современные вещества и перспективные разработки

Оторваться от Земли, набрать скорость, достаточную, чтобы выйти на орбиту – это требует колоссальных затрат топлива. Например, сухая масса ракеты «Союз» – это масса без учета топлива, чуть больше тридцати трех с половиной тонн. Но на старте общая масса ракеты – почти 308 тонн – только одиннадцать процентов от общей массы выходят в космос с полезной нагрузкой. Больше 270 тонн топлива сгорает, чтобы «Союз» преодолел притяжение.

Фото: Роскосмос

В материале «Научной России» о видах ракетного топлива, которые используют сегодня, и о перспективных разработках.

Твердое ракетное топливо

Сегодня дымный порох используют в основном в петардах, салютах и других пиротехнических изделиях, хотя изначально именно он был первым ракетным топливом. Одно из четырех великих китайских изобретений – по отдельным данным, смесь селитры, древесного угля и серы использовали в ракетах еще во втором веке нашей эры.

Твердотопливный двигатель

Изображение: Википедия

Твердое ракетное топливо – это вещество, или смесь веществ, которые способны гореть без доступа кислорода, при этом выделяя достаточно много газа. Среди достоинств твёрдотопливных двигателей называют относительную простоту в изготовлении и применении, отсутствие проблемы с утечками токсичных веществ, надежность и возможность долговременного хранения топлива. Недостатки таких двигателей – это невысокий удельный импульс, трудности в управлении тягой двигателя и его повторным запуском, высокий уровень вибраций при работе. Из-за недостатков твёрдотопливных двигателей, первыми в космос полетели именно ракеты с двигателями на жидком топливе, хотя, твердые горючие смеси были изобретены раньше. 

Твердотопливные ускорители использовали при запуске американских шаттлов – два таких устройства, длиной сорок пять с половиной метров и общей массой 1180 тонн разгоняли корабли и отделялись на высоте около сорока пяти километров примерно через две минуты после запуска: они спускались на парашютах и после заправки их использовали снова.

Современные твердые топлива – это смесь горючих веществ и окислителя. Для ракетостроения подходят многие, но большинство основаны на окислителях, которые способны взаимодействовать с разным горючим. Это могут быть перхлораты аммония, лития или калия. Или нитраты калия или аммония. Как горючее используют металлы, или их сплавы, например, алюминий, магний, литий и бериллий. Возможно использование и других материалов: полимеров или смол, как полиэтилен, каучук и битум.

Жидкое ракетное топливо

Жидкостные реактивные двигатели могут использовать в качестве топлива одно-, двух- и трёхкомпонентные смеси. У них высокий удельный импульс, их можно останавливать и повторно запускать, что важно при маневрировании в космосе, сами ракеты на жидкостных двигателях получаются легче. Но они сложнее устроены и дороже: система топливных баков, трубопроводов и насосов требует более тщательной подготовки и проверки в процессе сборки и перед запуском.  

Изображение жидкостного двигателя

Изображение: mbradio. ru

Элементы жидкого топлива – это горючее и окислитель. Они подаются из разных баков под давлением через форсунки и перемешиваются в камере сгорания. После воспламенения начинается процесс горения, которое продолжается, пока горючее и окислитель поступают в камеру. Керосин, водород, сжиженный для закачки в баки и азотно-водородное соединение гидразин – основные виды горючего для жидкостных ракетных двигателей. Если в качестве горючего используют керосин или водород, в качестве окислителя применяют сжиженный кислород. Если горючим выступает гидразин, то как окислитель используют четырехокись азота — N2O4.

Чище остальных горит водород – соединяясь с кислородом он выделяет только тепло и водяные пары. Керосин, который очищают, чтобы использовать как горючее, при сгорании выделяет угарный и углекислый газы.

