Запуск ракеты с Земли кажется простым: топливо под действием силы тяжести само стекает в двигатель. Однако после отделения первой ступени, в состоянии невесомости, возникает ключевая инженерная задача: как обеспечить подачу топлива для последующих включений двигателя, когда привычная гравитация больше не помогает?
Особенности ракетного двигателя
Чтобы понять сложность, нужно разобраться в устройстве. В отличие от автомобильных или авиационных двигателей, которые используют атмосферный кислород, ракетный двигатель полностью автономен. Он работает на двух компонентах — горючем и окислителе (не обязательно кислороде), которые хранятся в отдельных баках. В космическом вакууме взять окислитель "снаружи" невозможно.
Классическая схема расположения баков с компонентами топлива и двигателя.
Проблема невесомости
В невесомости жидкости ведут себя иначе. Топливо не стремится ко дну бака, а собирается в плавающие шары, смешивается с газом и прилипает к стенкам. Просто создать давление в баке, чтобы "выдавить" жидкость, недостаточно. Согласно закону Паскаля, давление газа распределяется равномерно во все стороны, и силы, действующие на жидкий шар, взаимно уравновешиваются. Поэтому, как ни нагнетай газ, топливо останется на месте.
Иллюстрация поведения жидкости в условиях микрогравитации.
Наглядная демонстрация закона Паскаля, объясняющего, почему давление газа не может сдвинуть жидкость в невесомости.
Проверенные способы запуска
Инженеры разработали несколько надежных методов решения этой проблемы.
1. Предварительное ускорение (импульс от двигателей малой тяги)
Самый интуитивный способ — ненадолго создать искусственную "тяжесть". Для этого космический аппарат слегка разгоняют вперед с помощью простых и надежных двигателей на сжатом газе. У них всего одна подвижная часть — клапан. При включении такого двигателя топливо в баках по инерции прижимается к "дну", после чего его можно закачать в магистрали основного двигателя насосами. Как только основной двигатель запускается, он сам создает необходимое ускорение для непрерывной подачи топлива.
По теме: Китай запланировал в этом году запустить как минимум 3 ракеты.
2. Газовая подушка (вытеснительная подача)
Этот метод напоминает упаковку вина в мягкий пакет. В баке, рядом с топливом, размещается гибкая эластичная емкость (подушка). На старте она сдута. В невесомости в эту подушку нагнетается газ (например, гелий), она расширяется и вытесняет топливо в трубопровод. Ключевое преимущество — полная изоляция газа от жидкости, что предотвращает его попадание в насосы, которое могло бы привести к их разрушению.
Принцип работы вытеснительной системы подачи топлива с газовой подушкой.
3. Удерживающая сетка (капиллярный эффект)
В этом способе используется физическое свойство жидкостей — поверхностное натяжение. Около заборного устройства внутри бака устанавливается специальная металлическая сетка. В невесомости часть топлива удерживается на этой сетке благодаря капиллярным силам. Насосы забирают эту "стартовую" порцию, двигатель запускается, создается ускорение, и вся остальная масса топлива устремляется к сетке, обеспечивая непрерывную работу.
Сетчатая структура, удерживающая топливо у входа в трубопровод.
Другие возможные решения
Помимо основных, существуют и альтернативные концепции:
Раскрутка баков: можно прижать топливо к стенкам бака за счет центробежной силы, раскрутив весь отсек или сам бак. В этом случае газовый пузырь соберется в центре вращения, а жидкость — по периферии, у заборных устройств.
Поршневая система: топливо может вытесняться механическим поршнем. Главная сложность здесь — необходимость полностью удалить газ из отсека с жидкостью, чтобы его пузырьки не попали в насос.
У каждого из описанных методов есть свои преимущества, недостатки и области применения. Единого "лучшего" решения не существует — выбор зависит от конкретной задачи, конструкции ракеты и требуемой надежности. Эта инженерная задача оставляет пространство для творчества, и возможно, будущие конструкторы предложат новые, еще более эффективные способы.
Стоит еще зайти сюда: Новости науки и техники.
Источник статьи: Как в невесомости запустить двигатель.