истечения заряженных частиц – ионов. Разгоняются они благодаря электромагнитному полю, и скорость истечения ионов в десятки раз превышает аналогичный показатель химических двигателей.

Однако соотношение количества топлива на борту к полезной массе корабля и скорости, которую он может развить, идёт в пользу ионного двигателя.

Так, например, космический зонд "Deep Space 1" массой в 373,7 кг достиг скорости в 4,3 км/сек, израсходовав при этом 74 кг ксенона.
Дугой космический - аппарат "Dawn" - разогнался до 41 км/сек. Его ионный двигатель расходовал всего 280 граммов ксенона (рабочее тело) в сутки.

Но и тут есть один обнадёживающий факт: небольшое увеличение удельной тяги двигателя приводит к значительному сокращению расхода топлива.

Согласно формуле Циолковского, при одной и той же массе космического корабля скорость в 16 км/секунду (минимальная скорость для осуществления свободного путешествия по Солнечной системе) будет достигнута израсходованием 1300 тонн топлива при удельной тяге в 3400 м/сек, и 380 тонн - при удельной тяги в 4550 м/сек.

Россия готовит принципиально новые двигатели для космических кораблей

Исполнительный директор Роскосмоса по перспективным программам и науке Александр Блошенко заявил, что для скоростных перемещений человечества в космосе потребуется разработка двигателей, основанных на новых физических принципах. О чём идёт речь, какими будут космические двигатели будущего и какие разработки на эту тему ведутся в России и в мире?

Начать придется издалека, с самой простой теории.

Наша планета, Земля - удобное место для жизни, но и столь же неудобное для начала космической экспансии. Дело в том, что среди планет земной группы Земля имеет самое высокое ускорение свободного падения. С одной стороны, это позволяет нашей планете удерживать возле себя плотную атмосферу, но с другой - создаёт неудобный гравитационный «колодец», выход из которого на орбиту стоит немалых усилий.

Из-за наличия такого колодца, того самого притяжения Земли, для стартовых ракетных двигателей очень важным становится параметр отношения реактивной тяги двигателей к массе всей ракеты. Именно поэтому для стартов с поверхности Земли мы до сих пор используем ракеты на химическом топливе. Да, неэффективно, но зато тяги получается вполне достаточно, чтобы вытолкнуть космический аппарат на орбиту, за пределы атмосферы Земли. А вот масса очень интересных двигателей - ионных, плазменных, солнечных парусов, которые имеют очень хорошие характеристики для работы в открытом космосе, совсем не годятся для старта с планеты. Они просто не могут вытащить нас из земного гравитационного колодца. Тяга их слишком слаба для того, чтобы поднять корабль на орбиту.

Поэтому большинство современных или гипотетических двигательных систем для космических кораблей делятся на две большие категории: либо экономичные и слабосильные - для космоса, либо мощные и прожорливые - для старта. В мире космических ракет экономичный и эффективный двигатель означает высокое значение удельного импульса и высокую скорость истечения реактивной массы. И это - ключевое понятие для понимания всей проблематики создания новых космических двигателей, на новых физических принципах.

Магия удельного импульса

Удельный импульс двигателя - это, можно сказать «святой Грааль» космического двигателестроения. Измеряется удельный импульс в метрах в секунду и его физический смысл прост - это скорость истечения рабочего тела. От чего, в свою очередь, прямо зависит и скорость космического корабля. Фраза о «рабочем теле» вместо «продуктов сгорания» химического двигателя взялась неслучайно - во многих космических двигателях ничего не горит, а кинетическая энергия и импульс «закачиваются» в рабочее тело иными способами. Например, в ионном или плазменном двигателе рабочее тело разгоняется в электромагнитном поле. А в солнечном парусе импульс и вовсе передаётся в обратную сторону - от фотонов солнечного ветра на конструкции паруса, закреплённого на космическом корабле.

Чем выше удельный импульс двигателя - тем большее приращение скорости можно получить за счёт эквивалентного количества рабочего тела. А рабочее тело, напомним, нам надо каким-то образом ещё вывести на околоземную орбиту вместе с космическим кораблём. Ну - или добыть на какой-нибудь негостеприимной Луне, Марсе или астероидах, тоже с немалыми затратами. Приращение космических скоростей обозначают символом Dv и считают в его балансе как ускорения, так и торможения - ведь на каждое из таких действий в космосе требуется расходы рабочего тела.

Ещё печальнее становилась ситуация, если на химических двигателях просчитывали полёт куда-то дальше, чем Луна, например, к Марсу. Когда американцы в 1960 годах посчитали стоимость полёта на Марс на химическом топливе, они ужаснулись. Получалось, что от Земли надо стартовать кораблём массой в 4 000 тонн, для вывода которого на околоземную орбиту потребуется минимум 40 ракет, эквивалентных «Сатурну-5».

Немного улучшить ситуацию могли ядерные ракетные двигатели (ЯРД). Разработки, проведенные в СССР и США в 1960 годах показали, что ЯРД могут иметь удельный импульс в пределе 8500-9500 м/с - вдвое больше, чем у лучших ЖРД. Но даже уникальный ЯРД не обеспечивал настоящего освоения Марса - на орбите Земли пришлось бы всё равно собирать громадного «марсианского монстра» весом больше 1200 тонн, а результатом бы была двухлетняя экспедиция на Марс трёх космонавтов, причём на Марсе они бы провели всего 30 суток.

Так что, всё, Марс недостижим? Нет, не так. Ведь ЯРД - отнюдь не рекордсмен в части величины удельного импульса, а разгонятся к Марсу или другим планетам можно медленно и не спеша. Но в итоге получить впечатляющую скорость перелёта и прилететь даже быстрее корабля с ЯРД.