Топливо жидкостных двигателей может быть и однокомпонентным. Из-за небольшого удельного импульса и меньшей эффективности такие виды менее популярны, чем двухкомпонентные смеси, но их отличает простота в конструкции двигателя. Однокомпонентное топливо – это жидкость, которая при взаимодействии с катализатором разлагается с образованием горячего газа. Это может быть гидразин, который разлагается на аммиак и азот, или концентрированный пероксид водорода, который образует перегретый водяной пар и кислород. В качестве катализатора может выступать, например, окись железа.

Топливо будущего

Химические ракетные топлива, и жидкие, и твердые, способны вывести космические аппараты на околоземные или лунные орбиты, но для дальних космических миссий их может быть недостаточно.

Одно из предложений, которое может решить проблему с дальними полетами – это ядерные двигатели. По расчетам, ядерный тепловой двигатель может доставить ракету на Марс всего за три месяца. Одна из американских компаний предложила использовать ядерный двигатель со сжиженным водородом в качестве рабочего тела. В такой системе реактор вырабатывает тепло из уранового топлива. Это тепло нагревает жидкий водород, который при расширении и создает тягу. Разработки ядерных ракетных двигателей начинались еще в пятидесятых годах, но пока ни один из таких аппаратов не был запущен.

А в марте 2021 года в Роскосмосе сообщили, что в 2025-2030 годах планируют испытать еще одну перспективную разработку – новые ионные двигатели мощностью от 200 Вт до 35 кВ. Ионные двигатели – это тип электрических ракетных двигателей, которые создают тягу на базе ионизированного газа, разогнанного до высоких скоростей в электрическом поле. Такие разработки уже используются в космических миссиях. Ионные двигатели отличаются малым расходом топлива и долгим временем работы.

Фото на главной странице: Роскосмос

По материалам из открытых источников

Как это работает. Ракетный двигатель

Фото: Объединенная двигателестроительная корпорация

Полеты в космос, одно из самых вдохновляющих достижений человечества, невозможны без ракетного двигателя. С одной стороны, принцип его работы максимально прост, а с другой – всего несколько стран могут похвастаться ракетными двигателями собственного производства.

С момента старта Гагарина и по сей день все российские космонавты поднимаются с поверхности Земли двигателями РД-107/108. Серийное производство этих исключительно надежных двигателей продолжается на самарском предприятии Ростеха «ОДК-Кузнецов». Рассказываем о том, как устроен и работает космический двигатель-долгожитель РД-107/108.

 

Космически просто

И правда, объяснить принцип действия реактивных двигателей, к которым относятся и ракетные двигатели, можно даже ребенку. Для этого достаточно отпустить надутый воздушный шарик, который под влиянием выталкиваемого воздуха полетит в противоположном направлении. Движение и шарика, и ракеты происходит согласно третьему закону Ньютона: действию всегда есть равное и противоположное противодействие. Действие из ничего не возникает. Чтобы обеспечить действие, требуется энергия. В шарике это потенциальная энергия сжатого, в меру возможностей ваших легких, воздуха. Отличие ракеты заключается в том, что для выхода за пределы атмосферы требуется выбрасывать большие массы вещества с очень большой скоростью, что требует подвода огромного количества энергии. Это и делает ракетный двигатель.

Фото: Космический центр «Восточный» / Роскосмос

Самым распространенным типом двигателей для космических программ сегодня являются жидкостные ракетные двигатели (ЖРД), в которых в качестве топлива используются жидкие горючее и окислитель. К этому типу относится и российский РД-107/108.

Жидкостные двигатели – на сегодняшний момент самые мощные и универсальные ракетные двигатели, с помощью которых совершается большинство полетов в космос. Они отличаются высоким удельным импульсом, то есть при меньшей массе израсходованного топлива создают большую тягу. Кроме того, ЖРД позволяют активно управлять уровнем тяги и могут использоваться много раз. При этом по сравнению с другими видами ракетных двигателей, например твердотопливными, они значительно сложнее и дороже, поэтому основная их сфера применения – космонавтика и обеспечение выведения орбитальных и межпланетных аппаратов.

