Specifik dragimpuls. Vägen till rymden eller specifik impuls. Raketdragenhet

1. Tsiolkovskys formel

där W är den effektiva avgashastigheten, Q T är laddningens vikt, q till \u003d Q 0 -Q T är raketens torrvikt

2. Traktionsekvation

G
deG är viktflödet per sekund.

Detta uttryck bestämmer det teoretiska värdet av dragkraft (beräknat) det kallas också ideal dragkraft.

I ingenjörspraktik, tillsammans med den direkta beräkningen av dragkraft, finns det en metod för beräkning

, där R sp \u003d R / G - specifik dragkraft - huvudenergikaraktäristiken för raketmotorn för fast drivmedel, W a - den effektiva hastigheten för utflödet av förbränningsprodukter från munstycket. Men eftersom I praktiken är experimentell bestämning av den specifika dragkraften för raketmotorer med fasta drivmedel svårt på grund av komplexiteten i att mäta flödeshastigheten för n.s., då istället för R sp är det mer ändamålsenligt att införa karakteristiken specifik impuls.

Först den totala impulsen

På
en separat (enkel) puls från fjärrkontrollen är förhållandet mellan I  för den totala drifttiden och den totala massan av bränsle.

F
formel för Tsiolkovsky:

W e är den effektiva utflödeshastigheten;

Q T - bränslevikt;

Q 0 - raketens startvikt.

Bränsleförbränningstemperatur: 2500º K - BTT; 3300º K - STT.

Fjärrkontrollens egenskaper:

 = Q till /Q t - koefficient för vikt perfektion;

 v \u003d W t / W k.s. – volymetrisk fyllningskoefficient;

 eff \u003d Q golv / Q dv - effektivitetskoefficient;

Q-golv - vikten av nyttolasten som lyfts av denna motor till en viss höjd;

Q dv - motorvikt.

Huvudindikatorn på kvalitet: specifik drivkraft.

Kraft-till-vikt-förhållande:
= 0.35 - 0.40.

3. Termodynamisk beräkning av processer i kammaren. Bränslets huvudsakliga termodynamiska egenskaper, förfarandet för deras bestämning.

Inledande data:; bränslesammansättning ( ;;;); bränsleentalpi ( ).

(Massfraktion av det i-te elementet:
; var - atommassa för det i:te elementet; - antal atomer; M - molmassa).

1) Molar massa

2) Partialtryck i nollapproximation

3) Temperatur i COP i den första approximationen:

4) Kemiska jämviktskonstanter

5) Entalpi

6) Standardentropi

7) Isobarisk värmekapacitet

8) Vi löser system och bestämmer

9) Molar massa av förbränningsprodukter; molar massa av kammaren:

10) PS-entalpi;

11) Jämförelse och ; temperaturval utförs tills

12) Gaskonstant

13) PS-densitet;

14) Isobarisk värmekapacitet för PS;

15) Isokorisk värmekapacitet (Mayer-formel):

16) Adiabatisk exponent:

17) Ljudhastigheten i kammaren:

18) Specifik tryckimpuls (karakteristisk hastighet ):

;
;

19) Sammansättningen av PS:

20) Entalpi av komponenter:

21) Entropi:

Bränslets huvudsakliga termodynamiska egenskaper: bränslesammansättning ( ;;;);entropi.

(Evgrashin: molekylvikt; gaskonstant; adiabatiskt index; krutets kraft).

5. Bestämning av de gasdynamiska parametrarna för flödet i munstycket med hjälp av gasdynamiska funktioner.

De statiska flödesparametrarna är relaterade till bromsparametrarna av vissa repetitiva komplex beroende på k och , dessa komplex kallas gasdynamiska komplex: (); (); (). (formler finns i fråga #32)

där T* är kammarens temperatur.

();();() är de huvudsakliga gasdynamiska funktionerna. Deras fördel är att det är bekvämt att lösa omvända problem.

- anslutning av gasdynamiska funktioner.

P Vid låga hastigheter ligger de huvudsakliga gasdynamiska funktionerna nära 1. Dvs. de statiska flödesparametrarna är nästan lika med bromsparametrarna. Vid marginalgashastigheten =max blir de statiska parametrarna lika med noll, vilket innebär att de huvudsakliga gasdynamiska funktionerna är lika med noll.

q), y() – utgiftsfunktioner.

är den dimensionslösa flödestätheten.

Den maximala strömtätheten kommer alltid att observeras i den kritiska.

Specifik impuls eller specifik dragkraft är ett mått på effektiviteten hos en raketmotor. Ibland används båda termerna omväxlande, vilket betyder att de i själva verket är samma egenskap. Specifik dragkraft används vanligtvis i intern ballistik, medan specifik impuls används i extern ballistik. Dimensionen av specifik impuls är dimensionen av hastighet, i SI-systemet av enheter är det en meter per sekund.

