Motor rachetă

Încercați să fotografiați (testare) a unui motor SSMI de transfer al SUA naveta spațială .

Principiul de funcționare

În aviație , motorul rachetă ( motor rachetă mai puțin obișnuit ), sau endoreattore, este un motor cu reacție care folosește principiul acțiunii și reacției pentru a produce o tracțiune ; Se distinge de esoreattori (motoare cu reacție) pentru stocarea caracteristicii combustiei în rezervoare speciale sau deja amestecate cu combustibilul .
Majoritatea motoarelor rachete sunt motoare cu ardere internă .

În țările vorbitoare de limbă engleză, unii autori fac distincția între motorul rachetă ( motorul cu rachetă "cu rachetă") și motorul rachetă (combustibil solid). ^{[ Citație necesară ]} ^[1]

Descriere

Clasificarea rachetelor

Reactoarele cu rachete pot fi clasificate în diferite moduri: în funcție de tipul de energie stocată, transformată și cinetică implicată, în funcție de viteza de propagare, în funcție de tipul de alimentare cu energie și multe altele.

În funcție de scopul misiunii aveți:

motoare cu acces spațial , vehicule de lansare obișnuite sau lansatoare , a căror caracteristică este plasarea pe orbită a unei sarcini utile : motoarele de lansare actuale sunt propulsie chimică (lichidă sau solidă) și cu mai multe etape (cel puțin două trepte).
de la motoarele de navigație din spațiu care permit manevre orbitale ale navei spațiale, corecții de tăiere, orbita refazare etc.

În funcție de posibila reutilizare a motorului, aveți:

motoare de pierdut (consumabile), dacă motorul nu este recuperat pentru misiuni ulterioare. Acest lucru este valabil pentru aproape toată familia modernă de lansatoare Ariane .
propulsoare reutilizabile (reutilizabile), dacă pot fi refolosite pentru misiuni ulterioare: este cazul rapelului de accelerare a propulsorului solid naveta spațială , a cărei carcasă este recuperată pentru unele misiuni, aceeași navetă americană (numită orbiter) care este un adevărat și lansator , deși nu este pe deplin recuperabil, sau prima etapă a rachetei Falcon 9 și Falcon Heavy compania americană SpaceX

Tipuri de energie din rachete

Fenomenul propulsiv este practic împărțit în trei faze, fiecare caracterizată prin schimburi semnificative de energie și termice.

Energia primară a unui endoreator este asociată cu rezervorul de combustibil, oricare ar fi acestea. Il poti avea
- Energie primară de tip chimic , asociată cu conținutul de energie al învelișului de electroni care înconjoară atomul de propulsie: în esență, energia chimică este transformată în căldură în camera de ardere. Există propulsor lichid (LP), propulsor solid (SP), propulsor hibrid (HP) sau propulsor gazos (GP).
- Energie primară de tip nuclear , asociată cu nucleul atomic: pot exista motoare izotopice de dezintegrare (utilizate în sondele spațiale pentru a genera energie electrică acolo unde panourile solare nu sunt utilizabile) sau motoare de fisiune nucleară (proiectul american NERVA , testat la sol), fuziunea nucleară (testată pentru scurt timp doar în laborator).
- Energia primară de tip electric : Aveți motoare ion, plasmă sau arc / rezistență.
- Energie primară de tip radiant: sursa de energie este radiația solară (panouri solare), laserul (vele solare) sau cuptorul cu microunde.
L 'energia secundară sau transformată este de două tipuri: electrică sau termică.
- Rachetele în energie transformată de tip electric sunt așa-numitele rachete electrice, în care energia este în esență de tip electric.
- Rachetele transformă energia termică sunt motoarele rachete clasice prevăzute cu o cameră de ardere în care au loc reacții chimice pentru producerea gazului care este apoi accelerat printr-o duză de Laval . Motoarele cu energie chimică primară sunt toate motoarele cu energie secundară termică.
L 'sau energie cinetică utilă asociată cu producerea de tracțiune:
- Energia cinetică este obținută prin cale termică prin intermediul unei duze gazodinamice, ceea ce face ca aceasta să extindă un gaz de ardere obținut în cameră sau încălzit prin schimbătoare de căldură în cazul în care există camera de combustie (motoare nucleare sau eventual arc / rezistență). Acesta este cazul motoarelor cu rachete cu energie chimică primară și energie termică secundară, la fel ca toate motoarele de lansare și majoritatea propulsoarelor pentru manevre orbitale.
- Energia cinetică este obținută prin cale electrică printr-un câmp electromagnetic cu expulzarea sarcinilor electrice la viteze mari, cu mecanisme de neutralizare la capătul duzei electromagnetice.

