रॉकेट प्रौद्योगिकी की सूक्ष्म कठिनाइयाँ। भाग 2: ठोस ईंधन इंजन

पहले लेख की टिप्पणियों में , उन्होंने मुझे ठीक से बताया कि मैंने ठोस प्रणोदक इंजनों के बारे में बिल्कुल भी बात नहीं की, जो अंतरिक्ष यात्रियों में उपयोग किए जाते हैं। वास्तव में, यहां तक ​​कि एक साधारण शैक्षिक कार्यक्रम भी एक लेख में फिट नहीं हुआ। इसलिए, मैं उन लोगों को आमंत्रित करता हूं जो अगली कड़ी को पढ़ने की इच्छा रखते हैं।

प्राचीनता की परंपराएँ गहरी

नौवीं शताब्दी में काले (धुएँ के रंग का) बारूद का आविष्कार चीनियों ने किया था। और पहले से ही ग्यारहवीं शताब्दी में काले पाउडर ("वुजिंग जोंगयाओ" 1044) पर सैन्य रॉकेट के निर्माण के दस्तावेजी सबूत हैं:

केंद्र में रॉकेट के डिजाइन पर ध्यान दें। सैन्य मिसाइलों की यह व्यवस्था आठ सौ से अधिक वर्षों तक अपरिवर्तित रही, बीसवीं शताब्दी की शुरुआत तक, और इसके साथ अभी भी आतिशबाजी का उत्पादन किया जा रहा है!
मानव विचार अभी भी खड़ा नहीं था। पहले से ही 1409 में, कोरिया कई लॉन्च रॉकेट सिस्टम ( हवचा ) के साथ आया था:

एक चीनी अधिकारी, वांग हू के बारे में एक किंवदंती भी है, जो लगभग सोलहवीं शताब्दी में एक कुर्सी, दो पतंगों (किंवदंती के सभी संस्करणों में नहीं) और सैंतालीस मिसाइलों (जाहिर तौर पर हवचा जैसे गोले से) से एक तंत्र को इकट्ठा किया था:

काश, उस समय के आविष्कारक अज्ञानता से निडर थे, उन्होंने उड़ान डिजाइन परीक्षणों की पद्धति के बारे में नहीं सोचा था, और अत्यधिक आशावाद से पीड़ित थे। इसलिए, पहला परीक्षण आखिरी था। जब इंजन गर्माया और धुआं साफ हुआ, तो न तो वांग हू और न ही उसका उपकरण मिला।
पूर्व (मंगोल, ओटोमन्स) के विजेता के साथ मिसाइलें यूरोप में आईं। बहुत शब्द "रॉकेट" इतालवी "छोटे धुरी" से है। विभिन्न तीव्रता के साथ, पूरे यूरोप और एशिया में मिसाइलों का इस्तेमाल किया गया था।
अगला उल्लेखनीय चरण चौथा एंग्लो-मैसूर युद्ध (1798-1799) था। दुनिया में पहली बार मैसूर की मिसाइलों में एक स्टील का खोल, विभिन्न उद्देश्य (आग लगाने वाले, किनारों को काटने वाले विरोधी) और बड़े पैमाने पर इस्तेमाल किए गए थे। टीपू सुल्तान की मिसाइल कोर ने कुल पाँच हज़ार लोगों की हत्या की।

अंग्रेजों से प्रभावित, जिन्होंने सेरिंगपटमा में ट्रॉफियों के रूप में सैकड़ों मिसाइलों को भी कब्जा कर लिया, ने तकनीक को फिर से बनाने का फैसला किया। इसलिए कांग्रेव मिसाइलों का जन्म हुआ, जो व्यापक रूप से नेपोलियन के युद्धों और उसके बाद के संघर्षों में उपयोग किए गए थे, और यहां तक ​​कि अमेरिकी गान के लिए भी लीक हो गए थे।

