Kosminiai galiūnai ir judintuvai

Ariane 5, Delta IV, Energija Buran, F1, Merlin, PД-171M, RD-180, Falcon Heavy, N1, Saturn V, Space Shuttle Saturn V start

Ariane 5, Delta IV, Energija Buran, F1, Merlin, PД-171M, RD-180, Falcon Heavy, N1, Saturn V, Space Shuttle – tekstas apie raketas ir kitus kosmoso dalykus

Visatai tyrinėti, kosminių stočių statybai, Mėnulio, Marso ir kt. objektų kolonizavimui (tai kolei kas greičiau fantastiniai projektai – astronautika.lt pastaba) reikia vis galingesnių priemonių, transportuojančių masyvesnius erdvėlaivius bei krovinius. Jau 60 metų dažniausiai naudojami reaktyviniai raketiniai 2-3 pakopiai kompleksai, varomi cheminiu būdu (deginant efektyvų kurą) generuojamais dujų srautais. Pradedant 1957 metais, į kosmosą startavo per 5400 galingų raketų (450 – nesėkmingai), kainavusių galybes lėšų, darbo sąnaudų ir net aukų. Tik vienam žmogui pakelti kosmosan reikia bent 500 t masės raketinio komplekso, kurio 95 % sudaro kuras ir oksidatorius.

Prisiminus erdvėlaivio įgreitinimo nuo Žemės dėsningumus (žr. „Kosminė logistika“), darytina išvada, kad norint efektyvinti reaktyvinius varytuvus, racionalu būtų didinti srauto tūtoje greitį. Tačiau to padaryti nepavyksta dėl ribotos temperatūros degimo kamerose (vengiant sienelių lydymosi). Kuras ir oksidatorius iš milžiniškų bakų siurbiami (ir stumiami helio dujomis) į degimo kameras (dažniausiai dvisienes aušinamas), kur chemiškai jungiasi (dega) 3000 – 4500 oC temperatūroje bei srūva iš tūtos bent 4,5 km/s greičiu. Kuo didesnis šio srauto debitas (kg/s) ir greitis (km/s), tuo didesnė išvystoma reaktyvinė jėga (stūma, N). Beje, erdvėlaivio greitinimą dar menkina ir gravitacinė bei aerodinaminė varžos (Saturn I-os pakopos atveju prarandama 1,2 km/s ir 0,05 km/s atitinkamai). Greičiau srūva dalelės iš elektromagnetinių varytuvų (iki 100 km/s), branduolinių (50 km/s). Fotoniniai, helioterminiai, lazeriniai turi dar kitokių pranašumų, bet sunkiau įgyvendinami.

Galingiausieji raketiniai kompleksai

Pavadinimas Metai, sėkmė/nesėkmė Masė, t Matmenys, m Stūma, MN Krovinys, t, LEO/TLI Starto kaina, mln USD
Saturn V (Apollo 17) 1967-1973 13/0 2970 o10x111 35 118 (47) 494
Energija-Buran 1987-1988 2/1 2400 x58 29,6 98 240
Space Shuttle (2002) 1981-2011 135/2 2030 50x24 36,2 29,5 450
SLS-B2 Projektavimas 2460 o8x93 32 130 (70) 500
Falcon Heavy Projektavimas 1463 o4x68 17,6 53 125
Titan 4B 1997-2005 17/2 943 o5x51 14 21,9 (8,6) 350
Delta 4 2002-2013 31/0 825 o5x71 8,9 25,8 (9) 260
Ariane 5 1996-2015 83/2 778 o5x53 11,4 21 180
N1 1969-1972 4/4 2787 o22x105 41,36 90 (23,5) -

LEO – orbita apie Žemę, maždaug 260 km aukščio; TLI – pereinamoji orbita skrydžiui į Mėnulį.

