Động cơ tên lửa nhiên liệu lỏng

Động cơ tên lửa nhiên liệu lỏng hay Động cơ tên lửa lỏng (ký hiệu ĐTL) là loại động cơ tên lửa sử dụng nhiên liệu tên lửa ở dạng lỏng. Có thể chia ĐTL làm ba loại chính theo số thành phần nhiên liệu là: ĐTL một thành phần, ĐTL hai thành phần và ĐTL ba thành phần.

ĐTL một thành phần

Một số hợp chất hóa học giải phóng năng lượng khi phân hủy, về mặt lý thuyết ta có thể coi đó là nhiên liệu đơn nguyên (VD: CH₃NO₂, NH₄NO₂, N₂H₄, C(NO₂)₄, H₂O₂, v.v.).

ĐTL hai thành phần

Khác với lý thuyết máy nhiệt khi nhiên liệu là chất cháy (ví dụ Động cơ đốt ngoài như Đầu máy hơi nước thì nhiên liệu hay chất cháy là Than đá; Động cơ đốt trong như Ôtô, Xe máy – Xăng, còn như máy bay cánh quạt trước Đại chiến thế giới lần 2 – dầu hàng không), ở trong lý thuyết động cơ phản lực – nhiên liệu là chất oxy hóa (chất "O") và chất cháy (chất "C").

ĐTL ba thành phần

Giống nhiên liệu hai cấu tử ở chỗ gồm chất oxi-hóa và chất cháy, còn cấu tử thứ ba được đưa vào dưới dạng phụ gia để tăng giá trị xung lượng riêng lực đẩy (ví dụ: O₂+H₂+Be, F₂+H₂+Li, O₃+Be+H₂, OF₂+Be+Li+H₂, v.v.).

Lịch sử ra đời và phát triển

Cuối XIX, nhà bác học vĩ đại người Nga - K.E.Tsiolkovskii đã đặt nền móng cho ngành du hành vũ trụ hiện đại. Ông đã đưa ra công thức tính vận tốc của tên lửa:

\Delta v=v_{\text{e}}\ln {\frac {m_{0}}{m_{1}}}

trong đó:

m_{0}

là khối lượng tổng của tên lửa, bao gồm cả nhiên liệu tên lửa,

m_{1}

là khối lượng cuối cùng của tên lửa,

v_{\text{e}}

là xung riêng lực đẩy (

v_{\text{e}}=I_{\text{sp}}\cdot g_{0}

trong đó

I_{\text{sp}}

là xung riêng lực đẩy trong khoảng thời gian và

g_{0}

gia tốc trọng trường,

\Delta v\

là sự thay đổi vận tốc lớn nhất của tên lửa.

Năm 1903, K.E.Tsiolkovskii cho xuất bản công trình quan trọng nhất của ông - "Nghiên cứu không gian bằng thiết bị phản lực" (tiếng Nga - Исследование мировых пространств реактивными приборами), được xem như là luận án đầu tiên về tên lửa.
16/03/1926, GS vật lý, nhà sáng chế nổi tiếng người Mỹ - Robert H. Goddard đã chế tạo và thử nghiệm thành công ĐTL đầu tiên trên thế giới, được gọi là "Nell", sử dụng nhiên liệu O₂(l) + xăng, bay cao khoảng 12,5 m (41 feet) trong 2,5 s và tiếp đất cách đó khoảng 56 m (184 feet).
Năm 1942, ở Đức, Wernher von Braun đã lãnh đạo chương trình chế tạo thành công tên lửa V-2 trên nhiên liệu C₂H₅OH75% + O₂(l) – đây là tên lửa đạn đạo đầu tiên trong lịch sử được chế tạo và thử nghiệm thành công. Tên lửa này thuộc lớp đất đối đất.
Vào thời kì 1954-1957, dưới sự chỉ đạo của Tổng công trình sư nổi tiếng S.P.Korolev, các ĐTL có công suất lớn như RD-107, RD-108 được chế tạo và khai thác sử dụng. Cuối những năm 50, 60 thế kỉ XX, lịch sử loài người có những bước tiến vượt bậc trong lĩnh vực khám phá và chinh phục vũ trụ:

4/10/1957, Liên Xô phóng thành công vệ tinh nhân tạo đầu tiên Spunik-1 nhờ tên lửa đẩy "Kosmos".
12/4/1961, Y.A.Gagarin trở thành người đầu tiên bay vào vũ trụ trên tàu "Vostoc".
20/7/1969, Neil Armstrong cùng hai nhà du hành vũ trụ khác của Mỹ trở thành những người đầu tiên đặt chân lên Mặt Trăng trên tàu Apollo 11 nhờ tên lửa đẩy "Saturn-V".

Nhiên liệu dùng trong ĐTL

Lựa chọn nhiên liệu tên lửa là một trong những bài toán quan trọng nhất trong thiết kế ĐTL. Vì thế tùy vào mục đich, chức năng, điều kiện vận hành, công nghệ sản xuất, bảo quản và vận chuyển đến điểm bắn của tên lửa thì việc lựa chọn này sẽ khác nhau. Một trong những tham số quan trọng nhất của nhiên liệu tên lửa là xung riêng lực đẩy, nhiệt độ làm việc và khối lượng riêng.

