우주로 날아가는 것은 의심 할 바없이 우리 문명의 가장 놀라운 업적 중 하나입니다. 유명한 가가린 "가!" 그리고 암스트롱의 달 표면에 대한 첫 번째 발걸음 - 멀리 떨어진 행성 및 다른 별의 체계로가는 길에 관한 역사적인 이정표. 로켓 엔진 없이는 지구의 중력을 극복하고 지구 궤도에 진입 할 수있었습니다.
한편으로는 로켓 엔진의 장치가 매우 간단하여 집에서 직접 만들 수 있으며 말 그대로 3 개의 코펙을 소비합니다. 그러나 반면에 우주 및 로켓의 설계는 매우 복잡하여 세계의 몇몇 주에서만 제조 기술을 보유하고 있습니다.
로켓 엔진 (RD)은 제트 엔진의 일종으로, 작동 바디와 에너지 원이 항공기에 직접 탑재되어 있습니다. 이것은 제트 엔진과의 주요 차이점입니다. 따라서 유도로는 대기의 산소에 의존하지 않으므로 우주 (에어리스) 공간에서의 비행에 사용될 수 있습니다.
러시아는 로켓 엔진 건설 분야의 세계 지도자 중 하나입니다. 소련에서 물려받은 백 로그는 인상적입니다. 국내 산업은 다양한 목적의 로켓 엔진을 생산할 수 있습니다. 이것의 증거는 American Atlas에서 사용되는 RD-180 로켓 엔진입니다. 미국으로의 배달은 2000 년에 시작되어 현재까지 계속되고 있습니다. 다른 흥미로운 발전이 있습니다. 우리는 우주 또는 탄도 미사일을위한 강력한 엔진뿐만 아니라 다양한 무기 시스템의 유도로에 대해서도 이야기하고 있습니다.
현재, 연료의 연소로 인해 특정 충격이 형성되는 가장 일반적인 소위 화학 로켓 엔진입니다. 이 외에도 핵 및 전기 엔진이 있습니다. 이 기사에서는 로켓 엔진의 작동 방식과 장점 및 단점에 대해 설명하고 현행 분류 체계를 제시합니다.
일부 물리학 또는 작동 원리
로켓 엔진의 종류에 따라 디자인에 큰 차이가 있지만, 그 중 어떤 것의 작업은 "모든 행동이 동등한 저항력을 가지고있다"는 뉴턴의 유명한 제 3의 법칙에 기반을두고 있습니다. RD는 한 방향으로 작동 유체의 제트를 방출하고, 그 자체는 Newtonian 가정에 따라 반대 방향으로 움직입니다. 연료 연소 제품은 노즐을 통과하여 갈망을 형성합니다. 이것은 로켓 엔진 이론의 기초입니다.
당신이 배에 서있는 경우, 선미에서 돌을 던져, 그러면 당신의 배는 조금 앞서 항해합니다. 이것은 모든 로켓 엔진의 기능에 대한 시각적 모델입니다. 또 다른 예는 물이 고압에서 배출되는 소화 호스의 작업입니다. 그것을 유지하려면 약간의 노력이 필요합니다. 소방관을 스케이트 보드에 올려 놓고 호스를 주면 꽤 빠른 속도로 움직일 것입니다.
이러한 시스템의 효율성을 결정하는 주된 특성은 추력 (추진력)입니다. 이것은 초기 에너지가 작동 유체의 운동 제트로 변형 된 결과로 형성됩니다. 미터계에서 로켓 엔진 추력은 뉴턴 단위로 측정되는 반면 미국인은 파운드 단위로 계산됩니다.
로켓 엔진의 또 다른 중요한 매개 변수는 특정 충동입니다. 이것은 단위 시간당 연료 소비에 대한 추진력 (또는 이동량)의 비율입니다. 이 매개 변수는 특정 유도로의 완성도로 간주되며 효율성의 척도입니다.
화학 엔진은 연료와 산화제의 연소의 발열 반응으로 작동합니다. 이 유형의 RD에는 두 가지 구성 요소가 있습니다.
- 열 에너지가 운동으로 변환되는 노즐;
- 연소 과정, 즉 연료의 화학 에너지가 열로 변환되는 연소실.
