На твердой тяге

Твердотопливные ракеты: конфигурации

Читая описание для современных твердотопливных ракет, часто можно найти вот такое:

Здесь объясняется не только состав топлива, но и форма канала, пробуренного в центре топлива. «Перфорация в виде 11-конечной звезды» может выглядеть вот так:

Твердотопливные двигатели обладают тремя важными преимуществами:

• простота
• низкая стоимость
• безопасность

Но есть и два недостатка:

• тягу невозможно контролировать
• после зажигания двигатель нельзя отключить или запустить повторно

Недостатки означают, что твердотопливные ракеты полезны для непродолжительных задач (ракеты) или систем ускорения. Если вам понадобится управлять двигателем, вам придется обратиться к системе жидкого топлива.

Применение

Космонавтика

Твердотопливные ступени никогда не использовались в советской и российской космонавтике, однако широко применялись и применяются в ракетной технике других стран. В основном это элементы первой ступени (боковые ускорители):

• Боковой ускоритель МТКК Спейс шаттл и Space Launch System.
• Вторая ступень Наро-1 (Республика Корея), Антарес (США).
• Семейство твердотопливных ступеней Castor (англ.)русск. и в любительском ракетостроении.

Боевые ракеты

Баллистические ракеты подводных лодок

• UGM-27 «Поларис» (1960)
• UGM-73 «Посейдон» (1970)
• UGM-96 «Трайдент» (1979)
• M1 (1972)
• M20 (1976)
• M45 (1996)
• M51
• Р-39 (1983)
• Р-30 «Булава»

Межконтинентальные баллистические ракеты

• LGM-30 «Минитмен» (1962)
• MX «Пискипер» (1986)
• РТ-23 УТТХ «Молодец»(1987)
• РТ-2ПМ «Тополь» (1982)
• РТ-2ПМ2 «Тополь-М» (1998)
• РС-24 «Ярс» (2009)
• РС-26 «Рубеж» (2017)

Противоракеты системы ПВО

LIM-49A «Спартен»

ПЗРК

Игла

В моделизме

В ракетомоделировании используется 2 типа двигателей на твёрдом топливе. Первые — на основе дымного пороха (в Америке такие двигатели имеются в свободной продаже). Но обычно используют расплав или смесь калийной селитры (или реже натриевой селитры) и углеводов (сахар, сорбит и декстроза) — это т. н. «карамель», она изготовляется самостоятельно. Ракетные двигатели обычно имеют сопло, но иногда делают и бессопловые двигатели. Их обычно изготовляют из картонных гильз для охотничьих ружей, в качестве сопла используется отверстие для капсюля.

Будущее ракетных двигателей

Мы привыкли видеть химические ракетные двигатели, которые сжигают топливо для производства тяги. Но есть масса других способов для получения тяги. Любая система, которая способна толкать массу. Если вы хотите ускорить бейсбольный мячик до невероятной скорости, вам нужен жизнеспособный ракетный двигатель. Единственная проблема при таком подходе — это выхлоп, который будет тянуться через пространство. Именно эта небольшая проблема приводит к тому, что ракетные инженеры предпочитают газы горящим продуктам.

Многие ракетные двигатели крайне малы. К примеру, двигатели ориентации на спутниках вообще не создают большую тягу. Иногда на спутниках практически не используется топливо — газообразный азот под давлением выбрасывается из резервуара через сопло.

Новые конструкции должны найти способ ускорить ионы или атомные частицы до высокой скорости, чтобы сделать тягу более эффективной. А пока будем пытаться делать электромагнитные двигатели и ждать, что там еще выкинет Элон Маск со своим SpaceX.

Источник

Смотрите также:

Война СССР в Афганистане 1979—1989

Достоинства и недостатки

Достоинствами твердотопливных ракет являются: относительная простота, отсутствие проблемы возможных утечек токсичного топлива, низкая пожароопасность, возможность долговременного хранения, надёжность.

Недостатками таких двигателей являются невысокий удельный импульс и относительные сложности с управлением тягой двигателя (дросселированием), его остановкой (отсечка тяги) и повторным запуском, по сравнению с ЖРД; как правило, больший уровень вибраций при работе, большое количество агрессивных веществ в выхлопе наиболее распространённых видов топлива с перхлоратом аммония.