Performanța motoarelor rachete

Performanța unui endoreactor sau a unui motor rachetă este exprimată în termeni de:

Parametrii dependenți de dimensiunea lansatorului, cum ar fi thrust;
Parametri legați de misiunea propulsivă, cum ar fi raportul de împingere / greutate;
Parametrii legați de performanța motorului, ca „greutatea specifică a impulsului ;
Alți parametri: viteza de curgere echivalentă, viteza caracteristică, coeficientul de împingere.

Împingere

Din punct de vedere elementar, principiul fizic care explică funcționarea motorului rachetă este al treilea principiu al dinamicii .

O formulare mai rafinată a principiului duce la legea conservării impulsului .

Având în vedere ecuația conservării impulsului sistemului compus din rachetă și fluidul expulzat într-un interval Δ t , se poate observa cum sistemul trece dintr-o stare cu masa M și viteza V la momentul t , la un compus sistem dintr-o rachetă cu masa M - Δ m (Δ m este masa evacuată în timp Δ t ) cu viteza V + Δ V și dintr-un gaz cu masa Δ m care se deplasează cu viteza V - u _e ( u _e este viteza jetul relativ la rachetă, presupus constant; semnul minus indică faptul că gazul este evacuat în direcția opusă celei a rachetei).

Folosind legea conservării impulsului , obținem că derivata în timp a impulsului sistemului nostru (+ gazul rachetat) trebuie să fie egală cu suma forțelor care acționează asupra sistemului.

Indicând cu F _și (forțe externe) această sumă și trecând la limita pentru Δ t tinde la 0, avem:

S=m{\frac {dV}{dt}}=F_{e}+{\dot {m}}_{p}u_{e}

{\ displaystyle S = m {\ frac {dV} {dt}} = F_ {e} + {\ dot {m}} _ {p} u_ {e}}

{\ displaystyle S = m {\ frac {dV} {dt}} = F_ {e} + {\ dot {m}} _ {p} u_ {e}}

adică rezultă împingerea motorului rachetei (determinată de o duză gazo-dinamică), explicitând forțele externe în funcție de presiuni

S=(p_{e}-p_{a})A_{e}+{\dot {m}}_{p}u_{e}

{\ displaystyle S = (p_ {e} -p_ {a}) A_ {e} + {\ dot {m}} _ {p} u_ {e}}

{\ displaystyle S = (p_ {e} -p_ {a}) A_ {e} + {\ dot {m}} _ {p} u_ {e}}

unde este

_și p este presiunea la ieșirea din duza de evacuare a secțiunii;
p _a este presiunea ambientală, care depinde de altitudine (p p _a = _a (z)). În cazul motorului spațial _la p = 0.
_Și A este zona secțiunii de descărcare a duzei.
${\dot {m}}_{p}$ ${\ displaystyle {\ dot {m}} _ {p}}$ ${\ displaystyle {\ dot {m}} _ {p}}$ este debitul masic al combustibilului care iese din duză.

Termenul $\left(p_{e}-p_{a}\right)A_{e}$ ${\ displaystyle \ left (p_ {e} -p_ {a} \ right) A_ {e}}$ ${\ displaystyle \ left (p_ {e} -p_ {a} \ right) A_ {e}}$ este numit termenul static al forței și contribuie cu maximum 25% din același, în timp ce termenul ${\dot {m}}_{p}u_{e}$ ${\ displaystyle {\ dot {m}} _ {p} u_ {e}}$ ${\ displaystyle {\ dot {m}} _ {p} u_ {e}}$ este termenul dinamic.

În cazul în care duza este într-o configurație adaptată, adică $p_{a}=p_{e}$ ${\ displaystyle p_ {a} = p_ {e}}$ ${\ displaystyle p_ {a} = p_ {e}}$ , se pare

S={\dot {m}}_{p}u_{e}

{\ displaystyle S = {\ dot {m}} _ {p} u_ {e}}

{\ displaystyle S = {\ dot {m}} _ {p} u_ {e}}

Forța, fiind o forță , se măsoară în Newton. Motoarele de lansare au acțiuni de ordinul MN, în timp ce motoarele de navigație spațială au acțiuni de câțiva Newtoni, chiar și milliNewtoni.

Raportul presiune / greutate, S / W

Raportul forță / greutate, denumit în mod obișnuit S / W sau T / W este un parametru important (deși este un parametru dur și nu calitativ) al diferitelor tipuri de motoare. Relația este, prin definiție, adimensională.