Как работает жидкостный ракетный двигатель 

Чтобы получить полезное действие, достаточное для прорыва в космос, нужно получить большое количество энергии − эффективно сжечь большое количество топлива. Как известно, любой процесс горения представляет собой химическую реакцию окисления. И если на Земле для других видов тепловых двигателей в качестве окислителя можно использовать атмосферный кислород, то для ракетного двигателя, и тем более в космосе, окислитель и горючее надо иметь непосредственно на ракете, и лучше всего в максимально плотном и удобном для подачи жидком виде. В РД-107/108 в качестве окислителя используется жидкий кислород, а в качестве горючего – керосин.

Фото: Объединенная двигателестроительная корпорация

В камере сгорания подаваемые специальными насосами в нужном количестве и с необходимым давлением окислитель и горючее смешиваются и сгорают. Горячие (с температурой в несколько тысяч градусов) продукты сгорания в конструкции особого профиля – сверхзвуковом сопле Лаваля – разгоняются до многократно сверхзвуковых скоростей и уходят в пространство. Если умножить сумму секундных расходов масс горючего и окислителя на скорость выхода продуктов сгорания из сопла, можно в первом приближении получить силу тяги двигателя. Так, в общих чертах, можно описать схему работы жидкостного ракетного двигателя. 

Устройство РД-107/108

Двигатель РД-107/108 состоит из четырех камер сгорания, турбонасосного агрегата, газогенератора, испарителя азота для наддува баков ракеты и комплекта агрегатов автоматики. Для управления полетом ракеты на двигателях имеются рулевые камеры: два на РД-107 и четыре на РД-108.

Несоизмеримые с возможностями существующих металлов температуры горения и продуктов сгорания, большое количество выделяемого тепла требуют охлаждения стенок камеры сгорания и сопла. В РД-107/108 эта инженерная задача решается двухстеночной конструкцией камеры сгорания и сопла и организацией охлаждения стенки со стороны горячего тракта подачей горючего (керосина) в камеру сгорания через межстеночные пространства.

Вторая особенность РД-107/108 − открытая схема сброса генераторного газа. Окислитель и горючее хранятся в отдельных баках и подаются в систему с помощью турбонасосного агрегата (ТНА). Для привода насосов горючего и окислителя используется турбина, в качестве рабочего тела для которой используется парогаз – продукт каталитического разложения пероксида водорода. Выхлопы турбины выбрасываются за срез сопла. 

Рекордсмен космоса

Разработка двигателей РД-107 и РД-108 проходила в 1954–1957 годах под руководством выдающегося конструктора Валентина Глушко. Двигатели предназначались для первой в мире межконтинентальной баллистической ракеты Р-7, модификация которой в 1957 году доставила в космос первый искусственный спутник Земли. В 1961 году двигатели обеспечили первый полет человека в космос. На протяжении более 60 лет российские ракеты «Союз» поднимаются в небо с помощью двигателей РД-107/108 и их модификаций. Серийное производство двигателей налажено на самарском заводе «ОДК-Кузнецов», входящем в Объединенную двигателестроительную корпорацию Ростеха.

Программа РД-107/108 продолжает развиваться, создаются новые модификации – всего разработано 18 вариантов для различных программ. Сегодня модификациями двигательных установок РД-107А/РД-108А оснащаются I и II ступени всех ракет-носителей среднего класса типа «Союз». Все пилотируемые и до 80% грузовых космических кораблей в России взлетают благодаря этим двигателям.

РД-107/108 уже поставил свой космический рекорд по долголетию. Конечно, когда-нибудь и его время пройдет, но сегодня запас для совершенствования двигателя еще не исчерпан.

Что поезда используют в качестве топлива?

С момента возникновения железнодорожных перевозок в начале 19 века поезда использовали различные виды топлива. Первоначально для питания локомотивов использовались как уголь, так и древесина, однако в 20 веке все большее распространение получили электрические и дизельные двигатели.