Первое крыло - высокий удельный импульс

Несмотря на то, что скорость истечения рабочего тела у ЯРД всего лишь вдвое превосходила лучшие ЖРД, поднять её выше уже было практически невозможно. Всё дело в том, что и в ЖРД, и в ЯРД скорость истечения задаётся температурой рабочего тела, а обеспечить дополнительный нагрев внутри корпуса ЯРД было нереально - разрушался сам реактор, который не мог нагреваться выше 3000 градусов К.

Разумным решением, которое напрашивалось для совершенствования ЯРД, стало разделение процессов получения энергии и последующего нагрева рабочего тела. Вместо прямого теплообмена с нагретыми конструкциями реактора рабочее тело решили греть с использованием промежуточного носителя энергии - электричества. В силу этого, уже начиная с начала 1970 годов усилия конструкторов пошли по двум независимым направлениям. С одной стороны, началось конструирование максимально эффективных, высокоимпульсных космических двигателей. С другой стороны - стартовала разработка столь же компактных и мощных источников электрической энергии на борту космического корабля.

Наиболее доведенными высокоимпульсными космическими двигателями пока что являются ионные. Им сегодня принадлежит рекорд ускорения космических аппаратов в открытом космосе: ещё в 1998 году ионные двигатели смогли ускорить аппарат Deep Space-1 массой в 374 килограмма на Dv, равную 4,3 км/c, потратив на эту операцию всего лишь 74 килограмма ксенона. Аналогичное приращение Dv, если бы его пришлось обеспечивать за счёт химического топлива, потребовало бы разгонного блока весом в добрую тонну.

Однако у ионных двигателей есть и неустранимое слабое место - электроды двигателя находятся внутри потока высокотемпературной плазмы, что ограничивает его ресурс. Сегодня лучшие образцы ионных двигателей работали в космосе не более трёх лет и не более пяти лет на земных стендах. Кроме того, конструкция с погружёнными в плазму электродами ограничивает скорость истечения рабочего тела в пределе 20-40 км/c. Увеличить её затруднительно по тем же причинам - электроды разрушатся ещё быстрее. Самый совершенный ионный двигатель NEXT в арсенале НАСА на сегодняшний день имеет удельный импульс, равный 41,9 км/c. Но за такие рекордные параметры ионным двигателям приходится платить малой тягой - NEXT обеспечивает лишь 327 мН (32,7 грамма тяги) при потребляемой мощности в 7,7 кВт.

Справедливые надежды возлагаются на ещё одну разработку - двигатель VASIMR, магнитоплазменный двигатель с изменяющимся удельным импульсом.

Внутри VASIMR плазму, которая выступает в качестве рабочего тела, помещают в магнитную ловушку, которая не позволяет плазме соприкасаться с конструкциями двигателя и разрушать их за счёт высокой температуры.

Разработки VASIMR ведутся в США уже более 20 лет и за это время были достигнуты впечатляющие успехи. В августе 2019 года очередной прототип VX-200SS продемонстрировал тягу в 5,4 Н (540 грамм тяги) на мощности в 200 кВт и при удельном импульсе в диапазоне от 50 до 300 км/c, на порядок больше ионных двигателей. Такой импульс в идеале позволит с помощью VASIMR добраться до Марса всего лишь за 39 дней вместо 250 суток, как в случае использования ЖРД или ЯРД.

Но для этого, конечно, тяга плазменных двигателей должна измеряться сотнями килограмм, а не сотнями грамм. Впечатляющим должен быть и источник электричества на борту такого гипотетического марсианского корабля - он должен иметь мощность около 200 МВт.

Второе крыло - энергетическая установка

Но установить VASIMR на МКС оказалось отнюдь не просто. Вся доступная электрическая мощность на МКС меньше 200 кВт, хотя станция сегодня обладает самой внушительной площадью солнечных батарей и является самым энергетически мощным объектом человечества в космосе. Поэтому в проект МКС-VASIMR включили ещё целую дополнительную систему солнечных батарей, которая будет часами накапливать энергию на 15-минутные циклы включений плазменного двигателя.

Следующий, напрашивающийся шаг после испытаний на МКС - это использование VASIMR для целей орбитального буксира. Например, если мы хотели бы достичь Луны за короткий промежуток времени, сопоставимый с временем полёта миссии «Аполлон» к Луне, то такой космический буксир требовал бы 5 двигателей VХ-200, потребляющих уже около 1,5 МВт электроэнергии. Чтобы проделать такую же работу, как третья ступень «Сатурна-5», сжигавшая 60 тонн кислорода и водорода на пути к Луне, такой буксир потратил бы только 8 тонн аргона. Однако получить 1,5 МВт электроэнергии за счёт солнечных батарей - это пока что очень сложная задача. Для получения 1,5 МВт электроэнергии буксиру надо иметь около 5000 м² солнечных панелей, что составляет квадрат со стороной в 71 метр, гораздо больше любых существующих конструкций, включая МКС.

И вот здесь как раз и может сыграть роль опыт России в создании космических ядерных энергетических установок. Ещё в 2009 году Роскосмосом была начата программа создания транспортно-энергетического модуля, ядерная энергодвигательная установка (ЯЭДУ) которого должна была обеспечивать около 1 МВт электрической мощности, чего бы хватило не только для околоземного, но и в перспективе - для лунного буксира. За прошедший период времени был выполнен значительный объём уникальных работ по конструкции космического ядерного реактора. Были созданы уникальные ионные двигатели ИД-500, чьи параметры оказались не хуже разработок НАСА.