Motoarele de lansare se caracterizează prin $S/W>1$ ${\ displaystyle S / W> 1}$ ${\ displaystyle S / W> 1}$ , o condiție necesară pentru a se ridica de la sol. La sfârșitul arderii, motoarele chimice ating, de asemenea, rapoarte de ordinul zecilor (chiar și până la 30 pentru anumite motoare cu combustibil solid).

Motoarele de navigație spațială se caracterizează prin $S/W<<1$ ${\ displaystyle S / W << 1}$ ${\ displaystyle S / W << 1}$ , deoarece schimbarea stării de mișcare nu trebuie să contracareze forța de greutate.

Impuls de greutate specific

Greutatea specifică a impulsului este un parametru fundamental pentru identificarea performanței unei elice. Este definit ca raportul dintre ' pulsul total și forța de propulsie a masei consumate, și anume:

I_{sp}={\frac {I_{tot}}{mg_{0}}}

{\ displaystyle I_ {sp} = {\ frac {I_ {tot}} {mg_ {0}}}}

{\ displaystyle I_ {sp} = {\ frac {I_ {tot}} {mg_ {0}}}}

Impulsul total poate fi văzut ca impulsul S (modulul vectorului de împingere) pentru timpul total de ardere, din care impulsul de greutate specific este impulsul asupra fluxului de greutate al propulsorului consumat (capacitatea de greutate)

I_{sp}={\frac {S}{\dot {w}}}={\frac {S}{g_{0}{\dot {m}}}}

{\ displaystyle I_ {sp} = {\ frac {S} {\ dot {w}}} = {\ frac {S} {g_ {0} {\ dot {m}}}}}

{\ displaystyle I_ {sp} = {\ frac {S} {\ dot {w}}} = {\ frac {S} {g_ {0} {\ dot {m}}}}}

unde este ${\dot {w}}$ ${\ displaystyle {\ dot {w}}}$ ${\ displaystyle {\ dot {w}}}$ reprezintă fluxul de greutate al combustibilului consumat, în timp ce ${\dot {m}}$ ${\ displaystyle {\ dot {m}}}$ ${\ dot m}$ debitul masic al combustibilului consumat. Explicând împingerea pe care o avem

I_{sp}={\frac {{\dot {m}}u_{e}+(p_{e}-p_{a})A_{e}}{\dot {w}}}={\frac {1}{g_{0}}}\left(u_{e}+{\frac {(p_{e}-p_{a})A_{e}}{\dot {m}}}\right)

{\ displaystyle I_ {sp} = {\ frac {{\ dot {m}} u_ {e} + (p_ {e} -p_ {a}) A_ {e}} {\ dot {w}}} = { \ frac {1} {g_ {0}}} \ left (u_ {e} + {\ frac {(p_ {e} -p_ {a}) A_ {e}} {\ dot {m}}} \ right )}}

{\ displaystyle I_ {sp} = {\ frac {{\ dot {m}} u_ {e} + (p_ {e} -p_ {a}) A_ {e}} {\ dot {w}}} = { \ frac {1} {g_ {0}}} \ left (u_ {e} + {\ frac {(p_ {e} -p_ {a}) A_ {e}} {\ dot {m}}} \ right )}}

În cazul unei duze adaptate, partea statică a expresiei impulsului S devine zero ( $p_{e}=p_{a}$ ${\ displaystyle p_ {e} = p_ {a}}$ ${\ displaystyle p_ {e} = p_ {a}}$ ), de la care

I_{sp}={\frac {u_{e}}{g_{0}}}

{\ displaystyle I_ {sp} = {\ frac {u_ {e}} {g_ {0}}}}

{\ displaystyle I_ {sp} = {\ frac {u_ {e}} {g_ {0}}}}

unde este $u_{e}$ ${\ displaystyle u_ {e}}$ ${\ displaystyle u_ {e}}$ reprezintă viteza de eflux a gazelor arse în raport cu lansatorul.

Viteza de ieșire echivalentă

Este introdus pentru simplificarea calculului performanței unui motor termic (caracterizat printr-o duză gazo-dinamică) în condiții nepotrivite.

c=u_{e}+{\frac {(p_{e}-p_{a})A_{e}}{\dot {m}}}

{\ displaystyle c = u_ {e} + {\ frac {(p_ {e} -p_ {a}) A_ {e}} {\ dot {m}}}}

{\ displaystyle c = u_ {e} + {\ frac {(p_ {e} -p_ {a}) A_ {e}} {\ dot {m}}}}

Viteza caracteristică

Viteza caracteristică este un parametru de merit al unei camere de ardere a motorului rachetă: valori mai mari indică procese de conversie a energiei termochimice foarte eficiente.

c^{*}={\frac {p_{c}A_{t}}{\dot {m}}}

{\ displaystyle c ^ {*} = {\ frac {p_ {c} A_ {t}} {\ dot {m}}}}

{\ displaystyle c ^ {*} = {\ frac {p_ {c} A_ {t}} {\ dot {m}}}}

unde este

$p_{c}$ ${\ displaystyle p_ {c}}$ ${\ displaystyle p_ {c}}$ este presiunea din camera de ardere, de ordinul a sute de atmosfere.
$A_{t}$ ${\ displaystyle A_ {t}}$ ${\ displaystyle A_ {t}}$ este zona gâtului duzei.

