Ракетният двигател е вид реактивен двигател, източник на енергия, предназначен за извеждане на апаратура в безвъздушното космическо пространство.

Практически днес ракетните двигатели са единствените създадени на нашата планета машини, които могат да изведат товар в космическото пространство около Земята.

Силата на тягата в ракетния двигател възниква в резултат на преобразуването на изходната енергия в кинетична енергия от реактивната струя, породена от ракетното гориво. Струята разчита на третия закон на Нютон, за да задвижи ракетата, а именно – всяко действие има равно по големина и противоположно по посока противодействие. Ефективността е най-висока при работа в студен въздух, който е по-плътен и увеличава тягата на двигателя. Експлоатационните характеристики на ракетните двигатели се определят от техния специфичен импулс, а възможната промяна в скоростта, която могат да постигнат – от формулата на Циолковски.

Принцип на действие Ракетният двигател създава тяга чрез изхвърляне на работно вещество с висока скорост в посока, противоположна на движението на ракетата. Действието му се основава на третия закон на Нютон, според който на всяко действие съответства равно по големина и противоположно по посока противодействие.

При химическите ракетни двигатели горивото и окислителят реагират в горивна камера, при което се образуват горещи газове с високо налягане. Тези газове се ускоряват при преминаването си през дюза и се изхвърлят извън двигателя. В резултат на това възниква реактивна сила, която ускорява ракетата в противоположната посока.

За разлика от въздушно-реактивните двигатели, ракетният двигател не използва кислород от атмосферата, а носи както горивото, така и окислителя на борда. Това му позволява да работи както в атмосферата, така и във вакуума на космическото пространство.

История Първите практически ракети се появяват в Китай през XIII век след разпространението на барута и впоследствие намират приложение както във военни, така и в празнични и сигнални системи.

Основите на съвременното ракетно инженерство са поставени в края на XIX и началото на XX век. Значителен принос имат Константин Циолковски, който разработва теоретичните основи на космическите полети и формулира ракетното уравнение, Робърт Годард, осъществил първото успешно изстрелване на ракета с течно гориво през 1926 г., Херман Оберт, чиито трудове оказват съществено влияние върху развитието на ракетната техника, както и Вернер фон Браун и Сергей Корольов, ръководили разработването на първите балистични ракети и космически носители през средата на XX век.

Видове ракетни двигатели В зависимост от вида на преобразуващата се кинетична енергия в реактивна струя се различават следните ракетни двигатели.

Химически

Химическите ракетни двигатели са най-разпространеният тип ракетни двигатели. При тях тягата се създава в резултат на екзотермична химична реакция между гориво и окислител. Образуваните газове с висока температура и налягане се ускоряват през сопло, като по този начин създават реактивна тяга.

Основните предимства на химическите двигатели са високата тяга и възможността за работа както в атмосферата, така и във вакуума. Поради това те се използват при изстрелването на космически ракети, пилотируеми кораби, междупланетни сонди и спътници.

Ефективността на химическите ракетни двигатели се определя главно от енергийните характеристики на използваните горива и окислители и се измерва чрез специфичния импулс. Макар през XXI век да са разработени значително по-ефективни двигатели с високо налягане в горивната камера и усъвършенствани работни цикли, възможностите за съществено увеличаване на специфичния импулс на химическите двигатели остават ограничени от законите на химичната термодинамика. Съвременни примери за такива двигатели са Raptor на SpaceX и BE-4 на Blue Origin, използващи течен метан и течен кислород.

Въпреки тези ограничения химическите ракетни двигатели остават основното средство за достигане на околоземна орбита, Луната и планетите от Слънчевата система. Те продължават да се използват в съвременни програми за изследване на космоса, включително пилотируеми мисии до Луната и планирани бъдещи експедиции до Марс.

В зависимост от агрегатното състояние на горивото химическите ракетни двигатели се разделят на:

двигатели с течно гориво – използват течни гориво и окислител, които се подават в горивната камера чрез турбопомпи или под налягане; двигатели с твърдо гориво – използват твърд заряд, съдържащ гориво и окислител, като се отличават с проста конструкция и висока надеждност; хибридни двигатели – използват гориво и окислител в различно агрегатно състояние, най-често твърдо гориво и течен окислител.

Електрически ракетни двигатели

Електрическите ракетни двигатели (ЕРД) са клас ракетни двигатели, при които работното тяло се ускорява чрез използване на електрическа енергия. За разлика от химическите ракетни двигатели, при тях енергията не се получава непосредствено от химична реакция, а от външен източник, най-често слънчеви панели или ядрени енергийни системи.