При мощности в 32-35 кВт российские двигатели ИД-500 обеспечили тягу в 375-750 мН и удельный импульс в 71 км/с.

К сожалению, в конце апреля 2020 года Роскосмос заявил, что приостанавливает создание космического буксира с ядерным двигателем из-за недостроенного стенда для его испытаний. Формально виноватым был назначен ГНЦ ФГУП «Центр Келдыша», который не смог обеспечить постройку испытательного стенда, где можно было бы проверить работоспособность действующего макета ЯЭДУ в условиях вакуума. Пока что дальнейшая судьба уникальных российских разработок неизвестна, хотя ещё в январе 2020 года транспортно-энергетический модуль с ЯЭДУ фигурировал в презентации первого заместителя генерального директора Роскосмоса, Юрия Урличича. Представленный на «Королёвских чтениях» доклад сообщал о планах запустить в 2030 году на орбиту космический ядерный буксир для проведения его летных испытаний.

Насколько декларации Урличича и Блошенко соотносятся с реальными действиями представляемого ими Роскосмоса - вопрос открытый. Да, человечеству нужна новая космическая скорость. Да, у России есть уникальные наработки. И только от руководителей космической отрасли России зависит, насколько быстро все эти разработки воплотятся в новую реальность. В ту самую «птицу-феникс», которая домчит людей и до Луны, и до Марса, и даже дальше.

Kvant. Реактивное движение

Изменения скоростей, происходящие также в противоположные стороны, будут обратно
пропорциональны массам тел, ибо количества движения получают равные изменения.
Исаак Ньютон
. при действии сил, равнодействующая которых пропорциональна массе точки,
точка переменной массы. движется так же, как движется точка постоянной
массы при действии тех же сил и при тех же начальных данных.
Иван Мещерский
Я разработал некоторые стороны вопроса о поднятии в пространство с помощью реактивного прибора, подобного ракете.
Константин Циолковский
Механизм действия ракетного двигателя в точности сходен с явлением отдачи ружья;
здесь не нужен воздух, чтобы отталкиваться от него.
Ричард Фейнман

Содержание

Этот вопрос вполне уместен сейчас, когда отмечается 50-летие запуска первого искусственного спутника Земли — события, ознаменовавшего начало новой эры, эры освоения человеком космического пространства. Осуществление давней мечты стало возможным благодаря развитию реактивной техники. Долгая, насчитывающая тысячелетия ее история совершила необыкновенно быстрый рывок, перейдя от предсказаний и расчетов к прямой реализации идеи безопорного движения за пределами Земли. И здесь, без сомнения, можно гордиться решающим вкладом в теорию и практику космонавтики отечественных ученых, инженеров и конструкторов.

Проходит время, и казавшиеся чудом достижения -первый спутник, первый облет человеком Земли, первый выход в открытый космос — становятся рутинными, многократно повторяемыми эпизодами. Теперь на орбитальную станцию отправляются как на работу и даже. в турпоездку. Однако новые планы, связанные с межпланетными перелетами, с предупреждением астероидной опасности, со строительством индустриального пояса вокруг Земли и лунных баз, с совершенствованием спутниковых средств связи и выводом за атмосферу астрономических приборов, словно открыли второе дыхание космонавтики. И ни одно из возникающих ее направлений не обойдется без этих необычных машин — ракет.

Со многими вопросами реактивного движения можно не только познакомиться, но и всерьез разобраться, опираясь на хорошо знакомые законы механики. К чему мы вас сегодня и приглашаем.

Вопросы и задачи

Сможет ли вращаться в пустоте (например, в сильно разреженном воздухе под колоколом воздушного насоса) сегнерово колесо, изображенное на рисунке?

Микроопыт

Сверните из очень тонкой проволоки небольшую спираль, слегка смажьте ее маслом или вазелином и аккуратно положите на воду с помощью пинцета либо обычной вилки. Затем наберите несколько капель мыльного раствора пипеткой или соломинкой для питья и роняйте по капельке раствора в центр спирали. Как станет вести себя спираль? Почему?

Любопытно, что…

. возможность использовать реактивную силу струи пара, хотя бы в виде игрушки, была открыта еще в первом веке новой эры Героном Александрийским. А в 1750 году венгерский ученый Янош Сегнер изобрел на этом принципе одну из первых реактивных гидравлических турбин — «сегнерово колесо». Его действие сегодня можно наблюдать на лужайках, орошаемых с помощью насадок, вращающихся на водопроводных колонках.

. известные в Китае еще с XI века пороховые ракеты применялись не только для фейерверков, но и в военном деле — как зажигательные и разрывные снаряды, а также как осветительные средства. Однако по-настоящему боевые реактивные снаряды были созданы в 1817 году русским ученым-артиллеристом, генералом А.Д.Засядко и успешно применены при обороне Севастополя в 1854-55 годах во время Крымской войны.

. явление отдачи, вызывавшее откатывание назад старинных пушек, со временем научились использовать для перезарядки огнестрельного оружия, например в пулеметах, автоматических пистолетах и скорострельных пушках.

. в теории многоступенчатых ракет, разработанной К.Э.Циолковским в 1926 году, было показано, что последняя ступень ракеты способна достичь первой космической скорости. Из теории следовало, что целесообразно с расходом топлива отбрасывать баки, трубопроводы и двигатели отработавших ступеней, а в идеале — непрерывно избавляться от ненужной уже массы ракеты, что пока, увы, конструктивно неосуществимо.

