Большая Энциклопедия Нефти и Газа. Двигатель пороховой

Пороховой ракетный двигатель самолета, ракеты

Пороховой ракетный двигатель – это один из простейших вариантов реактивных двигателей для самолетов и ракет. В качестве топлива он использует твердое топливо – пороховой заряд. Как правило, применяют бездымный вид пороха, поскольку он имеет высокую температуру сгорания и придает летательному аппарату мощный импульс. Для ракет он используется в качестве основного двигателя, что касается авиации и самолетов, то может применяться как дополнительный для большого ускорения.

Современный пороховой ракетный двигатель. 1 — пороховые шашки; 2 — диафрагма; 3 — сопло.

Подобные пороховые ускорители сокращают дистанцию разбега при взлете. После расхода всего топлива такие двигатели в большинстве случаев отсоединяются от основной конструкции летательного аппарата.

Исторические данные об использовании пороховых двигателей.

Первые зафиксированные данные об использовании пороха в качестве ускорителя датируются 960 годом. В это время китайцы изготовляли первые пороховые ракеты для военных целей. Очень часто упоминаются в легендах и сказаниях использования пороховых зарядов для осуществления полетов. Так, одна из легенд повествовала о попытке полета Ван Гу на летательном аппарате, заряженном 47 ракетами с порохом.

В 1540 году была напечатана книга «О пиротехнике» автора Ванноччо Бирингуччо. Уже в это время была предоставлена первая схема строения пороховой ракеты с одной и несколькими ступенями. Все же огромное количество писателей-фантастов тех времен использовали свои скромные знания о ракетостроении и пороховых двигателях для возможности их героев попасть в отдаленные уголки планеты или даже на Луну.

Более реальное проектирование и создание действительно успешных пороховых двигателей началось с 19 века. Так, в 1817 году англичанин У. Конгрева смог изготовить ракету с дальностью полета в 2,7 километра. Параллельно с этим российские конструкторы И. Картмазов и А. Засядько изготовили свой прототип, который смог пролететь 2,69 километра. Дальнейшие наработки в данной отрасли позволили достичь еще лучших показателей. В 1881 году отечественный конструктор и исследователь Н. Кибальчич работал над изготовлением пилотируемого летательного аппарата с пороховым двигателем. Еще через 5 лет А. Эвальд провел комплекс опытов с моделью самолета на пороховом заряде.

Конечно же, прорывом стали разработки М. Поморцева, который в 1902 году изготовил ракету с пороховым двигателем. Ее особенностью являются стабилизирующие поверхности на корпусе и более продуманная конструкция двигателя. Все это позволило достичь дальности полета в 9 километров.

В создании пороховых двигателей не отставали и германские конструкторы. Так в 20-х годах прошлого века достаточно известный конструктор автомобилей Фриц фон Опель использовал пороховые заряды для ускорения велосипеда и мотоцикла, после чего провел опыты и с автомобилем. В апреле 1928 года конструктор установил на гоночную модель автомобиля Opel-Rak 12 ракет с твердым топливом. Данный ускоритель позволил достичь скорости в 112 км/час. В мае этого же года на автомобиль установили 24-зарядный блок ракет, который разогнал машину до скорости 200 км/час.

После проведенных опытов Ф. Опель начал проводить тестирование пороховых двигателей на летательных аппаратах. Был создан самолет-ракетоплан под названием Opel RК 22 в 1928 году. Параллельно с этим А. Липпше создал подобную летающую машину под названием «Утка», она смогла за одну минуту пролететь 1,2 километра на пороховом ускорителе. Что касается аппарата Опеля, то он смог достичь скорости 152 км/час в полете. Через год, а именно в октябре 1929 года, провел испытания своего летающего агрегата конструктор Г. Эспенлауб. Ракетоплан был оснащен 15 ракетными зарядами, которые смогли поднять машину в воздух, но во время полета летательный аппарат загорелся.

Что касается разработок СССР в данной отрасли, то они активно начались с 30-х годов. Удалось построить самолет, в котором использовались пороховые заряды в качестве дополнительных, он имел название У-1. Тестирование прошло отлично, после чего решили установить подобные ускорители на бомбардировщике типа ТБ-1. Для качественного разгона было установлено по 3 пороховых заряда с каждой стороны корпуса аппарата. Стоит отметить, что масса всего комплекта ускорителей составляла только 60 килограмм. При этом в течение двух секунд работы они выдавали тягу в 10 400 кгс. Данной мощности было достаточно для того, чтобы 7-тонный бомбардировщик смог сократить свой разбег при взлете от 330 метров к 80 метрам.

Подобные испытания были проведены и на советских истребителях в 1935 году. Несмотря на получение огромной тяги, подобные установки так и не получили широкого применения в авиастроении.

Во времена Второй мировой войны пороховые ускорители для своих самолетов широко использовала Япония и Германия. Кроме того, во время ухудшения состояния этих стран под конец войны ими были проведены разработки ударных самолетов, которые использовали твердотопливный двигатель в качестве основной силовой установки самолетов. На основе таких проектов были созданы самолеты для самоубийственных миссий по кораблям. Такие самолеты широко использовала Япония, наиболее ярким примером является аппарат «Ока».

Все дальнейшие разработки только улучшили показатели дальности и точности полета. Все же в большинстве случаев пороховые двигатели больше использовали и используют для строения ракет, нежели в авиации. Хотя подобные ускорительные установки с твердым топливом оказали немалую помощь в самолетостроении.

Особенности строения и работы порохового двигателя

Пороховой двигатель самолета часто называют ракетным двигателем твердого топлива, сокращенно РДТТ. При работе таких двигателей используется объединение окислителя и твердого топлива в единую массу. Все это находится непосредственно в камере сгорания, а не в дополнительных топливных баках, как в жидкостных моделях. Кроме облегчения конструкции, она становится более надежной и простой, поскольку исключается система подачи горючего. Самым простым и ярким примером такой конструкции является обычная пороховая ракета.

Прежде всего, стоит отметить, что применение РДТТ в авиации необходимо для достижения определенных задач. Конечно же, основная задача, которую решают дополнительные пороховые двигатели, – это значительное увеличение тяговооруженности самолета на определенном этапе полета. В большинстве случаев это необходимо при взлете. Не всегда существуют отличные условия для взлета и нормального разбега самолета. Особо актуально это было во времена поршневой авиации и на первых этапах развития реактивных установок на жидком топливе. Это позволяло значительно сократить дистанцию разбега летательного средства. Подобный быстрый старт помогал избежать плотного обстрела орудий противника. Также были модели истребителей, которые использовали пороховые ускорители для быстрого достижения воздушной цели противника. Повышение тяговооруженности в определенный экстремальный момент полета позволяет решать боевые задачи более легко и эффективно.

Недостатки преимущества пороховых двигателей

Неоспоримым преимуществом является простота конструкции, а также исключение утечки топлива, высокая степень безопасности в использовании и надежность. Подобные конструкции могут храниться на протяжении долгого времени.

Что касается недостатков, то здесь нужно подчеркнуть невысокие показатели удельного импульса и сложность в управлении тягой. Уменьшить или отключить тягу невозможно. При работе возникают сильные вибрации корпуса летательного аппарата. Выхлоп отработанных газов достаточно токсичен и наносит урон окружающей среде.

Используемое топливо:

Гомогенный тип топлива, который являет собой твердый раствор нитроцеллюлозы в нитроглицерине. Как правило, подобное горючее используется для запуска больших ракет.
Смесевый тип горючего. Это, как правило, смесь окислителя с основным твердым горючим.

Первым топливом для ракетных двигателей была смесь из селитры, серы и древесного угля. Далее начали использовать в качестве окислителя перхлорат аммония совместно с полимерным горючим (в космическом ракетостроении). В современном мире подобные типы двигателя используют для ракетомоделирования. При этом создают более простые смеси на основе более доступного нитрата калия и органически связывающих веществ, таких как сахар или сорбит.