Reciprocitatea vitezei caracteristice se numește coeficient de eflux. Valorile vitezei caracteristice sunt de obicei între 1500 și 3000 m / s.

Coeficientul de împingere

Coeficientul de împingere este definit ca

c_{s}={\frac {S}{p_{c}A_{t}}}

{\ displaystyle c_ {s} = {\ frac {S} {p_ {c} A_ {t}}}}

{\ displaystyle c_ {s} = {\ frac {S} {p_ {c} A_ {t}}}}

și exprimă cât de mult crește forța datorită prezenței divergentului supersonic în raport cu valoarea statică dată de presiunea camerei de ardere pentru zona gâtului duzei. Valorile $c_{s}$ ${\ displaystyle c_ {s}}$ ${\ displaystyle c_ {s}}$ acestea sunt de obicei între 1 și 2.

Tipuri de motoare rachete

Motoare chimice cu combustibil lichid

Același subiect în detaliu: propulsor lichid pentru rachete .

Motorul rachetă cu combustibil lichid folosește două rezervoare separate care conțin combustibilul și combustibilul. Cele două componente sunt trimise, prin intermediul pompelor , către o cameră de ardere ale cărei produse trec printr-o duză de descărcare . Puterea motoarelor cu rachete cu combustibil lichid poate fi reglată prin ajustarea vitezei de alimentare a amestecului de combustibil prin ajustarea presiunilor de ieșire. Combustibilul și combustibilul, care împreună alcătuiesc propulsorul, sunt reactanții chimici din camera de ardere unde au loc reacțiile redox care implică schimbări de stare în gaz și creșterea energiei termice a fluidului. Principalele componente ale unui sistem de propulsie cu propulsor lichid sunt:

Rezervoare sub presiune pentru conținerea propulsorilor lichizi, de depozitare (la temperaturi apropiate de cea ambientală) sau criogenice (la temperaturi sub zero Celsius lot, ca cuplu lichide criogenice hidrogen / oxigen).
Sisteme de alimentare .
Capul de aprindere al combustibilului din camera de ardere.
Cameră de combustie în care au loc reacții chimice și creează gazele arse. Temperaturile ajung chiar la 2000-3500 K și presează sute de atmosfere.
Duză de eșapament de formă convergent-divergentă, care funcționează în configurație izentropică supersonică pentru maximizarea vitezei de ieșire a gazelor, cu viteză sonică în secțiunea transversală minimă a duzei, numită secțiunea gâtului.
Sisteme de protecție termică , în special în camera de ardere și în prima parte a duzei.
Deflectoare de flacără pentru a preveni instabilitatea arderii.
Sisteme de control al vectorului de împingere care direcționează gazele de eșapament prin deplasarea întregii duze sau doar a părții finale sau conform altor configurații.

Propulsoarele cu combustibil lichid caracterizează multe vehicule de lansare, cum ar fi principalele motoare ale navetei spațiale SSME, pentru hidrogen lichid și oxigen, sau motorul principal al „ Ariane 5” .

Impulsurile specifice ale propulsoarelor lichide ajung până la 500 de secunde.

Motoare chimice cu combustibil solid

Același subiect în detaliu: propulsor solid pentru rachete .

Motorul rachetă cu combustibil solid este conceptual foarte simplu: este constituit în esență dintr-o carcasă umplută cu propulsor și echipată cu o duză în corespondență cu secțiunea de ieșire a gazului produsă prin arderea propulsorului.

Masa combustibilului conține atât combustibilul, cât și combustibilul, astfel încât să se determine o combustie completă auto-alimentată.

Puterea motorului rachetă cu combustibil solid nu poate fi ajustată: depinde de forma imprimată pe suprafața propulsorului solid și de rata de ardere.