उन्नीसवीं सदी के मध्य से शुरू, राइफल वाले तोपखाने ने रेंज और सटीकता दोनों में रॉकेटों को पीटना शुरू कर दिया, और ह्वाचा प्रकार के साल्वो आवेदन को भुला दिया गया। इसलिए, सैन्य मिसाइलों ने धीरे-धीरे मंच छोड़ दिया, हालांकि, पहले विश्व युद्ध में भी उनका उपयोग किया गया था। चित्रित किया गया है फ्रेंच न्यूपर -16, हवाई जहाजों और गुब्बारों का मुकाबला करने के लिए ले प्रियर मिसाइलों के साथ। एक हवाई जहाज पर इलेक्ट्रिक फ्यूज और इंस्टॉलेशन के बावजूद, ये ग्यारहवीं शताब्दी के चीनी के समान लेआउट के अच्छे पुराने पाउडर रॉकेट हैं।

मैं "कत्यूषा" के पास गया

काले पाउडर पर मिसाइलें पाउडर की सीमाओं के कारण अधिक जटिल और शक्तिशाली नहीं बनीं। बड़े कैलिबर के एक बैच में स्थिर मापदंडों के साथ पाउडर चेकर बनाना असंभव था और कम से कम कुछ सेकंड के लिए जल रहा था। ठोस रॉकेट के विकास के लिए नई सामग्री की आवश्यकता थी। उन्नीसवीं शताब्दी के अंत में, धुआं रहित पाउडर का आविष्कार किया गया था। हालांकि, रॉकेट को तोपखाने के धुआं रहित बारूद का उपयोग करके नहीं बनाया जा सकता था। धुआं रहित रॉकेट प्रणोदक की खोज शुरू हुई।
यूएसएसआर में तिखोमीरोव और आर्टेमयेव की गैसडायनामिक प्रयोगशाला ने इस मामले में सबसे बड़ी सफलता हासिल की। उन्होंने तथाकथित निर्माण किया बैलिस्टिक बारूद, जिसमें से पहले से ही पर्याप्त बड़े टुकड़े बनाना और उन्हें रॉकेट में डालना संभव था। इसके अलावा, समय में उन्हें वॉली फायर का विचार याद आया। इसी तरह से कत्युशा का जन्म हुआ - विमानन के लिए आरएस -82 और आरएस -133 गोले, जमीन की स्थापना के लिए एम -8 और एम -13। बारूद, उनके प्रकार और उत्पादन के बारे में अधिक जानकारी यहाँ पाई जा सकती है ।

प्रौद्योगिकी में प्रगति ने इस तथ्य को जन्म दिया कि द्वितीय विश्व युद्ध के दौरान, यूएसएसआर अन्य देशों की तुलना में अधिक सक्रिय रूप से ठोस-ईंधन सैन्य मिसाइलों का उपयोग करता था। हथियार बहुत प्रभावी निकला, हवा, जमीन, जहाज वाहक से इस्तेमाल किया गया था, एक बड़ी रेंज या कैलिबर के नए संशोधनों को विकसित किया गया था।

प्रतिरोधी ब्लेंड सार्जेंट

बैलिस्टिक पाउडर की अपनी भौतिक सीमाएँ थीं। चेकर का अधिकतम व्यास सेंटीमीटर में मापा गया था, और सेकंड में जलने का समय। अगर वॉन ब्रॉन चाहते थे, तो भी वे बैलिस्टिक बारूद पर फ़ॉ -2 नहीं बना सकते थे। एक नए प्रकार के ठोस ईंधन की आवश्यकता थी। वे तथाकथित हो गए मिश्रित ईंधन ("रबर ईंधन")। 1942 में, जॉन पार्सन्स ने डामर का उपयोग करके मिश्रित-ईंधन इंजन की पहली प्रतियां बनाईं । और घटकों के साथ प्रयोगों में पाया गया कि मोटर ब्लॉक के दहन मापदंडों, मोल्डिंग और भंडारण में सुधार करने के लिए सबसे प्रभावी ईंधन अमोनियम परक्लोरेट (ऑक्सीकरण एजेंट), एल्यूमीनियम और पॉलीयुरेथेन (ईंधन) और पॉलीब्यूट्यूडेन का मिश्रण है। मिश्रित-ईंधन इंजन वाली पहली मिसाइल सार्जेंट एमजीएम -29 (पहली उड़ान - 1956) थी, जिसके इंजन का व्यास 0.7 मीटर था और 34 सेकंड के लिए काम किया था। यह एक गुणात्मक सफलता थी - एक मिसाइल जिसका वजन 4.5 टन था और 10 मीटर की लंबाई 0.8 टन प्रति 135 किमी के वजन वाले एक वारहेड को छोड़ सकती थी, और ईंधन भरने के लिए ईंधन के घटकों और दसियों मिनट के वाहनों के काफिले की आवश्यकता नहीं थी।