Базовые концепты

Упрощенная схема твердотопливной ракеты. 1. твердого (топливо) набивается в ракету с цилиндрическим отверстием посередине. 2. Воспламенитель воспламеняет поверхность пороха. 3. Цилиндрическое отверстие в порохе действует как камера сгорания . 4. Горячий выхлоп застревает в горле, что, помимо прочего, определяет величину создаваемой тяги. 5. Выхлоп выходит из ракеты.

Простой ракетный твердотопливный двигатель состоит из корпуса, сопла , зерна ( метательного заряда ) и воспламенителя .

Твердая зернистая масса горит предсказуемым образом с образованием выхлопных газов, поток которых описывается потоком Тейлора-Кулика . Эти сопла размеры рассчитаны для поддержания конструкции давления, при производстве тяги от выхлопных газов.

После воспламенения простой твердотопливный ракетный двигатель не может быть отключен, потому что он содержит все ингредиенты, необходимые для сгорания внутри камеры, в которой они сжигаются. Более совершенные твердотопливные ракетные двигатели можно не только дросселировать, но и гасить, а затем повторно зажигать, контролируя геометрию сопла или используя вентиляционные отверстия. Также доступны импульсные ракетные двигатели, которые горят сегментами и которые могут запускаться по команде.

Современные конструкции могут также включать в себя управляемое сопло для наведения, авионику , оборудование для восстановления ( парашюты ), механизмы самоуничтожения , ВСУ , управляемые тактические двигатели, регулируемые двигатели отклонения и ориентации , а также материалы для управления тепловым режимом .

Топливо

Основная статья: Твёрдое ракетное топливо

• Гомогенные топлива. Представляют собой твёрдые растворы (обычно — нитроцеллюлозы) в нелетучем растворителе (обычно в нитроглицерине). Применяются в небольших ракетах.
• Смесевые топлива. Это смесь твёрдых окислителя и горючего. Наиболее значимы:
  • Дымный порох. Исторически первое ракетное топливо. Состав: селитра, древесный уголь и сера.
  • Смесевые топлива на основе перхлората аммония (окислитель) и полимерного горючего. Наиболее широко применяемое топливо для тяжелых ракет военного и космического назначения.
  • В ракетомоделизме получило широкое распространение самодельное смесевое топливо на основе нитрата калия и органических связующих, доступных в быту (сорбит, сахар и тому подобных).
• Известны ракетные двигатели, где горючее является твердым топливом, а окислитель жидким веществом и подается в камеру сгорания насосами по трубопроводам. Достоинствами такого топлива являются возможность управления тягой двигателя, достижение более высоких температур сгорания за счет охлаждения камеры жидким окислителем. Такие ракетные двигатели являются промежуточными между ЖРД и РДТТ.

Топливо РДТТ американских межконтинентальных ракет состояло из смеси на основе перхлората аммония в качестве окислителя и горючего полиуретана с алюминием (первая ступень), с присадками (связующего НТРВ (англ. Hydroxyl Terminated Poly Butadien — полибутадиена с концевой гидроксильной группой), улучшающими стабильность скорости горения, формование и хранения заряда и смесью на основе перхлората аммония в качестве окислителя и горючего полиуретана в смеси с сополимером полибутадиена и акриловой кислоты (вторая ступень).

Топливо

• Гомогенные топлива. Представляют собой твёрдые растворы (обычно — нитроцеллюлозы) в нелетучем растворителе (обычно в нитроглицерине). Применяются в небольших ракетах.
• Смесевые топлива. Это смесь твёрдых окислителя и горючего. Наиболее значимы:
  • Дымный порох. Исторически первое ракетное топливо. Состав: селитра, древесный уголь и сера.
  • Смесевые топлива на основе перхлората аммония (окислитель) и полимерного горючего. Наиболее широко применяемое топливо для тяжелых ракет военного и космического назначения.
  • В ракетомоделизме получило широкое распространение самодельное смесевое топливо на основе нитрата калия и органических связующих, доступных в быту (сорбит, сахар и тому подобных).

