Тепловая ракета - Thermal rocket

А тепловая ракета это ракетный двигатель в котором используется пропеллент, который нагревается извне перед прохождением через сопло производить толкать, в отличие от внутреннего нагрева редокс (горение ) реакция как в химическая ракета.

Теоретически тепловые ракеты могут давать высокие характеристики, в зависимости от используемого топлива и технических характеристик конструкции, и большое количество исследований было посвящено множеству типов. Однако, за исключением простого двигателя малой тяги на холодном газе и паровой ракеты, ни один из них не прошел стадии испытаний.

Теория

Для ракетного двигателя эффективность использования топлива (количество импульса, производимого на массу топлива) измеряется удельный импульс ( ${ displaystyle I_ {sp}}$ ), который пропорционален эффективная скорость истечения. Для тепловых ракетных систем удельный импульс увеличивается как квадратный корень из температуры и обратно пропорционально квадратному корню из молекулярная масса выхлопа. В простом случае, когда источник тепла нагревает идеальную Одноатомный газ реакционной массе максимальный теоретический удельный импульс прямо пропорционален тепловая скорость нагретого газа:

{ displaystyle I_ {sp} = V_ {e} / g_ {o} = { frac {1} {g_ {o}}} { sqrt { frac {3k_ {b} T} {m}}}}

куда ${ displaystyle g_ {o}}$ это стандартная сила тяжести, ${ displaystyle k_ {b}}$ является Постоянная Больцмана, T - температура (абсолютная), а m - масса выхлопа (на молекулу). Для реакционной массы, которая не является монотомной, часть тепловой энергии может быть сохранена как внутренняя энергия выхлопных газов, и это уравнение будет модифицировано в зависимости от степени диссоциации в выхлопе, потерь замороженного потока и других внутренних потерь, но общая пропорциональность квадратного корня останется. Более подробное уравнение для максимальной производительности тепловой ракеты можно найти в разделе сопло де Лаваля или в Чунге.^[1]

Таким образом, эффективность теплового двигателя максимизируется за счет использования максимально возможной температуры (обычно ограничиваемой свойствами материалов) и выбора низкой молекулярной массы для реакционной массы.

Двигатель на холодном газе

Самый простой случай тепловой ракеты - это случай, когда сжатый газ содержится в резервуаре и выпускается через сопло. Это известно как подруливающее устройство на холодном газе. Источником тепла в данном случае является просто энергия, содержащаяся в теплоемкости газа.

Паровая ракета

Паровая ракета (также известная как «ракета с горячей водой») - это тепловая ракета, которая использует воды проводился в сосуд под давлением при высокой температуре, так что его давление насыщенного пара значительно выше атмосферного давления. Вода может уйти, когда пар через сопло ракеты производить толкать. Этот тип тепловых ракет использовался в дрэг-рейсингах.^[2]

Ядерная тепловая ракета

В ядерной тепловой ракете рабочее тело, обычно жидкое. водород, нагревается до высокой температуры в ядерный реактор, а затем расширяется через сопло ракеты создавать толкать. Энергия ядерного реактора заменяет химическую энергию реактивных химикатов в химическом ракетный двигатель. Из-за более высокого плотность энергии ядерного топлива по сравнению с химическим топливом, около 10⁷ раз, результирующий удельный импульс двигателя как минимум вдвое лучше, чем у химических двигателей. Общая взлетная масса ядерной ракеты примерно вдвое меньше, чем у химической ракеты, и, следовательно, при использовании в качестве верхней ступени она примерно вдвое или втрое увеличивает полезную нагрузку, выводимую на орбиту.

Некоторое время ядерный двигатель рассматривался как замена J-2 используется на S-II и S-IVB этапы на Сатурн V и Сатурн I ракеты. Первоначально для обеспечения более высоких характеристик рассматривалась возможность замены «drop-in», но позже была изучена более крупная замена ступени S-IVB для миссий на Марс и других профилей высокой нагрузки, известных как S-N. Ядерные тепловые транслунные или межпланетные космические «шаттлы» планировались в рамках проекта Космическая транспортная система принимать полезные нагрузки со склада топлива в низкая околоземная орбита на Луну и другие планеты. Роберт Бюссар предложил одноступенчатый орбитальный аппарат "Осина", использующий ядерную тепловую ракету в качестве движущей силы и жидкое водородное топливо для частичной защиты от обратного рассеяния нейтронов в нижних слоях атмосферы.^[3] Советы изучали ядерные двигатели для своих собственных лунных ракет, особенно верхних ступеней ракетных двигателей. N-1, хотя они никогда не участвовали в такой обширной программе испытаний, как та, которую США проводили в 1960-х гг. Испытательный полигон в Неваде. Несмотря на множество успешных стрельб, американские ядерные ракеты не полетели раньше космическая гонка закончился.