मध्यम दूरी की मिसाइलों के बाद, मिश्रित ईंधन पर मिनीमैन आईसीबीएम विकसित किया गया था। इसी तरह की सोवियत परियोजनाओं के साथ तुलना करके इसके फायदे देखे जा सकते हैं। तथ्य यह है कि यूएसएसआर में कोरोलेव ने बैलिस्टिक बारूद (आरटी -1) पर बैलिस्टिक मिसाइल बनाने की कोशिश की और सबसे खराब प्रदर्शन (आरटी -2) के साथ सोवियत निर्माण के मिश्रित ईंधन पर। विशेषताओं की तुलना बहुत स्पष्ट है:

इस तथ्य पर ध्यान दें कि RT-1 रॉकेट में बैलिस्टिक पाउडर चेकर्स के व्यास पर प्रतिबंध के कारण वास्तव में चार अलग-अलग इंजनों की एक असेंबली करना आवश्यक था। RT-2 और "Minuteman" में एक बड़ा चेकर है, लेकिन पहले चरण में 4 नोजल हैं।

ठोस ईंधन इंजन की विशेषताएं

एक बहुत ही उच्च जोर इंजन बनाने की क्षमता

इतिहास का सबसे शक्तिशाली रॉकेट इंजन स्पेस शटल सॉलिड-फ्यूल एक्सिलरेटर था। इसका प्रारंभिक जोर 1250 टन है, और चोटी का मूल्य 1400 टन तक पहुंच जाता है, जो कि सबसे शक्तिशाली रॉकेट इंजन (F-1 और RD-170) के जोर से लगभग 1.8 गुना अधिक है। ऑपरेशन में सबसे शक्तिशाली इंजन भी ठोस ईंधन है - ये "एरियन -5" साइड बूस्टर हैं, उनका जोर 630 टन है।

ट्रैक्शन प्रोफाइल डिजाइन के दौरान निर्दिष्ट किया गया है

LRE को थ्रॉटल किया जा सकता है - जोर की परिमाण बदलने के लिए, कभी-कभी बहुत बड़ी रेंज में। ठोस-ईंधन इंजन अनियंत्रित रूप से जलता है, और जोर मूल्य केवल एक विशेष प्रोफ़ाइल के आंतरिक चैनल का उपयोग करके समायोजित किया जा सकता है। अलग-अलग चैनल प्रोफाइल आपको समय में अलग-अलग कर्षण प्रोफाइल की अनुमति देते हैं:

आपातकालीन शटडाउन में असमर्थता

सॉलिड-स्टेट ठोस प्रणोदक चालू होने के बाद, इसे बंद नहीं किया जा सकता है। स्पेस शटल साइड बूस्टर पर विस्फोटक आरोप लगाए गए थे ताकि एक भयावह विफलता की स्थिति में वे एक मनमानी दिशा में उड़ान न भर सकें। शटल की सभी उड़ानें लोगों के साथ हुईं, और ज्ञान कि एक विशेष व्यक्ति ( आरएसओ ) बंकर में बैठा था, जो दुर्घटना की स्थिति में त्वरक को विस्फोट करेगा, घबराहट में जोड़ा गया। 1986 की दुर्घटना में चैलेंजर पक्ष के बूस्टर एक केंद्रीय टैंक विस्फोट से क्षतिग्रस्त नहीं हुए थे और कुछ सेकंड बाद उड़ा दिए गए थे।

पुनः आरंभ करने में असमर्थता

यह पिछले पैराग्राफ से बहती है। प्रत्येक समावेश के लिए, एक इंजन के साथ एक अलग चरण होना आवश्यक है। यह बूस्टर ब्लॉक के लिए महत्वपूर्ण है, जिसे पहले से ही कई बार अंतरिक्ष में शामिल किया जाना चाहिए।