Definitioner

karakteristiska för en jetmotor, lika med förhållandet mellan den impuls den skapar och bränsleförbrukningen. Ju högre specifik impuls, desto mindre bränsle behöver du spendera för att få en viss mängd rörelse. Teoretiskt sett är den specifika impulsen lika med hastigheten för utflödet av förbränningsprodukter; i själva verket kan den skilja sig från den. Därför kallas den specifika impulsen även den effektiva utandningshastigheten.

Specifik dragkraft - en egenskap hos en jetmotor, lika med förhållandet mellan dragkraften den skapar och massans bränsleförbrukning. Det mäts i meter per sekund och betyder, i en given dimension, hur många sekunder en given motor kan skapa en dragkraft på 1 N, samtidigt som den förbrukar 1 kg bränsle. Enligt en annan tolkning är den specifika dragkraften lika med förhållandet mellan dragkraften och viktförbrukningen av bränsle; i detta fall mäts det i sekunder. För att översätta den viktspecifika dragkraften till massa måste den multipliceras med accelerationen av fritt fall.

Formeln för en ungefärlig beräkning av den specifika impulsen för jetmotorer som drivs med kemikalier är följande:

där T k - gastemperatur i förbränningskammaren; p k och p a - gastryck, respektive, i förbränningskammaren och vid munstyckets utlopp; y är molekylvikten för gasen i förbränningskammaren; u är den koefficient som kännetecknar de termofysiska egenskaperna hos gasen i kammaren. Som kan ses från formeln i den första approximationen, ju högre temperatur gasen har, desto lägre är dess molekylvikt och ju högre förhållandet mellan trycken i RD-kammaren och det omgivande utrymmet är, desto högre är den specifika impulsen.

När det gäller att jämföra effektiviteten hos olika typer av motorer talar ingenjörer vanligtvis om specifik impuls. Specifik impuls definieras som förändringen i rörelsemängd per massaenhet förbrukat bränsle. Ju effektivare motorn är, desto mindre bränsle krävs för att skjuta upp raketen i rymden. Impulsen är i sin tur resultatet av en krafts verkan under en viss tid. Kemiska raketer, även om de har en mycket hög dragkraft, fungerar bara i några minuter och kännetecknas därför av en mycket låg specifik impuls. Jonpropeller, som kan fungera i åratal, kan ha hög specifik impuls vid mycket låg dragkraft.

Specifik impuls mäts i sekunder. En genomsnittlig raket med en kemisk motor kan ha en specifik impuls på upp till 400-500 s. Så den specifika impulsen för skyttelmotorn är 453 s. (Den högsta specifika impulsen som hittills erhållits för en kemisk framdrivningsmotor var 542 s, driven av en exotisk blandning av väte, litium och fluor.) SMART-1-jonmotorn hade en specifik impuls på 1640 s. För kärnraketmotorer når denna parameter 850 s.

En raket som kan nå ljusets hastighet skulle ha högsta möjliga specifika impuls. Dess specifika impuls skulle vara cirka 30 miljoner. Nedan finns en tabell över specifika impulser som är karakteristiska för olika typer av jetmotorer.

Motortyp (specifik impuls)

Fast bränsle (250)

Vätska (450)

Ionic (3000)

Plasma VASIMR (1 000–30 000)

Atomic (800-1000)

Termonukleärt direktflöde (2500-200 000)

Kärnkraftspuls (10 000-1 000 000)

På antimateria (1 000 000-10 000 000)

(I princip bär lasersegel och ramjetmotorer inget bränsle alls, och därför är specifik impuls inte en väsentlig egenskap för dem, men dessa konstruktioner har sina egna problem.)

rymdhiss

Ett av de största hindren för genomförandet av många stjärnprojekt är att fartyg inte kan byggas på jorden på grund av deras enorma storlek och vikt. Vissa forskare föreslår att man samlar dem i yttre rymden, där astronauter, tack vare viktlöshet, lätt kan lyfta och flytta otroligt tunga föremål. Men idag pekar kritiker med rätta på den oöverkomliga kostnaden för montering av utrymme. Till exempel kommer den fullständiga monteringen av den internationella rymdstationen att kräva cirka 50 skytteluppskjutningar, och dess kostnad, inklusive dessa flygningar, närmar sig 100 miljarder dollar. Detta är det dyraste vetenskapliga projektet i historien, men byggandet av en interstellär rymdsegelbåt eller ett fartyg med en direktflödestratt i öppet utrymme skulle kosta många gånger dyrare.

Men, som science fiction-författaren Robert Heinlein brukade säga, om du kan ta dig 100 miles över jorden är du redan halvvägs till någonstans i solsystemet. Detta beror på att vid varje uppskjutning, de första 160 km, när raketen försöker fly tyngdkraftens bojor, "äter upp" lejonparten av kostnaden. Efter det kan fartyget, kan man säga, redan ta sig till Pluto, ännu längre.