На сегодняшний день не летала ни одна ядерная тепловая ракета, хотя NERVA NRX / EST и NRX / XE были построены и испытаны с использованием компонентов летного дизайна. Очень успешные США Project Rover который работал с 1955 по 1972 год, наработал более 17 часов. NERVA NRX / XE, который, по мнению SNPO, был последним реактором «разработки технологий», необходимым перед переходом к полетным прототипам, наработал более 2 часов, включая 28 минут на полной мощности.^[4] Российская ядерная тепловая ракета РД-0410 Советы также утверждали, что прошли серию испытаний на ядерном полигоне. 50 ° 10′12 ″ с.ш. 78 ° 22′30 ″ в.д. / 50,170 ° с. Ш. 78,375 ° в. / 50.170; 78.375 возле Семипалатинск.^[5]^[6]

Соединенные Штаты протестировали двадцать различных размеров и дизайнов во время Project Rover и программа НАСА NERVA с 1959 по 1972 год на испытательном полигоне в Неваде, обозначенная Kiwi, Phoebus, NRX / EST, NRX / XE, Pewee, Pewee 2 и Nuclear Furnace, с прогрессивно более высокими плотностями мощности, достигающими высшей точки в Pewee (1970) и Pewee 2.^[4] Испытания улучшенной конструкции Pewee 2 были отменены в 1970 году в пользу более дешевой ядерной печи (NF-1), и американская ядерная ракетная программа официально завершилась весной 1973 года. С тех пор исследования ядерных ракет продолжались незаметно. НАСА. Текущие (2010 г.) эталонные конструкции с тягой 25 000 фунтов (NERVA-Derivative Rockets, или NDR) основаны на Pewee и имеют удельные импульсы 925 секунд.

Радиоизотопная тепловая ракета

Вариант - это радиоизотопная тепловая ракета, в котором реакционная масса нагревается радиоизотопный источник тепла вместо ядерного реактора.

Солнечная тепловая ракета

Солнечные тепловые двигатели это форма двигательная установка космического корабля который использует солнечную энергию для прямого нагрева реакционная масса, и поэтому не требует электрического генератора, как это требуется для большинства других силовых установок на солнечной энергии. Солнечная тепловая ракета должна нести только средства улавливания солнечной энергии, такие как концентраторы и зеркала. Нагретое топливо подается через обычный сопло ракеты производить тягу. Тяга двигателя напрямую связана с площадью поверхности солнечного коллектора и локальной интенсивностью солнечного излучения.^{[нужна цитата ]}

В краткосрочной перспективе солнечные тепловые двигатели были предложены как для более долговечных, более дешевых и более гибких криогенных систем. верхняя ступень ракет-носителей и для вывода на орбиту топливные склады. Солнечная тепловая силовая установка также является хорошим кандидатом для использования в многоразовых межорбитальных буксирах, поскольку это высокоэффективная система с малой тягой, которую можно относительно легко заправлять.

Лазерная тепловая ракета

А лазерная тепловая ракета это оба типа силовая установка с лучевым приводом и тепловая ракета. Источником тепловой энергии является лазер, который нагревает рабочую жидкость в теплообменнике. Затем рабочая жидкость расширяется через сопло для создания тяги. В зависимости от мощности лазера лазерная тепловая ракета может иметь такую же тяговооруженность, как и химические ракеты, при этом удельный импульс похожи на ядерные тепловые ракеты.^[7] Для запусков с земли на орбиту источником лазера для такой ракеты будет постоянная установка, способная выполнять высокочастотные запуски, а ракеты могут содержать инертное топливо.

СВЧ тепловая ракета

А микроволновая тепловая ракета похож на лазерную тепловую ракету, за исключением того, что она питается от микроволнового источника, например наземной фазированной решетки. По сравнению с лазерами, основным преимуществом использования микроволн является то, что в настоящее время источники стоят на 1-3 порядка меньше за ватт. Основным недостатком является то, что директор микроволнового луча должен иметь гораздо больший диаметр, чем директор лазерного луча, из-за эффектов дифракции луча.

Микроволновая тепловая ракета была изобретена Кевин Л.Г. Паркин в 2002 г. и защитил кандидатскую диссертацию. диссертация.^[8] В период с мая 2012 года по март 2014 года проект DARPA / NASA по системе теплового запуска миллиметрового диапазона (MTLS) продолжал эту работу, кульминацией которой стал первый запуск микроволновой тепловой ракеты в феврале 2014 года. Было предпринято несколько запусков, но проблем с направителем луча не могло быть. решена до того, как в марте 2014 года закончилось финансирование.