Galingiausi (per 100 GW, o pvz IAE – 3 GW) raketiniai kompleksai sudaromi iš daugelio varytuvų ir greitintuvų, dažniausiai lygiagretaus montavimo būdu, kurį dar 1650 m. aprašė mūsų tautietis K.Semenavičius veikale „Didysis artilerijos menas“. Ilgą laiką efektyviausiu laikytas sovietinis PД-171M, dabar konkuruoja amerikietiškas Merlin.

Ariane 5, Delta IV, Energija Buran, F1, Merlin, PД-171M, RD-180, Falcon Heavy, N1, Saturn V, Space Shuttle Saturn Apollo 11Saturn V kelia Apollo 11 erdvėlaivį

Ariane 5, Delta IV, Energija Buran, F1, Merlin, PД-171M, RD-180, Falcon Heavy, N1, Saturn V, Space Shuttle Energija Buran Energija Buran ruošiami startuiAriane 5, Delta IV, Energija Buran, F1, Merlin, PД-171M, RD-180, Falcon Heavy, N1, Saturn V, Space Shuttle EnergijaEnergija starto aikštelėje

Ariane 5, Delta IV, Energija Buran, F1, Merlin, PД-171M, RD-180, Falcon Heavy, N1, Saturn V, Space Shuttle STS-11981 balandžio 12, netrukus startuos Space Shuttle erdvėlaivis

Ariane 5, Delta IV, Energija Buran, F1, Merlin, PД-171M, RD-180, Falcon Heavy, N1, Saturn V, Space Shuttle Titan IVBTitan IV B startas

Ariane 5, Delta IV, Energija Buran, F1, Merlin, PД-171M, RD-180, Falcon Heavy, N1, Saturn V, Space Shuttle DeltaIV_H2bigRaketa Delta IV

Ariane 5, Delta IV, Energija Buran, F1, Merlin, PД-171M, RD-180, Falcon Heavy, N1, Saturn V, Space Shuttle Ariane V rocket startAriane 5 startas

Ariane 5, Delta IV, Energija Buran, F1, Merlin, PД-171M, RD-180, Falcon Heavy, N1, Saturn V, Space Shuttle N1 rocket startN1 raketos startasAriane 5, Delta IV, Energija Buran, F1, Merlin, PД-171M, RD-180, Falcon Heavy, N1, Saturn V, Space Shuttle N1 rocket

Vienu metu 30 variklių neveikė

Raketinių kompleksų varytuvai

Ariane 5, Delta IV, Energija Buran, F1, Merlin, PД-171M, RD-180, Falcon Heavy, N1, Saturn V, Space Shuttle F1 engine and von BraunRaketos Saturn V kūrėjas Verner von Braun prie I-osios pakopos variklių F1

Ariane 5, Delta IV, Energija Buran, F1, Merlin, PД-171M, RD-180, Falcon Heavy, N1, Saturn V, Space Shuttle F-1 engine Saturn rocketRaketos Saturn V variklis F1Ariane 5, Delta IV, Energija Buran, F1, Merlin, PД-171M, RD-180, Falcon Heavy, N1, Saturn V, Space Shuttle Merlin-1D engine variklis Merlin D1Ariane 5, Delta IV, Energija Buran, F1, Merlin, PД-171M, RD-180, Falcon Heavy, N1, Saturn V, Space Shuttle RD-171M engineVienas iš efektyviausių raketinių variklių RD-171MAriane 5, Delta IV, Energija Buran, F1, Merlin, PД-171M, RD-180, Falcon Heavy, N1, Saturn V, Space Shuttle RD-180 engineJAV raketos Atlas variklis RD-180

Ariane 5, Delta IV, Energija Buran, F1, Merlin, PД-171M, RD-180, Falcon Heavy, N1, Saturn V, Space Shuttle RS-68A engineRaketos Delta IV variklis RS-68AAriane 5, Delta IV, Energija Buran, F1, Merlin, PД-171M, RD-180, Falcon Heavy, N1, Saturn V, Space Shuttle SuperDraco engineNaujausias Falcon variklis Super Draco

