Авиационный ракетный двигатель представляет собой силовую установку прямой реакции. Его принцип действия основан на преобразовании первичной энергии (например, химической, электрической или ядерной) в кинетическую энергию рабочего тела. Возникающая при этом реактивная тяга прикладывается непосредственно к корпусу двигателя, обеспечивая движение аппарата в сторону, противоположную направлению истечения реактивной струи. Таким образом, в одном устройстве совмещены функции и двигателя, и движителя.
Устройство и принцип действия
Сердцем любого ракетного двигателя является камера сгорания. Именно здесь генерируется рабочее тело — вещество (газообразное или жидкое), за счет которого и происходит преобразование энергии. В качестве рабочего тела могут выступать раскалённые газы от сгорания химического топлива, вода, различные газы (водород, гелий, азот) или даже пары щелочных металлов. Задняя часть камеры сгорания сужается, образуя сопло, которое служит для ускорения потока рабочего тела и формирования высокоскоростной реактивной струи.
Классификация ракетных двигателей
В зависимости от использования окружающей среды, двигатели делятся на несколько основных типов:
- Воздушно-реактивные двигатели (ВРД): используют атмосферный кислород для окисления бортового горючего. Воздух составляет основную массу рабочего тела, что делает ВРД экономичными и пригодными для длительных полётов в атмосфере, что особенно важно в авиации.
- Ракетные двигатели (РД): все компоненты рабочего тела (и горючее, и окислитель) находятся на борту аппарата. Эта автономность, а также отсутствие зависимости от внешней среды, делает РД незаменимыми для полётов в космическом вакууме.
- Комбинированные ракетные двигатели: сочетают в себе принципы работы ВРД и РД.
- Гидрореактивные двигатели: в качестве рабочего тела используют воду.
Основные характеристики
Для оценки эффективности ракетных двигателей используют ряд ключевых параметров:
- Реактивная тяга: сила, создаваемая двигателем.
- Удельный импульс: показатель эффективности расхода рабочего тела (отношение тяги к массовому расходу).
- Удельная масса: масса двигателя, приходящаяся на единицу создаваемой тяги.
- Удельный расход топлива: количество топлива, расходуемое для создания единицы тяги в секунду.
Тяга современных двигателей варьируется в огромном диапазоне — от нескольких миллиньютонов (для систем ориентации космических аппаратов) до десятков меганьютонов (для мощных ракет-носителей).
Области применения
Сфера использования ракетных двигателей чрезвычайно широка и продолжает расширяться. Они являются основой для:
- Ракетного и реактивного вооружения.
- Силовых установок современных самолётов (особенно реактивных истребителей и экспериментальных моделей) и некоторых типов вертолётов.
- Космических ракет-носителей и аппаратов.
- Систем стабилизации и управления полётом.
Историческая справка
История ракетных двигателей насчитывает более тысячелетия. Первыми появились твердотопливные ракетные двигатели (РДТТ) на дымном порохе в X веке, которые столетиями использовались в боевых, сигнальных и фейерверочных ракетах.
Теоретический фундамент для нового этапа развития заложил в 1903 году К. Э. Циолковский, обосновавший принципы работы жидкостных ракетных двигателей (ЖРД). Практические шаги последовали в 1920-30-е годы: первые испытания ЖРД провёл американец Р. Годдард (1923), а в СССР под руководством Б. С. Петропавловского, Г. Э. Лангемака и В. А. Артемьева были созданы РДТТ на бездымном порохе (1929-33), а В. П. Глушко и Ф. А. Цандер разработали первые советские ЖРД (1930-31).
Развитие авиационных двигателей шло параллельно: в 1939 году в СССР испытаны ракеты с прямоточными ВРД И. А. Меркулова и начата работа над турбореактивным двигателем А. М. Люльки. В 1941 году в Великобритании двигатель Ф. Уиттла впервые поднял в воздух реактивный самолёт.
Значительный вклад в развитие ракетной техники также внесли русские и советские учёные и инженеры: А. Д. Засядко, Н. И. Кибальчич, К. И. Константинов, Н. Е. Жуковский, С. П. Королёв, М. К. Янгель и многие другие, а также зарубежные pioneers, такие как Р. Эно-Пельтри (Франция) и Г. Оберт (Германия).