. гигантом среди многоступенчатых ракет и сейчас остается «Сатурн-5», который вывел на орбиту космический корабль «Аполлон-11», доставивший 20 июля 1969 года на Луну американских астронавтов. Стартовая масса системы 2950 тонн, ее высота 111 метров.

. помимо мощных маршевых двигателей в ракетно-космической технике используется так называемая детонационная автоматика, решающая с помощью «ювелирных» по массе и габаритам зарядов взрывчатых веществ задачи мгновенного разделения элементов конструкций, разрезание электрических кабелей, отстрел парашютов и запуск различных приборов.

. погасить скорость при посадке космического аппарата на Землю помогает атмосфера: торможение в ней позволяет использовать на конечном этапе снижения парашют. Такая возможность полностью отпадает при спуске на Луну — отсутствие атмосферы на ней заставляет гасить скорость лишь реактивными импульсами, а последние метры пути аппарат садится на струе газа из сопла.

. переноситься с континента на континент со скоростью свыше десяти тысяч километров в час в разреженных слоях атмосферы, выводить на околоземную орбиту полезные грузы с обычных аэродромов должны летательные аппараты нового поколения с гиперзвуковыми воздушно-реактивными двигателями, создаваемыми сегодня зарубежными и отечественными специалистами.

. разгадкой неожиданно больших скоростей у новорожденных сверхплотных нейтронных звезд, достигающих 1500 километров в секунду, вероятно, может быть природный реактивный двигатель — излучение нейтрино, уносящих огромную энергию и способных создать необходимый импульс отдачи.

. идеальной для межзвездных полетов была бы гипотетическая ракета, роль газовой струи в которой играл бы пучок фотонов, иначе говоря, скорость истечения «струи» равнялась бы скорости света. Однако мощность подобной ракеты массой всего лишь в одну тонну при движении с ускорением, равным д, должна была бы превосходить мощность крупной электростанции типа Братской ГЭС примерно в 1000 раз.

. очередной прорыв в космос готовят в ближайшие пятнадцать лет все космические державы. Это, прежде всего, череда лунных экспедиций. Наша соседка уже рассматривается как полигон для испытания технологий, необходимых для покорения Марса, как база на пути к другим планетам, как новая астрономическая обсерватория и даже. как музей под открытым небом для посещения космическими туристами.

Что читать в «Кванте» о реактивном движении

«Почему вращается вертушка?» — 2002, Приложение № 4, с. 121;
«Сколько стоит запуск спутника?» — 2002, № 5, с. 30;
«Великое уравнение механики» — 2003, № 5, с. 35;
«Опыты с пластиковыми бутылками» — 2004, № 4, с. 20;
«Калейдоскоп» Кванта» — 2004, № 5, с. 32;
«Булава» — 2005, № 1, с. 29;
«Почему именно ракета» — 2005, Приложение № 6, с. 142;
«Как Студент думал Землю остановить» — 2006, № 5, с. 28.

Ответы

Не только сможет, но даже будет вращаться быстрее (из-за уменьшения сопротивления воздуха).
Работа, совершенная человеком, и кинетическая энергия, потерянная камнем, идут на увеличение энергии поезда.
Высыпающийся песок не влияет на изменение скорости тележки.
Чтобы изменить скорость, а значит и импульс барона, на него должна подействовать внешняя сила либо он должен «поделиться» частью своей массы, отбросив ее вперед по ходу прыжка.
а) Да; б) если груз сбрасывается без начальной скорости, то нет.
Если бы масса орудия была меньше, чем масса снаряда.
Нет, не попадут. При одновременной стрельбе платформа остается неподвижной, что является условием попадания снарядов в цель. Если одна из пушек выстрелит раньше, ее снаряд вылетит из ствола с меньшей начальной скоростью относительно земли и не долетит до цели. Второй снаряд вылетит из уже движущейся вместе с платформой пушки и будет обладать большей начальной скоростью относительно земли, значит, он перелетит цель.
После пуска снаряд, разгоняясь, некоторое время движется еще в том же направлении, что и самолет, т.е. стабилизаторами вперед. Это приводит к развороту снаряда. Затем за счет реактивной силы тяги скорость снаряда увеличивается, и он догоняет самолет.
Для этого достаточно поднять вытянутую руку и двигать ею вокруг головы. При этом космонавт будет разворачиваться вокруг своей продольной оси в направлении, противоположном вращению руки.
Сначала нужно выстрелить из первого пистолета в сторону, противоположную кораблю, и бросить туда же первый пистолет. Затем то же самое и в том же порядке проделать со вторым пистолетом.
Да, при этом они должны выбрасывать газы в сторону Луны.
Если топливо расходуется частями, то в начале работы двигателя ему приходится разгонять ракету с массой еще оставшегося на данный момент топлива. Поэтому приращения скорости по мере расхода топлива будут увеличиваться.
В начале ускорения газы отбрасываются влево. Но когда скорость ракеты станет больше скорости истечения из нее газов, они относительно наблюдателя станут двигаться также вправо, однако со скоростью, всегда меньшей скорости ракеты.
Масса топлива должна в несколько раз превышать массу ракеты с полезным грузом, и тогда даже при сравнительно медленном процессе сгорания топлива ракета наберет необходимую скорость.
Нет, нельзя. Скорость истечения газов из ракетных двигателей значительно меньше второй космической скорости у поверхности Земли, поэтому эти газы не покинут Землю и не сообщат ей движение.

Микроопыт

Спираль станет «реактивной» - начнет вращаться, причем в сторону, обратную той, куда устремится из нее мыльный раствор, пытающийся растечься по поверхности воды.

