Двигательные установки работают при определенной скорости полета — четыре или пять чисел Маха. Такая скорость обеспечивает надлежащее сжатие воздуха и стабильное сгорание топлива.
Обзор материалов, используемых в космической технике
Материалы, используемые для создания космических аппаратов и ракет, должны выбираться с учетом эксплуатационных требований. Исходя из опыта эксплуатации космической техники, стало очевидно, что важным фактором является деградационное воздействие космической среды на различные космические материалы и степень, в которой это влияет на надежность конструкции. Среди рассматриваемых категорий — конструкции самих космических аппаратов, а также орбитальные и космические устройства терморегулирования, защита от радиации и метеоритных ударов, оптические системы, солнечные батареи, смазочные материалы, уплотнения и клеи.
Компоненты транспортных средств, не подвергающихся прямому воздействию космоса, должны отвечать определенным требованиям, особенно для пилотируемых транспортных средств, для которых важны токсичность и воспламеняемость. Защита от разрушения и контроль загрязнения также важны, при этом предъявляются дополнительные требования к технологичности. Важно помнить, что фактический материал необходимо предварительно протестировать, чтобы понять его фактические характеристики в исходном состоянии, так как они могут значительно отличаться от предполагаемого дизайна.
Какие металлы используются для создания ракет
Ракета должна выдерживать большие стартовые нагрузки и быть как можно легче, поэтому материалы, используемые в космической технике, должны полностью учитывать эти два фактора. В большинстве ракет в качестве материала для фюзеляжа используется алюминий или титан аэрокосмического класса, поскольку оба металла очень прочные и легкие одновременно.
Для будущих ракет рассматривается возможность использования углеродных композитных структур, но на данном этапе развития космической техники предложения по таким материалам пока находятся на экспериментальной стадии.
Если ракета должна вернуться на Землю (как Space Shuttle), то плитки теплозащиты должны быть изготовлены из кварцевого волокна, так как оно является отличным изолятором. Затем эти волокна покрываются стеклом для повышения эффективности.
Самовосстанавливающиеся материалы
Устройства, которыми мы пользуемся каждый день, обычно перестают работать по трем разным причинам:
- Старение. Большинство материалов разлагаются постепенно, иногда в течение очень долгого времени (древесина гниет, когда ее поедают микроорганизмы или насекомые, даже пластмассы разлагаются через несколько сотен лет — или даже раньше, если подвергаются воздействию тепла и света).
- Износ из-за постоянного использования (одна из основных причин — трение: компоненты, которые постоянно двигаются вперед-назад, разрушаются от усталости).
- Дефекты: Некоторые компоненты внезапно ломаются, когда приложенные силы (напряжения и/или деформации) вызывают быстрое распространение внутренних трещин или других дефектов.
Для инженера по материалам третья проблема — самопроизвольное разрушение — является самой опасной и трудноразрешимой. При регулярном осмотре и обслуживании легко обнаружить гнилую древесину или ржавое железо, но гораздо сложнее обнаружить микротрещины, скрывающиеся в конструкциях. Эти проблемы определяют поиск искусственных материалов, которые ведут себя подобно человеческому телу: Они обнаруживают дефект, предотвращают его возникновение и затем устраняют проблему в кратчайшие сроки.
Наиболее известные самовосстанавливающиеся вещества представляют собой встроенные микрокапсулы, заполненные химическим клеем, который может восстанавливать повреждения. Когда материал внутри трескается, капсулы разрываются, ремонтный материал «плавится» и трещина закрывается. Примером может служить нанесение эпоксидного герметика на бетонную стену с помощью пневматического дозатора.
Известны системы самовосстановления, состоящие из тонких сосудистых шлангов, ведущих в резервуары под давлением. Когда возникает поражение, давление сбрасывается на одном конце шланга, перекачивая лекарство туда, где оно необходимо. Этот метод позволяет заделывать трещины в десять раз большие, чем метод микрокапсул, но он более медленный, поскольку ремонтному веществу приходится преодолевать большее расстояние. Это может стать проблемой, если трещина распространяется быстрее, чем ее ремонтируют.
К самовосстанавливающимся материалам также относятся стали и сплавы с эффектом памяти и обратимые полимеры, использующие тепловой эффект.
Любая конструкция, которую мы запускаем в космос, обычно состоит из двух частей: космического аппарата и ракеты-носителя. Из-за гравитации Земли, сопротивления воздуха и плотности атмосферы основной вес конструкции ложится на ракету-носитель, которая должна вывести полезную нагрузку на орбиту.
