Ракетные двигатели (Презентации лекций)

Московский государственный технический университет им. Н.Э. БауманаКафедра поршневых двигателей (Э2)Иллюстративный материал к учебному курсу«Энергетические машины и установки»РАКЕТНЫЕ ДВИГАТЕЛИМосква, 2015Классификация ракетных двигателейКлассификация жидкостных ракетных двигателей1-ЖРД с газогенератором, работающим на автономном топливе2-ЖРД с газогенератором, работающим на основных компонентах топлива3-ЖРД без газогенератора с газификацией охладителя в зарубашечном пространстве 4-ЖРД с дРеактивный (ракетный) двигатель●•Тяга – равнодействующаягазо- и гидродинамических сил,действующих на внутренние и внешние поверхности двигателя , заисключением сил внешнего аэродинамического сопротивления (0,01 1000000 Н)•Удельный импульс тяги – отношение тяги двигателя красходу топлива двигателем ( 1000 – 10000 м/с).к массовому•Масса двигателя (0,1 – 100000 кг)•Удельная массадвигателя.- отношение массы двигателя к наибольшей тяге•Время работы двигателя ( 0,001 - 10000 с).•Давление в камере – среднее по времени давление в близи стенкикамеры, противоположной соплу (0,1 – 30 МПа).•Температура сгорания в камере – температура торможения продуктовсгорания на выходе из камеры сгорания (300 – 4000К).Тяга ракетного двигателяРакетные двигателитвердого топливаПринципиальная схема ракетного двигателя твердого топлива:1 - камера сгорания;2 - реактивное сопло;3 - пороховые шашки;4 - диафрагма;5 - пиропатрон-воспламенительРДТТ в разрезе:1 — воспламенитель;2 — топливный заряд;3 — корпус;4 — соплоТипы топливных зарядова — торцевого горенияб, в, г — с осевым каналомЖидкостные ракетные двигателиПринципиальная схема жидкостного ракетного двигателя:1 – камера сгорания;2 – головка камеры;3 – трубопровод для подачи топлива в пусковые форсунки;4 – воспламенитель (пусковая свеча);5 – трубопровод для подачи окислителя;6 – трубопровод для подачи горючего (оно же охладитель камеры);7 – вкладыш (разъемный);8 – реактивное сопло;Жидкостные ракетные двигателиСхема жидкостного ракетного двигателяс вытеснительной подачей топлива:1 - баллон со сжатым газом;2 - редуктор;3 - топливные баки;4 - клапаны;5 - камера сгорания;6 - пояса подачи горючего для внутреннего охлаждения;7 - соплоЖидкостные ракетные двигателиСхема двукомпонентного ЖРДс насосной подачей топлива1 — магистраль окислителя2 — магистраль горючего3 — насос окислителя4 — насос горючего5 — турбина6 — газогенератор7 — клапан газогенератора (окислитель)8 — клапан газогенератора (горючее)9 — главный клапан окислителя10 — главный клапан горючего11 — выхлоп турбины12 — смесительная головка13 — камера сгорания14 — соплоЖидкостный двигательракеты Фау-2Двигательная установка North American RockwellRocketdyne F-1ГИБРИДНЫЕ РАКЕТНЫЕДВИГАТЕЛИКомбинированная установкаВРД + ЖРДОсновная идея такой установки - включение в ее составсистемы ожижения атмосферного воздуха, работающей во времяпрохождения аппаратом слоев атмосферы.

Для ожиженияатмосферного воздуха используется жидкий водород. Сжиженныйвоздух разделяется на кислород и азот. Азот сбрасывается за борт, акислород подается в камеру сгорания для окисления топлива. Этодает возможность уменьшить бортовой запас кислорода, которыйиспользуется за пределами атмосферы.На стартовом участке двигательная установка работает как ВРД(до М=5,0), а далее – как ЖРД с подачей кислорода из бортовыхзапасов.Схема комбинированной установкиВРД + ЖРДойКомбинированный ракетно-прямоточныйдвигатель (РПД)В этом двигателе часть топлива (жидкого или твердого) сжигается вгазогенераторе – ракетном двигателе, размещенном во входномустройстве, а другая часть (жидкого) сжигается в камере сгорания,аналогичной ПВРД.

