Чем отличаются основные ракетные двигатели, где их применяют и почему тяга не равна эффективности.
Химические двигатели
Ракета движется, выбрасывая массу назад; атмосфера ей не нужна. В твёрдотопливном двигателе горючее и окислитель заранее находятся в твёрдой смеси. Он прост и даёт большую тягу, но после запуска обычно плохо регулируется и не выключается.
Жидкостный двигатель подаёт компоненты из баков в камеру сгорания. Он сложнее, зато допускает управление тягой и повторные включения. Криогенные компоненты эффективны, но требуют теплоизоляции; долгохранимые удобны для аппаратов, однако некоторые токсичны.
Гибридный двигатель сочетает твёрдый и жидкий компоненты. Он может быть безопаснее в хранении и регулируемее твёрдотопливного, но имеет свои ограничения по горению и конструкции.
Электрическая тяга
Ионные и холловские двигатели разгоняют рабочее тело электрическим полем. Их тяга мала, зато удельный импульс высок: аппарат может месяцами экономно менять скорость. Для старта с Земли они не подходят, но эффективны в космосе.
Существуют также холодногазовые, монокомпонентные и другие малые двигатели ориентации. Ядерные тепловые и солнечные паруса относятся к перспективным или специальным системам и решают другие задачи.
Как выбирать тип
Нельзя назвать один двигатель лучшим. Стартовая ступень требует большой тяги; разгон межпланетного аппарата ценит экономию рабочего тела; посадка требует управляемости и надёжного запуска. Сравнивают тягу, удельный импульс, массу, хранение, стоимость и риск.
Ракета, двигатель и назначение
Баллистическая и крылатая ракета различаются траекторией и аэродинамическим полётом, а твёрдотопливный и жидкостный — типом двигателя. Эти классификации нельзя смешивать. Одна ракета может иметь несколько ступеней с разными двигателями; космический носитель оценивают по полезной нагрузке и орбитальной задаче, а не только по максимальной скорости.
Ступени и сопла
Многоступенчатая схема сбрасывает пустые баки и двигатели, уменьшая массу, которую разгоняют следующие ступени. Сопло преобразует давление и тепловую энергию газа в направленную скорость истечения. Геометрия оптимальна для определённого внешнего давления, поэтому вакуумные сопла обычно имеют большую степень расширения.
Основные показатели
Тяга показывает силу, удельный импульс — эффективность расходования рабочего тела, тяговооружённость — способность ускорять аппарат при данной массе. Высокий удельный импульс бесполезен для старта, если тяга слишком мала. Также важны надёжность, возможность повторного запуска, глубокое дросселирование и токсичность компонентов.
Управление полётом
Направление тяги меняют поворотом камеры или сопла, малыми двигателями и аэродинамическими органами на участке в атмосфере. Пусковая установка обеспечивает опору и подготовку, но не определяет физический тип двигателя. Для пилотируемых задач добавляются требования аварийного спасения и ограничения перегрузки.
Что читать дальше
- Планета Девять: найдена ли она и зачем её ищут
- Протопланетный диск: как из газа и пыли рождаются планеты