Ett sätt att drastiskt minska kostnaderna för flyg i framtiden är att bygga en rymdhiss. Tanken på att klättra till himlen på ett rep är inte ny - ta åtminstone sagan "Jack and the Beanstalk"; en saga är en saga, men om du tar med dig änden av repet ut i rymden kan idén mycket väl bli verklighet. I det här fallet skulle centrifugalkraften av jordens rotation vara tillräckligt för att eliminera tyngdkraften, och repet skulle aldrig falla till marken. Det skulle magiskt stiga vertikalt och försvinna in i molnen.

(Föreställ dig en boll som du snurrar på ett snöre. Bollen verkar inte påverkas av gravitationen; poängen är att centrifugalkraften trycker bort den från rotationscentrum. På samma sätt kan ett mycket långt rep hänga i luften på grund av jordens rotation.) Det finns ingen anledning att hålla i repet, jordens rotation kommer att räcka. Teoretiskt sett skulle en person kunna klättra i ett sådant rep och klättra rakt ut i rymden. Ibland ber vi fysikstudenter att beräkna spänningen på ett sådant rep. Det är lätt att visa att även en stålkabel inte kan stå emot en sådan spänning; det är därför man länge trodde att en rymdhiss var omöjlig att implementera.

Den första av forskarna som på allvar blev intresserad av problemet med rymdhissen var den ryske visionära vetenskapsmannen Konstantin Tsiolkovsky. 1895, inspirerad av Eiffeltornet, föreställde han sig ett torn som skulle resa sig direkt ut i rymden och förbinda jorden med ett "stjärnslott" som svävade i rymden. Det var tänkt att byggas nerifrån och upp, med början från jorden, varifrån ingenjörerna sakta skulle bygga en rymdhiss till himlen.

1957 föreslog den ryske forskaren Yuri Artsutanov en ny lösning: att bygga en rymdhiss i omvänd ordning, från topp till botten, med början från rymden. Författaren föreställde sig en satellit i geostationär omloppsbana på ett avstånd av 36 000 km från jorden - från jorden skulle den verka orörlig; från denna satellit föreslogs att sänka en kabel till jorden och sedan fixera den vid den lägsta punkten. Problemet är att en kabel till en rymdhiss skulle behöva tåla en spänning på ca 60-100 GPa. Stålet går sönder under en spänning på cirka 2 GPa, vilket gör idén meningslös.

En bredare publik kunde senare bekanta sig med idén om en rymdhiss; 1979 publicerades Arthur C. Clarkes roman The Fountains of Paradise och 1982 Robert Heinleins roman Friday. Men eftersom framstegen i denna riktning har avstannat har det glömts bort.

Situationen förändrades dramatiskt när kemister uppfann kolnanorör. Intresset för dem ökade kraftigt efter publiceringen 1991 av Sumio Iijimas verk från Nippon Electric. (Jag måste säga att förekomsten av kolnanorör har varit känd sedan 1950-talet, men de ignorerades länge.) Nanorör är mycket starkare, men mycket lättare än stålkablar. Strängt taget, när det gäller styrka, överträffar de till och med den nivå som krävs för en rymdhiss. Enligt forskarna måste nanorörsfibern i kol klara ett tryck på 120 GPa, vilket är mycket högre än det minimum som krävs. Efter denna upptäckt återupptogs försöken att skapa en rymdhiss med förnyad kraft.

1999 publicerades en stor NASA-studie; den betraktade en rymdhiss i form av ett band cirka en meter brett och cirka 47 000 km långt, kapabelt att leverera en nyttolast som väger cirka 15 ton i omloppsbana runt jorden. Genomförandet av ett sådant projekt skulle omedelbart och helt förändra den ekonomiska sidan av rymdresor. Kostnaden för att leverera last till omloppsbana skulle minska med en faktor på 10 000; En sådan förändring kan bara kallas revolutionär.

För närvarande kostar det minst 10 000 USD att leverera ett pund last till jordens omloppsbana. Varje skyttelflygning kostar alltså cirka 700 miljoner USD. En rymdhiss skulle sänka kostnaden för leverans till 1 USD per pund. En sådan radikal minskning av kostnaderna för rymdprogrammet kan helt förändra vår syn på rymdresor. Med en enkel knapptryckning kunde man starta en hiss och gå upp i yttre rymden till priset av, säg, en flygbiljett.

Men innan vi kan bygga en rymdhiss som lätt kan ta sig till skyarna måste vi övervinna mycket allvarliga hinder. För närvarande är den längsta fibern gjord av kolnanorör som erhållits i laboratoriet inte längre än 15 mm. En rymdhiss skulle kräva tusentals kilometer långa nanorörskablar. Naturligtvis är detta ur vetenskaplig synvinkel ett rent tekniskt problem, men det måste lösas, och det kan vara envist och svårt. Ändå är många forskare övertygade om att det kommer att ta oss flera decennier att behärska tekniken för produktion av långa kablar från kolnanorör.