В итоге стоит подчеркнуть, что пороховые двигатели не являются актуальными для современного самолетостроения. Даже космическая отрасль проводит разработки более эффективных и доступных пусковых механизмов для ракет.

avia.pro

Пороховой двигатель - Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Пороховой двигатель

Cтраница 1

Пороховые двигатели широко применяются в реактивной бесствольной артиллерии и как дополнительные вспомогательные двигатели в авиации для облегчения подъема тяжелых самолетов. [1]

Что касается пороховых двигателей и ракетного моделизма, то этим надо обязательно заниматься, и прежде всего, нашим опытным спортсменам, разумеется с соблюдением необходимых мер предосторожности. Необходимо организовать серийный выпуск хорошо отработанных пороховых двигателей. [2]

Двигателями твердого топлива являются, например, пороховые двигатели. Как известно, для сгорания пороха не требуется внешних окислителей. Рабочие процессы пороховых двигателей рассматриваются в специальных курсах. Ниже даются самые краткие сведения о цикле жидкостного реактивного двигателя. [3]

В 1881 г. Н. И. Кибальчич разработал первый в мире проект реактивного летательного аппарата с пороховым двигателем. [4]

В 1680 г. выдающийся механик, физик и математик, голландец по происхождению, Христиан Гюйгенс ( 1629 - 1695) начал разрабатывать пороховой двигатель, поставил перед собой цель преобразовать орудие разрушения в орудие созидания. [5]

Например, в ракетах с пороховым двигателем она определяется законом горения пороха. [7]

Окислителями могут быть жидкий кислород, азотная кислота, перекись водорода. Двигателями твердого топлива являются, например, пороховые двигатели. Как известно, для сгорания пороха не требуется внешних окислителей. Рабочие процессы пороховых двигателей рассматриваются в специальных курсах. Ниже даются самые краткие сведения о цикле ншдкостного реактивного двигателя. [9]

В последующие годы под руководством М. К. Тихонравова была спроектирована более совершенная метеорологическая ракета, которая, согласно расчету, должна была развивать скорость до 1340 м / сек. При испытаниях 19 мая 1939 г. эта составная ракета под действием порохового двигателя поднялась на высоту 0 625 км, достигнув скорости 105 м / сек; затем первая ступень ее автоматически - при срабатывании аэродинамического тормоза - отделилась от второй ступени и упала на землю, а вторая ступень, продолжая движение под действием воздушно-реактивного двигателя и развив скорость до 224 м / сек, поднялась на высоту 1 8 км. [10]

С подобным явлением мы встречаемся и при эксплуатации реактивных снарядов и ракет, у которых сопла и газовые рули подвергаются интенсивному воздействию газов, нагретых до температур более 2500 С. Истекая с высокой скоростью из сопловых устройств и подвергая динамическим ударам газовыми молекулами, а также несгоревшими частицами топлива ( в случае пороховых двигателей) поверхность материала, газовые струи сдувают ослабленные тепловым воздействием частички на границе раздела газ-материал. [11]

Реактивными называются двигатели, развивающие силу тяги за счет реакции потока газообразных продуктов сгорания, вытекающих с большой скоростью из сопла в окружающую среду. Эти двигатели применяются на летательных аппаратах и подразделяются на воздушно-реактивные двигатели, у которых окислителем топлива является кислород атмосферного воздуха, жидкостные реактивные двигатели, у которых окислителем является жидкость, запасенная на борту летательного аппарата ( жидкий кислород, перекись водорода, азотная кислота), и пороховые двигатели, в которых топливом служит твердое топливо-порох, содержащий в своем составе необходимый для горения кислород. [12]

В кабине пилота корабля Союз космонавты находятся при выведении корабля на орбиту, при маневрировании на орбите и спуске на Землю. В кабине размещаются: пульт управления, средства радиосвязи, аппаратура обеспечения жизнедеятельности и система управления спуском, контейнеры с запасами пищи и воды. Снаружи кабина покрыта слоем тепловой защиты; на ее корпусе смонтированы микродвигатели системы управления спуском и тормозные пороховые двигатели мягкой посадки. [14]

Пороховые ракеты применяются для старта тяжелых самолетов. В этом случае время горения заряда колеблется от 4 до 10 сек. Такие ракеты создают дополнительную тягу в несколько тонн на период взлета самолета с земли. Пороховые двигатели находят применение и в многоступенчатых ракетах дальнего и сверхдальнего действия. [15]

Страницы: 1 2

www.ngpedia.ru

Пороховой ракетный двигатель. Большая энциклопедия техники

Пороховой ракетный двигатель

Пороховой ракетный двигатель – ракетный двигатель, использующий в качестве топлива порох, который, сгорая, образует реактивную струю, создающую тягу. Прообразом порохового ракетного двигателя являлись боевые ракеты, применяемые в Китае и Индии во время боевых действий. В России первые успехи были заложены во времена Петра I, который лично принимал участие в работе «ракетного заведения». В марте 1881 г. в тюремной камере революционером и ученым Н. И. Кибальчичем (1853—1881) был создан первый проект аппарата, в основе которого был пороховой ракетный двигатель, при помощи которого человек мог побывать в космосе. К сожалению, 3 апреля 1881 г. Кибальчич был казнен, и проект остался незавершенным. По его мнению, человека в воздушное пространство смогла бы поднять сила, которой «являются медленно горящие взрывчатые вещества».

Аппарат, изобретенный Кибальчичем, представлял собой платформу, которая снабжалась ракетным двигателем. В камеру сгорания при помощи часового механизма с определенной периодичностью должны подаваться пороховые шашки («свечи»). Управление аппаратом осуществляется при помощи изменения положения двигателя относительно платформы. Ценнейшие идеи Кибальчича остались надолго похоронены в архивах царской полиции и были открыты для ученых лишь с наступлением революции.

Основной характеристикой пороха как топлива для ракетного двигателя является объем газообразных продуктов, выделяемых при сгорании 1 кг пороха, при определении величины газ приводится к нормальным условиям. Порох подразделяется на два класса: нитроцеллюлозный (бездымный) и смесевый (в том числе и дымный). Пороха, применяющиеся в ракетных двигателях, и называются твердыми ракетными топливами. В зарядах к ракетным двигателям и газогенераторам применяют баллиститный порох.

Основу этого типа пороха составляют нитроцеллюлоза и труднолетучий растворитель, за что он получил название двухосновного. Отличается быстротой изготовления, возможностью получения крупных зарядов и высокой физической стойкостью. Главным недостатком является большая взрывоопасность в производстве, так как в состав входит мощное взрывчатое вещество – нитроглицерин. Смесевые пороха перед баллиститными порохами обладают несколькими преимуществами, среди которых более высокая удельная тяга и большой диапазон регулирования скорости горения с помощью различных присадок и т. д.

Поделитесь на страничке

Следующая глава >

info.wikireading.ru

Как был создан пороховой ракетный двигатель. Ракетные двигатели

Как был создан пороховой ракетный двигатель

Пороховые ракетные двигатели исторически появились значительно раньше, чем какие бы то ни было другие реактивные двигатели.

Нельзя достоверно сказать, кто и когда изобрел первый пороховой ракетный двигатель.

Имеются указания о том, что уже много веков тому назад пороховые ракеты применялись в Китае в качестве увеселительных огней. Точно так же уже давно пороховые ракеты стали применять и в качестве боевого оружия, в виде своеобразных ракетных снарядов, в первое время зажигательных. По свидетельству англичан, при завоевании Индии (XVIII век) им много неприятностей причинили действия отрядов индусов, вооруженных ракетными стрелами — оружием, дотоле совершенно неизвестным в Европе. Эти стрелы представляли собой бамбуковые трубки, заполненные горючим составом и открытые с задней стороны. Индусы поджигали горючее и бросали ракеты во врагов, причем реактивный эффект струи выходящих из трубки газов значительно увеличивал дальность полета стрелы и силу удара. Один из руководителей англичан, Конгрев, называл действие этих примитивных снарядов потрясающим.