Защита от ракетных выхлопов

Космический аппарат на орбите необходимо постоянно поддерживать в определенном положении относительно Земли и Солнца. Эта задача решается с помощью системы ориентации, включающей реактивные двигатели. Они работают в импульсном режиме: при включении выбрасываемая из сопла в космос сверхзвуковая горячая струя создает тягу для ориентации в заданном положении. В результате в космос периодически выбрасываются как сгоревшие, так и несгоревшие, в том числе капельные, фракции топлива.

Особенность струйного истечения газов и жидкостей в вакууме – образование так называемых «обратных» потоков. Такие потоки при работе двигателей космических аппаратов на орбите приводят к загрязнению поверхности космического аппарата продуктами полного и неполного сгорания топлива. Поскольку компоненты топлива токсичны, они представляют собой большую опасность при попадании внутрь корабля (например, на скафандрах космонавтов после выхода в открытый космос). Решение этой проблемы специалистами Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН (Новосибирск). потребовавшее фундаментальных исследований газодинамической структуры течения вакуумных струй, привело к созданию специальных защитных экранов, которые и были установлены на борту Международной космической станции

Оказывается, даже в вакууме космонавты могут пострадать от токсического воздействия вредных выхлопов двигателей. Какие физические явления лежат в основе происходящих процессов и как защитить космическую станцию от космической грязи? Решение этих проблем потребовало фундаментальных исследований газодинамической структуры течения вакуумных струй.

Космический аппарат на орбите необходимо постоянно поддерживать в определенном положении относительно Земли и Солнца. Эта задача решается с помощью системы ориентации, куда входят двигатели управления и ориентации. Сейчас для этих целей применяются жидкостные ракетные двигатели малой тяги, топливом которых являются самовоспламеняющиеся компоненты – амил (азотный тетраоксид) и гептил (несимметричный диметилгидразин).

Высокая температура сгорания топлива (около 3000 °С) требует защиты стенок двигателя и сверхзвукового сопла от продуктов горения, для чего используется пристенная жидкостная пленка из того же топлива (в основном гептила). Двигатели работают в импульсном режиме: при включении сверхзвуковая горячая струя газов, выбрасываемая из сопла, создает тягу для ориентации космического аппарата в заданном положении. Таким образом, работа двигателей ориентации сопровождается периодическим выбросом в космос как сгоревших, так и несгоревших, в том числе капельных, фракций топлива.

Элементы конструкции, оказавшиеся в выхлопном факеле двигателя, подвергаются значительному тепловому, силовому и физико-химическому воздействию. Кроме того, продукты неполного сгорания топлива оседают на поверхности корабля и могут попадать на скафандры космонавтов при выходе их в открытый космос. Из-за токсичности самого топлива они представляют собой большую опасность для людей при попадании их внутрь космического аппарата.

До недавнего времени основное внимание уделялось тепловому и силовому воздействию струй двигателей. Проблема загрязняющего воздействия выхлопных струй впервые возникла при эксплуатации космической станции «Мир» во время проведения эксперимента «Двикон» в 1998 г. Тогда и было установлено наличие загрязнений на различных участках внешней поверхности станции. Однако особое внимание этому вопросу стали уделять после создания Международной космической станции (МКС). Проблема оказалась настолько серьезной, что для космонавтов были разработаны специальные конкретные меры предосторожности при работе в открытом космосе.

В земном вакууме

Рассчитать теоретически воздействие струй двигателей управления на прилегающие элементы конструкции космического аппарата невозможно – для этого требуется экспериментальное моделирование в вакуумных камерах. К выполнению этих работ в конце 1970-х гг. активно подключился новосибирский Институт теплофизики СО РАН им. С. С. Кутателадзе. Основным заказчиком выступила Ракетно-космическая корпорация «Энергия» им. С. П. Королева.

Сначала исследования проводились на уже существовавших вакуумных стендах и касались в основном моделирования силового и теплового воздействия факелов двигателей. Основополагающим для модельных экспериментов стал проведенный ранее в институте цикл фундаментальных исследований по влиянию неравновесных процессов на характер сверхзвукового струйного расширения атомарных и молекулярных газов в вакууме.

Оказалось, что при определенных условиях именно неравновесные процессы (такие как гомогенная конденсация и колебательная релаксация) определяют газодинамическую структуру течения вакуумных струй. Этот экспериментально обнаруженный факт и был положен в основу нового подхода к моделированию струй двигателей.

Были успешно проведены исследования по моделированию струй двигателей космических кораблей типа «Прогресс», модулей орбитальной станции «Мир», ракетно-космического комплекса «Энергия-Буран» и др. Введенная в строй в 1985 г. в ИТ СО АН СССР крупномасштабная вакуумная газодинамическая установка «Викинг» существенно расширила возможности проведения фундаментальных и прикладных исследований в потоках разреженного газа. Именно на этой установке и были впоследствии проведены исследования по загрязнению МКС.

Струя падает назад

Особенность струйного истечения газов и жидкостей из звукового либо сверхзвукового сопла в вакуум состоит в том, что выходящий из сопла газ расширяется во все стороны, в том числе и назад: предельный угол расширения струи относительно оси сопла превышает 90°. Именно такие «обратные» потоки возникают при работе на орбите системы ориентации космических аппаратов. Однако если давление в пространстве, куда истекает струя, равно атмосферному, то никаких обратных потоков не возникает.

Еще более удивительно при истечении в вакуум ведет себя пристенная пленка жидкости, используемая для охлаждения стенок сопла. Для выяснения деталей этого процесса были поставлены эксперименты по совместному истечению газа из трубки с пристенной пленкой жидкости в атмосферных условиях и в вакуум (где давление в миллион раз меньше атмосферного), при этом все остальные параметры экспериментов оставались неизменными.