Det andra problemet är att produktionen av långa kablar på grund av mikroskopiska störningar i strukturen hos kolnanorör kan vara generellt problematisk. Enligt Nicola Pugno från Turin Polytechnic Institute kan rörets styrka omedelbart minska med 30 % om ens en atom i ett kolnanorör inte är på sin plats. I allmänhet kan defekter på atomnivå beröva en nanorörskabel av 70 % av dess styrka; i detta fall kommer den tillåtna belastningen att vara under minimi gigapascal, utan vilken det är omöjligt att bygga en rymdhiss.

I ett försök att väcka intresse från privata entreprenörer för utvecklingen av en rymdhiss har NASA utlyst två separata tävlingar. (Ansari X-Prize, med ett pris på 10 miljoner dollar, var utformat efter Ansari X-priset på 10 miljoner dollar. Tävlingen väckte framgångsrikt intresset hos företagsamma investerare för att bygga kommersiella raketer som kan ta passagerare till ytterkanten av rymden; tillkännagav priset vann 2004 av SpaceShipOne.) NASA-tävlingar kallas Beam Power Challenge och Tether Challenge.

För att vinna den första av dessa måste forskargruppen skapa en mekanisk anordning som kan lyfta en vikt på minst 25 kg (inklusive sin egen vikt) uppför en kabel (upphängd till exempel på en kranbom) med en hastighet av 1 m /s till en höjd av 50 m. Det kan verka som en enkel uppgift, men problemet är att den här enheten inte ska använda bränsle, batterier eller en elkabel. Istället måste hissroboten drivas av solpaneler, solreflektorer, lasrar eller mikrovågor, som är energikällor som är bekväma att använda i rymden.

För att vinna Tether Challenge måste ett lag skicka in två meter långa rep som inte väger mer än två gram vardera; samtidigt måste en sådan kabel tåla en belastning som är 50 % större än föregående års bästa prov. Syftet med denna tävling är att stimulera forskning kring utveckling av ultralätta material som är tillräckligt starka för att kunna sträckas ut 100 000 km ut i rymden. Det finns priser på $150 000, $40 000 och $10 000 till vinnarna. (För att understryka utmaningen belönades ingen 2005, det första året av tävlingen.)

Naturligtvis kan en arbetsplatshiss dramatiskt förändra rymdprogrammet, men det har också sina nackdelar. Så banan för rörelsen av satelliter i omloppsbana nära jorden förändras ständigt i förhållande till jorden (eftersom jorden roterar under dem). Det betyder att vilken som helst av satelliterna med tiden kan kollidera med rymdhissen med en hastighet av 8 km/s; detta kommer att vara mer än tillräckligt för att bryta kabeln. För att förhindra en sådan katastrof i framtiden kommer det att vara nödvändigt att antingen tillhandahålla små raketer på varje satellit som skulle göra det möjligt för den att kringgå hissen, eller att förse själva kabeln med små raketer så att den kan ta sig ur banan. av satelliterna.

Dessutom kan kollisioner med mikrometeoriter bli ett problem – trots allt kommer rymdhissen att stiga långt bortom jordens atmosfär, vilket i de flesta fall skyddar oss från meteorer. Eftersom sådana kollisioner är omöjliga att förutsäga, måste rymdhissen utrustas med ytterligare skydd och, möjligen, till och med felsäkra backupsystem. Atmosfäriska fenomen som orkaner, flodvågor och stormar kan också vara ett problem.

Tyngdkraftsmanöver

Det finns ett annat sätt att accelerera ett föremål till en hastighet nära ljusets hastighet - att använda "slingeffekten". När man skickar rymdsonder till andra planeter, tvingar NASA dem ibland att manövrera runt en angränsande planet för att använda "slingeffekten" för att ytterligare accelerera enheten. Det är så NASA sparar värdefullt raketbränsle. Så här lyckades rymdfarkosten Voyager 2 flyga till Neptunus, vars omloppsbana ligger i utkanten av solsystemet.

Freeman Dyson, fysiker vid Princeton, kom med ett intressant förslag. Om mänskligheten en dag i en avlägsen framtid lyckas upptäcka i rymden två neutronstjärnor som kretsar kring ett gemensamt centrum i hög hastighet, då kan ett jordskepp, som flyger mycket nära en av dessa stjärnor, på grund av en gravitationsmanöver, plocka upp en hastighet lika med nästan en tredjedel av ljusets hastighet. Som ett resultat skulle fartyget accelerera till nästan ljushastigheter på grund av gravitationen. Teoretiskt kan detta hända.

Andra forskare föreslår att vi använder vår egen armatur för detta ändamål. Denna metod användes till exempel av besättningen på USS Enterprise i Star Trek IV: The Voyage Home. Efter att ha kapat Klingonskeppet skickade Enterprises besättning det på en bana nära solen för att bryta igenom ljusbarriären och gå tillbaka i tiden. I filmen When Worlds Collide hotas jorden av ett asteroidnedslag. För att fly från en dödsdömd planet bygger forskare en gigantisk struktur som en berg-och dalbana. När raketskeppet rör sig nerför backen får det enorm fart och svänger sedan längst ner med en liten radie - och framåt, ut i rymden.