Основной функцией газогенератора являетсяподача горючего в зону смешения в виде струй для последующегосмешения с потоком воздуха и догорания. Струя должна содержатьмелкодисперсные частицы и газообразное горючее. Реакция газовойфазы горючего с воздухом обеспечивает достаточную температуру длявоспламенения металлов и высокие энергетические характеристикитопливной системы.Термодинамическая схема гибридного двигателя SABREРазличные виды комбинированных двигателей для сравнения с гибридным двигателем SABRE.а) Турбо-прямоточный двигатель со встроенным ЖРД;б) Турбо-ракетный двигатель;в) Турбо-ракетный двигатель с теплообменником;г) Комбинированный двигатель со сжижением атмосферного воздуха (LACE)ЯДЕРНЫЕ РАКЕТНЫЕДВИГАТЕЛИNERVA (Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application)Диаметр: 10,55 мДлина: 43,69 мСухая масса: 34019 кгПолная масса: 178321 кгТяга в вакууме: 333,6 кНУдельный импульс (в вакууме): 850 с (8,09 кН·с/кг)Удельный импульс (на уровне моря): 380 с (3,73 кН·с/кг)Время работы: 1200 сРабочее тело: жидкий водородРД- 0410Тяга в пустоте — 3,59 тс (35,2 кН)Тепловая мощность реактора — 196 МВтУдельный импульс тяги в пустоте — 910 кгс·с/кг(8927 м/с)Число включений — 10Ресурс работы — 1 часКомпоненты топлива: рабочее тело — жидкий водород,вспомогательное вещество — гептанМасса с радиационной защитой — 2 тонныГабариты двигателя: высота 3.5 м, диаметр 1.6 мГоды разработки — 1965—1985Проект «Орион»Газофазный ядерный реакторГФЯРД с ТВЭЛом струйного типа и открытым контуром1-бериллиевый замедлитель-отражатель нейтронов, 2-зона лучистого теплообмена урановой плаз«камеры сгорания», 5-регулирующие стержни (уран,бериллий,поглотитель), 6-подача водорода,7-водородные форсунки, 8-урановые (пусковые) стержни, 9-рубашка охлаждения,10-сопло Лаваля, 11 -охлаждающие каналы в замедлителе-отражателе,12 -охлаждающая полость перегородки, 13 -тугоплавкая перегородка застойной зоны,14 -патрубки подачи расплавленного или суспензированного урана,15 - патрубок ввода жидкого водорода в рубашку охлаждения, 16- продукты деления урана (осколк18 - перегретый водород.Газофазный ядерный реакторГФЯРД с ТВЭЛом струйного типа и рециркуляцией урана1-регулирующие стержни (уран,бериллий,поглотитель),2-подача жидкого или диспергированного урана, 3-водородные форсунки,4-силовой корпус двигателя, 5-урановые (пусковые) стержни,6-охлаждающие каналы в замедлителе-отражателе, 7-рубашка охлаждения,8-патрубок ввода жидкого водорода в рубашку охлаждения, 9-продукты деления урана (осколки), в11-,12-,13-,14-,15-,16-бериллиевый замедлитель-отражатель нейтронов,17-боковой обдув «камеры сгорания»,18- столб урановой плазмыПроект космического корабля с термоядерным двигателемМощность термоядерного РД - 100 МВт1 — возвращаемый аппарат; 2—отсек экипажа и командный отсек (управление, ЦПУ);3 — переходная камера и стыковочный узел; 4 — вспомогательный отсек; 5—основной отсек; 6 — гфорсажное устройство; 9 — термоядерный РД; 10 — защита; 11 — теплообменники и запас рабоче12 — криогенный теплообменник (излучатель);13 — многокамерный отсек хранения грузов с размещенными по окружности стыковочными устройс14 — космическое «такси» (спускаемые аппараты, грузовые корабли и т.д).Электромагнитные РДУскорительный канал МГД-двигателяТорцовый коаксиальный МГД-двигатель1 - рабочее тело; 2 - электроизоляционная проставка (перегородка); 3 - корпус;4 - электропитание; 5 - электроды; 6 - сопло; 7 - реактивная плазменная струя (плазменный сгуст10 - пружина подачи рабочего тела.Электромагнитные РДКоаксиальный импульсный РДЭрозионный импульсный РДЛинейный импульсный РДПинчевый импульсный РД1 - рабочее тело; 2 - электроизоляционная проставка (перегородка); 3 - корпус;4 - электропитание; 5 - электроды; 6 - сопло; 7 - реактивная плазменная струя (плазменный сгуст10 - пружина подачи рабочего тела.Статичный двигатель Холла (Stationary Plasma Thruster (SPT)Электростатические РДИонный РД с поверхностной ионизациейИонный РД с объёмной ударной ионизацией1 - рабочее тело; 2 - ионизатор (ионизационная камера); 3 - ускоряющий электрод;4 - замедляющий электрод; 5 - нейтрализатор; 6 - источник электронов;7 - соленоид закрутки электронов (для усиления ионизации рабочего тела);8 - выходная разделительная сетка; 9 - фокусирующий электрод;10 - электрод дробления и электрической зарядки частиц рабочего тела;11 - капиллярная трубкаЭлектростатические РДКоллоидный РД1 - рабочее тело;2 - ионизатор (ионизационная камера);3 - ускоряющий электрод;5 - нейтрализатор;9 - фокусирующий электрод;10 - электрод дробления и электрической зарядки частиц рабочего тела;11 - капиллярная трубкаЭлектротермические РДОмический РДЭлектродуговой РДИндукционный РД1 - сопло; 2 - рабочее тело;3 - электропитание;4 - электроизоляционная проставка;5 - нагревательный элемент (камера нагрева); 6 8 - электроды; 9 - зона электрической дуги; 10 - вы11 - индукционная катушка;12 - магнитные силовые линии;13 - охладительVariable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket — VASIMRVariable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket — VASIMRПроект «Прометей» (Prometeus)СолнечныйпарусСолнечныйпарусЭлектрический парус ESAILигатель на инерционном лазерном синтезе, основанном на концепции быстрого воДвигатель Бассарда.