Топливо РДТТ американских межконтинентальных ракет состояло из смеси на основе перхлората аммония в качестве окислителя и горючего полиуретана с алюминием (первая ступень), с присадками (связующего НТРВ (англ. Hydroxyl Terminated Poly Butadien — полибутадиена с концевой гидроксильной группой), улучшающими стабильность скорости горения, формование и хранения заряда и смесью на основе перхлората аммония в качестве окислителя и горючего полиуретана в смеси с сополимером полибутадиена и акриловой кислоты (вторая ступень).

4.2 Анализ условий работы конструкции РДТТ

Анализ
внутрибаллистических условий

Важнейшей характеристикой ТРТ, определяющей характер внутрикамерных
процессов, является скорость горения. При номинальном давлении она должна быть
достаточной для достижения необходимых характеристик двигательной установки. В
данном случае от РДТТ требуеться большая тяга в течение короткого времени при
высоких перегрузках. Последнее обстоятельство не позволяет по соображениям
прочности применить многошашечный заряд с развитой поверхностью горения.
Приемлемым решением является применение скрепленного с корпусом заряда, но в
этом случае повышенная скорость горения должна обеспечивать необходимое газообразование
при ограниченной поверхности горения. Иногда необходима относительно малая
скорость горения для достижения длительного времени работы Для выполнения
сложной программы полета в одном двигателе возможно размещение зарядов ТРТ с
разной скоростью горения, например, в двигателях со ступенчатым изменением
тяги: для короткого старта с большой тягой и длительного полета с пониженной
тягой.

Топливо должно обеспечивать устойчивое и равномерное горение в условиях
требуемых давлений в камере сгорания, в том числе и сравнительно невысоких.

Весьма важной характеристикой является величина разброса скорости горения
для одного состава или одной партии топлива, т. е

хорошая воспроизводимость
характеристик топлива.

Анализ полета
КЛА в космосе

«Восход» — советский космический корабль для полётов на
околоземной орбите.

Для движения по орбите вокруг Земли аппарат должен иметь начальную
скорость, равную или немного большую первой космической скорости. Полёты
выполняются на высотах до нескольких сотен тысяч километров. Нижнюю границу
высоты полёта обуславливает необходимость избежать процесса быстрого торможения
в атмосфере. Период обращения спутника по орбите в зависимости от средней
высоты полёта может составлять от полутора часов до нескольких суток.

Применение

Космонавтика

Твердотопливные ступени никогда не использовались в советской и российской космонавтике, однако широко применялись и применяются в ракетной технике других стран. В основном это элементы первой ступени (боковые ускорители):

• Боковой ускоритель МТКК Спейс шаттл и Space Launch System.
• Вторая ступень Наро-1 (Республика Корея), Антарес (США).
• Семейство твердотопливных ступеней Castor (англ.)русск. и в любительском ракетостроении.

Боевые ракеты

Баллистические ракеты подводных лодок

• UGM-27 «Поларис» (1960)
• UGM-73 «Посейдон» (1970)
• UGM-96 «Трайдент» (1979)
• M1 (1972)
• M20 (1976)
• M45 (1996)
• M51
• Р-39 (1983)
• Р-30 «Булава»

Межконтинентальные баллистические ракеты

• LGM-30 «Минитмен» (1962)
• MX «Пискипер» (1986)
• РТ-23 УТТХ «Молодец»(1987)
• РТ-2ПМ «Тополь» (1982)
• РТ-2ПМ2 «Тополь-М» (1998)
• РС-24 «Ярс» (2009)
• РС-26 «Рубеж» (2017)

Противоракеты системы ПВО

LIM-49A «Спартен»

ПЗРК

Игла

В моделизме

В ракетомоделировании используется 2 типа двигателей на твёрдом топливе. Первые — на основе дымного пороха (в Америке такие двигатели имеются в свободной продаже). Но обычно используют расплав или смесь калийной селитры (или реже натриевой селитры) и углеводов (сахар, сорбит и декстроза) — это т. н. «карамель», она изготовляется самостоятельно. Ракетные двигатели обычно имеют сопло, но иногда делают и бессопловые двигатели. Их обычно изготовляют из картонных гильз для охотничьих ружей, в качестве сопла используется отверстие для капсюля.