Что поезда используют в качестве топлива? Поезда используют в качестве топлива дизельное, электрическое и паровое топливо.  При зарождении железной дороги использовался пар, поскольку он был стандартом для многих отраслей промышленности. В начале 20 века электрические и дизель-электрические технологии продвинулись вперед и стали обычным явлением, и сегодня они остаются основным средством питания поездов.

Существуют различные различия между этими видами движущей силы. Эти режимы питания железнодорожной отрасли различаются по различным аспектам, например, по тому, какой тип топлива используется и как электровозы потребляют ток.

Сила пара

Созданная в 1812 году, паровая машина была вершиной транспорта с начала промышленной революции в начале 19-го века и до середины 20-го века. По мере совершенствования паровой технологии на протяжении многих лет локомотивы становились больше и работали на угле, нефти и дровах. Хотя паровозы были самой первой формой движущей силы, вышедшей на рельсы, они были довольно сложными машинами, так как имели много движущихся частей и требовали больше рабочей силы, чем любые другие типы движущей силы.

Паровозы, работающие на жидком топливе, стали популярными на многих железных дорогах, так как многие новые локомотивы были разработаны для работы на жидком топливе, а другие были переделаны из угля. Локомотивы, работающие на жидком топливе, похожие на уголь, должны были нагреваться паром, и часто использовали густое масло Bunker C, которое напоминало деготь. Многие железные дороги сочли более эффективным сжигать нефть, а не уголь, поскольку заполнять тендер становилось все проще, и отсутствовала необходимость постоянно подбрасывать уголь в топку. Использование масла для запуска паровозов приобрело известность в конце двадцатых годов, поскольку это вещество было широко распространено из-за увеличения производства автомобилей.

Сид Янг

В паровозе есть различные части и множество различных механизмов, которые должны работать в унисон, чтобы эффективно сжигать топливо. Паровоз работает, зажигая огонь в котле локомотива, который нагревает трубы внутри котла, тем самым повышая температуру воды. Кипящая вода создает пар, который по трубе направляется к ведущим колесам в пару цилиндров в передней части локомотива, которые поворачивают боковые тяги, тем самым поворачивая колеса.

Часто топливо, будь то уголь, дрова или масло, перевозили за локомотивом в вагоне, называемом тендером. Однако в некоторых случаях уголь перевозится в отсеках локомотива, например, в локомотиве. Однако эти типы локомотивов использовались для переключения дворов или других легких работ.

Дизель-электроэнергетика

Дизель-электровоз был представлен в тридцатых годах, вытеснив многие паровозы на основных поездах различных железных дорог. Одним из первых коммерчески успешных дизель-электрических локомотивов были локомотивы E-серии Electro-Motive Division (EMD), шестиосный локомотив, построенный для обслуживания пассажиров. Поразительный обтекаемый вид блоков E сделал их желанным дополнением к различным железным дорогам. Дальнейший успех пришел к EMD, когда они представили свои локомотивы F-unit в сороковых годах, начиная с серии FT. Четырехосные F-единицы изначально предназначались в первую очередь для грузовых перевозок, однако они стали обычным явлением в различных высококлассных поездах, таких как Santa Fe «Super Chief».

Томас Экхардт

Тепловозы оснащены мощным дизельным первичным двигателем, который вырабатывает ток для электрических тяговых двигателей, приводящих в движение оси. Тепловозы более экономичны и эффективны в эксплуатации, поскольку требуют меньше рабочей силы и потребляют меньше топлива. Кроме того, из-за различных электрических соединений одна бригада может управлять несколькими локомотивами от ведущей единицы. Тепловозы остаются одним из наиболее распространенных типов локомотивов, используемых в настоящее время во всем мире, поскольку они широко используются как для пассажирских, так и для грузовых перевозок.

