Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.
В настоящее время для космических аппаратов (КА), в том числе малых, разработано и эксплуатируется большое количество вариантов двигательных установок, однако подавляющее большинство конструкций относится к двигателям малой тяги. Малая тяга затягивает выполнение даже низкоэнергичных маневров, усложняет системы управления и делает невыполнимыми такие задачи, как, например, контролируемое сведение с орбиты.
Простейшим, наиболее дешёвым и безопасным вариантом двигателя большой тяги для КА, обеспечивающим, тем не менее, энергетику на уровне газореактивных двигательных установок, является двигатель на основе эффекта мгновенного испарения, обычно называемый паровой ракетой.
Паровая ракета — вариант ракетного двигателя, использующий для создания тяги энергию перегретой жидкости. Жидкость в баке высокого давления нагревается электронагревателем, что приводит к повышению ее температуры и давления насыщенных паров.
После открытия выхода из бака струя жидкости истекает из него, быстро испаряясь при давлении, пониженном в сравнении с давлением в баке. Кипение приводит к дроблению капель, а пар занимает подавляющую часть объема сопла, так что истечение по сути является газовым с наличием конденсированной фазы (несмотря на то, что массовая доля пара не превосходит нескольких десятков процентов). При этом давление насыщенного пара в противоположной части бака вытесняет жидкость в сопло, а её кипение поддерживает давление пара, так что двигатель работает при почти постоянном давлении.
Наиболее распространены работы с использованием в качестве рабочего тела воды (германская ракета Aquarius Берлинского университета [1], EcoRocket румынской компании ARCA и пр.). При температуре 200...250 °С вода развивает давление насыщенных паров в 40...50 атмосфер, обеспечивая удельный импульс около 40 с на уровне моря (Aquarius). При снижении рабочей температуры давление вытеснения может поддерживаться при добавлении в воду 2...5 % этанола, что позволяет при давлении в 5 бар и температуре около 130 °С получить удельный импульс 17...20 с (ARCA). Также известны опыты с паровой ракетой на аммиаке, обеспечившей удельный импульс в вакууме 34 с при давлении 8,5 бар (ВХ-1, Китай) [2].
За счет частичного испарения рабочего тела паровая ракета на воде превосходит пневмогидравлические ракеты по удельному импульсу (17...40 с против 3...9 с при тех же давлениях) и простоте предпусковой подготовки, химические — безопасностью в хранении и обращении (не содержит ядовитых и взрывчатых веществ, также проще в заправке и перевозке).
Исследователями Дюссельдорсфского университета было предложено [3] проводить расчёты удельного импульса паровой ракеты на основе допущений о сохранении энтропии и полной энергии потока, однако результаты расчетов по этой методике так и не были опубликованы, в том числе для случая истечения в вакуум. В данной работе подход немецких учёных был дополнен допущениями о равновесном характере течения парогазовой среды в сопле, обоснованным высокой скоростью испарения в вакуум, а также о пропорциональности потерь удельного импульса объемной доле конденсированной фазы в потоке. Полученные результаты были валидированы по ранее опубликованным экспериментальным данным других исследователей [4].
Расчёты показывают, что, например, при давлении насыщенного пара 40 бар температура в баке достигает 250 °С, что обеспечивает значение удельного импульса с учётом потерь при давлении на срезе сопла 0,1 бар на уровне 583 м/с, что приблизительно соответствует обеспечиваемому в адиабатическом процессе азотом при той же температуре и степени расширения. При этом плотность перегретой воды составляет около 800 кг/м3, что превосходит показатели для азота более чем в 20 раз! Это обуславливает пропорциональное снижение массы бака и практически трехкратный рост массовой энергоотдачи (полного импульса, отнесённого к массе) ДУ. Расход энергии на подогрев воды при этом составит около 1 МДж на килограмм.
Паровые ракеты в силу конструктивной простоты обещают высокую надежность и безопасность даже при разрыве бака (кипяток моментально измельчается, испаряется и остывает). Поскольку создаваемая паровой ракетой тяга достаточно велика, как и развиваемое давление, большая часть испытаний может проводиться при атмосферном давлении, без потребности в высокочувствительных датчиках тяги.
Потенциально высокая надежность и безопасность, обеспечиваемая паровыми ракетами, позволяет применять их для транспортного обслуживания пилотируемых космических станций — в средствах передвижения космонавтов, для управления движением свободнолетающих модулей, стыковочных операций и запуска со станции малогабаритных спускаемых аппаратов (для которых паровыми могут быть и посадочные двигатели). Отсутствие давления и высокой температуры в баке вне времени использования ДУ наряду с доступностью и безопасностью воды как рабочего тела позволят вести работы с ней внутри герметичного объема станции без дополнительной сертификации.
Также перспективной задачей для паровой ДУ является использование в составе малогабаритных разгонных блоков, задачей которых является кластерное выведение и разведение по орбитам наноКА. Анализ типовых потребностей этого рынка показывает, что наиболее часто востребованным является разведение аппаратов по фазе и долготе восходящего узла орбиты, что не требует значительной энергетики и позволяет проявиться эксплуатационным преимуществам паровой ДУ.
Наряду с созданием тяги возможно перспективным является использование паровых ракет в качестве источников горячего парогаза. Они могут быть использованы, например, для испарения жидкой среды в системах наддува баков ракет-носителей и разгонных блоков. Автономность такого источника и способность обеспечивать подачу высокоэнтальпийной среды для смешивания с испаряемой дают им существенные преимущества перед альтернативой в виде испарения теплом работающего двигателя. При этом масса перегретой воды для испарения жидкого азота составляет около трети от его массы, что дает существенный выигрыш по весовой отдаче по сравнению с использованием баллонов высокого давления. Охлажденная же вода может быть отфильтрована из потока газа перед подачей в баки циклонным фильтром.
Итого, паровая ракета имеет ряд потенциально значимых применений в ракетно-космической технике, обладает высокой эффективностью и безопасностью, а также требует минимальных затрат на создание и отработку по сравнению с альтернативными способами решения вышеописанных задач.