рейтинг

льготы

За исключением случаев применения с поворотными соплами, твердотопливные ракеты производятся полностью без движущихся частей или дополнительных устройств для топливных насосов или трубопроводов, что требует минимальной технической массы. Кроме того, в них постоянно находится топливо, поэтому складские помещения и места для заправки не требуются. Это упрощает использование, например, в метеорологических или наземных научных целях; Для использования в военных целях их иногда можно хранить в большом количестве в магазинах или носить с собой, и они готовы к использованию в короткие сроки.

Само топливо является твердым, и поэтому с ним намного проще обращаться, чем с жидким или газообразным топливом: оно не может улетучиться в такой форме и может быть вредным для здоровья или окружающей среды. Также нет нестабильности, вызванной переливанием жидкого топлива твердым топливом. Благодаря форме пороха можно увидеть так называемые характеристики выгорания, то есть развитие тяги в течение времени горения, и можно очень легко повлиять на само время горения. Таким образом, также могут быть достигнуты большие силы тяги, чем у жидкостных двигателей

Кроме того, большинство типов топлива означает, что центр тяжести ракеты относительно мало изменяется во время горения, что важно для стабильности полета.

Эти преимущества делают твердотопливные ракеты надежными в использовании, мощными и недорогими в разработке, производстве, обслуживании и использовании.

недостаток

Поскольку твердые ракеты всегда содержат взрывоопасное топливо, они также представляют постоянно повышенный риск. Это также делает их тяжелее, чем сравнительно большие ракеты на жидком топливе, которые можно транспортировать пустыми и заправлять только при необходимости.

Продукты сгорания твердотопливных ракет в большинстве случаев выбрасываются медленнее, чем продукты сгорания жидкостных ракет. Потому что тяга по формуле

Тягазнак равноМасса топливавремя⋅Скорость истечения{\ displaystyle {\ text {thust}} = {\ frac {\ text {масса топлива}} {\ text {time}}} \ cdot {\ text {скорость истечения}}}

По расчетам, их преимущество в виде высокой тяги следует покупать за счет высокого расхода топлива. Это приводит к более короткому времени горения по сравнению с жидкостными ракетами. Контроль тяги во время горения невозможен; а в случае аварии твердотопливную ракету нельзя выключить. Только во время изготовления ускорителя можно повлиять на профиль тяги в течение времени горения, например, за счет заполнения различных сегментов топливными смесями с различной реакционной способностью или путем формирования топлива (см. Ниже).

Вся внутренняя часть твердотопливной ракеты также является камерой сгорания . Когда топливо сгорает, возникают высокие давления и температуры. Поэтому стены должны быть рассчитаны на относительно высокие нагрузки. По мере увеличения размера ракеты нагрузка на стенку камеры сгорания увеличивается при том же внутреннем давлении, стенки должны становиться толще и, следовательно, тяжелее. Например, пустая масса твердотопливной ракеты увеличивается по сравнению с полной массой с увеличением размера, в то время как она продолжает уменьшаться в случае ракет на жидком топливе. Поэтому их максимальная техническая масса ниже, чем у других типов ракет.

Ракеты на твердом топливе часто загрязняют больше, чем другие конструкции. При сгорании топлива выделяются хлор, хлористый водород, соединения серы или другие токсичные вещества, например, в зависимости от заправки. В случае запуска Ariane 5 с твердотопливными двигателями EAP P238 общая масса твердого топлива составляет 476 тонн. При содержании твердого вещества 86 мас.% Или 68 мас.% Перхлората аммония (см. Технологию Ariane 5) в твердом топливе общая масса перхлората аммония составляет 324 тонны. Когда запускается Ariane 5, производится 100 тонн хлористого водорода . Затем хлористый водород реагирует с водой с образованием соляной кислоты (270 тонн с 37-процентной кислотностью).