Англичане заимствовали у индусов эту идею и организовали у себя под руководством Конгрева производство реактивных снарядов.

Ведущую роль в применении и развитии пороховых ракет, начиная с конца XVII века, играла Россия. Особенно широкое развитие получило ракетное дело при Петре I. Иностранцы, посещавшие в то время Россию, писали в своих записках, что ни одно государство не может в этом отношении соревноваться с Россией. Петр I ввел пороховые ракеты на вооружение русской армии в качестве сигнальных. Через 100 лет после этого пороховые ракеты стали применяться в русской армии и в качестве боевого оружия. Впервые боевые гранаты-ракеты были применены русскими в 1825 г. на Кавказе и в войне с Турцией 1828–1829 гг. Создателем этих первых отечественных боевых ракет был суворовский генерал Александр Дмитриевич Засядко.

Но особенно много сделал для создания ракетного вооружения русской армии талантливый изобретатель, инженер, исследователь и организатор — генерал Константин Иванович Константинов, живший и работавший в середине прошлого века 1818–1872 гг.). Работы Константинова, в частности, его книга «О боевых ракетах», получили широкую известность в России и за рубежом, были переведены на многие языки и в течение долгого времени служили настольными книгами для всех артиллеристов.

Константинов организовал в России заводы для производства ракет, радикальным образом изменил технологию их изготовления (в частности, устранил ручную набивку ракет порохом), сконструировал ряд машин по производству ракет; эти машины так и назывались «машинами Константинова». Константинов создал ряд новых, усовершенствованных образцов боевых ракет со значительно увеличенной дальностью полета, а также ракет для различных вспомогательных целей — спасательных, сигнальных и других; разработал тактику применения ракетного оружия. В частности, по его предложению этот род оружия был выделен в качестве самостоятельного — были созданы отдельные части в дополнение к артиллерийским.

Ракетные снаряды применялись русской армией при обороне Севастополя в 1855–1856 гг. и в военных действиях в более позднее время — до русско-турецкой войны 1877-78 гг.

Применение ракетного вооружения в первое время имело особые преимущества, так как орудийная артиллерия, имевшая на вооружении гладкоствольные орудия, стрелявшие круглыми ядрами, была весьма несовершенна — дальность полета ядер была невелика, меткость стрельбы оставляла желать много лучшего. Легкое ракетное оружие было к тому же очень удобно для вооружения им кавалерии, использования в горных условиях и т. д.

Однако, начиная со второй половины прошлого века, когда были изобретены нарезные орудия, стреляющие цилиндрическими снарядами, что значительно увеличивало дальность и улучшало точность артиллерийского огня, ракетное оружие стало быстро вытесняться артиллерийским и к концу века было повсеместно снято с вооружения.

Тем не менее, несмотря на огромный прогресс, имевший место с тех пор в ствольной артиллерии, в последние годы ракетное оружие снова получает все более широкое распространение. Большой толчок в этом отношении дал опыт минувшей воины, где в ряде случаев ракетное оружие показало себя с наилучшей стороны благодаря присущим ему принципиальным преимуществам по сравнению со ствольным оружием.

И снова, как и ранее, Россия была пионером в деле развития и широкого разнообразного применения ракетного оружия. Впервые в этой войне именно Советская армия, по достоинству оценив возможности ракетной артиллерии, широко применила это грозное оружие на поле брани.

Основное преимущество ракетной артиллерии заключается в том, что для выстрела ракетным снарядом не требуется массивного, тяжелого орудия, вес которого в обычной ствольной артиллерии превышает вес снаряда в сотни раз[6]. Поэтому ракетную артиллерию называют иногда «артиллерией без пушек».

Фиг. 9. Гвардейские минометы («катюши») на Красной площади.

Большой вес обычного артиллерийского орудия объясняется массивностью основных элементов этого орудия — ствола, в котором при выстреле газы развивают давления в тысячи атмосфер, необходимые для сообщения снаряду огромных ускорений, и станины, которая должна воспринимать значительные усилия отдачи при выстреле.

Ракетное орудие не имеет ствола, нагруженного изнутри высоким давлением газов, так как сгорание пороха происходит не в орудии, а в самом снаряде. По этой же причине орудие не воспринимает никаких усилий отдачи. Роль ракетного орудия заключается лишь в сообщении должного направления ракетному снаряду при выстреле. Вследствие этого ракетное орудие представляет собой весьма легкий станок с направляющими — трубой, лотком или салазками, по которым движется снаряд при выстреле.

Это свойство ракетного орудия позволяет осуществлять залп несколькими ракетными снарядами с. помощью одной легкой установки представляющей собой сочетание нескольких ракетных орудий (фиг. 9). Установленный на автомобиле один такой пакетный миномет заменял большое число артиллерийских орудий. Благодаря значительно большей по сравнению с пушками подвижности этих установок и возможности в короткое время концентрировать большое число их в нужном месте, гвардейские минометы представляли собой грозное для врага оружие, позволявшее осуществлять неожиданно для него мощные огневые налеты.

После первого же успешного применения «катюш» в боях под Смоленском, в августе 1941 г., товарищ Сталин, предвосхитив их будущую роль в войне, сразу же дал указание всячески развивать этот новый вид вооружения, и оно получило самое широкое распространение в нашей армии.

Большой интерес ракетные орудия, благодаря их весьма малому весу, представляют также для самолетов (фиг. 10), так как создание артиллерийских орудий авиационного типа, т. е. весьма облегченных, представляет собой очень трудную задачу. Однако не меньшее достоинство ракетных орудий в качестве авиационных заключается в том, что они не передают самолету усилий отдачи. Для обычных орудий с увеличением калибра эти усилия становятся столь большими, что создают при выстреле значительные перегрузки самолета. Как показали испытания, легкие самолеты — истребители, — имеющие пушки, стреляющие вперед, при выстреле на мгновение почти останавливаются. Это резкое торможение, естественно, вызывает большие перегрузки в конструкции самолета, могущие привести к полному его разрушению, что иногда и наблюдалось. В то же время самолет средней величины, подобно изображенному на фиг. 11, может произвести залп ракетными снарядами среднего калибра, например, в 125 мм, равный по своей огневой мощи бортовому залпу эсминца, и это вовсе не скажется на его полете.

Наряду с этими несомненными достоинствами ракетные орудия имеют и весьма большой недостаток по сравнению с артиллерийскими — гораздо меньшую точность огня. Артиллерийский снаряд благодаря получаемому им в нарезном стволе орудия вращению обладает большой устойчивостью в полете. Ракетный же снаряд не обладает такой устойчивостью. Кроме того, незначительные изменения в характере горения пороха в ракетном двигателе такого снаряда, носящие случайный характер, значительно влияют на форму траектории. Правда, точность ведения огня ракетными снарядами с помощью ряда мер может быть значительно повышена. В частности, тщательная технология производства и строгий контроль обеспечивают тождественность пороховых зарядов и вследствие этого более или менее одинаковую работу двигателей разных снарядов, снарядам может быть сообщено вращение в полете и так далее. Тем не менее в настоящее время большой разброс при стрельбе из ракетных орудий не обеспечивает достаточной прицельности огня, который поэтому ведется только по сравнительно большим целям. Главной особенностью такого огня является его массированность.

Фиг. 10. Залп ракетных орудий с самолета.

Следует отметить, что наряду с ракетными орудиями, предназначенными для стрельбы снарядами большого калибра, этой, так сказать, ракетной артиллерией, в годы войны применялось и индивидуальное ракетное оружие для стрельбы с ближних дистанций по технике (танкам и др.) и живой силе противника.

Развитие порохового ракетного двигателя связано не только с артиллерией.

На заре развития авиации, когда создание управляемых летательных аппаратов как легче, так и тяжелее воздуха во многом задерживалось из-за отсутствия легкого и достаточно мощного двигателя, взоры изобретателей не раз обращались к реактивному двигателю. Одними из первых в этом направлении были работы русских изобретателей Третесского и Соковнина, относящиеся к середине прошлого века, в которых предполагалось использование реакции струи пара или сжатого воздуха.