Bara i själva verket kommer ingen av dessa metoder att accelerera med hjälp av gravitationen inte att fungera. (Lagen om energibevarande säger att en berg- och dalbana, som accelererar på nedstigningen och saktar ner på uppstigningen, hamnar på toppen i exakt samma hastighet som i början - det finns ingen ökning av energin. På samma sätt, inpackning runt den stillastående solen kommer vi att avsluta i exakt samma hastighet som vi påbörjade manövern.) Dysonmetoden med två neutronstjärnor skulle i princip fungera, men bara för att neutronstjärnor rör sig snabbt. En rymdfarkost som använder en gravitationsmanöver får en ökning av energin på grund av en planets eller stjärnas rörelse. Om de är orörliga kommer en sådan manöver inte att fungera.

Och Dysons förslag, även om det kan fungera, kommer inte att hjälpa dagens forskare på jorden - trots allt, för att besöka de snabbt roterande neutronstjärnorna måste du först bygga ett rymdskepp.

Från pistolen till himlen

Ett annat genialt sätt att skjuta upp ett skepp i rymden och accelerera det till fantastiska hastigheter är att skjuta det från en elektromagnetisk rälspistol, som Arthur C. Clarke och andra science fiction-författare beskrev i sina verk. Detta projekt övervägs för närvarande på allvar som en möjlig del av Star Wars missilsköld.

Metoden består i att använda elektromagnetismens energi för att accelerera raketen till höga hastigheter istället för raketbränsle eller krut.

Som enklast är en rälspistol två parallella trådar eller skenor; raketprojektilen, eller missilen, "sitter" på båda rälsen och bildar en U-formad konfiguration. Till och med Michael Faraday visste att en kraft verkar på en ram med en elektrisk ström i ett magnetfält. (Allmänt sett fungerar alla elmotorer enligt denna princip.) Om en elektrisk ström på miljoner ampere passerar genom skenorna och projektilen kommer ett extremt kraftfullt magnetfält att uppstå runt hela systemet, vilket i sin tur kommer att driva projektil längs rälsen, accelerera den till en enorm hastighet och kasta den ut i rymden från slutet av rälssystemet.

Under tester avfyrade rälsmonterade elektromagnetiska kanoner framgångsrikt metallföremål med enorma hastigheter och accelererade dem över en mycket kort sträcka. Anmärkningsvärt nog, i teorin, är en vanlig järnvägspistol kapabel att avfyra en metallprojektil med en hastighet av 8 km/s; detta är tillräckligt för att placera den i låg omloppsbana om jorden. I princip skulle hela NASA:s raketflotta kunna ersättas av järnvägskanoner, som skulle avfyra en nyttolast i omloppsbana direkt från jordens yta.

Rälsvapen har betydande fördelar jämfört med kemiska vapen och raketer. När du avfyrar en pistol begränsas den maximala hastigheten med vilken de expanderande gaserna kan trycka ut kulan ur pipan av stötvågens hastighet. Jules Berne i den klassiska romanen "Från jorden till månen" sköt en projektil med astronauter till månen med hjälp av krut, men i själva verket är det lätt att räkna ut att den maximala hastigheten som en krutladdning kan ge en projektil är många gånger mindre än hastigheten som behövs för att flyga till månen. Rälsvapen däremot använder inte den explosiva expansionen av gaser och är därför inte på något sätt beroende av stötvågens utbredningshastighet.

Men railgun har sina egna problem. Föremål på den accelererar så snabbt att de tenderar att bli tillplattade på grund av kollision... med luft. Nyttolasten deformeras kraftigt när rälspistolen avfyras från mynningen, för när projektilen träffar luften är det som att träffa en tegelvägg. Dessutom, under acceleration, upplever projektilen en enorm acceleration, som i sig själv är kapabel att kraftigt deformera lasten. Skenorna måste bytas ut regelbundet, eftersom projektilen också deformerar dem vid förflyttning. Dessutom är överbelastningar i en järnvägspistol dödliga för människor; mänskliga ben kan helt enkelt inte motstå sådan acceleration och kollaps.

En lösning är att sätta en järnvägspistol på månen. Där, utanför jordens atmosfär, kommer projektilen att kunna accelerera obehindrat i vakuumet i yttre rymden. Men även på månen kommer projektilen under acceleration att uppleva enorma överbelastningar som kan skada och deformera nyttolasten. På sätt och vis är en rälsvapen motsatsen till ett lasersegel, som tar fart gradvis över tiden. Rälspistolens begränsningar bestäms just av att den överför enorm energi till kroppen på kort avstånd och på kort tid.