이 문제의 역사에서
로켓 엔진은 인류에게 알려진 가장 오래된 엔진 유형 중 하나입니다. 첫 번째 로켓이 정확히 만들어 졌을 때 정확하게 대답 할 수는 없습니다. 고대 그리스인 (Tarent Archite의 나무 비둘기)이이 작업을 수행했다는 가정이 있지만 대부분의 역사가들은 중국을 본 발명의 발상지로 간주합니다. 이것은 화약 발견 직후 3 세기 경에 일어났습니다. 원래 로켓은 불꽃 놀이와 다른 오락을 위해 사용되었습니다. 분말 로켓 엔진은 매우 효과적이었고 제조가 용이했습니다.
이 기술은 XIII 세기 어딘가에 유럽에 온 것으로 믿어지며 영국 자연 학자 Roger Bacon을 연구했습니다.
최초의 전투 미사일은 1556 년에 콘라드 하스 (Konrad Haas)가 개발 한 것으로, 페르디난트 1 세 황제를위한 다양한 종류의 무기를 발명했다.이 발명가는 로켓 엔진 이론의 첫 번째 제작자라고 불릴 수 있으며, 다단식 로켓에 대한 아이디어를 썼다. 두 개의 로켓에서. 이 설문 조사는 17 세기 중반에 살았던 폴란드의 Kazimir Semenovich에 의해 계속되었습니다. 그러나 이러한 모든 프로젝트는 여전히 종이에 남아있었습니다.
미사일의 실용적인 사용은 19 세기에만 시작되었다. 1805 년 영국 공무원 윌리엄 콩그레이브 (William Congreve)는 파우더 로켓을 전시했는데 그 당시에는 전례가없는 힘이있었습니다. 프레젠테이션은 인상적이었고 Congreve의 미사일은 영국군에 의해 채택되었습니다. 그들의 배럴 포병에 비해 그들의 주요 장점은 높은 이동성과 상대적으로 낮은 비용이었고, 주요 단점은 많이 남아있는 화재의 정확성이었다. 19 세기 말에 총총이 널리 퍼져서 매우 정확하게 발사되어 미사일이 제거되었습니다.
러시아에서는이 문제가 Zasyadko 장군에 의해 처리되었습니다. 그는 콘 그 리그 (Congrive) 미사일을 개선했을뿐만 아니라, 우주 비행을 위해 우주선을 사용하도록 제안한 최초의 미사일도 개발했다. 1881 년에 러시아의 발명가 키 발치 치는 자신의 로켓 엔진 이론을 만들었습니다.
우리의 다른 동포 인 콘스탄틴 치올 코프 스키 (Konstantin Tsiolkovsky)는이 기술 개발에 커다란 공헌을했습니다. 그의 아이디어 중에는 액체 로켓 엔진 (LRE)이 있는데, 산소와 수소의 혼합물을 연구하고있다.
지난 세기 초에 세계 여러 나라의 애호가들이 액체의 창출에 관여했으며, 성공한 첫 번째 인물은 미국의 발명가 인 Robert Goddard였다. 가솔린과 액체 산소가 혼합 된 로켓은 1926 년 성공적으로 발사됐다.
2 차 세계 대전은 로켓 무기 반환 기간이었습니다. 1941 년, 유명한 카투사 인 BM-13 발리의 설치가 적군에 의해 채택되었고, 1943 년에 독일군은 액체 추진 로켓으로 탄도 V-2를 사용하기 시작했습니다. 나중에 미국 우주 프로그램을 이끌었던 베르너 폰 브라운 (Werner von Braun)의지도하에 개발되었습니다. 독일은 또한 다이렉트 플로우 제트 엔진으로 KR V-1의 생산을 마스터했습니다.
소련과 미국의 전쟁이 끝난 후 진정한 "로켓트"경주가 시작되었습니다. 소련 프로그램은 로켓 엔진의 탁월한 설계자 인 세르게이 코 롤레 프 (Sergey Korolev)가 이끄는 리더십 아래 국내 ICBM R-7이 만들어졌고 나중에 첫 인공 위성이 발사되고 유인 우주 비행이 수행되었습니다.
수년에 걸쳐, 핵 붕괴 (합성)의 에너지를 희생시키면서 작동하는 로켓 엔진을 만들기위한 시도가있어 왔지만 그러한 발전소의 실용화에는 결코 이르지 못했다. 70 년대에는 전기 로켓 엔진의 사용이 소련과 미국에서 시작되었습니다. 오늘날 그들은 우주선의 궤도와 코스를 수정하는 데 사용됩니다. 70 년대와 80 년대에는 좋은 가능성을 가진 것으로 여겨지는 플라즈마 XRD 실험이있었습니다. 높은 희망은 이온 로켓 엔진에 기인하며, 이론적으로 우주선의 속도를 크게 높일 수 있습니다.