Приоритет в отношении идеи использования порохового ракетного двигателя для летательного аппарата тяжелее воздуха принадлежит русской науке и связан с именем революционера-народовольца, студента института инженеров путей сообщения, Николая Ивановича Кибальчича.

Как известно, Кибальчич был активным участником террористического акта, осуществленного народовольцами 1 марта 1881 г. Кибальчич изготовил бомбу, которой был убит Александр II. Находясь в камере смертников, двадцатисемилетний Кибальчич за десять дней до казни подал записку с изложением существа своего предложения, идея которого у него возникла, очевидно, в процессе работы над бомбой.

Фиг. 11. Ракетные снаряды пошли на цель.

Фиг. 12. Так выглядел бы в полете ракетный летательный аппарат Кибальчича.

По мысли Кибальчича, как подъем, так и полет его аппарата должен был осуществляться под действием реактивного эффекта струи газов, образующихся при горении пороха в специальном ракетном двигателе, который должен был поворачиваться для управления полетом (фиг. 12). Помимо того, что в своей записке Кибальчич впервые излагал идею управляемого ракетного полета, чрезвычайно важным и ценным было его указание, что в ракетном двигателе должен применяться медленно горящий порох, спрессованный в виде ряда цилиндрических шашек. Предложение Кибальчича не подверглось рассмотрению, так как чиновники полиции считали, что «это едва ли будет своевременно и может вызвать только неуместные толки» и решили приобщить его к «делу 1 марта». Записка Кибальчича была обнаружена в полицейских архивах, где она пролежала более 36 лет, только в августе 1917 года.

Пороховой ракетный двигатель не нашел себе применения в качестве авиационного главным образом потому, что такой двигатель работает лишь в течение нескольких секунд или даже десятых долей секунды, а регулирование его тяги, необходимое для осуществления управляемого полета, представляет значительные трудности.

Тем не менее пороховой ракетный двигатель довольно широко применялся в авиации во время войны и применяется сейчас. Однако он служит не в качестве основного двигателя самолета, обеспечивающего его полет, а в качестве вспомогательного двигателя, тяга которого используется лишь при необходимости. Такая необходимость в эксплоатации может встретиться, например, когда требуется осуществить взлет перегруженного самолета, либо взлетная площадка мала (применение порохового двигателя может вдвое сократить разбег при взлете), загрязнена и так далее. В этих случаях пороховой двигатель носит название стартового (фиг. 13). В частности, пороховой двигатель может быть использован для запуска самолета или снаряда с прямоточным воздушно-реактивным двигателем, который не в состоянии обеспечить самостоятельный старт.

Пороховой двигатель может быть использован и в качестве ускорителя, когда он включается с целью кратковременного увеличения скорости полета; например, когда нужно догнать противника или уйти от него.

Часто после использования пороховые двигатели сбрасываются; для этой цели они размещаются под крылом самолета (фиг. 14).

Фиг 13. Взлет пассажирского самолета с помощью стартовых ракет (ракеты размещены в фюзеляже).

Фиг. 14. Пороховые ракетные двигатели под крылом бомбардировщика.

Преимущества порохового РД в качестве вспомогательного авиационного двигателя заключаются в его простоте, дешевизне, безотказности, малом весе и вместе с тем значительной тяге, которую такой двигатель развивает в течение короткого времени, что от него в данном случае и требуется.

В заключение следует упомянуть о попытках установить пороховой РД на различных автомобилях, мотоциклах, катерах и так далее, которые делались чаще всего с целью установления новых рекордов скорости и в рекламных целях. Научное и практическое значение этих попыток невелико, так как известно, что применение пороховых ракетных двигателей целесообразно лишь при больших скоростях передвижения, свойственных авиации и артиллерии. На фиг. 15 представлена схема рекордного автомобиля, имевшего сзади батарею пороховых ракетных двигателей. Испытания таких экипажей часто кончались катастрофой.

Фиг. 15. Автомобиль с пороховыми ракетными двигателями.

Поделитесь на страничке

Следующая глава >

tech.wikireading.ru

Пороховой двигатель - Энергетика и промышленность России - № 14 (90) ноябрь 2007 года - WWW.EPRUSSIA.RU

Газета "Энергетика и промышленность России" | № 14 (90) ноябрь 2007 года

Двигатель внутреннего сгорания является самым распространенным устройством для преобразования энергии химических топлив в механическую работу. Поршневые ДВС до сих пор прочно удерживают позиции во многих отраслях– они являются практически единственным видом двигателей в автомобильном, речном и морском транспорте.

Однако дальнейшее развитие ДВС сегодня связано с решением насущных топливных и экологических проблем.

Топливо для тепловых двигателей

Существование ДВС неразрывно связано с химическими топливами, сжигаемыми для получения зарядов сжатых рабочих газов. При этом в качестве топлив в обычных двигателях используются горючие органические вещества и воздушный окислитель из атмосферы. Первичным энергоносителем, как известно, считают горючие вещества, хранимые на борту транспортного средства. Доминирует среди них жидкое горючее нефтяного происхождения (бензин, дизтопливо, керосин). Ежегодно двигатели автомобилей потребляют около 1 млрд. тонн нефтяных топлив. Но запасы нефти ограничены и невозобновляемы.

По оценке специалистов, при существующей тенденции потребления, рентабельные месторождения горючих ископаемых будут исчерпаны примерно через 50 лет. Прогнозы специалистов на период «нефтяного голода» отличаются друг от друга, но все они укладываются в диапазон: от «проблематично» до «катастрофично». Однозначным является то, что эра дешевой нефти уже закончилась и стоимость нефтяного топлива будет лишь неуклонно возрастать – так как нефть, добытая из сверхглубоких скважин и на континентальном шельфе, всегда дороже той, которая добывалась в предыдущие годы.

В ближайшее время реальной замены ДВС, по мнению авторов, скорее всего, не предвидится. В связи с этим идет активный поиск альтернативных энергоносителей для использования в качестве моторного топлива. Впрочем, вопрос об альтернативе существующим видам топлива стоял уже с момента появления ДВС – и даже раньше.

Распространение дымного пороха в Европе XIII века и изобретение пушек навели изобретателей на мысль о возможности использования пороха для получения механической энергии. Такие попытки делали Гойтфель (1678 г.) и Гюйгенс (1680 г.).

В 1688 г. Папен продолжил опыты с пороховой машиной Гюйгенса. Эти попытки не привели к успеху.

Изобретатель процесса газификации древесного топлива француз Лебон, оформив патент на получение генераторного газа, в 1801 г. дал дополнение к своему патенту, в котором он описывает принцип газового двигателя внутреннего сгорания. К сожалению, идея Лебона не была реализована.

В 1820 г. в Англии Сесиль описал опыты с двигателем, работающим на водороде. Известно, что первый серийный двигатель внутреннего сгорания Ленуара (1860 г.), первый четырехтактный двигатель Отто (1878 г.), ставший прообразом современных четырехтактных двигателей, и первый двухтактный двигатель Клерка (1880 г.), – все они работали на искусственном газе, как единственном виде моторного топлива, доступном в то время.

«Оторвать» ДВС от стационарных газовых сетей и сделать возможным применение его в качестве привода транспортных средств позволило сжигание в цилиндрах ДВС жидкого топлива – керосина. Это было сделано Даймлером и его сподвижником Майбахом, создавшим пульверизационный карбюратор (1893 г.), но приоритет создания пульверизационного карбюратора был отдан венгерскому ученому Банки, описавшему принцип работы карбюратора ранее (что было установлено в 30‑х гг. ХХ века).

Отсутствие нефти в Европе привело к разработке технологии каталитического синтеза жидких углеводородов из угля (реакция Фишера–Тропша). Сейчас синтетическое топливо производится на трех заводах в ЮАР, обеспечивая в стране парк автомобилей жидким топливом.