Атомная подводная лодка Suffren передана ВМС Франции

6 ноября 2020 года в Тулоне состоялась официальная церемония передачи в состав военно-морских сил Франции головной французской атомной многоцелевой подводной лодки Suffren нового типа Barracuda. Во время церемонии был подписан акт приема лодки Главным управлением вооружений (Direction générale de l’armement — DGA) министерства вооруженных сил Франции у осуществившего ее строительство французского судостроительного объединения Naval Group, и затем сразу подписан документ о передаче Suffren от DGA ВМС Франции. Лодка получила во французском флоте бортовой номер S 635. На церемонии присутствовала министр вооруженных сил Франции Флоренс Парли.

Топливо

Основная статья: Твёрдое ракетное топливо

• Гомогенные топлива. Представляют собой твёрдые растворы (обычно — нитроцеллюлозы) в нелетучем растворителе (обычно в нитроглицерине). Применяются в небольших ракетах.
• Смесевые топлива. Это смесь твёрдых окислителя и горючего. Наиболее значимы:
  • Дымный порох. Исторически первое ракетное топливо. Состав: селитра, древесный уголь и сера.
  • Смесевые топлива на основе перхлората аммония (окислитель) и полимерного горючего. Наиболее широко применяемое топливо для тяжелых ракет военного и космического назначения.
  • В ракетомоделизме получило широкое распространение самодельное смесевое топливо на основе нитрата калия и органических связующих, доступных в быту (сорбит, сахар и тому подобных).

Топливо РДТТ американских межконтинентальных ракет состояло из смеси на основе перхлората аммония в качестве окислителя и горючего полиуретана с алюминием (первая ступень), с присадками (связующего НТРВ (англ. Hydroxyl Terminated Poly Butadien — полибутадиена с концевой гидроксильной группой), улучшающими стабильность скорости горения, формование и хранения заряда и смесью на основе перхлората аммония в качестве окислителя и горючего полиуретана в смеси с сополимером полибутадиена и акриловой кислоты (вторая ступень).

Использовать

Звуковые ракеты

Почти все зондирующие ракеты используют твердотельные двигатели.

• Astrobee
• Черный Брант
• С-310 , С-520
• Терьер-Орион , Терьер-Малемют
• VSB-30

Ракеты

Благодаря надежности, простоте хранения и обращения твердотопливные ракеты используются на ракетах и ​​межконтинентальных баллистических ракетах.

• Ракеты класса «воздух-воздух»: AIM-9 Sidewinder
• Баллистические ракеты: Иерихон , Седжил
• МБР: LGM-30 Minuteman , UGM-133 Trident II , LGM-118 Peacekeeper , RT-2PM Topol , DF-41 , БРПЛ M51

Орбитальные ракеты

Твердотопливные ракеты подходят для запуска небольших полезных нагрузок с орбитальными скоростями, особенно если используются три или более ступени. Многие из них основаны на перепрофилированных межконтинентальных баллистических ракетах.

• Разведчик
• Афина
• Му
• Пегас
• Телец
• Минотавр
• Старт-1
• PSLV — чередование твердой и жидкой стадий
• Шавит
• Вега
• 11 марта
• Омега

В более крупных орбитальных ракетах на жидком топливе часто используются твердотопливные ракетные ускорители, чтобы получить достаточную начальную тягу для запуска полностью заправленной ракетой.

• Дельта II
• Титан IV
• Космический шатл
• Ариана 5
• Атлас II
• Атлас V (опционально 1-5 бустеров)
• Delta IV (опционально 2 или 4 ускорителя)
• H-IIA , H-IIB
• PSLV — дополнительные твердотельные ускорители для подъема более тяжелых грузов
• GSLV Mk III

Твердое топливо также используется для некоторых верхних ступеней, в частности Star 37 (иногда называемой верхней ступенью «Burner») и Star 48 (иногда называемой » Вспомогательный модуль полезной нагрузки » или PAM), оба из которых первоначально были произведены компанией Thiokol , а сегодня — Orbital ATK . Они используются для подъема больших грузов на заданные орбиты (например, спутников Глобальной системы позиционирования ) или небольших грузов на межпланетные или даже межзвездные траектории. Другой твердотопливной верхней ступенью, используемой космическими челноками и Титаном IV , была инерциальная разгонная ступень производства Boeing (IUS).

