¿Qué es Motor de cohete?

Es un motor a reacción que tiene su propio propulsor y no depende del aire exterior, es el único motor que puede funcionar en el espacio fuera de la atmósfera. La energía se convierte en energía cinética del fluido de trabajo (medio de trabajo) en el motor del cohete, que forma un chorro de alta velocidad para producir empuje.

Breve historia

La pólvora es uno de los cuatro grandes inventos de la antigua China. Los cohetes hechos de pólvora negra son los primeros motores de cohetes de propulsante sólido. En los siglos XIII al XIV, la aplicación de cohetes de pólvora se generalizó cada vez más. Los lanzacohetes se construyeron en Europa en el siglo XIX y la pólvora negra de baja energía se utilizó como propulsor hasta principios del siglo XX.

En 1903, Rusia .. Tsiolkovsky se dedicó a la investigación sobre el uso de tecnología de cohetes para la navegación interestelar y propuso por primera vez el uso de propulsores líquidos de mayor energía.

Más tarde, RH Goddard de los Estados Unidos y H. Obert de Alemania también propusieron sucesivamente la idea de utilizar motores de cohetes de propulsión líquida como potencia de propulsión en el espacio. En enero de 1926, Goddard desarrolló un motor de cohete líquido utilizando oxígeno líquido-gasolina como propulsor y realizó su primera prueba de vuelo.

Durante la Segunda Guerra Mundial, Alemania desarrolló el motor cohete líquido A-4. El propulsor utilizado fue oxígeno-alcohol líquido. El sistema de suministro de la bomba turbo se utiliza para reducir significativamente el peso de la estructura, y se utiliza en las armas de cohetes V-2, creando así la historia del desarrollo moderno de los cohetes.

Después de la guerra, Estados Unidos y la Unión Soviética desarrollaron la primera generación de misiles balísticos utilizando oxígeno líquido como oxidante basado en la tecnología alemana de cohetes líquidos, y los equiparon sucesivamente con tropas. Para acortar el tiempo de preparación del lanzamiento de misiles y facilitar el mantenimiento y el uso, este propulsor fue reemplazado gradualmente por propulsor líquido almacenable y propulsor sólido.

En 1955, se desarrolló con éxito el propulsor compuesto de caucho de polisulfuro y perclorato de amonio de alta energía, y se logró un progreso significativo en el diseño de granos y la tecnología de fabricación, lo que redujo en gran medida el peso de la estructura sólida del motor del cohete, lo que hizo posible la fabricación de un sólido de gran tamaño motor de cohete.

El avance tecnológico de los motores de cohetes sólidos ha acelerado el desarrollo de misiles sólidos, como misiles lanzados desde submarinos, misiles lanzados desde dispositivos móviles terrestres y misiles intercontinentales sólidos (ver misiles).

La tecnología de cohetes líquidos mejora día a día, aprovechando al máximo las ventajas de alto rendimiento, gran adaptabilidad, gran capacidad de carga y uso confiable, convirtiendo la industria aeroespacial de un ideal en una realidad. En octubre de 1957, la Unión Soviética lanzó con éxito el primer satélite terrestre artificial del mundo y, en abril de 1961, lanzó con éxito una nave espacial tripulada con un cohete líquido.

Desde entonces, Estados Unidos ha desarrollado especialmente una serie de motores de cohetes líquidos para la industria aeroespacial, como un solo motor F-1 de oxígeno líquido-queroseno con un empuje de 6670 kN (680 toneladas de fuerza), J-2 oxígeno líquido-hidrógeno líquido. motor y almacenamiento Motores propulsores de aterrizaje lunar y varios motores de control de actitud, etc.

El vehículo de lanzamiento "Saturn" 5 propulsado por estos motores (ver vehículo de lanzamiento "Saturno") logró su primera misión tripulada a la luna en julio de 1969. Durante este período, la Unión Soviética también desarrolló el motor de dimetilhidrazina asimétrica de oxígeno líquido -119 y el motor -253 con un empuje de 2450 kN (250 toneladas de fuerza), que se utilizaron en la segunda etapa del vehículo "Cosmos". cohete La primera etapa del cohete "Protón".