Pavadinimas (kompleksas) Matmenys, m Masė, t Stūma, kN Impulsas, s Kuras/Oksidatorius
F1 (Saturn V) o3x5 8,6 6770 263 Žibalas/skystas deguonis
РД-171M (Zenit 3) o3,6x4,02 10,3 7904 337 Žibalas/skystas deguonis
РД-180 (Atlas) o3,6x4,4 10,26 4152 338 Žibalas/skystas deguonis
Merlin D1 (Falcon) o1x2,4 0,45-0,49 825 340 Žibalas/skystas deguonis
SuperDraco (Dragon) o0,2x0,55 73 268 Nitrogentetraoksidas/monometilohidrazinas
RS-68A (Delta IV) o2,43x5,2 6,75 1992 414 Vandenilis/deguonis

Kietojo kuro greitintuvai gali sukurti net didžiąją dalį stūmos, pvz Space Shuttle naudoti SRB (Solid Rocket Booster) kiekvienas – 12,15 MN.

Tolimų kelionių erdvėlaiviams geriau tinka mažo galingumo ilgai veikiantieji joniniai varytuvai, pasižymintys impulsyvumu; pvz, 10 kg kroviniui nugabenti į Marsą reikėtų:

Varytuvo tipas Reaktyvinio srauto greitis, km/s Savitasis impulsas, s Kuro masė, t Savitoji galia, kW/N Energingumas, MJ/kg
Kietojo kuro 1 100 190 0,5 0,5
Skystojo kuro 5 500 8,2 2,5 12,6
Joninis 50 5000 0,62 25 1250

Reaktyvinę stūmą generuoja jonizuotos ksenono, argono ar kt. dujos, srūvančios pro elektrinį ir magnetinį laukus 20-50 m/s greičiais. Srautas yra mažo intensyvumo, todėl stūma – nedidelė (lyg paspirtuko), bet ilgai veikianti (keletą metų). Jonizavimo procesui reikia elektros šaltinio – dažniausiai saulės elementų. Nuo 1993 metų (pirmojo palydovo su joniniu varikliu startas) iki 2013 metų pabaigos buvo paleista 236 įvairius palydovai su skirtingų tipų joniniais varikliais.

Joniniai varytuvai

Pavadinimas Kuras Elektrinė galia, kW Stūma, mN Savitasis impulsas, s Masė, kg Misijų skaičius
PPS-1350 Ksenonas 1,35 68 1640 5,3 2
NSTAR Ksenonas 2,3 92 3300 20,5 2
NEXT Ksenonas 7,7 327 4300 0
HiPEP Ksenonas 25-50 460-670 6000-9620 0
VASIMR Argonas 200 5000 3000-12000 620 0
DS4G Ksenonas 250 2500 19300 5 0

Ariane 5, Delta IV, Energija Buran, F1, Merlin, PД-171M, RD-180, Falcon Heavy, N1, Saturn V, Space Shuttle PPS-1350 ion thrusterPPS-1350 joninis varytuvas

Vienas ankstyvesnių PPS-1350 joninis (Hall principo) varytuvas sėkmingai funkcionavo Švedijos satelite SMART-1, kuris 2003 – 2006 metais orbitavo aplink Mėnulį. Išeikvojęs apie 80 kg ksenono dujų (iš baliono 15 MPa), satelitas buvo nukreiptas Mėnulio paviršiun 2 km/s greičiu ir sudužo.

NSTAR veikė erdvėlaivyje Deep Space 1 1998-2009 metais, tyrinėjant asteroidus ir kometas, o trys tokie joniniai varytuviukai tebeveikia tyriklyje Dawn (str. „Tolimiausieji erdvėlaiviai“).

Ariane 5, Delta IV, Energija Buran, F1, Merlin, PД-171M, RD-180, Falcon Heavy, N1, Saturn V, Space Shuttle Deep Space NSTAR ion thruster testAriane 5, Delta IV, Energija Buran, F1, Merlin, PД-171M, RD-180, Falcon Heavy, N1, Saturn V, Space Shuttle Deep Space NSTAR ione thrusterAriane 5, Delta IV, Energija Buran, F1, Merlin, PД-171M, RD-180, Falcon Heavy, N1, Saturn V, Space Shuttle NSTAR ion thrusterNSTAR joninis variklis

NEXT (NASA Evolutionary Xenon Thruster) dar tobulinamas, siekiant geresnio efektyvumo.