Освоение технологии сжижения попутного нефтяного газа (пропан-бутана С3Н8, С4Н10) и развитие добычи природного газа (метана СН4) привели к созданию надежных систем питания двигателей, в том числе транспортных, газовым топливом.

В качестве моторного топлива используются также спирты – метанол СН3ОН и этанол С2Н5ОН, – как в чистом виде, так и в смесях с бензином, – сокращая потребление последнего и выполняя роль экологически чистых антидетонационных добавок. Спирты производятся в основном из растительного сырья, поэтому их считают «биотопливом». Больших успехов в производстве «моторных» биоспиртов достигла Бразилия – в свое время этот вопрос решался в этой стране как государственная программа.

В некоторых сельскохозяйственных районах, где освоена технология метанового сбраживания отходов, в качестве моторного топлива используется биогаз – метан (70‑80%) в смеси с углекислым газом (20‑30%).

Для дизельных двигателей топливом может служить растительное масло или продукты его обработки метанолом (этанолом) с получением метанольного (этанольного) эфира. Перспективным в этом направлении является использование рапсового масла ввиду высокой масляничности этой культуры. В настоящее время в ряде стран, в частности в Европе, производство рапсового масла и рапсово‑метанольного эфира достигает нескольких тысяч тонн в год.

В последнее время перспективным направлением считается применение водорода. В Германии уже появились водородные заправки и автомобили на водороде, а в США проблема «водородного топлива» решается на уровне национальной программы. Из приведенного выше краткого анализа можно видеть, что в настоящее время для питания ДВС используется целая гамма первичных энергоносителей, которые можно подразделить на две основные группы: жидкие и газообразные. Из опыта эксплуатации известно, что жидкие энергоносители более технологичны и удобны при хранении; системы жидкостного питания двигателей проще и надежнее, а зона их использования значительно шире, чем газовых двигателей.

Все рассмотренные типы ДВС на жидком или газовом топливе работают по воздушно-тепловым (газовым) циклам. Это значит, что заряд воздуха-газа {2N2 + ½ O2}, предварительно сжатого в цилиндре, за счет «подвода теплоты» реакций сгорания топлива (окислитель – кислород воздуха), нагревается до 2000‑2500 °С. При этом при нагреве его давление повышается.

Следовательно, химическая энергия топливной смеси вначале преобразуется в термическую, а затем – в потенциальную (сжатого газа). Далее газ, расширяясь, давит на поршень, преобразуя энергию избыточного давления в механическую – которая, в свою очередь, преобразуется из линейного движения поршня во вращательное движение вала двигателя. Диапазон нагрева газов, их термодинамические свойства, степень полезного расширения и сопутствующие потери при преобразовании энергии определяют, в целом, эффективность воздушно-тепловых двигателей: бензиновых ДВС – не более 30‑35%, дизельных ДВС – около 40%.

Принцип порохового цикла

Вернемся к идее порохового двигателя. В принципе, огнестрельные орудия – это пороховые ДВС, преобразующие энергию горячих сжатых рабочих газов из объема заряда в механическую (кинетическую) энергию движения снаряда. Здесь не важно, что процесс выстрела расчленен на отдельные операции, а метаемый снаряд не имеет связи с механизмом преобразования движения.

Процесс преобразования химической энергии порохового заряда происходит по другому принципу, отличному от воздушных циклов ДВС. Порох – разновидность унитарных топлив и взрывчатых веществ, содержащих в составе твердой фазы как окислитель (донор кислорода), так и горючее вещество (реципиент кислорода), способные к экзотермической реакции.

Главная особенность порохового цикла – превращение высокоплотной фазы твердых компонентов заряда в низкоплотную фазу рабочих газов. Это – результат необратимых окислительно-восстановительных реакций «горючее + окислитель = продукты-газы». Масса продуктов‑газов равна массе пороха, поэтому объем пороховых газов будет превышать объем пороха – пропорционально отношению плотностей исходного заряда и газовой фазы.

Исторически первым топливом-порохом был так называемый дымный порох – тонкая смесь порошков калиевой селитры КNO3 (68‑75%), серы (10‑15%) и древесного угля (15‑17%) – первое в эпоху Средневековья вещество, обладавшее неизвестными ранее взрывчатыми свойствами. Высокая скорость сгорания пороха (до 400 м/с) объясняется быстрым проникновением горячих поджигающих газов между частицами пороховой смеси. Эпоха дымного пороха длилась свыше 500 лет, до середины XIX века; за это время не было найдено других порохов, удобных для применения.

Сгорание дымного пороха за счет «встроенного» кислорода калиевой селитры протекает, в основном, по следующему уравнению: 2КNO3 + 3C + S = K2S + 3CO2 + N2.

Температура продуктов вспышки дымного пороха достигает до Т1 = 2100 °С, с выделением до Q = 585 ккал теплоты и до Vн. у. = 280 л газов на 1 кг смеси. Продукты реакции содержат примерно 50% по массе твердых и жидких частиц калиевых солей (K2S, K2CO3, K2SO4), почти не участвующих в работе расширения газов (CO2, N2, СО). Это снижает работоспособность заряда из «слабого» дымного пороха – в сравнении с показателями бездымных порохов на основе пироксилина, имеющего более высокую теплоту сгорания и не содержащего в продуктах твердых остатков (Q = 900 ккал/кг, Vн. у. = 1000 л/кг): C24h39O9 (ONO2) 11 = 12СО2 + 12СО + 6Н2О (пар) + 8,5Н2 + 5,5N2.

Таким образом, главная физико-химическая особенность пороховых систем как энергоносителей состоит в том, что все топливные компоненты (и горючие, и окислители, и рабочие газы), подобно чрезвычайно сжатой пружине, хранятся при весьма высокой плотности кристаллов и молекулярных связей конденсированной фазы (K-фазы). При возбуждении реакции от искры или капсюля-воспламенителя происходит необратимое экзотермическое фазовое превращение вещества (газораспад), когда объем полученных газов превышает объем исходного заряда примерно в тысячу раз. При сжигании навески бездымного пороха в камере постоянного объема V = const, содержащей n0 моль газов, продукты сгорания (n1 моль) по уравнению состояния газов развивают давление Р1 – пропорционально отношению присутствующих количеств газов в камере после реакции и до нее (n1/n0 >>1), умноженному на отношение их абсолютных температур (Т1/Т0).

Из рассмотренного следует, что на первом этапе (подготовка рабочего заряда) процессы в воздушно-тепловых ДВС отличаются от подготовки стрелкового выстрела. Так, топливная смесь в обычных ДВС готовится из двух компонентов: заряда воздуха-окислителя (более 90‑94%) и дозы горючего (менее 6‑10%). Поскольку плотность газов мала, весь воздушный окислитель (все газы) перед сжиганием топливной смеси предварительно сильно сжимают.

В «пороховом» сценарии необходимости в такте сжатия нет. Плотность порохов – «уже» на 3 порядка выше плотности газов. Монотопливо‑порох при плотности 1 г/см3 будет эквивалентно 700-кратно сжатому заряду воздуха с добавкой нефтяного горючего. На этапе сжигания зарядов процессы энерговыделения также идут различно. Сжигая в камере V пороховой заряд, мы получим более высокое начальное давление газов по сравнению с давлением вспышки сжатой воздушно-нефтяной смеси той же массы m и калорийности Q.

Дело в том, что сгорающая пороховая масса образует новые газы, которых ранее не было ,– в дополнение к уже присутствующим (или сжатым) газам в надпоршневом объеме V цилиндра ДВС. Но при сгорании воздушно-нефтяной смеси число молей продуктов воздушного сгорания почти не отличается от числа молей исходного воздуха (n1/n0 ~ 1), поскольку кислород воздуха О2 расходуется на образование оксидов Н2О и СО2. В итоге при одинаковой калорийности зарядов Q (и одинаковой температуре сгорания Т1) начальное давление газов в пороховом цилиндре может быть намного выше. После окончания сгорания термодинамические процессы в такте расширения будут примерно одинаковы, но с учетом более высокого давления Р1 пороховых газов полезная работа продуктов сгорания топлива-пороха может быть существенно выше работы «термического» расширения газов в цилиндрах воздушно-тепловых ДВС.