그러나 지금까지 거의 모든 기술이 초기 단계에 있으며 우주 탐험가의 주행 수단은 좋은 오래된 "화학"로켓으로 남아 있습니다. 현재 달 프로젝트에 참여한 미국의 F-1과 "에너지 부란 (Energy-Buran)"프로그램에 사용 된 소비에트 RD-170 / 171은 "세계에서 가장 강력한 로켓 엔진"이라는 타이틀을 놓고 경쟁하고있다.
그들이 뭘 좋아하니?
로켓 엔진의 분류는 작동 유체를 거부하는 에너지를 얻는 방법에 기반합니다. 이 매개 변수를 기반으로하는 유도로는 다음과 같습니다.
- 화학 물질;
- 핵 (열 핵);
- 전기 (전기 로켓);
- 가스.
위의 각 유형은 더 작은 범주로 나눌 수 있습니다. 예를 들어, 연료의 응집 상태에 따라 화학 엔진 (HDR)은 고체 연료와 액체 연료입니다. 화학 하이브리드 로켓 엔진 (GRD)도 있습니다. HDR에는 또한 모양과 노즐 디자인이 다른 쐐기 로켓 엔진이 포함되어 있습니다. 기체 상 및 고체상 RD가있다. 발전소에는 몇 가지 유형이 있습니다.
Chemical RD : 장단점
이 유형의 로켓 엔진은 가장 일반적이며 잘 마스터합니다. 인류에게 공간을 주었던 HRD라고 할 수 있습니다. 이것은 발열 화학 반응으로 작동하며, 연료와 산화제는 모두 항공기에 탑승하여 함께 연료를 형성합니다. 또한 에너지 원이자 작동 유체의 기초 역할을합니다.
HDD는 상대적으로 작은 임펄스 (전기적인 것보다)가 적지 만 트랙션을 더 많이 개발할 수 있습니다. 이것은 로켓 엔진을 발사하고 페이로드를 궤도로 옮길 때 특히 중요합니다.
액체 엔진에서, 산화제와 연료는 액상이다. 연료 시스템의 도움으로 챔버에서 연소되어 노즐을 통해 흐릅니다.
고체 연료 RD에서, 연료와 산화제의 혼합물은 연소실에 직접 배치된다. 일반적으로 연료는 중앙 채널이있는로드 모양을하고 있습니다. 연소 과정은 중앙에서 주변으로 진행되며, 노즐을 통해 나오는 가스는 추진력을 형성합니다. 이 엔진에는 몇 가지 장점이 있습니다. 비교적 간단하고 저렴하며 환경 친화적이며 신뢰할 수 있습니다.
고체 추진제 화학 엔진의 단점은 작동 지속 시간이 제한되고, 액체 XRD와 비교하여 특정 임펄스의 작은 지표와 더 이상 시작할 수없는 경우 다시 시작할 수 없다는 점입니다. 위의 기능은 발사체 유도로의 사용 범위를 결정합니다.이 발사체는 탄도 및 기상 로켓, 미사일, 미사일, 발사체 발사 시스템 용 로켓 발사체입니다. 고체 연료는 또한 로켓 엔진 시동에 사용됩니다.
액체 유도로는 더 높은 특정 충동을 가지며, 다시 정지되고 다시 시작될 수 있으며, 추력하여 규제 할 수 있습니다. 또한, 고체 연료와 비교하여 더 가볍고 컴팩트합니다. 그러나 연고에는 파리가 있습니다. 유체 엔진은 구조가 복잡하고 비용이 높기 때문에 우주 비행의 주요 용도로 사용됩니다.
액체 XRD 용 연료의 구성 요소는 다양한 조합을 사용합니다. 예를 들어, 산소 + 수소 또는 사 산화 질소 + 비대칭 디메틸 히드라진. 최근에는 산소와 등유 로켓이 매우 인기가 있습니다. 연료는 5 개 이상의 부품으로 구성 될 수 있습니다. 메탄 로켓 엔진은 매우 유망한 것으로 간주되며, 오늘날 그들은 세계 여러 나라에서 한 번에 생산에 종사하고 있습니다. 이 분야의 다른 흥미로운 발전 중에서, 우리는 연료가 타지 않지만 폭발 할 수있는 소위 폭발 가스 로켓 엔진을 언급 할 수 있습니다.