VASIMR (Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket) radijo bangomis gamina plazmą ir įgreitina ją magnetiniu lauku.

Ariane 5, Delta IV, Energija Buran, F1, Merlin, PД-171M, RD-180, Falcon Heavy, N1, Saturn V, Space Shuttle DS4G ion engineDS4G joninis varytuvas

Erdvėlaivių ir satelitų trajektorijoms koreguoti, kaip ir astronautų lokomocijoms (str. „Kosminės lokomocijos“) naudojami įvairūs varytuviukai „paspirtukai“:

Pavadinimas Masė, kg Matmenys, cm Stūma, N Savitasis impulsas, s
S 10/1 (Crysler) 0,35 L13.8 10 287
РДМТ10 0,35 16.4x8.2x7.9 12 295
17Д58ЭФ 0,55 13.7x8.8x4.3 12,5 274
MR-106D 0,6 21-41 227-234
ДОТ-5 0,9 5 2255 m/s
11Д428А 1,5 о9.8x27.4 131 291
R-1E-3 (Boeing) 1,6 L10 110 291

Ariane 5, Delta IV, Energija Buran, F1, Merlin, PД-171M, RD-180, Falcon Heavy, N1, Saturn V, Space Shuttle 11D428A engine11D428A mikrovarytuvas Ariane 5, Delta IV, Energija Buran, F1, Merlin, PД-171M, RD-180, Falcon Heavy, N1, Saturn V, Space Shuttle RDMT10RDMT10 mikrovarytuvas

Kosminių prietaisų pavaroms taikomi varytuviukai mikriukai (15x10x1 mm – net mažesni už 1 cento monetą), veikiantieji 0,01-0,1 s trukmės impulsais bent 1 mN stūma. Juose tiekiamas hidrazinas 0,5-5 mg/s skyla „Shell-405“ katalitiniame reaktoriuje, kaista, garuoja ir srūva pro reaktyvinę tūtelę.

Daugelio erdvėlaivių padėčiai palaikyti skriejimo trajektorijoje naudojami giroskopiniai įtaisai, dar vadinami girodinais. Keičiant jų vidaus kinetinius parametrus, pvz, pagreitinant ar sulėtinant smagračio sukimąsi, išvystomi jėgų momentai, judinantys erdvėlaivį reikiamu kampu. Tad tokie giroskopiniai įtaisai vadintini kampiniais judintuvais. Net didžiulės TKS padėtį reguliuoja 4 judintuvai, kiekviename kurių sukasi 6600 aps/min 100 kg plieninis diskas 4880 N.m.s kinetiniu momentu.

Ariane 5, Delta IV, Energija Buran, F1, Merlin, PД-171M, RD-180, Falcon Heavy, N1, Saturn V, Space Shuttle Control Moment Gyroscope PlatformCMG (control moment giroscope) sistema

Giroskopiniai judintuvai

Pavadinimas Kinetinis momentas, N.m.s Judinimo momentas, N.m Masė, kg Matmenys, cm
СГК-3 3 1 5,4 3.16x2.05x2.1
СГК-100 100 100 25,6
CMG 15-45S 15 45 15,7 o27x35
CMG mini 0.08 0,172 0,6 4.8x4.8x9.1
CMG 1000 1.2 30

Ariane 5, Delta IV, Energija Buran, F1, Merlin, PД-171M, RD-180, Falcon Heavy, N1, Saturn V, Space Shuttle CMG15-45S girodineCMG15-45S girodinas


Komentarai apie “Kosminiai galiūnai ir judintuvai”

Parašykite komentarą

El. pašto adresas nebus skelbiamas. Būtini laukeliai pažymėti *