Таким образом, пороховой цикл не «привязан» к воздушному окислителю, процессам впуска и сжатия в цилиндрах ДВС. С учетом высокого газообразования и более высокой калорийности пороховых навесок (Q ~ 900 кал/г) по сравнению с той же массой воздушно-нефтяной смеси (Q = 630 кал/г) эффективность пороховых двигателей может намного превосходить мощностные показатели обычных ДВС.

Современные пороховые системы

Пороховые системы настоящего времени отличаются более сложным составом. Сегодня разрабатываются даже технологии жидких метательных монотоплив для артиллерии (не считая «давно известных» взрывчатых веществ с близким химическим составом). Но суть твердых или жидких энергонасыщенных систем остается прежней: пороха, ракетные топлива и пиротехнические смеси – это концентрированные носители и рабочих тел, и химической энергии «окислитель + горючее». Как правило, активный кислород в таких энергона-сыщенных системах закреплен в азотных соединениях (в солях-нитратах NO3- и нитросоединениях R – NO2), где его связи с азотом менее прочные, чем вновь образуемые связи кислорода с водородом (Н2О) и углеродом (СО2, СО).

Возможность использования пороховых систем как моторных топлив для двигателей ограничена тем же признаком, который препятствовал этому и на заре создания ДВС. А именно – сложностью подачи цикловой порции (дозы) твердого топлива в реакционную камеру цилиндра. Кроме того, сухие пороховые смеси чрезвычайно пожароопасны; продукты сгорания многих энергонасыщенных систем – весьма неэкологичны; стоимость порохов – весьма и весьма велика.

Свойство некоторых азотных соединений, богатых кислородом, отдавать последний (кислород) для окисления горючих веществ, используется для форсирования некоторых ДВС на обычном жидком топливе. Так, еще в 1930‑е годы, решая вопрос кратковременного увеличения мощности бензиновых авиадвигателей самолетов на большой высоте, использовали введение в цилиндры жидкой закиси азота N2О. При вспышке бензино-воздушной смеси закись азота легко распадается в цилиндрах ДВС на азот и свободный кислород: N2O = N2 + ½ O2.

Реакция распада закиси азота – экзотермическая (Q = 445 ккал/кг), с образованием новых газов (Vн. у. = 763 л/кг). Кроме того, массовая доля кислорода в продуктах распада N2O составляет 36%, что в 1,6 раза выше содержания кислорода (23%) в воздушном окислителе {2N2 + ½ O2}. Избыток кислорода в цилиндрах (по аналогии с «наддувом» двигателя) позволяет увеличить подачу горючего–бензина, чем достигается форсирование ДВС, потребляющего часть окислителя из жидкой фазы N2O, не требующей затрат на работу сжатия. В настоящее время в спортивном тюнинге автомобильных двигателей, наряду с подсадками закиси азота (технология фирмы «NOS»), применяют добавки в бензин растворимых окислительсодержащих нитросоединений: нитробензол, нитрометан, нитропропан. Механизм действия нитроприсадок аналогичен форсирующей подсадке закиси азота: часть кислорода для сгорания топливного заряда несут в себе сами нитросоединения, где атомы окислителя «хранятся» в непрочных связях нитрогрупп NO2 в жидкой фазе топливного раствора. Широко этот метод не используется, так как нитроприсадки токсичны и дороги, некоторые из них в индивидуальном виде взрывоопасны.

В ракетной, космической и оборонной технике известны смесевые топлива на основе соединений азота, содержащие и горючие компоненты, и окислители в твердой, жидкой или гелеобразной фазе.

Исследования процессов горения в середине ХХ века показали, что сгорание многих жидких смесей «горючее + окислитель» склонно к самоускорению с возмущением и турбулизацией горящей поверхности (эффект Ландау). В то же время твердые ракетные топлива могут содержать десятки процентов бризантных взрывчатых веществ (тротил, гексоген, нитроглицерин и др.), но не детонировать, а лишь гореть при высокой плотности (до 1,7‑2,0 г/см3) твердотопливного монозаряда. Применение жидких ракетных топлив в обычной наземной технике практически исключено – по причине пожаро- и взрывоопасности компонентов, токсичности и дороговизны (примером могут служить гидразиновые топлива и гептил космических ракет). Но заметим, что при обязательном условии безопасности и дешевизны возможных энергона-сыщенных композиций именно жидкая форма энергоносителя обеспечивала бы необходимую технологичность.

Варианты использования азотных топлив

Азотные энергоносители могут использоваться в поршневых, роторных и газотурбинных двигателях. Однако такие двигатели должны быть адаптированы к особенностям азотных топлив. Впрочем, это не исключительная особенность азотных топлив: бензиновые, дизельные, газовые двигатели также имеют свои особенности, характерные для используемого вида топлива. Остановимся на поршневых двигателях.

При использовании сбалансированных по кислороду сплавов топливных стехиометрий или их растворов может быть применен двухтактный цикл без впуска воздуха (подобный цикл используется, например, в поршневых двигателях морских торпед). Более широкие возможности по диапазону рабочих температур и хранению топлива в жидкой фазе имеют водно‑солевые и водно-аммиачные растворы-эвтоники азотных компонентов. В этом случае топливная масса будет содержать 2‑4 -кратный избыток горючих веществ (без использования специальных компонентов). Здесь должен применяться двухтактный цикл с впуском и сжатием воздуха, но количество воздуха в таком случае требуется меньшее (до 10‑15 раз) по сравнению с подобными циклами на нефтяном топливе, так как часть окислителя содержится в топливной смеси. Следовательно, затраты энергии на предварительное сжатие воздуха для сжигания окислительсодержащих азотных топлив будут меньшими. Учитывая, что для быстрого разложения топливного окислителя-АС необходима температура не менее 300 оС, а объем цикловой дозы и теплоемкость азотных топлив выше, чем нефтепродуктов по дизельному циклу, теплоты сжатого воздуха может быть недостаточно для запуска двигателя. Поэтому в пусковом режиме необходимо применять подогреваемую камеру термолиза. Для этого применимы свечи накаливания. В режиме установившейся работы двигателя камера термолиза разогревается за счет теплоты реакций сгорания. С учетом потенциальной энергонасыщенности азотных топлив возможны технические решения организации запуска двигателя без впуска и сжатия воздуха.

Расширение газов в цилиндре «воздушно-порохового» ДВС целесообразно более полное, до давления выпуска, близкого к атмосферному. Расчеты показывают, что при параметрах сжатия и сгорания, близких к показателям обычных воздушно-тепловых ДВС, термический КПД «воздушно-порохового» цикла может достигать 80‑85%.

Теплонапряженность двигателя на водо-нитратных топливах будет существенно ниже ввиду меньших температур процесса (в 1,5‑2 раза) – по сравнению с обычными ДВС на нефтяном топливе. В связи с этим целесообразен отказ от системы жидкостного охлаждения ДВС; необходимый уровень температуры стенок цилиндров обеспечит организация воздушного охлаждения. Соответственно, потери теплоты будут меньшими, а индикаторный КПД цикла ожидается на уровне 70‑75%.

Водо-нитратные растворы не допускают контакта топлива с маслом в связи с возможностью эмульгирования и старения масел, с потерей ими смазывающих свойств. Поэтому кинематическая схема двигателя должна предусматривать крейцкопфный узел в механизме преобразования движения и отделение цилиндра от картера двигателя. В качестве такого варианта может применяться кривошипно-кулисный механизм преобразования движения с линейным движением штока поршня, отделением цилиндра от масляного картера и использованием подпоршневого объема в качестве продувочного насоса в двухтактном цикле. Уплотнение поршня в цилиндре может быть сухим с применением компрессионных колец из железо-графита.

В качестве механизма газораспределения применима клапанно-щелевая схема с выпуском отработавших газов через клапаны в головке цилиндра и впуском продувочного воздуха через окна в средней части цилиндра с поворотной гильзой.