Тепловозы также намного легче паровых, поэтому они меньше изнашивают жизненно важные объекты инфраструктуры, такие как дорожное полотно, рельсы и шпалы. Кроме того, хотя производство паровозов обходится дешевле, экспоненциальные затраты на техническое обслуживание считают дизель более рентабельным с финансовой точки зрения. Из-за низких затрат на техническое обслуживание дизельные двигатели были более доступны, чем паровые. Фактически, паровозы настолько сложны в обслуживании, что половину своего срока службы они не использовали. Тепловозы также более экономичны. По данным CSX Transportation, одного из ведущих грузовых перевозчиков в США, тепловоз может проехать 134 мили на одном галлоне топлива.

Газотурбинная энергетика

Газотурбинная энергетика появилась примерно в то же время, что и дизельный локомотив, и работает аналогично дизелям, поскольку газотурбинная система вырабатывает энергию для тяговых двигателей. Впервые разработанная во Франции в 1940-х годах, газовая турбина использовалась во многих частях мира, однако ее служба была недолгой. В Северной Америке ALCO и GE разработали различные газотурбинные локомотивы для Union Pacific для питания их различных трансконтинентальных поездов, однако они были гораздо менее экономичными, чем дизели. Таким образом, эти локомотивы были выведены из эксплуатации к концу шестидесятых из-за роста стоимости масла Bunker C, используемого для заправки локомотивов.

Хотя газотурбинный локомотив не имел большого успеха в грузовых перевозках, вскоре он был принят для пассажирских перевозок по всему миру. Его известность в пассажирских перевозках пришлась на семидесятые годы с прототипом TGV 001, что привело к принятию газотурбинных поездов в Северной Америке в виде UAC Turbotrain, а также RTG и RTL Turboliner компании Amtrak, которые использовались в восточных странах. Канада, а также восток и Средний Запад США. Роджер Пута

В Соединенном Королевстве газотурбинный двигатель APT-E сыграл важную роль в создании высокоскоростных поездов в Великобритании и во всем мире. Разработан в 19В 70-х годах APT-E (Advanced Passenger Train Experimental) включал в себя технологию наклона для работы на существующих маршрутах сети British Rail, большая часть которых была построена в конце 19 века. Механизм наклона APT-E позволял ему преодолевать крутые повороты на гораздо большей скорости, чем обычный поезд. APT-E был реализован за счет реконструкции специальной высокоскоростной железной дороги или модернизации существующей инфраструктуры, однако из-за нефтяного кризиса 70-х годов проект был полностью переведен на электрическую тягу, ориентированную на Западное побережье. Основная линия. Мощность газовых турбин почти исчезла на железных дорогах во всем мире в пользу гораздо более экономичных и надежных дизель-электрических локомотивов.

Электроэнергия

Электропоезда приобрели известность в начале двадцатого века, начиная с 1910 года, когда были введены в эксплуатацию туннели реки Гудзон на магистрали Филадельфия-Нью-Йорк Пенсильванской железной дороги. Эти туннели обеспечивали прямой доступ к оживленному Манхэттену Нью-Йорка. Из-за длины туннелей движение паровозов было запрещено из-за густого дыма. Таким образом, PRR разработала электровоз ДД-1 для перевозки поездов через туннель. По мере развития двадцатого века электропоезда стали популярными в различных высокоскоростных проектах, таких как электрификация различных магистралей PRR. Это привело к разработке легендарного локомотива GG1, построенного General Electric по проекту знаменитого дизайнера Рэймонда Лоуи. Томас Экхардт

По мере того, как электропоезда становились все более популярными, они становились популярными в проектах высокоскоростных железных дорог, особенно в Японии и Франции. Япония открыла свои услуги Синкансэн в 1964 году, когда началась работа на линии Токайдо. Успех Синкансэн привел к развитию высокоскоростных поездов по всему миру, наиболее заметным из которых является французский TGV, который начал свою работу в 1981 году с открытием линии Sud-Est между Парижем и Лионом. Электропоезда предпочтительнее при строительстве высокоскоростной железнодорожной сети, поскольку они наиболее эффективны, имеют превосходное соотношение мощности к весу и простоту обслуживания.