Cu cât suprafața expusă (suprafața de ardere) și viteza de ardere sunt mai mari, cu atât forța motorului este mai mare. Viteza de ardere este strâns legată de tipul de combustibil utilizat și de presiunea de funcționare (presiunea de ardere). Principalele componente ale unei centrale electrice cu propulsor solid sunt:

Camera de combustie / rezervorul de combustibil , care, în acest tip de motoare, este tocmai carcasa de combustibil: în timpul arderii bobului de combustibil degradează câțiva mm / s și apoi variază dimensiunea camerei în sine.
O duză dinamică de gaz într-o configurație convergentă / divergentă, adesea cu conică divergentă pentru prezența particulelor solide în faza de expansiune.
Sisteme de protecție termică .

În comparație cu propulsoarele lichide, solidele se caracterizează printr-o disponibilitate operațională foarte mare , deoarece propulsorul pentru cereale poate fi depozitat fără probleme chiar și de ani de zile și nu necesită putere turbopompe . Din aceste motive, aceste propulsoare sunt utilizate și pentru majoritatea rachetelor de la bord. Alte aplicații se află în principalele rapeluri de accelerare a lansatoarelor, care oferă un impuls în primele momente de zbor (boostere de rachete solide în naveta spațială , boostere de Ariane 5 sau noul pitcher Italo-European Vega și vega c).

O caracteristică a combustibilului este să conțină pulberi și nanopulberi de metale, în special aluminiu , care cresc impulsul specific al motorului.

Impulsurile specifice ale propulsoarelor solide ajung până la 280-300 de secunde.

Motoare chimice cu propulsie hibridă

Același subiect în detaliu: propulsori de rachete hibrizi .

Acestea se caracterizează printr-o configurație mixtă lichid / solid. da, ei au

Motoare hibride cu combustie solidă și combustibil lichid.
Motoare hibride cu combustie lichidă și combustibil solid.

Spre deosebire de solide, arderea, odată pornită, poate fi oprită. În acest moment, acest tip de motoare este în curs de studiu și a fost aplicat o singură dată într-o misiune suborbitală a navei spațiale One .

Un alt nume al rachetelor hibride propulsor rachete litergolo.

Impulsurile specifice hibridului cresc până la 350 de secunde.

Tehnici de răcire

Datorită temperaturilor ridicate din camera de ardere și a duzei gazodinamice, în special în porțiunea convergentă, este nevoie de sisteme de control termic pentru a proteja pereții de fluxurile de căldură ridicate date de gaz în timpul arderii sau a fumului. Principalele sisteme de protecție termică sunt:

Sisteme regenerative de răcire, care includ un sistem complex de conducte în care curge un agent de răcire (de obicei combustibilul, de exemplu hidrogen), care este vândut cu energie termică în timpul trecerii. Rețeaua complexă de canale poate curge în cocurent sau în contracurent în raport cu direcția gazelor de ardere. Această soluție este adoptată în principalele motoare (SSME) ale Space Shuttle și, de asemenea, în motorul Vulcain al Ariane 5 .

O peliculă lichidă de răcire sau sisteme de transpirație, în care straturile de lichid frigorific, de obicei același combustibil care nu este ars, curg în porțiunea de duză convergentă și divergentă, protejând peretele. În cazul transpirației, un perete poros permite să treacă picături de agent frigorific care protejează peretele însuși și absorb fluxurile termice ridicate.

La sistemele de răcire ablative , în care materialul ablativ suferă o reacție endotermică puternică în contact cu gradienți termici mari, degradându-se și producând un reziduu carbonos. Această tehnică nu este staționară și nu implică reutilizarea sistemului de răcire. Este uneori folosit ca element de siguranță în zone deosebit de solicitate termic.

Pentru sistemele de răcire a radiatorului : o conductivitate termică ridicată a materialului transportă căldura absorbită în alte zone. Temperatura de topire a materialului trebuie să fie ridicată. Acestea sunt folosite cu o fuziune a punctelor înalte.

Pentru sistemele de răcire radiativă : emisivitatea termică ridicată permite unor materiale răcirea prin iradiere în alte zone.

Notă

^ Rețineți că „Oxford Dictionary of Inglese (sub„ rachetă ”) nu detectează diferențe între cei doi termeni.

Elemente conexe

Alte proiecte

Wikimedia Commons conține imagini sau alte fișiere ale motorului rachetă

linkuri externe

(EN) motor de rachetă , al Enciclopediei Britannice , Encyclopædia Britannica, Inc.

Controlul autorității	Tezaur BNCF 27626 · LCCN (EN) sh85114703 · GND (DE) 4176905-3 · NDL (EN, JA) 00.569.644

Portalul de astronautică

Portalul aviației

[1] Rețineți că „Oxford Dictionary of Inglese (sub„ rachetă ”) nu detectează diferențe între cei doi termeni.

[1]