ट्रैक्शन कटऑफ

यदि आवश्यक हो, समय से पहले सामान्य रूप से संचालित ठोस प्रणोदक रॉकेट इंजन को बंद कर दें (उदाहरण के लिए, जब एक अधूरी सीमा पर शूटिंग करते समय वांछित गति में तेजी आती है), तो केवल एक चीज जो तथाकथित हो सकती है कर्षण कटऑफ। विशेष प्रभार दहन कक्ष के ऊपरी हिस्से को खोलते हैं, शून्यकरण कर्षण। इंजन अभी भी थोड़ी देर के लिए काम करता है, लेकिन लौ दोनों तरफ से टूट जाती है, जो वास्तव में गति को नहीं जोड़ती है।

कम विशिष्ट आवेग

एक ठोस प्रणोदक रॉकेट इंजन का विशिष्ट आवेग (ईंधन दक्षता का एक उपाय) एक तरल प्रणोदक रॉकेट इंजन की तुलना में कम है। यह इस तथ्य की ओर जाता है कि युद्ध में आईसीबीएम आमतौर पर एक कदम अधिक होता है। लिक्विड यूआर -100 और आर -36 में दो चरण होते हैं, जो कि बैलिस्टिक में इष्टतम होते हैं, और ठोस ईंधन "टोपोल" में तीन चरण होते हैं। इसलिए, ठोस प्रणोदक रॉकेट मोटर्स की द्रव्यमान उत्कृष्टता बदतर है।

निर्माण और संचालन में आसान

दहन कक्ष में ईंधन डालने के बाद, यह स्थिरता में रबड़ के समान हो जाता है और अतिरिक्त संचालन की आवश्यकता नहीं होती है। रॉकेट इंजन पर बूस्टर ब्लॉक के विपरीत, जिसे फिर से ईंधन भरना चाहिए और स्पेसपोर्ट में जांचना चाहिए, ठोस प्रणोदक रॉकेट इंजन वाले बूस्टर ब्लॉक निर्माता से तैयार होते हैं। ठोस प्रणोदक रॉकेट इंजन के साथ लड़ाकू मिसाइलें भी निर्माता से तैयार होकर आती हैं और कर्मियों द्वारा अतिरिक्त ईंधन संचालन की आवश्यकता के बिना दशकों से ड्यूटी पर हैं। निष्पक्षता में, यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि तरल प्रणोदक रॉकेट इंजन के साथ सैन्य ICBM भी खदान में ईंधन भरने की आवश्यकता के बिना निर्माता "ampouled" से आते हैं।

प्रबंधन तंत्र की जटिलता

तरल प्रणोदक रॉकेट इंजन में, TNA के बाद घटकों का चयन करना और नोजल को ख़राब करने के लिए हाइड्रोलिक स्टीयरिंग मशीनों में उनका उपयोग करना संभव है। ठोस प्रणोदक रॉकेट इंजन में ऐसी कोई संभावना नहीं है, इसलिए स्टीयरिंग कारों के लिए शक्तिशाली बैटरी या जनरेटर स्थापित करना आवश्यक है। उदाहरण के लिए, स्पेस शटल ठोस-ईंधन त्वरक पर विशेष गैस जनरेटर थे जो व्यक्तिगत टैंकों से हाइड्राजीन को जलाते थे और हाइड्रोलिक स्टीयरिंग मशीनों को खिलाते थे जो उड़ान नियंत्रण के लिए नोजल को विक्षेपित करते थे। नाइट्रोजन टेट्राक्साइड के साथ टैंक , जिन्हें विषम नलिकाओं के माध्यम से नियंत्रित नोजल के माध्यम से इंजेक्ट किया गया था, उन्होंने टीटीयू आरएन "टाइटन -4" पर जोर की विषमता पैदा की।
तरल ईंधन पर उन्मुख करने के लिए अलग इंजनों को त्वरित ब्लॉकों पर स्थापित किया जाना है, और इंजन के संचालन की अवधि के लिए पदोन्नति द्वारा स्थिरीकरण आवश्यक है।