HDR 개선 작업이 중단되지는 않지만 이미 한계에 다다 랐습니다. 설계자는 화학 연료로 할 수있는 모든 것을 "압착"했습니다. HDR의 심각한 문제는 항공기가 들어야하는 거대한 질량의 연료입니다. 그리고 이것은 비효율적입니다. 탈착 가능한 단계가있는 계획은 상황을 다소 개선했지만 분명히 만병 통치약이되지는 못했습니다.
화학 로켓 엔진은 우주 탐사뿐만 아니라 우주 탐사에도 사용됩니다. 그들은 기본적으로 군대에서만 지구에서 사용하는 것을 발견했습니다. 소형 전투기 나 대전차로 시작하여 거대한 ICBM으로 끝나는 모든 전투 미사일에는 HRA가 장착되어 있습니다. 압도적으로, 그들은 더 간단하고 믿을만한 고체 연료 엔진을 가지고 있습니다. HRD를 평화롭게 사용하는 예로는 지구 물리학과 기상학 로켓이 있습니다.
별에 원자 배에!
액체 로켓 엔진은 사람 공간을 제공하고 가장 가까운 행성에 도착하는 것을 도왔습니다. 액체 연료에 대한 제트 분사의 속도는 4.5-5m / s를 초과하지 않으므로 원거리 임무에는 부적합합니다. 이는 초당 수십 미터가 필요합니다. HRD가있는 우주선은 여전히 화성이나 금성과 같은 가장 가까운 행성에 사람을 전달할 수 있지만 태양계의 먼 물체로 여행하려면 새로운 것을 만들어야합니다. 이 난국에서 벗어나는 방법 중 하나는 원자핵에 숨겨진 에너지를 사용하는 것입니다.
핵 로켓 엔진 (YARD)은 핵분열 또는 합성 에너지에 의해 작동 유체가 가열되는 일종의 발전소입니다. 연료의 상태에 따라 고체, 액체 또는 기체 상태 일 수 있습니다. 수소 또는 암모니아가 일반적으로 작동 매체로 사용됩니다. 견인 YARD는 화학 엔진과 상당히 유사하지만, 높은 충격을냅니다. 그러나 방사성 배출에 의한 대기의 오염이라는 문제가있다.
50 년대 중반에 핵 엔진의 역사가 시작되었는데, 미국과 소련의 2 개국이 실제적인 창작에 종사했습니다. 이미 1958 년에 미국인들은 달과 화성 비행 (NERVA 프로그램)을위한 야드 개발 작업을 시작했습니다. 같은시기에 소련 디자이너들은 비슷한 문제를 다루었 다. 70 년대 말에 RD-0410 핵 로켓 엔진이 만들어졌지만 완전한 테스트를 통과하지 못했습니다.
현재, 가장 유망한 것은 연료가 특수 밀폐 된 플라스크에서 기상 상태에있는 기체 상 핵연료 엔진입니다. 이것은 작동 유체와의 접촉을 제거하고 방사능 오염의 가능성을 크게 줄입니다. NRE 생성의 주요 기술적 인 문제가 오랫동안 해결되었지만 실제로는 응용 프로그램을 실제로 찾은 사람이 없습니다. 이 야드는 실제 사용의 관점에서 가장 유망 해 보입니다.
전기 로켓 엔진, 특징, 장단점
HRD를 대체 할 수있는 또 다른 가능한 경쟁자는 전기 로켓 엔진 (ERE)으로 전기 에너지를 사용하여 작동 유체를 분산시킵니다.
그런 발전소를 만드는 아이디어는 20 세기 초반에 태어 났고, 1930 년대 소련 과학자 인 Glushko는 그것을 실제로 구현했다. 전기 추진에 대한 능동적 인 연구는 1960 년대 미국과 소련에서 시작되었으며, 1970 년대에이 유형의 첫 번째 로켓 엔진은 이미 우주선에 설치되었습니다.
ERD에는 몇 가지 유형이 있습니다.
- 전열;
- 정전기;
- 전자기;
- 플라즈마
전기 로켓 엔진은 비유 전율이 높기 때문에 경제적으로 작동 유체를 소비 할 수 있지만 많은 에너지가 필요하므로 심각한 문제입니다. 지금까지 전기 추진의 유일한 근원은 태양 전지판뿐입니다. 그들은 낮은 추력을 가지고있어 지구 대기권 내에서 사용되지 않습니다. 추진 엔진의 발사 로켓 엔진은 확실히 작동하지 않습니다. 현재 우주선의 궤도를 정정하기 위해 션트 (shunting)로 사용됩니다.