En järnvägspistol som kan avfyra ett farkost mot de närmaste stjärnorna skulle vara en mycket dyr konstruktion. Således tillhandahåller ett av projekten konstruktion i öppet utrymme av en järnvägspistol med en längd på två tredjedelar av avståndet från jorden till solen. Denna pistol skulle behöva lagra solenergi och sedan förbruka allt på en gång, accelerera en tio tons nyttolast till en hastighet lika med en tredjedel av ljusets hastighet. I det här fallet kommer "projektilen" att uppleva en överbelastning på 5000 g. Naturligtvis kommer bara de mest uthålliga robotfartygen att kunna "överleva" en sådan uppskjutning.

Det fungerar i läget för kortvariga periodiska inneslutningar (pulser), vars totala antal vanligtvis är många tusen. Karakteristiskt är pulsmodulationssättet med dragpulser med konstant amplitud och variabel varaktighet (bredd) och frekvens (från flera tiotals pulser per sekund till 1 per flera dagar). Enligt värdet av den totala dragimpulsen som utvecklats under en viss tid, impulsraketmotor motsvarande en taxibana som arbetar kontinuerligt med lägre dragkraft. Fördelen är dock möjligheten att snabbt och med stor noggrannhet få olika värden på den totala dragimpulsen genom att ändra motorns driftläge, vilket inte är möjligt när man använder en kontinuerligt arbetande RD. Till impulsraketmotor krav ställs på hastighet, egenskapers stabilitet, utmatning av minimivärdet för en enstaka tryckimpuls, låg effektförbrukning av reglerventiler. Idealisk impulsraketmotor måste producera rektangulära dragkraftspulser som sammanfaller i tid med elektriska kommandon. Verklig impulsraketmotor dragimpulser är trapetsformade eller klockformade; de är bredare än kommandoimpulser och ligger efter dem. Oekonomisk förbrukning av raketbränsle under flera uppskjutnings- och avstängningslägen minskar den resulterande specifika impulsen från RD. utveckla låg dragkraft, de flesta av dem tillhör raket mikromotorer. tillämpas i individuella raketframdrivningssystem och är huvudtypen av RD för reaktiva styrsystem för rymdfarkoster. Hastighet ger flygkontroll vid låg förbrukning av arbetsvätskan. När man utför manövrar förknippade med relativt höga energikostnader, impulsraketmotorer arbeta kontinuerligt (när du ändrar platsen för synkrona satelliter - upp till flera timmar).

Pulsraketmotorer fungerar både på tvåkomponents självantändande bränsle och på enkomponentsbränsle. Ett exempel impulsraketmotor på tvåkomponentsbränsle, R-4D, skapad för reaktiva styrsystem rymdfarkosten Apollo. Hydrazin används ofta som enkomponentsbränsle. I synnerhet innehåller ett typiskt reaktivt styrsystem för en ansluten satellit, stabiliserat genom rotation (vanligtvis vid en frekvens på ~ 1 s -1), flera par hydrazin impulsraketmotorer dragkraft ~ 20 N vardera. Nackdelarna med hydrazin impulsraketmotorerär förstörelsen och kvalitetsförlusten av katalysatorn med ett stort antal "kalla" inneslutningar. Resursökning impulsraketmotorer uppnås genom att hålla katalysatorn vid en förhöjd temperatur (till exempel 600 K) genom elektrisk uppvärmning av PS. Hydrazin impulsraketmotorer med mer än 1 miljon inneslutningar.

I slutet av 2012 presenterade Yang Juan, professor vid den kinesiska vetenskapsakademin, en översättning av sin uppsats som beskriver en prototyp av en unik elektromagnetisk raketmotor. På pappret ser det mycket mer intressant ut än de jonmotorer som finns tillgängliga idag, om så bara för att det inte kräver förbrukning av en arbetsvätska, men detta är huvudorsaken till tvivel. På senare tid var denna typ av elektriska raketmotorer bara en dröm.

Till skillnad från alla andra typer av raketmotorer måste här acceleration uppnås på grund av riktad mikrovågsstrålning. Att elektromagnetiska vågor skapar tryck har varit känt sedan Maxwells tid, men beskrivningen av EmDrives funktionsprinciper väcker många frågor.

Bildligt talat liknar en sådan motor en mikrovågsugn, till vilken en resonanshålighet i form av en stängd stympad kon har lagts till. I teorin utövar de emitterade mikrovågorna ett tryck på den inre kaviteten, vilket inte kompenseras i endast en riktning. Det är så (enligt Ms Juan) EmDrive får jetframdrivning.

Tyvärr väcker denna funktionsprincip för EmDrive många tvivel och påminner om den sorgliga upplevelsen av att installera en experimentell "framdrivningsanordning utan reaktiv massutstötning" på Yubileiny-satelliten 2008.