पुनर्योजी शीतलन की असंभवता

दहन कक्ष की दीवारों को ईंधन से अलग किया जाता है जो अभी तक जलाया नहीं गया है, यह ठोस प्रणोदक रॉकेट इंजन का एक पूर्ण प्लस है, लेकिन स्थिति नोजल के साथ विपरीत है। यह मामला इस तथ्य से जटिल है कि ठोस ईंधन का दहन तापमान अधिक है, और दहन उत्पादों में एक तरल प्रणोदक रॉकेट इंजन की तुलना में बहुत अधिक क्षरण प्रभाव होता है। नोजल का दहन उत्पादों द्वारा किया जाता है, जो नोजल के ज्यामितीय मापदंडों के उल्लंघन के कारण इंजन को और खराब कर देता है। घटकों के प्रवाह के बिना जो नोजल को ठंडा कर सकते हैं, अन्य तरीकों का आविष्कार करना होगा। उनमें से दो हैं - विकिरण और वाष्पीकरण (पृथक्करण) द्वारा ठंडा करना। क्रिटिकल सेक्शन (सबसे अधिक भार के साथ नोजल का सबसे संकरा हिस्सा) बहुत कठोर और ऊष्मा रोधी सामग्रियों (विशेष रूप से उपचारित ग्रेफाइट) से बना होता है, कम भरा हुआ भाग ऊष्मा रोधी सामग्रियों से बना होता है। अधिक विवरण यहां पाया जा सकता है ।
लेकिन ये समाधान एक कीमत पर आते हैं - ठोस प्रणोदक नोजल तरल प्रणोदक रॉकेट इंजन की तुलना में भारी है। इस हब से प्राप्त तस्वीरों में यह बहुत स्पष्ट रूप से देखा गया है:

लेफ्ट रॉकेट इंजन, राइट सॉलिड प्रोपेलेंट रॉकेट इंजन

निष्कर्ष

आधुनिक रॉकेट तकनीक में RTTT को चार मुख्य निचे मिले:

1. सैन्य मिसाइलें। ठोस प्रणोदक रॉकेट इंजन अंतरमहाद्वीपीय और अन्य मिसाइलों के इंजनों की उच्च लड़ाकू तत्परता, सरलता और विश्वसनीयता प्रदान करते हैं।
2. बूस्टर शुरू करना। एक बहुत शक्तिशाली और सस्ते इंजन बनाने की क्षमता का उपयोग तब किया जाता है जब जमीन से अधिक कुशल, लेकिन कम शक्तिशाली एलआरई को फाड़ने के लिए आवश्यक होता है।
3. त्वरण ब्लॉक। व्यापकता, सादगी, विश्वसनीयता, उद्योग को आत्मसात करने, भंडारण में आसानी ने संयुक्त राज्य अमेरिका में बूस्टर ब्लॉक के रूप में ठोस प्रणोदक रॉकेट मोटर्स के व्यापक उपयोग का नेतृत्व किया। ठोस प्रणोदक रॉकेट इंजन की विशिष्ट गति हेप्टाइल / एमाइल जोड़ी की तुलना में केवल ~ 10% कम है (आरबी आईयूएस का द्रव्यमान कॉस्मोड्रोम के कम अक्षांश के कारण ब्रीज-एम से भी कम है, और अंतरिक्ष में डेढ़ गुना अधिक कुशल हाइड्रोजन / ऑक्सीजन ब्लॉक का उपयोग नहीं किया गया था) शटल ", जिसने हाल ही में बड़ी संख्या में उपग्रह लॉन्च किए थे।
4. आतिशबाजी और रॉकेट मॉडलिंग। एक छोटे से ठोस प्रणोदक रॉकेट प्रोपेलर के निर्माण की सादगी इस तथ्य को जन्म देती है कि रॉकेट का उपयोग आतिशबाजी (लगभग निश्चित रूप से काली बारूद) और रॉकेट मॉडलिंग में किया जाता है। सरल घर-निर्मित या खरीदे गए फॉर्मूलेशन (दुकानों में मानक) आपको मनोरंजन और प्रशिक्षण के लिए छोटे रॉकेट बनाने की अनुमति देते हैं।

PS तीसरा भाग भी होगा। तरल ईंधन के प्रकारों के बारे में, चरणों का आकार, लॉन्च सुविधाएं और धन। बहुत जल्द नहीं - एक लेख के माध्यम से।