• Pioneer 10 и Pioneer 11 были отправлены за пределы Солнечной системы на верхних ступенях Star 37E с ракет Атлас-Кентавр .
• «Вояджер-1» и » Вояджер-2″ были отправлены за пределы Солнечной системы на верхних ступенях Star 37E с ракет Titan IIIE .
• Магеллан был отправлен на Венеру на ВМС после того, как был отправлен с космического корабля » Атлантис» на STS-30 .
• Галилей был отправлен к Юпитеру на ВМС после того, как был запущен с космического корабля » Атлантис» на STS-34 .
• «Улисс» был отправлен к Юпитеру на IUS и Star 48 PAM после того, как его отправили с космического корабля » Дискавери» на STS-41 . Затем он был переведен на полярную орбиту вокруг Солнца после гравитационного воздействия вокруг Юпитера.
• New Horizons был отправлен из Солнечной системы на Star 48 PAM с ракеты Atlas V.

Некоторые ракеты, такие как Antares (производства Orbital ATK), имеют обязательные твердотопливные верхние ступени. Ракета Antares использует Orbital ATK -manufactured Castor 30 в качестве верхней ступени.

Сопло

Сужающаяся-расширяющаяся конструкция ускоряет выхлопной газ из сопла, создавая тягу. Сопло должно быть изготовлено из материала, способного выдерживать высокую температуру потока дымовых газов. Часто используются жаропрочные материалы на основе углерода, такие как аморфный графит или углерод-углерод .

Некоторые конструкции включают в себя направленное управление выхлопом. Это может быть достигнуто за счет подвешивания сопла, как в SRB космических челноков, за счет использования реактивных лопастей в выхлопе, как в ракете V-2 , или за счет управления вектором тяги впрыска жидкости (LITV).

Ранняя первая ступень Minuteman использовала один двигатель с четырьмя карданными соплами для обеспечения управления по тангажу, рысканью и крену.

LITV заключается в впрыскивании жидкости в выхлопной поток после горловины сопла. Затем жидкость испаряется и в большинстве случаев вступает в химическую реакцию, добавляя массовый поток к одной стороне потока выхлопных газов и тем самым обеспечивая управляющий момент. Например, твердые ускорители Titan III C вводили четырехокись азота для LITV; танки можно увидеть по бокам ракеты между главной ступенью и ускорителями.

История

В 1791 году английский изобретатель Джон Барбер предложил идею коловратного двигателя с поршневым компрессором, камерой сгорания и газовой турбиной. В 1909 году русский изобретатель Н. В. Герасимов запатентовал схему газотурбинного двигателя для создания реактивной тяги (турбореактивного двигателя). Патент на использование газовой турбины для движения самолёта получен в 1921 году французским инженером Максимом Гийомом.

Первый образец турбореактивного двигателя продемонстрировал английский инженер Фрэнк Уиттл 12 апреля 1937 года и созданная им небольшая частная фирма Power Jets. Он основывался на теоретических работах Алана Гриффита.

Первое полезное применение турбореактивного двигателя произошло в Германии на самолёте Heinkel He 178 с ТРД HeS 3. ТРД разработан Хансом фон Охайном почти одновременно с Уиттлом — первый пуск в сентябре 1937 года, изготовлялся фирмой Heinkel-Hirth Motorenbau. Лётчик Эрих Варзиц совершил первый полёт 27 августа 1939 года.

Дизайн

Проектирование начинается с необходимого общего импульса , который определяет массу топлива и окислителя . Затем выбираются геометрия и химический состав зерна, чтобы удовлетворить требуемые характеристики двигателя.

Следующие варианты выбираются или решаются одновременно. Результатом являются точные размеры зерна, геометрии сопла и корпуса:

• Зерно горит с предсказуемой скоростью, учитывая его площадь поверхности и давление в камере.
• Давление в камере определяется диаметром горловины сопла и скоростью горения зерна.
• Допустимое давление в камере зависит от конструкции корпуса.
• Продолжительность горения определяется толщиной зерна.

Зерно может или не может быть прикреплено к оболочке. Двигатели с кожухом проектировать труднее, так как деформация корпуса и пролетное зерно должны быть совместимы.