Den goda nyheten är att EmDrive åtminstone inte tillhör de ökända inertioiderna – en typ av enhet vars prestanda är omöjlig utan interaktion med den yttre miljön. Tvivel gäller för de flesta av de deklarerade egenskaperna. Förutom att lova längre livslängd jämfört med de bästa jonpropellerna, hävdar EmDrive ungefär tio gånger mindre massa för samma effekt och mer (720 mN) dragkraft. För mer information om EmDrive-utvecklingens historia, se artikeln av Evgeny Zolotov.

När man utforskar rymden kommer energin för EmDrive med största sannolikhet att genereras av de vanliga RTG-modulerna. I den inre delen av solsystemet (villkorligt - upp till huvudasteroidbältet) kan du begränsa dig till solpaneler. Perioden för autonom drift av en rymdfarkost med en elektromagnetisk motor och solbatterier kommer praktiskt taget endast att begränsas av slitage, eftersom den inte har förbrukningsbara komponenter ombord.

=====jon- och plasmaenheter =====

Till skillnad från kemiska framdrivningsmotorer producerar inte jonframdrivningsmotorer det plötsliga och mycket spektakulära utsläppet av heta gaser som i själva verket driver traditionella raketer. Deras dragkraft mäts vanligtvis inte i ton, utan i gram. Om en sådan motor på jorden sätts på ett bord kommer den inte att ha tillräckligt med styrka för att röra sig. Men vad dessa motorer saknar i dragkraft, kompenserar de mer än väl för i drifttid; i vakuumet i yttre rymden kan de arbeta i åratal.

En typisk jonmotor liknar insidan av ett tv-rör - ett kinescope. En elektrisk ström värmer upp glödtråden, vilket i sin tur skapar en ström av joniserade atomer, såsom xenon, som sedan sprutas ut genom ett munstycke. Istället för en stråle av het, explosiv gas, sprutar jonpropellern ut en svag men konstant ström av joner.

Nyligen, som en del av HyperV-projektet, samlades medel in genom Kickstarter för att färdigställa en pulsad plasmamotor. Nästan vilken gas som helst kan användas som arbetsvätska. Motorn i sig lovar att vara mycket billigare att tillverka och driva än befintliga motsvarigheter.

Den största fördelen är mångsidighet. Genom att justera förhållandet mellan dragkraft och specifik impuls kan en motor användas för olika uppgifter.

Plasmamotorär en kraftfullare version av jonisk. Ett exempel på en sådan motor är VASIMR (variabel specifik impuls magnetoplasma raket - magnetoplasma raket med en variabel specifik impuls); för acceleration i rymden använder den en kraftfull plasmaström. Denna motor utvecklades av astronauten och ingenjören Franklin Chang-Diaz. Väte i det värms upp till en temperatur på flera miljoner grader med hjälp av radiovågor och magnetfält. Den mycket heta plasman skjuts sedan ut genom raketmunstycket, samtidigt som den utvecklar betydande dragkraft. På jorden har prototyper av sådana motorer redan skapats och testats, men ingen av dem har ännu flugit ut i rymden. Vissa utvecklingar tyder på att man använder solenergi för att värma plasman i motorn. Andra föreslår att använda energin från kärnklyvning (i detta fall uppstår naturligtvis ytterligare säkerhetsproblem - trots allt måste en stor mängd kärnmaterial skickas ut i rymden och rymdfarkoster är föremål för alla möjliga olyckor).

Men varken jon- eller plasmadrift är tillräckligt stark för att ta oss till stjärnorna. Detta kommer att kräva jetmotorer baserade på helt andra principer. Ett av de stora problemen i designen av ett rymdskepp är den monstruösa mängden bränsle som krävs för att resa även till närmaste stjärna, och den långa tidsperiod som krävs för denna resa.

Teoretiskt gigantiskt solsegel kan nå hastigheter upp till halva ljusets hastighet. Ett fartyg med ett sådant segel skulle bara ta cirka åtta år att nå de närmaste stjärnorna. En mover baserad på denna princip är också bra eftersom alla dess principer redan är kända. För att skapa den krävs det inte att man upptäcker nya fysiska lagar. Å andra sidan ökar andra problem, både ekonomiska och tekniska, till sin fulla potential. Att bygga ett segel flera hundra kilometer tvärs över och bygga tusentals kraftfulla lasrar på månen är en mycket allvarlig ingenjörsutmaning - och tekniken som behövs för att genomföra projektet kanske inte dyker upp snart. (Huvudproblemet med ett interstellärt solsegel är att komma tillbaka. För att få tillbaka skeppet till jorden måste du bygga ett andra batteri med lasrar på månen nära målstjärnan. Eller göra en snabb gravitationsmanöver nära denna stjärna, vilket kommer att hjälpa till att få upp farten för hemresan. Sedan kan lasrarna på månen användas för att bromsa seglet så att fartyget säkert kan landa på jorden.)