Композитный криогенный бак
Специалисты НАСА разработали и испытали технологии для снижения веса ракет-носителей.
Композитные криогенные баки — это контейнеры для хранения компонентов сжиженного ракетного топлива. Они изготовлены из композитных материалов, которые снижают их вес на 30 процентов. Еще одним преимуществом нововведения является снижение затрат. Это объясняется тем, что тонкие слои композитного материала не нужно закаливать при высоких температурах. Проект имеет большой потенциал, поскольку испытания прошли успешно.
Многоразовая одноступенчатая ракета
Российские разработчики работают над созданием новой многоразовой одноступенчатой ракеты-носителя под названием «Корона».
Общий срок его службы составит около ста полетов. Это аппарат вертикального взлета и посадки со взлетной массой триста тонн (последняя версия). Эксплуатационные расходы будут снижены, а надежность ракеты повысится.
Короне нужен эффективный жидкостный ракетный двигатель, работающий на водороде и кислороде. Такой двигатель еще не разработан, но Россия и Америка активно работают над ним.
Ускорение при помощи лазера
Российские ученые из Санкт-Петербурга предложили интересную идею ускорения самолетов с помощью лазеров. Метод основан на лазерной абляции, при которой вещества нагреваются и сжигаются с помощью лазерного излучения. После нагрева оно отражается от объекта и заставляет его двигаться в направлении, противоположном источнику излучения. Скорость газов, выходящих из сопла, увеличивается в сверхзвуковом диапазоне, а масса топлива уменьшается.
Российские специалисты из объединения «Энергомаш» разработали новое топливо для ракетных двигателей. Он представляет собой смесь сжиженного аммиака и высокой концентрации ацетилена. Он намного дешевле водорода, что не наносит ущерба бюджету.
Инженеры создадут двигатель на основе кислородно-керосинового двигателя РД-161. Его энергоэффективность на 30 % выше, чем у предшественников.
Двигатели являются самой важной частью ракеты-носителя. Они создают тягу, которая выводит ракету в космос. Но когда речь идет о ракетных двигателях, мы не должны думать о двигателях под капотом автомобиля или лопастях несущего винта вертолета. Ракетные двигатели — это нечто совершенно иное.
Носовой конус
Верхняя часть ракеты имеет коническую форму, чтобы изменить поведение входящего воздушного потока и уменьшить сопротивление. Внутри этого конуса находится камера, в которой могут размещаться спутники, вспомогательное оборудование, растения или животные. Внешняя поверхность диффузора разработана таким образом, чтобы выдерживать экстремальные температуры, возникающие при аэродинамическом нагреве.
Корпус
В корпусе ракеты размещаются ракетное топливо, окислитель и двигатель. Топливо и окислитель вместе образуют ракетное топливо. Топливо — это химическое вещество, которое не может гореть или приводить в действие ракетный двигатель без окислителя (кислорода). Поскольку ракеты летают в космосе (где нет воздуха), они должны нести кислород.
Количество топлива и окислителя, которое необходимо перевозить, точно рассчитывается для каждой миссии. Ракета может оторваться от земли только в том случае, если она создает тягу, превышающую общую массу аппарата. Большая масса означает, что вам нужен более мощный двигатель, которому, в свою очередь, требуется больше топлива. Поэтому каждый грамм веса имеет значение, а масса ограничена самым необходимым.
В типичной ракете около 90% общей массы составляет топливо, 6% — конструкция (фюзеляж, двигатель, крылья) и 4% — полезная нагрузка (космонавты, спутники, дополнительные приборы, продукты).
Крылья
Крылья крепятся к нижней части корпуса ракеты. Они обеспечивают устойчивость во время полета. Другими словами, они поддерживают ориентацию транспортного средства и запланированную траекторию. Они функционируют так же, как и крылья в задней части стрелы. Тяга во флюгере удерживает хвост назад, так что кончик стрелы летит прямо на ветер.
Без крыльев ракета потеряла бы управление через несколько секунд после отрыва от стартовой площадки. Это происходит потому, что на автомобиль одновременно действует множество сил (аэродинамика, гравитация и сила, создаваемая двигателем). Как только центр тяжести опускается ниже центра давления, ракета становится неустойчивой.
При проектировании ракеты конструкторы учитывают несколько факторов, таких как форма, количество, размер и расположение крыльев. Обычно они располагаются в хвосте, если только ракета не оснащена встроенной автоматической системой наведения.