Обычные виды отказов твердотопливных ракетных двигателей включают в себя разрушение зерна, нарушение соединения корпуса и воздушные карманы в зерне. Все это приводит к мгновенному увеличению площади поверхности горения и соответствующему увеличению производительности и давления выхлопных газов, что может привести к разрыву корпуса.

Другой вид отказа — выход из строя уплотнения обсадной колонны . Уплотнения требуются в кожухах, которые необходимо открывать для загрузки зерна. Как только уплотнение выходит из строя, горячий газ разрушает путь утечки и приводит к выходу из строя. Это стало причиной катастрофы космического корабля » Челленджер» .

Секционный ракетный двигатель твёрдого топлива

Примечания

Принцип работы

Компрессор втягивает воздух, сжимает его и направляет в камеру сгорания. В ней сжатый воздух смешивается с топливом, воспламеняется и расширяется. Расширенный газ заставляет вращаться турбину, которая расположена на одном валу с компрессором. Остальная часть энергии перемещается в сужающееся сопло. В результате направленного истечения газа из сопла на двигатель действует реактивная тяга. При горении топлива воздух, служащий рабочим телом, нагревается до 1500-2000 градусов цельсия.

В полёте поток воздуха тормозится во входном устройстве перед компрессором, в результате чего его температура и давление повышается. На земле во входном устройстве воздух ускоряется, его температура и давление снижаются.

Проходя через компрессор, воздух сжимается, его давление повышается в 10—45 раз, возрастает его температура. Компрессоры газотурбинных двигателей делятся на осевые и центробежные. В наши дни в двигателях наиболее распространены многоступенчатые осевые компрессоры. Центробежные компрессоры, как правило, применяются в малогабаритных силовых установках.

Далее сжатый воздух попадает в камеру сгорания, в так называемые жаровые трубы, либо в кольцевую камеру сгорания, которая не состоит из отдельных труб, а является цельным кольцевым элементом. В наши дни кольцевые камеры сгорания являются наиболее распространёнными. Трубчатые камеры сгорания используются гораздо реже, в основном на военных самолётах. Воздух на входе в камеру сгорания разделяется на первичный, вторичный и третичный. Первичный воздух поступает в камеру сгорания через специальное окно в передней части, по центру которого расположен фланец крепления форсунки, и участвует непосредственно в окислении (сгорании) топлива (формировании топливо-воздушной смеси). Вторичный воздух поступает в камеру сгорания сквозь отверстия в стенках жаровой трубы, охлаждая, придавая форму факелу и не участвуя в горении. Третичный воздух подаётся в камеру сгорания уже на выходе из неё, для выравнивания поля температур. При работе двигателя в передней части жаровой трубы всегда вращается вихрь раскалённого газа (что обусловлено специальной формой передней части жаровой трубы), постоянно поджигающего формируемую топливовоздушную смесь, происходит сгорание топлива (керосина, газа), поступающего через форсунки в парообразном состоянии.

Газовоздушная смесь расширяется и часть её энергии преобразуется в турбине через рабочие лопатки в механическую энергию вращения основного вала. Эта энергия расходуется, в первую очередь, на работу компрессора, а также используется для привода агрегатов двигателя (топливных подкачивающих насосов, масляных насосов и т. п.) и привода электрогенераторов, обеспечивающих энергией различные бортовые системы.

Основная часть энергии расширяющейся газовоздушной смеси идёт на ускорение газового потока в сопле и создание реактивной тяги.

Чем выше температура сгорания, тем выше КПД двигателя. Для предупреждения разрушения деталей двигателя для их изготовления используют жаропрочные сплавы и термобарьерные покрытия. А также применяется система охлаждения воздухом, отбираемым от средних ступеней компрессора.