=====Rambus Fusion Engine =====

Det finns mer än tillräckligt med väte i universum, så att ett fartyg med en sådan motor skulle kunna samla väte-d.v.s. e. bränsle - längs vägen, i rörelseprocessen i yttre rymden. Som sådan skulle en sådan motor ha en outtömlig och alltid tillgänglig bränslekälla. Det uppsamlade vätet skulle sedan värmas upp till flera miljoner grader – tillräckligt för fusion – och frigöra energi.

Principen för en ramjet-kärnmotor föreslogs 1960 av fysikern Robert Bussard; senare var även Carl Sagan involverad i dess popularisering. Bussard räknade ut att en ramjet med en vikt på ca 1000 ton teoretiskt kunde hålla en konstant acceleration på 1 g, d.v.s. jämförbar med jordens gravitation. Föreställ dig att en sådan acceleration bibehålls under ett år. Under denna tid kommer fartyget att accelerera till 77 % av ljusets hastighet; detta är redan tillräckligt för att seriöst överväga utsikterna för interstellära resor.

Resultaten av dessa studier har varit mycket kontroversiella. Raketerna visade sig vara extremt komplexa och testerna slutade ofta i misslyckande. Mycket starka vibrationer inträffade i kärnkraftsmotorn, skalen på bränslepatronerna sprack och raketen föll isär. Ett annat ihållande problem var korrosion på grund av förbränning av väte vid hög temperatur. Så småningom, 1972, stängdes kärnvapenmissilprogrammet.

=====Pulse Nuclear Drive =====

En annan teoretisk möjlighet är att använda en serie kärnvapenminibomber som framdrivning. Till exempel krävde Orion-projektet successivt utkastande av små termonukleära bomber bakom fartyget så att det kunde "rida" stötvågen från deras explosioner. Teoretiskt sett skulle ett sådant system kunna accelerera en rymdfarkost till hastigheter nära ljusets hastighet.

I slutet av 1950- och 1960-talet noggranna beräkningar gjordes för en interstellär farkost baserad på denna princip. Enligt de mottagna uppskattningarna kan den flyga till Pluto och tillbaka om ett år, samtidigt som den når en hastighet på 10 % av ljusets hastighet. Men även vid denna hastighet skulle det ta 44 år att flyga till närmaste stjärna. Forskare övervägde alternativ när en rymdark med en sådan motor skulle flyga i rymden i flera århundraden; generationer skulle passera i besättningen, och många skulle behöva leva hela sitt liv i denna rörliga värld så att deras ättlingar kunde nå de närliggande stjärnorna.

1959 släppte General Atomics en rapport där de uppskattade storleken på Orion-klassens skepp. Den största versionen, kallad "super-Orion" i rapporten, var tänkt att väga 8 miljoner ton, ha en diameter på 400 m och röra sig på en stötvåg från mer än tusen vätebomber.

Huvudproblemet i samband med detta projekt är möjligheten av förorening av uppskjutningsområdet med nukleärt nedfall. Dyson uppskattar att kärnkraftsnedfall från varje uppskjutning kan orsaka en dödlig form av cancer hos tio personer. Dessutom är den elektromagnetiska pulsen från explosionen så stor att den säkerligen skulle orsaka en hel del kortslutningar i närliggande elektriska system.

Raketskeppet designat av Daedalus-projektet visade sig vara så stort att det skulle ha behövt byggas i yttre rymden. Det var tänkt att väga 54 000 ton (nästan all vikt är raketbränsle) och kunde accelerera till 7,1 % av ljusets hastighet och bära en nyttolast på 450 ton. Till skillnad från Orion-projektet, utformat för att använda små atombomber, Daedalus-projektet involverade användningen av miniatyrvätebomber med en blandning av deuterium och helium-3 och ett tändsystem som använder elektronstrålar. Men enorma tekniska problem och oro för kärnkraftsframdrivning gjorde att Daedalus-projektet också lades på is på obestämd tid.

Longshot-projektet såg mer realistiskt ut och var baserat på användningen av en laserfusionsmotor. Som mål valdes stjärnan Alpha Centauri B. Flygtiden ökade till ett sekel och uppdraget innebar ingen återkomst. Till skillnad från Daedalus-projektet förlitade sig Longshot främst på befintlig snarare än lovande teknik. I det sista skedet blev det uppenbart att fartyget skulle behöva cirka 264 ton av en blandning av helium-3 och deuterium, som inte kunde erhållas i sådana mängder till en rimlig kostnad.

rymdhiss

Problemet är att en kabel till en rymdhiss skulle behöva tåla en spänning på ca 60-100 GPa. Stålet går sönder under en spänning på cirka 2 GPa, vilket gör idén meningslös. Enligt forskarna måste nanorörsfibern i kol klara ett tryck på 120 GPa, vilket är mycket högre än det minimum som krävs. Efter denna upptäckt återupptogs försöken att skapa en rymdhiss med förnyad kraft.

=====Från kanon till himlen =====