Электропоезда работают за счет сбора тока либо от третьего рельса постоянного тока, либо от воздушных линий электропередач. Этот ток (переменный или постоянный) затем поступает в трансформатор, который затем направляется в выпрямитель, который преобразует мощность в постоянный ток. Затем постоянный ток передается на инверторы, которые преобразуют ток обратно в переменный ток. Затем этот трехфазный ток направляется на тяговые двигатели, которые затем приводят в движение колеса. Затем неиспользованный ток направляется обратно в линии электропередач, повышая эффективность.

Fuel Efficiency — CSX.com

Fuel Efficiency

По данным AAR, перевозка грузов по железной дороге в 4 раза экономичнее, чем перевозка грузов по шоссе. Поезда CSX могут перевезти тонну груза примерно на 492 мили на одном галлоне топлива. Эффективное использование топлива означает сокращение выбросов парниковых газов на нашу планету. (Подробнее на веб-сайте Ассоциации американских железных дорог http://www.aar.org/.)

Вот формула для нашего рейтинга топливной эффективности за 2018 год: (из отчета CSX R-1 за 2018 год)

• График 750, строки 1+3 (строка 4), Потребление дизельного топлива (фрахт + коммутация) = 423 998 863 галлона 208 712 027 000 RTM / 423 998 863 галлона) = 492 RTM/галлон

За последнее десятилетие компания CSX инвестировала более 2,8 млрд долларов США в повышение эффективности использования топлива локомотивами и сокращение соответствующих выбросов.

Расчет эффективности использования топлива

Тонна-миля на галлон — это единица измерения, используемая для описания эффективности перевозки грузов различными видами транспорта.

Железнодорожная отрасль отслеживает и сообщает о доходах в тонно-милях в «Годовом отчете для Совета по наземному транспорту» (обычно называемом отчетом R1). Годовая стоимость грузовых тонно-миль указывается в Приложении 755, строка 110 Отчета R1. Железнодорожная отрасль также отслеживает и сообщает о годовом использовании топлива в Отчете R1, График 750, строка 4. Эти два сообщаемых значения используются для определения значения эффективности поезда в масштабах всей системы.

Например, в 2018 году количество тонно-миль грузов, указанное в отчете R1, = 208 712 027 000 тонно-миль, а суммарное потребление топлива CSX 2018 по линейным перевозкам и стрелочному переводу = 423 998 863 галлонов.

Показатель эффективности поездов в масштабе всей системы CSX 2018 года равен:

208 712 027 000 тонно-миль / 423 998 863 галлона = 492 тонно-миля на галлон.

Другими словами, поезда CSX в среднем могут перевезти тонну груза почти на 500 миль на галлоне топлива, исходя из нашего дохода в тонно-милях за 2018 год и расхода топлива в 2018 году.

Аналогичным образом можно оценить топливную экономичность грузового автомобиля. Например, дизельный грузовик большой грузоподъемности, перевозящий 19 тонн груза на расстояние 500 миль, потребляет примерно 71 галлон дизельного топлива, предполагая среднюю экономию топлива грузовика на 7 миль на галлон и типичную полезную нагрузку грузовика 19 тонн. Эффективность этой грузовой перевозки будет рассчитана как:

(19 тонн x 500 миль) / 71 галлон = 134 тонно-миль на галлон.

Эту эффективность можно выразить так: «грузовик может перевезти тонну груза на 134 мили на галлоне топлива».

Точно так же обычный поезд может перевозить 3000 тонн груза на расстояние 500 миль и потреблять примерно 3049 галлонов дизельного топлива. Эффективность этой грузовой перевозки будет рассчитана как:

(3000 тонн x 500 миль) / (3049 галлонов) = 492 тонно-миль на галлон.

Эту эффективность можно выразить так: «поезд может перевезти тонну груза на 492 мили на галлоне топлива».