Основното предимство на електрическите ракетни двигатели е техният висок специфичен импулс, който може да надхвърли 10 000 s при някои конструкции. Това позволява значително намаляване на необходимото количество работно тяло в сравнение с химическите двигатели. Недостатък е ниската тяга, поради което ускорението обикновено е малко и се прилага продължително време. Електрическите двигатели се използват широко за поддържане и корекция на орбитата на спътници, за прехвърляне между орбити и за междупланетни мисии. Сред известните космически апарати, използвали електрическо задвижване, са мисията Dawn до астероида Веста и планетата джудже Церера, както и европейската мисия BepiColombo до Меркурий.

В зависимост от начина на преобразуване на електрическата енергия в кинетична енергия на реактивната струя електрическите ракетни двигатели се разделят на:

електротермични двигатели – нагряват работното тяло чрез електрическа енергия преди неговото изхвърляне; електростатични двигатели (йонни двигатели) – ускоряват йони чрез електрични полета; двигатели на Хол (Hall-effect thrusters) – използват комбинация от електрически и магнитни полета за ускоряване на йонизиран газ; електромагнитни двигатели – ускоряват плазмата чрез взаимодействие между електрически токове и магнитни полета.

Към началото на XXI век двигателите на Хол и йонните двигатели са най-широко използваните електрически двигатели в космическите апарати и комуникационните спътници.

Ядрени

Ядреният ракетен двигател (ЯРД) е реактивен двигател, при който работното тяло се нагрява или ускорява чрез енергия, получена от ядрени реакции. В зависимост от принципа на действие се различават ядрено-термални двигатели (Nuclear Thermal Propulsion, NTP), при които реактор нагрява работното тяло, и ядрено-електрически двигатели (Nuclear Electric Propulsion, NEP), при които реактор произвежда електроенергия за захранване на електрически ракетни двигатели.

Изследванията върху ядрените ракетни двигатели започват през 1950-те години в Съединените щати и Съветския съюз. В рамките на американската програма Rover и последвалия проект NERVA са създадени и изпитани експериментални ядрено-термални двигатели, демонстрирали значително по-висок специфичен импулс от този на химическите ракетни двигатели.

Към 2026 г. ядрени ракетни двигатели все още не са използвани в космически полет, но редица програми продължават тяхното развитие. Сред тях е проектът DRACO (Demonstration Rocket for Agile Cislunar Operations), реализиран съвместно от DARPA и NASA с цел демонстрация на ядрено-термално задвижване в космоса.

Основните предимства на ядрените ракетни двигатели са по-високият специфичен импулс и възможността за по-кратко време за междупланетни полети в сравнение с химическите двигатели. Сред основните предизвикателства остават безопасността, радиационната защита, надеждността на реакторите и високата сложност на системите.

Плазмени

Плазмените ракетни двигатели са вид електрически ракетни двигатели, при които работното тяло се йонизира до състояние на плазма и след това се ускорява чрез електрически и магнитни полета. Те се отличават с висок специфичен импулс и възможност за продължителна работа, което ги прави подходящи за дълготрайни космически мисии.

Сред най-разпространените плазмени двигатели са двигателите на Хол (Hall-effect thrusters), които се използват широко за поддържане на орбитата и маневриране на спътници. Разработват се и по-мощни плазмени двигатели за бъдещи междупланетни мисии.

Една от най-известните експериментални концепции е VASIMR (Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket), предложена от Франклин Чанг-Диас през 1979 г. При нея плазмата се йонизира и нагрява чрез радиочестотни вълни, след което се ускорява посредством магнитно поле.

Към 2026 г. технологията продължава да се намира в етап на разработка и наземни изпитания.

Основно предимство на плазмените двигатели е възможността за постигане на много висока скорост на изтичане на работното тяло при относително малък разход на гориво. Недостатък е необходимостта от значителни количества електрическа енергия, което ограничава тяхното приложение главно до космически апарати и бъдещи междупланетни мисии.

Други концепции за космическо задвижване

Освен конвенционалните ракетни двигатели са разработени и редица алтернативни концепции за космическо придвижване. Някои от тях не използват реактивна тяга и поради това не се считат за ракетни двигатели в тесния смисъл на понятието.

Сред тях са слънчевите платна, които използват налягането на слънчевото излъчване за създаване на тяга, както и различни концепции за лазерно задвижване и лъчева енергия. Разработват се също идеи за космически лифт, който би позволил достигане на орбита без използване на ракети, но към 2026 г. липсват материали с необходимата здравина за практическото му изграждане.

Повечето от тези технологии се намират в различен етап на развитие – от експериментални демонстрации до теоретични изследвания.

Литература

Алемасов, В. Е.; Дрегалин, А. Ф.; Тишин, А. П. Теория ракетных двигателей. Под редакцията на В. П. Глушко. Москва: Машиностроение, 1989. ISBN 5-217-00477-9. 464 с. Sutton, George P.; Biblarz, Oscar. Rocket Propulsion Elements. 9th edition. Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons, 2017. ISBN 978-1118753651.

Източници