Топливо

Основная статья: Твёрдое ракетное топливо

• Гомогенные топлива. Представляют собой твёрдые растворы (обычно — нитроцеллюлозы) в нелетучем растворителе (обычно в нитроглицерине). Применяются в небольших ракетах.
• Смесевые топлива. Это смесь твёрдых окислителя и горючего. Наиболее значимы:
  • Дымный порох. Исторически первое ракетное топливо. Состав: селитра, древесный уголь и сера.
  • Смесевые топлива на основе перхлората аммония (окислитель) и полимерного горючего. Наиболее широко применяемое топливо для тяжелых ракет военного и космического назначения.
  • В ракетомоделизме получило широкое распространение самодельное смесевое топливо на основе нитрата калия и органических связующих, доступных в быту (сорбит, сахар и тому подобных).
• Известны ракетные двигатели, где горючее является твердым топливом, а окислитель жидким веществом и подается в камеру сгорания насосами по трубопроводам. Достоинствами такого топлива являются возможность управления тягой двигателя, достижение более высоких температур сгорания за счет охлаждения камеры жидким окислителем. Такие ракетные двигатели являются промежуточными между ЖРД и РДТТ.

Топливо РДТТ американских межконтинентальных ракет состояло из смеси на основе перхлората аммония в качестве окислителя и горючего полиуретана с алюминием (первая ступень), с присадками (связующего НТРВ (англ. Hydroxyl Terminated Poly Butadien — полибутадиена с концевой гидроксильной группой), улучшающими стабильность скорости горения, формование и хранения заряда и смесью на основе перхлората аммония в качестве окислителя и горючего полиуретана в смеси с сополимером полибутадиена и акриловой кислоты (вторая ступень).

4.4 Расчет массовых и энергетических параметров КЛА как субракеты

Масса снаряженного РДТТ

Коэффициент массового совершенства РДТТ

Относительная масса конструкции субракеты

Масса конструкции субракеты

Где  — стартовая масса КЛА

Масса полезного груза

Относительная масса полезного груза

Характеристическая скорость для маневра КЛА (проверочный расчет)

 (исходные данные)

 — расчеты верны.

Список литературы

1.      В.Г Попов, Н.Л. Ярославцев «Ракетные двигатели
твердого топлива», М., 2001.

.        И.Х. Фахрутдинов, А.А. Шишков «Конструкция и
проектирование ракетных двигателей твердого топлива М. Машиностроение, 1987.

.        Интернет ://
ru.wikipedia.org/wiki/Восход_(космический_корабль)

.        Г. А. Назаров, В. И. Прищепа «Космические
РДТТ»

Применение

Космонавтика

Твердотопливные ступени никогда не использовались в советской и российской космонавтике, однако широко применялись и применяются в ракетной технике других стран. В основном это элементы первой ступени (боковые ускорители):

• Боковой ускоритель МТКК Спейс шаттл и Space Launch System.
• Вторая ступень Наро-1 (Республика Корея), Антарес (США).
• Семейство твердотопливных ступеней Castor (англ.)русск. и в любительском ракетостроении.

Боевые ракеты

Баллистические ракеты подводных лодок

• UGM-27 «Поларис» (1960)
• UGM-73 «Посейдон» (1970)
• UGM-96 «Трайдент» (1979)
• M1 (1972)
• M20 (1976)
• M45 (1996)
• M51
• Р-39 (1983)
• Р-30 «Булава»

Межконтинентальные баллистические ракеты

• LGM-30 «Минитмен» (1962)
• MX «Пискипер» (1986)
• РТ-23 УТТХ «Молодец»(1987)
• РТ-2ПМ «Тополь» (1982)
• РТ-2ПМ2 «Тополь-М» (1998)
• РС-24 «Ярс» (2009)
• РС-26 «Рубеж» (2017)

Противоракеты системы ПВО

LIM-49A «Спартен»

ПЗРК

Игла

В моделизме

В ракетомоделировании используется 2 типа двигателей на твёрдом топливе. Первые — на основе дымного пороха (в Америке такие двигатели имеются в свободной продаже). Но обычно используют расплав или смесь калийной селитры (или реже натриевой селитры) и углеводов (сахар, сорбит и декстроза) — это т. н. «карамель», она изготовляется самостоятельно. Ракетные двигатели обычно имеют сопло, но иногда делают и бессопловые двигатели. Их обычно изготовляют из картонных гильз для охотничьих ружей, в качестве сопла используется отверстие для капсюля.