Ракетные двигатели — это силовые установки, которые создают тягу для движения ракет и космических аппаратов. Принцип их работы основан на реактивном движении: газовая струя, с огромной скоростью истекающая из сопла, толкает ракету в противоположном направлении. Хотя этот принцип схож с работой авиационных реактивных двигателей, между ними есть ключевое отличие. Авиационные двигатели используют для горения кислород из атмосферы, а ракетные должны нести запас окислителя на борту, так как работают в безвоздушном пространстве или в разреженных слоях атмосферы.
Химические ракетные двигатели: сердце космонавтики
В камере сгорания таких двигателей смешиваются и воспламеняются два основных компонента: горючее (например, керосин) и окислитель (жидкий кислород, тетраоксид азота). Образовавшиеся горячие газы с огромной скоростью вырываются через реактивное сопло, создавая тягу. Химические двигатели делятся на два основных типа.
Жидкостные ракетные двигатели (ЖРД)
Это наиболее распространённый тип двигателей для выведения ракет в космос. Их конструкция включает камеру сгорания, мощные насосы для подачи компонентов топлива и газовую турбину, которая приводит эти насосы в действие. ЖРД отличаются высокой мощностью и возможностью многократного включения.
Твердотопливные ракетные двигатели (РДТТ)
История этих двигателей насчитывает века: от фейерверочных ракет до снарядов легендарной «Катюши». В РДТТ топливо и окислитель заранее смешаны в виде твёрдой массы внутри корпуса двигателя. Такие двигатели проще по конструкции, надёжны, но, как правило, не могут быть остановлены или повторно включены после запуска. Сегодня они находят применение в качестве ускорителей при старте ракет, в системах мягкой посадки и в баллистических ракетах.
Двигатели для работы в космосе
После выхода на орбиту требования к двигателям меняются. Здесь на первый план выходят не мощность, а точность, экономичность и возможность долгой работы.
Двигатели малой тяги
Это компактные устройства, часто размером с ладонь. Их небольшой тяги достаточно для тонких операций: корректировки орбиты спутника, его ориентации в пространстве или для маневрирования космических станций. Существуют даже индивидуальные ракетные двигатели, которые крепятся на скафандр и позволяют космонавту свободно перемещаться в открытом космосе.
Электрические ракетные двигатели (ЭРД)
ЭРД представляют собой перспективное направление космического двигателестроения. Их принцип работы коренным образом отличается от химических. В них газ (чаще всего ксенон) не сжигается, а ионизируется, и образовавшиеся ионы разгоняются до огромных скоростей мощным электрическим полем. Это обеспечивает в десятки раз более высокую скорость истечения струи и, как следствие, гораздо большую топливную экономичность. Однако для создания электрического поля требуется много энергии, которую обеспечивают солнечные батареи или ядерные реакторы. Поэтому ЭРД не могут поднять ракету с Земли, но идеально подходят для длительных межпланетных перелётов. Первый в мире ЭРД был создан в Советском Союзе.
Будущее: ядерные ракетные двигатели
Учёные активно исследуют возможность использования ядерной энергии для космических полётов. В ядерном ракетном двигателе (ЯРД) рабочее тело (например, водород) нагревается не в камере сгорания, а в ядерном реакторе, и затем также выбрасывается через сопло. Теоретически это позволит достичь ещё больших скоростей и эффективности. Главными препятствиями на пути внедрения ЯРД пока остаются сложность создания компактного и безопасного космического реактора, а также необходимость защиты экипажа от радиации.
Таким образом, современная космонавтика использует целый спектр ракетных двигателей — от мощных химических, преодолевающих земное притяжение, до высокоточных электрических, прокладывающих маршруты в глубинах Солнечной системы.