Результаты экспериментов оказались весьма показательными. При истечении в атмосферу наблюдалась обычная газожидкостная струя, в то время как при истечении в вакуум пристенная пленка на выходной кромке трубки разворачивалась на 180° и начинала двигаться по наружной поверхности трубки в обратном направлении, преодолевая даже действие силы тяжести! Далее пленка распадалась, создавая поток капель на присопловую поверхность.

Столь необычное поведение пристенной пленки жидкости на выходной кромке трубки вызвано наличием вышеупомянутого «обратного» газового потока, который не дает жидкости двигаться вперед, как это имеет место при истечении в атмосферу.

Грязь не пройдет!

Таким образом, относительно простой эксперимент позволил объяснить причину возникновения обратных потоков капель топлива, которые приводят к загрязнению поверхности космической станции при работе двигателей системы ориентации. Дальнейшее, как говорится, было делом техники.

Специалисты института предложили устанавливать на выходную часть сопла двигателей специальные защитные устройства – экраны. Чтобы экспериментально проверить эффективность такой «простой» защиты, исследователям понадобилось создать новые методы диагностики газокапельных потоков в вакууме (такие как визуализация структуры течения, пространственного распределения капель и т. д.).

С использованием этих методов был выполнен цикл экспериментальных исследований на установке «Викинг», позволивший обосновать и разработать рекомендации специалистам РКК «Энергия», которые занялись непосредственным проектированием и производством защитных устройств для двигателей различных блоков МКС.

Защитные экраны были доставлены на МКС, где в январе 2002 г. космонавты Ю. Онуфриенко и Д. Берш установили их на двигатели ориентации служебного модуля во время выхода в открытый космос.

Проверка эффективности работы защитных устройств в условиях реального полета стала одной из главных задач космического эксперимента «Кромка -1», стартовавшего на борту МКС еще с середины 2001 г.

В рамках программы эксперимента вблизи двигателей устанавливались планшеты с образцами различных материалов, на которые и осаждались загрязняющих фракции. Эксперимент был повторен дважды: до установления защитных экранов на сопла и после установки. Затем планшеты были демонтированы и возвращены на Землю для тщательного исследования.

Простое визуальное обследование планшетов показало, что защитные экраны с честью справились с задачей. В нижней части «контрольных» образцов имелись довольно многочисленные следы темных капель, в то время как на планшетах, смонтированных после установки защитных устройств, подобные следы отсутствовали. Дальнейшие исследования планшетов с целью определения химического состава капель и получения количественных данных по загрязнению подтвердили первоначальные выводы.

Таким образом, результаты натурных исследований, проведенных непосредственно в космосе, полностью совпали с результатами модельных экспериментов в вакуумных камерах ИТ СО РАН. И дело не только в успешном решении проблемы загрязнения МКС токсичными выбросами, хотя это очень важно. Многолетние контакты ученых с ведущими специалистами-практиками стимулировали появление новых программ фундаментальных исследований, новых методов диагностики, подтолкнули развитие экспериментальной базы.

А что же космос? В 2013—2016 гг. на МКС планируется новый космический эксперимент «Астра-3» с целью исследования динамики загрязняющего воздействия собственной внешней атмосферы станции на элементы внешних поверхностей, и ИТ СО РАН снова приглашен в нем участвовать.

Ребров А. К., Ярыгин В. Н. Вакуумная газодинамическая установка с электродуговым подогревом газа // 1967. ТВТ. № 1. С. 182—183.

Кутателадзе С. С., Ярыгин В. Н., Ребров А. К. Некоторые проблемы молекулярной газодинамики // Вестн. АН СССР. 1984. № 4. С. 79—85.

Ребров А. К., Ярыгин В. Н. Молекулярная газодинамика и неравновесные процессы // ТиА. 1997. Т. 4, № 2. С. 171—179.

Gerasimov Yu. I., Yarygin V. N. Problems of Gas-Dynamical and Contaminating Effect of Exhaust Plumes of Orientation Thrusters on Space Vehicles and Space Stations // Proc. 25th Int. Symp. Raref. Gas Dyn. (RGD25). St.-Petersburg, Russia, 2007. P. 805—811.

Герасимов Ю. И., Мишина Л. В., Приходько В. Г., Ярыгин В. Н. Способ защиты поверхности космического аппарата от загрязнения, образующегося при дренаже гидравлических магистралей и работе ракетных двигателей, и устройство для его осуществления // Патент РФ №2149807 от 24.05.1999.

Герасимов Ю. И., Крылов А. Н., Соколова С. П. и др. Газодинамические аспекты проблемы загрязнения Международной космической станции. Часть 2. Натурные эксперименты // ТиА. 2003. Т. 10. № 4. С. 575—586

Дорога в космос: необычный выбор топлива

Ракетой называется такой летательный аппарат, который перемещается за счет реактивной силы, возникающей в результате выбрасывания части собственной массы в направлении, противоположном ее движению. Есть важный нюанс — ракета, в отличие от реактивного самолета, не использует для полета вещество из окружающей среды. То есть кроме топлива она несет в себе еще и вещество, в котором это топливо будет сгорать — так называемый окислитель.

Характеристики полета ракеты определяются тем, какую массу и с какой скоростью она выбрасывает в процессе своей работы. В идеале хорошо бы отбрасывать тяжелое вещество с большой скоростью. А для этого в ракете должен протекать процесс, который обеспечит наиболее эффективное преобразование скрытой химической энергии топлива и окислителя в кинетическую энергию реактивной струи. К сожалению, в природе так не получается.