Учитывая особенности кривошипно-кулисного механизма, обладающего более высоким механическим КПД по сравнению с традиционным кривошипно-шатунным механизмом, эффективный КПД двигателя на азотных топливах может быть близок к 70%, что примерно в два раза выше, чем для бензиновых или дизельных двигателей.

Все отмеченные конструктивные особенности двигателя технически реализуемы и позволяют выполнить такой двигатель для использования в нем азотных топлив по обычным машиностроительным технологиям.

Следует учитывать, что по объемному расходу азотного топлива двигатель будет уступать показателям расхода горючего нефтяных ДВС до 2– 2,5 раза. Это может отразиться на емкости топливных баков на автомобиле, но не более. Стоимость единицы механической энергии, произведенной с использованием азотных топлив, по сравнению с эксплуатационными расходами на нефтяные моторные топлива будет снижаться примерно в 3 раза (при существующих мировых ценах на бензин около 1500 долл./т или 1,1 долл./л).

Азотное топливо должно рассматриваться как новое направление в получении и использовании альтернативных, возобновляемых и экологически чистых энергоносителей применительно для автомобильного, железнодорожного, речного, морского транспорта, а также для электроэнергетики (в основном, для автономных и локальных энергоустановок), для привода дорожно‑строительных и подъемно-транспортных машин и механизмов, для привода двигателей механизмов в шахтах и горных выработках, для снабжения сжатым газом пневматического инструмента и механизмов. Но, учитывая, что в современных условиях автомобильный транспорт является основным потребителем энергии химических топлив, именно автомобильная промышленность может и должна одной из первых освоить применение этого перспективного топлива.

www.eprussia.ru

ПОРОХОВОЙ РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

Увеличить

Пороховой ракетный двигатель — ракетный двигатель, использующий в качестве топлива порох, который, сгорая, образует реактивную струю, создающую тягу. Прообразом порохового ракетного двигателя являлись боевые ракеты, применяемые в Китае и Индии во время боевых действий. В России первые успехи были заложены во времена Петра I, который лично принимал участие в работе «ракетного заведения». В марте 1881 г. в тюремной камере революционером и ученым Н. И. Кибальчичем (1853—1881) был создан первый проект аппарата, в основе которого был пороховой ракетный двигатель, при помощи которого человек мог побывать в космосе. К сожалению, 3 апреля 1881 г. Кибальчич был казнен, и проект остался незавершенным. По его мнению, человека в воздушное пространство смогла бы поднять сила, которой «являются медленно горящие взрывчатые вещества».

Основу этого типа пороха составляют нитроцеллюлоза и труднолетучий растворитель, за что он получил название двухосновного. Отличается быстротой изготовления, возможностью получения крупных зарядов и высокой физической стойкостью. Главным недостатком является большая взрывоопасность в производстве, так как в состав входит мощное взрывчатое вещество — нитроглицерин. Смесевые пороха перед баллиститными порохами обладают несколькими преимуществами, среди которых более высокая удельная тяга и большой диапазон регулирования скорости горения с помощью различных присадок и т. д.

enciklopediya-tehniki.ru

Пороховой ракетный двигатель

Пороховой ракетный двигатель состоит из ступеней, вложенных одна в другую и армированных кордом для повышения механической прочности. Каждая ступень выполнена тонкостенной, стенки которой профилированы в виде полутеплового сопла-камеры. Глухая конусная или конусоидная часть ступени выполнена из ракетного пороха. Сверхзвуковая часть ступени выполнена из абляционного материала. Для разделения пороховых частей ступени применена абляция в виде тонкого слоя на внешней поверхности пороха, в которой имеются отверстия перфорации для передачи пламени от ступени к ступени. Изобретение позволяет создать ракетный двигатель, отличающийся малым весом и габаритами. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к ракетостроению, в частности к двигателестроению.

Известны топливные ступени, состоящие из ракетного пороха, форма которых позволяет вкладывать их друг в друга, образуя топливный заряд ракеты (см. патент США 3439613, МПК F 02 К 9/04, 1969). Недостатком подобного решения является большой вес двигателя, и конструкции ракеты, которые после отработки топлива превращаются в балластную массу, из-за чего ракеты делают многоступенчатыми и сбрасывают ступени как лишний вес в полете. При этом полезная нагрузка этих ракет невелика из-за наличия этого балласта. Предложенное изобретение направлено на устранение указанных недостатков. Предложенный пороховой ракетный двигатель состоит из ступеней, вложенных друг в друга и армированных для повышения механической прочности ступеней сгораемым тканевым или нитяным кордом. Каждая ступень выполнена тонкостенной, стенки ступени профилированы в виде полутеплового сопла-камеры. Дозвуковая глухая конусная или конусоидная часть ступени выполнена из ракетного пороха, сверхзвуковая часть ступени выполнена из абляционного материала. Абляционный материал способен испаряться при нагревании от истекающих из сопла пороховых газов и имеет армирование для повышения прочности ступени. Для разделения выполненных из пороха частей ступеней двигателя применена абляция в виде тонкого слоя на внешней поверхности, выполненной из пороха, части ступени, в которой имеются отверстия перфорации для передачи пламени от ступени к ступени. Разделение ступеней друг от друга выполняется для обеспечения сохранности неизменной геометрии профиля сопла-камеры двигателя. Поскольку известно, что ракетные пороха имеют тенденцию к неравномерному горению в случае различного давления на разных участках сопла-камеры, то разделение двигателя на разделенные друг от друга ступени способствует тому, что после выгорания пороха в одной ступени и прохождения пламени через перфорацию в тонком слое абляции, разделяющим пороховые части ступеней, происходит запуск и загорание пороха в сопле-камере следующей ступени, а недогоревшие остатки отработавшей ступени выбрасываются из двигателя струей газов из следующего работающей ступени двигателя. Внутренняя поверхность пороховой части ступени покрыта инициирующим составом, и ступени имеют средства для электрозапуска. Основным способом запуска ступеней двигателя является загорание от выгоревшей предыдущей ступени, при передаче пламени из сопла-камеры предыдущей ступени в сопло-камеру последующей ступени, при этом каждая ступень двигателя может быть снабжена собственным средством для принудительного запуска. В стенках сверхзвуковой части ступени выполнены отверстия, образующие в двигателе продольные каналы для вдува в сопло-камеру газов с целью управления вектором тяги двигателя. Предложенный двигатель может быть выполнен в виде комбинированного ракетного двигателя, где выполненные из пороха части ступеней способны гореть при подаче в их сопло-камеру дополнительного вещества. В таком двигателе в сопле-камере ступени, в его дозвуковой части выполнены отверстия, совпадающие друг с другом и образующие продольные каналы для подачи в полутепловое сопло-камеру дополнительного вещества, например окислителя из бака ракеты. При использовании ядерной энергии в качестве источника энергии для двигателя ступени выполнены из тугоплавкого аблирующего материала, в осевой части сопла-камеры сквозь каналы для подачи в сопло-камеру дополнительного вещества пропущены сборки тепловыделяющих элементов (ТВЭЛов) ступеней и имеются зазоры для прокачивания рабочего тела ядерного ракетного двигателя (ЯРД). На фиг.1 приведен чертеж заявляемого порохового ракетного двигателя. На фиг.2 приведен чертеж заявляемого двигателя, выполненного в виде комбинированного ракетного двигателя. На фиг.3 приведен чертеж заявляемого двигателя, использующего в качестве источника энергии ядерную энергию. Изображенный на фиг.1 двигатель состоит из ступеней 1, где каждая ступень состоит из выполненной из пороха части 2, где происходит горение и газы разгоняются до скорости в М=1, и сверхзвуковой части сопла-камеры, которая выполнена из абляционного материала 3 и имеет форму раструба. Обе части ступеней двигателя армированы нитяным кордом 4, а выполненные из пороха части ступеней покрыты тонким слоем абляции 5, в котором имеются отверстия перфорации 6. Для обеспечения автоматического запуска ступеней в работе двигателя внутренние стенки выполненных из пороха частей каждой ступени покрыты инициирующим составом 7, который способен быстро воспламеняться и поджигать основной пороховой слой ступени. Средства электрозапуска ступеней 8 расположены на внутренней поверхности каждой ступени двигателя и предназначены для запуска первой ступени при пуске ракеты, а также для запуска тех ступеней двигателя, которые по какой-то причине не запустились самостоятельно во время работы двигателя. На фиг. 2 изображен двигатель, выполненный в виде комбинированного ракетного двигателя. Двигатель состоит из ступеней 1, состоящих из выполненной из пороха части 2 и сверхзвуковой части сопла-камеры, выполненной из абляционного материала, имеющей форму раструба 3. Корд 4 служит для повышения прочности ступени, выполненная из пороха часть ступени покрыта тонким слоем абляции 5 с перфорацией 6. Инициация горения ступени происходит за счет возгорания инициирующего слоя 7, а средство электрозапуска 8 служит для запуска ракеты. Двигатель имеет каналы 9 для подачи в сопло-камеру дополнительного вещества и каналы 10 в сверхзвуковой части сопла-камеры, предназначенные для вдува в сопло газа для управления вектором тяги двигателя. На фиг.3 изображен ЯРД, состоящий из ступеней 1, выполненных из тугоплавкого аблирующего материала 11 в зоне реактора и более легкого абляционного материала 3 в сверхзвуковой части сопла-камеры ступени. Каждая ступень ЯРД армирована кордом 4 и покрыта тонким слоем абляции 5, служащим также и для поглощения радиации при работе ЯРД. В каналы 9, совпадающие с каналами для прокачивания рабочего тела двигателя, пропущены ТВЭЛы 12. Через каналы 10 производится вдув газа в сопло ЯРД. При работе ЯРД после запуска реактора и начала прокачивания рабочего тела двигателя начинает происходить испарение стенок сопла-камеры от контакта с разогретым рабочим телом ЯРД. Рабочее тело и испаренные газы истекают из сопла-камеры ЯРД и создают двигателю тягу. Изобретение достаточно простое, для его использования достаточно имеющихся наработок в ракетном деле.