El primer vuelo exitoso del transbordador espacial estadounidense "Columbia" en 1981 marcó un nuevo desarrollo en la tecnología de motores de cohetes, desde un uso único hasta un uso reutilizable. El motor principal del transbordador espacial adopta un ciclo de combustión suplementario de alta presión.

El empuje de vacío es de 2090 kN (213 toneladas de fuerza), la vida útil es de 7,5 horas, el número de usos es más de 50 veces y el impulso específico es 455 segundos. El empuje puede ser 50% 109 del empuje nominal según sea necesario. El ajuste dentro del rango de%, el control de los parámetros y programas de trabajo del motor, y la detección de las condiciones de trabajo de cada componente son completados por la computadora .

La moderna tecnología de propulsión de cohetes de China se ha desarrollado desde finales de la década de 1950. El primer satélite terrestre creado por el hombre se lanzó en 1970 y se lanzaron 15 satélites uno tras otro.

En mayo de 1980 y octubre de 1982, se lanzaron con éxito vehículos de lanzamiento desde la base de pruebas y el submarino hasta la zona marítima prevista. En abril de 1984, se lanzó con éxito un satélite de comunicaciones de prueba.

Países como Francia y Japón también están involucrados en el desarrollo de vehículos de lanzamiento. Francia ha lanzado con éxito el cohete portador "Ariane", cuya tercera etapa utiliza un motor de hidrógeno líquido de oxígeno líquido HM-7 con un empuje de 60 kN (aproximadamente 6 toneladas de fuerza). Japón está desarrollando un motor de hidrógeno líquido de oxígeno líquido LE-5 con un empuje de 98 kN (10 toneladas de fuerza).

Clasificación

Los motores de cohetes se clasifican en motores de cohetes químicos, motores de cohetes nucleares y motores de cohetes eléctricos según el tipo de energía que forma la energía del flujo de gas.

El motor de cohete químico se compone principalmente de una cámara de combustión y una boquilla. El propulsor químico es tanto una fuente de energía como un fluido de trabajo.

Lleva a cabo una reacción exotérmica en la cámara de combustión para convertir la energía química en energía térmica para generar gas combustible a alta temperatura, que se expande y acelera a través de la boquilla y convierte la energía térmica en energía de flujo de gas a alta velocidad (1500 5000 metros). / seg) se descarga desde la boquilla para generar empuje. Los motores de cohetes químicos se dividen en motores de cohetes líquidos, motores de cohetes sólidos y motores de cohetes de propulsante mixto según el estado del propulsor.

Los motores de cohetes líquidos utilizan propulsores almacenables que son líquidos a temperatura ambiente y propulsores criogénicos que son líquidos a bajas temperaturas.

Tienen las características de alto rendimiento, gran adaptabilidad y capacidad para arrancar varias veces, lo que puede cumplir con varios requisitos de las naves espaciales para sistemas de propulsión. , como El impulso específico del motor de oxígeno líquido-hidrógeno líquido puede ser tan alto como 480 segundos, y el número de arranques del motor bajo el control de actitud del propulsor de la unidad puede alcanzar cientos de miles de veces.

El propulsor del motor cohete sólido adopta una solución sólida coloidal de materia orgánica que contiene combustible y oxidante en la molécula (propulsor de doble base) o una mezcla mecánica de varios componentes propulsores (propulsor compuesto), que se instala directamente en la cámara de combustión con impulso específico Hasta 300 segundos, estructura simple, fácil de usar, se puede almacenar durante mucho tiempo en un estado listo para lanzar y es adecuado para varios misiles estratégicos y tácticos.

El motor de cohete de propulsante mixto generalmente contiene combustible sólido en la cámara de combustión, y el oxidante líquido es suministrado por el tanque de almacenamiento. El impulso específico del motor es de aproximadamente 260 segundos. Tiene las características de los motores de cohete líquido y sólido. Tiene Se ha utilizado en el sistema de propulsión de la aeronave objetivo.