Первые ракеты были изобретены в Древнем Китае более двух тысяч лет назад, когда каким-то образом был сделан черный порох. В этой смеси уголь был топливом, селитра — окислителем, сера — катализатором процесса. И в течение сотен лет, вплоть до начала ХХ века, именно черный порох был тем горючим, на которое надеялись энтузиасты, мечтавшие вырваться из оков земного тяготения.

Правда, они уже понимали, что у твердого топлива есть свои принципиальные недостатки — например, горением твердого топлива в ракете практически невозможно управлять. Да и эффективность этого топлива не самая лучшая. Поэтому на заре ХХ века появилась новая идея — создать ракетный двигатель на жидком топливе, тягой которого можно управлять.

Теоретически все выглядело очень красиво. Нужно было взять жидкое топливо, например спирт или продукт перегонки нефти, а также какой-нибудь подходящий окислитель. Встретившись, эти вещества начали бы гореть в специальной камере и вылетать с огромной скоростью из сопла, обеспечивая ракете реактивную тягу. Регулируя подачу топлива и окислителя, реактивной тягой можно управлять, выключать двигатель и запускать заново. Но на практике все оказалось гораздо сложнее.

Чтобы запустить космический корабль на орбиту, а затем спустить его на Землю, топливо потребуется дважды — при разгоне во время выхода в космос и при торможении, чтобы сойти с орбиты. Каждый маневр требует своего запаса топлива, и чем больше топлива нам надо взять с собой, тем мощнее должна быть первая ступень ракеты, которая оторвет нас от Земли. Если запускается спутник на околоземную орбиту, то соотношение полезной нагрузки к общей массе ракеты будет около 1:40. В случае лунной обитаемой экспедиции на Землю вернется всего 1/550-я стартовой массы.

Это означает, что космические запуски для обеспечения их максимальной эффективности должны осуществляться разными ракетами-носителями, которые используют разные виды топлива и окислителя. Поначалу выбирали между спиртом и керосином, а из окислителей — между жидким кислородом и азотной кислотой. Потом стали появляться другие вещества, которые можно было применить в ракете с жидкостным двигателем.

Военные инженеры однозначно голосовали за так называемый гептил и азотную кислоту с тетраоксидом диазота, так как ракеты на этой смеси быстрее приводились в боевое состояние. Для гражданских целей или плановых военных запусков можно было использовать другие комбинации.

В СССР королем пилотируемых запусков стала пара «керосин + жидкий кислород», которая вывела в космос первый спутник и первого человека. Ракеты-носители семейства «Союз» по сей день являются самыми надежными «рабочими лошадками» космонавтики. Обычные грузы забрасываются на орбиту ракетами «Протон», которые летают на гептиле.

В США также использовали и используют керосин и жидкий кислород. Однако в рамках программы «Аполлон» была применена следующая комбинация: первая ступень работала на керосине и кислороде, а вот вторая и третья — на паре «жидкий водород + жидкий кислород». Это самая эффективная пара горючего и окислителя, в дальнейшем она была применена на космических кораблях «Спейс шаттл», в советском комплексе «Буран-Энергия» и сейчас применяется в ракете Европейского космического агентства «Ариан-5».

Водород как топливо всем хорош, в том числе и тем, что в процессе его сгорания в кислороде образуется лишь вода. Однако производство и хранение жидкого водорода весьма затратный процесс. Стремление получить более эффективное топливо побудило еще в 50-е годы начать работы по созданию своеобразного синтетического керосина, который можно было бы использовать как обычный керосин, но с гораздо более высокой эффективностью.

Так появился синтин — искусственное топливо, получаемое в результате многоступенчатого химического процесса. И хотя оно действительно эффективнее керосина, но сложность его получения ограничивает использование, поскольку с распадом СССР на первое место вышла экономическая эффективность космических запусков. Одновременно появились и экологические ограничения.

В начале нового века появилась еще одна проблема — ограниченность источников качественного керосина. Для ракетных двигателей нужно высококачественное горючее, но источники нефти, из которой можно получить его, отнюдь не бесконечны. Поэтому возникла идея использовать вместо керосина сжиженный природный газ.

Метан — второй после водорода в рейтинге экологичности — при сгорании оставляет воду и углекислый газ. Хотя он энергетически менее эффективный, чем водород, но вместе с тем более эффективный, чем керосин. При этом природный газ не образует в двигателе нагар, который неминуемо образуется при сгорании керосина. А это открывает возможность для создания двигателей многоразового использования.

Конструкторы предполагают, что на сжиженном природном газе может летать первая ступень ракеты, которая после выполнения своей работы в плановом режиме вернется на космодром. Технология такого полета была отработана в системе «Энергия-Буран » и в принципе не представляет особой сложности.

Испытания ракетных двигателей, работающих на жидком природном газе, проводились в России и США начиная с 2007 года. Это топливо дешево и широко доступно, резервы его даже на Земле практически неисчерпаемы в обозримом будущем и уж тем более в нашей Солнечной системе.

Мы уже создали весьма прогрессивные двигатели для полетов в открытом космосе — плазменные и ионные — и вскоре сможем запустить системы с атомной (а, возможно, в будущем — и с термоядерной) энергетической установкой. Но стартовать с Земли все равно придется на ракетах, использующих энергию химических реакций. Они медлительны, но очень мощны. И газовые ракеты могут облегчить этот первый шаг на пути человека в космос.