Формула изобретения

1. Пороховой ракетный двигатель, состоящий из ступеней, вложенных одна в другую и армированных кордом для повышения механической прочности ступеней, отличающийся тем, что каждая ступень выполнена тонкостенной, стенки которой профилированы в виде полутеплового сопла-камеры, глухая конусная или конусоидная часть ступени выполнена из ракетного пороха и сверхзвуковая часть ступени выполнена из абляционного материала, для разделения пороховых частей ступени применена абляция в виде тонкого слоя на внешней поверхности пороха, в которой имеются отверстия перфорации для передачи пламени от ступени к ступени. 2. Пороховой ракетный двигатель по п. 1, отличающийся тем, что в стенках сверхзвуковой части ступени выполнены отверстия, образующие в двигателе продольные каналы, для вдува в сопло газов и с целью управления вектором тяги двигателя, внутренняя поверхность пороховой части ступени покрыта инициирующим составом и ступени имеют средства для электрозапуска. 3. Пороховой ракетный двигатель по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что в сопле-камере ступени, в его дозвуковой части выполнены отверстия, образующие каналы для подачи в сопло-камеру дополнительного вещества, например окислителя. 4. Пороховой ракетный двигатель по пп. 1-3, отличающийся тем, что ступени выполнены из аблирующего материала, в осевой части сквозь каналы пропущены сборки тепловыделяющих элементов (ТВЭЛов) и имеются зазоры для прокачивания рабочего тела ЯРД.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3

Похожие патенты:

Изобретение относится к ракетной технике и может быть использовано при создании твердотопливных двигателей различного назначения

Изобретение относится к ракетной технике и может быть использовано в конструкциях маршевых ступеней ракетных двигателей на твердом топливе (РДТТ)

Изобретение относится к ракетной технике и может быть использовано при создании космического РДТТ с отческой тяги гашением посредством впрыска жидкого охладителя в камеру сгорания

Изобретение относится к области ракетной техники, а именно к конструкциям твердотопливных зарядов, предназначенных для обеспечения ступенчатого изменения тяги ракетного двигателя, и может быть использовано для твердотопливных изделий различного назначения

Изобретение относится к конструкциям ракетных двигателей на твердом топливе

Изобретение относится к ракетным двигателям для ракетно-космического моделирования в сфере технических видов творчества молодежи и детских развивающих игр

Изобретение относится к ракетной технике и может быть использовано в конструкциях маршевых ступеней ракетных двигателей на твердом топливе

Изобретение относится к конструкциям ракетных двигателей на высокоэнергетических составах

Изобретение относится к оружейной технике, а именно к реактивным гранатометам и ракетам для реактивных гранатометов. Ракета для гранатомета содержит ракетный двигатель с кольцевым или цилиндрическим каналом или кольцевыми бронированными с одной стороны шашками, боевую часть, два или более реактивных сопла, два тандемных кумулятивных заряда, бесконтактный лазерный взрыватель. В двигателе расположены коаксиальные и не коаксиальные слои топлива, поперечные плоские или вогнутые слои топлива. Слои топлива имеют разную толщину, разную скорость горения, разное тепловыделение. Реактивный гранатомет содержит трубчатую направляющую, механизм и барабан револьверного типа, рычаг или шток с лопаткой, пружину. Шток с лопаткой содержит ролик, входящий в паз зигзагообразной формы. На разветвлениях паза находятся подпружиненные храповики. Изобретение позволяет повысить точность стрельбы. 11 н. и 6 з.п. ф-лы, 9 ил.

Изобретение относится к ракетной технике и может быть использовано при создании стартово-разгонных ступеней для ракет с прямоточными воздушно-реактивными двигателями и во вспомогательных ракетных двигателях твердого топлива. Бессопловой ракетный двигатель твердого топлива включает камеру сгорания с передним днищем, цилиндрической частью и задним торцом, а также скрепленный с камерой сгорания заряд с центральным каналом. Заряд состоит из двух последовательно расположенных частей. Большая часть заряда расположена у переднего днища и выполнена с цилиндрическим центральным каналом. Меньшая часть заряда расположена у заднего торца камеры сгорания, имеет центральный канал, площадь проходного сечения которого плавно увеличивается в сторону выходного сечения, и изготовлена из топлива, имеющего скорость горения, на 30%÷50% меньшую, чем скорость горения большей части заряда. Масса меньшей части заряда составляет 2%÷10% от общей массы заряда. Изобретение позволяет повысить эффективность использования заряда твердого топлива, за счет уменьшения разгара критического сечения его канала. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к ракетной технике, а именно к конструкциям крупногабаритных ракетных двигателей со скрепленным с корпусом зарядом смесевого твердого топлива. Ракетный двигатель твердого топлива включает корпус, скрепленный с ним основной канально-щелевой заряд с частичной бронировкой, в канале которого соосно основному размещен дополнительный заряд твердого топлива. На цилиндрическую часть канала основного заряда нанесена бронировка. Дополнительный заряд имеет звездообразную форму внутреннего канала и вклеен в коническую часть канала основного заряда через промежуточный слой эластичного термостойкого материала. Изобретение позволяет повысить коэффициент заполнения корпуса ракетного двигателя топливом, а также упростить схему размещения дополнительного заряда. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Ракетный двигатель бессоплового типа содержит шашку твердого ракетного топлива, имеющую один или несколько продольных каналов на всю длину шашки заполненных более быстро горящим топливом, чем основное топливо. Наружная поверхность шашки упрочнена трубой из плавящегося или сгораемого материала либо армирована высокомодульными волокнами, причем волокна ориентированы поперечно оси шашки, или и поперечно, и продольно, или по объемной спирали в разных направлениях. Изобретение позволяет повысить эффективность бессоплового ракетного двигателя, а также повысить прочность его шашки. 1 н. и 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к ракетостроению, в частности к двигателестроению