Los motores de cohetes nucleares utilizan combustible nuclear como energía e hidrógeno como medio de trabajo, que libera energía térmica de la reacción nuclear o la desintegración radiactiva. El medio de trabajo calentado se expulsa a alta velocidad (6500-11000 m / s) después de la expansión y aceleración a través de un boquilla para generar empuje.

Los motores de cohetes nucleares aún se encuentran en etapa experimental. Los principales problemas son la protección radiológica, la contaminación de los gases de escape, el control del reactor y el diseño de intercambiadores de calor de alta eficiencia.

El motor de cohete eléctrico utiliza energía eléctrica para acelerar el medio de trabajo, formando un chorro de alta velocidad y expulsándolo del avión para generar empuje. Proporcionada por la potencia eléctrica aeronave por energía nuclear o solar en energía química, generado, los caudales de gas de escape hasta × 1,8 10 ^4. ~ 10 ^5. M / s, un muy alto impulso específico, pero el empuje es pequeña ( 10 ^{- . 5} ~. 5 × 10 ^{- . 3} bovinos o 10 ^{- . 6} ~. 5 × 10 ^{- . 4} ), un espacio adecuado para mucho tiempo. Este motor se utilizó en la nave espacial "Vostok" de la Unión Soviética en 1964.

Se cree que el motor del cohete de fotones tiene la mayor eficiencia, y el empuje del motor es generado por el flujo direccional de radiación electromagnética cuántica (fotones), pero esto sigue siendo una exploración teórica.

Aplicación

Los motores de cohetes se utilizan principalmente en los sistemas de propulsión de vehículos de lanzamiento, naves espaciales y misiles.

Los vehículos de lanzamiento y los vehículos de lanzamiento de etapas múltiples utilizan principalmente motores de cohetes químicos. Cada tipo de motor tiene un propósito específico, como refuerzo, motor principal, motor de natación, etc.

Nave espacial "Los motores de cohete se pueden utilizar como el sistema de propulsión principal y los sistemas auxiliares de la nave espacial, como el cambio y corrección orbital, el control de actitud, los motores propulsores de hundimiento y apogeo, etc.

El motor de cohete químico es la forma principal de sistema de propulsión de una nave espacial. Los motores de cohetes eléctricos se han utilizado para aplicaciones preliminares, como el control de actitud de los satélites y el mantenimiento de la posición.

Los misiles,los motores de cohetes sólidos y los motores de cohetes líquidos almacenables se usan ampliamente en varios misiles estratégicos y tácticos, y también se pueden usar en la subguía de ojivas múltiples, ojivas móviles y sistemas de propulsión auxiliares para la guía de terminales.

Otros usos incluyen cohetes y propulsores de despegue de aviones de alta velocidad, drones, torpedos y cohetes sonoros.

Tendencia de desarrollo:

la tecnología de motores de cohetes químicos es relativamente madura y ampliamente utilizada, y seguirá siendo el principal sistema de propulsión para naves espaciales y misiles.

El nuevo motor de cohete químico se utilizará en vehículos gigantes de órbita baja, vehículos de transferencia de órbita alta, orbitadores planetarios exteriores, vehículos espaciales orbitales primarios y sistemas de transporte espacial reciclables y reutilizables. La nueva generación de motores cohete tendrá las características de alto rendimiento, larga vida útil, alta adaptabilidad, reutilización y fácil mantenimiento.

El desarrollo técnico de los motores de cohetes se manifestará en: el uso de propulsores de alta energía para mejorar el rendimiento de la combustión; el uso de nuevos materiales, nuevos procesos y nuevos diseños estructurales para reducir el peso del motor y mejorar el rendimiento de la aeronave; el uso de computadoras para detectar y controlar automáticamente, aumentar la relación de área de las toberas a gran altitud y utilizar toberas extensibles en dimensiones geométricas restringidas, y desarrollar nuevos motores de combustible dual.

La nueva tecnología de propulsión se mejorará gradualmente y se pondrá en uso. Se prevé que el sistema de propulsión solar-eléctrica de alto impulso específico y de larga duración se pueda aplicar a satélites de órbita alta y sondas planetarias, y la tecnología de propulsión nuclear se podrá utilizar en futuros sistemas de propulsión espacial.