Покорители денег космоса

Стыковщиков космических кораблей обвинили в махинациях на земле

“Ъ” стало известно о расследовании нового уголовного дела о хищениях в системе «Роскосмоса» — по обвинению в особо крупном мошенничестве, ущерб от которого составил порядка 200 млн руб., под домашний арест был определен Константин Егоров — ученый-изобретатель и бывший заместитель гендиректора АО «Научно-исследовательский институт точных приборов» (НИИ ТП), разрабатывающего и выпускающего комплексы автоматизированного управления космическими аппаратами. Под следствием, но уже по другому делу, оказался и гендиректор НИИ ТП Александр Люхин, попавшийся на фиктивном трудоустройстве своей знакомой.

Уголовное дело, фигурантами которого стали Константин Егоров и гендиректор ООО «Дайтехнолоджи» Павел Авдеев, было возбуждено Четвертым управлением МВД, расследующим преступления в ОПК, в марте этого года по признакам ч. 4 ст. 159 (мошенничество в особо крупном размере). Вначале расследование велось в отношении неустановленных лиц, а недавно в нем появились и конкретные фигуранты.

По версии следствия, в 2018 году НИИ ТП был заключен контракт с «Дайтехнолоджи» на приобретение комплектующих для изготовления оборудования в интересах АО «Российские космические системы» (НИИ входит в состав РКС). Предприниматели, в свою очередь, организовали поставки из США, однако из-за того, что пришлось действовать в обход санкций, исполнение договора затянулось. Тем не менее, как отмечает представитель ООО, контракт был полностью выполнен. Причем для этого институтом использовался не бюджетный, а коммерческий счет.

Отметим, что основанием для возбуждения уголовного дела послужило заявление представителей НИИ в полицию, а доказательством предполагаемых махинаций стало исследование, проведенное специалистом, которого привлек институт.

Господа Егоров и Авдеев свою вину не признают, полагая, что это была обычная, одна из сотен, сделок НИИ ТП с коммерческими партнерами. Причем, добившись возбуждения уголовного дела, институт подал в арбитраж на своего коммерческого партнера, требуя, чтобы он выплатил более 185 млн руб. Аналогичный иск заявлен и в рамках уголовного дела, где НИИ ТП признан потерпевшей стороной. Таким образом, считают представители обвиняемых, потерпевшая сторона, получив оплаченные детали, рассчитывает дважды вернуть их стоимость.

Отметим, что господин Авдеев, как бывший военнослужащий внутренних войск МВД, содержится в СИЗО для правоохранителей и силовиков. Для погашения ущерба следствие арестовало активы обвиняемых, оцениваемые примерно в сумму предполагаемого хищения. Если у господина Егорова это были личные объекты недвижимости, то у господина Авдеева — земля, записанная на его компанию.

Представитель предпринимателя Авдеева отметил, что его клиент после возбуждения уголовного дела несколько раз выезжал за границу и всякий раз возвращался на родину, не собирается он бежать и сейчас. В свою очередь, представители бывшего замдиректора НИИ ТП указывали, что суд не учел данные о личности обвиняемого. А именно что господин Егоров является доктором технических наук, изобретателем, лауреатом Государственной премии, имеет многочисленные награды, а в настоящее время находится на пенсии, поэтому никоим образом не может оказать давление ни на следствие, ни на потерпевшую сторону. Защита предлагала ограничиться в отношении ученого подпиской о невыезде или запретом определенных действий, а предпринимателя Авдеева перевести из СИЗО под домашний арест. Однако Мосгорсуд сохранил им прежние меры пресечения, не разрешив господину Егорову даже жизненно необходимые по версии защиты прогулки.

Следует отметить, что параллельно в связи с предполагаемыми махинациями в НИИ ТП расследуется еще одно уголовное дело — в отношении бывшего гендиректора АО Александра Люхина, который уволился по собственному желанию 31 мая этого года. По данным уже СКР, господин Люхин злоупотребил должностными полномочиями (ст. 285 УК), устроив на должность своего заместителя по финансам с ежемесячной зарплатой более чем 900 тыс. руб. Елену Горбачеву — подругу, не имевшую даже высшего и специального образования. Источники “Ъ” не исключают, что расследования могут быть объединены, поскольку господин Люхин проходит свидетелем и по «полицейскому» делу о мошенничестве, но для этого нужно специальное решение прокуратуры.

В РКС от подробных комментариев воздержались, отметив, что по всем этим делам агентство активно сотрудничает с правоохранительными органами.

НИИ ТП разрабатывает и изготавливает, а также проводит полномасштабные испытания систем и комплексов автоматизированного управления космическими аппаратами; радиотехнических систем, используемых для стыковок аппаратов на орбите; систем и комплексов приема, обработки, распределения и доведения до потребителей информации дистанционного зондирования Земли и проч.

Читайте также:

Для эффективного торможения космического корабля направление струи выхлопных газов

Для придания наиболее эффективного ускорения космическому кораблю

Похожие презентации

Мы никуда не полетим с Земли без «гипердвигателя». И нам придётся его создать, если хотим осваивать космос…

Россия готовит принципиально новые двигатели для космических кораблей

Магия удельного импульса

Первое крыло - высокий удельный импульс

Второе крыло - энергетическая установка

Kvant. Реактивное движение

Содержание

Вопросы и задачи

Микроопыт

Любопытно, что…

Что читать в «Кванте» о реактивном движении

Ответы

Микроопыт

Защита от ракетных выхлопов

В земном вакууме

Струя падает назад

Грязь не пройдет!

Дорога в космос: необычный выбор топлива

Покорители денег космоса

Стыковщиков космических кораблей обвинили в махинациях на земле