Một số tham số nhiên liệu tên lửa^[1]


Chất Oxi-hóa	Chất Cháy	Khối lượng riêng nhiên liệu tên lửa^[2],g/cm³	Nhiệt độ trong buồng cháy,°K	Xung riêng lực đẩy trong chân không, m/s
Oxy	Hydro	0,3155	3250	428
	Dầu hàng không	1,036	3755	335
	DMHBX	0,9915	3670	344
	Hyđrazin	1,0715	3446	346
	Amômiắc	0,8393	3070	323
Đinitơ tetraoxít	Dầu hàng không	1,269	3516	309
	DMHBX	1,185	3469	318
	Hyđrazin	1,228	3287	322
Flo	Hydro	0,621	4707	449
	Hyđrazin	1,314	4775	402
	Pentaboran	1,199	4807	361

Thiết bị và nguyên lý làm việc của ĐTL hai thành phần

ĐTL gồm buồng động cơ (buồng đốt và loa phụt), hệ thống turbin-máy bơm, bình sinh khí, hệ thống điều khiển và các bình chứa nhiên liệu tên lửa.

Các thành phần nhiêu liệu là chất cháy và chất oxi-hóa từ các bình chứa (1), (2) (như trên Sơ đồ ĐTL hai thành phần nhiên liệu) được đưa vào các máy bơm ly tâm (3), (4) và làm chuyển động turbin khí (5). Dưới áp suất cao, các thành phần nhiên liêu được đưa tiếp qua lắp buồng động cơ (12), qua vòi phun và được hòa trộn ở buồng đốt (13). Tại buồng đốt (13), các thành phần nhiên liệu tên lửa được đốt cháy ở nhiệt độ cao sinh ra hỗn hợp sản phẩm cháy ở thể khí. Hỗm hợp hợp này tiếp tục được giãn nở trong loa phụt (14), biến đổi nhiệt năng trong buồng đốt (13) thành động năng hỗn hợp khí trong loa phụt (14). Động năng này tạo thành lực đẩy phản lực của động cơ.

Ưu nhược điểm của ĐTL

Ưu điểm

Cho giá trị xung riêng lực đẩy lớn (lớn hơn 4500 m/s với cặp O₂-H₂ và lớn hơn 3500 m/s với cặp dầu hàng không-O₂).
Điều khiển lực đẩy: khi điều khiển lượng nhiên liệu tên lửa, có thể thay đổi giá trị lực đẩy trong dải lớn như tắt hoàn toàn động cơ sau đó khởi động lại. Điều này là cần thiết để áp dụng đối với các thiết bị vũ trụ.
Khi chế tạo tên lửa lớn như tên lửa đẩy thì sử dụng ĐTL ưu việt hơn ĐTR. Thứ nhất là xung riêng lực đẩy lớn hơn. Thứ hai là nhiên liệu có thể chứa trong các bình chứa riêng biệt qua đó mới đưa vào buồng đốt nhờ hệ thống turbin-máy bơm. Trong ĐTL, các bình chứa có áp suất thấp hơn trong buồng đốt chừng 10 lần nên chính các bình chứa này có thể được chế tạo mỏng và nhẹ. Trong ĐTR, nhiên liệu tên lửa được chứa ngay trong buồng đốt nên áp suất ở đó cần giữ giá trị cao (cỡ khoảng 10 atm) nên buồng đốt ĐTR cần làm dày và nặng hơn, và điều này làm tăng khối lượng tên lửa.

Nhược điểm

ĐTL có cấu tạo phức tạp hơn ĐTR.
Chi phí, thời gian chế tạo tốn kém.

Ứng dụng của ĐTL

ĐTL được sử dụng nhiên trong các tên lửa đẩy nổi tiếng thế giới như Soyuz-U, H-IIB, Ariane-5 ECA, Trường Chinh 2F, v.v. và hệ thống tàu con thoi của Mỹ.

Một số ĐTL nổi tiếng
ĐTL V2 của Đức. Sơ đồ ĐTL này đã trở thành kình điển khi được khai thác hơn nửa thế kỉ. Lực đẩy trên mặt đất — 25 tấn lực. Chuyến bay đầu tiên — năm 1942.
ĐTL RD-107 sử dụng trong tên lửa đẩy Soyuz tại sân bay vũ trụ Baykonur. Chính ĐTL này đã đưa vệ tinh nhân tạo đầu tiên và người đầu tiên lên quỹ đạo. Chuyến bay đầu tiên — năm 1957.
ĐTL F1 sử dụng cho tầng thứ nhất của tên lửa đẩy Saturn-V. Con người đã lên Mặt Trăng nhờ ĐTL này. Lực đẩy trên mặt đất — 691 tấn lực. Chuyến bay đầu tiên — năm 1967.

ĐTL lực đẩy nhỏ

ĐTL lực đẩy nhỏ (LĐN) là ĐTL có lực đẩy nằm trong khoảng 0,01-2500N. Do những đặc điểm khác về cấu tạo và mục đích khai thác sử dụng nên nhiên liệu trong ĐTL LĐN có thể ở thể khí^[3] ĐTL LĐN được ứng dụng nhiều trên các tàu vũ trụ, vệ tinh, tên lửa đẩy làm thiết bị hiệu chỉnh phương hướng hay dùng làm thiết bị giúp các tàu thăm dò lên xuống bề mặt các hành tinh. Ngoài ra, ĐTL LĐN còn được sử dụng trong tên lửa mô hình, trong phòng thí nghiệm nhằm mục đích nghiên cứu, giảng dạy.

Thư viện ảnh

ĐTL RD-108 dùng trong tên lửa đẩy Vostok chở tàu Phương Đông đưa nhà du hành vũ trụ đầu tiên trên thế giới ra ngoài quỹ đạo
Test ĐTL RD-180 dùng trong tầng thứ nhất của tên lửa đẩy Atlas-V của Mỹ
ĐTL Vulcain-2 dùng trong tên lửa đẩy Ariane-5 của Cơ quan vũ trụ châu Âu
Hệ thống máy bơm-turbin của tên lửa V-2 (Đức)
TLĐ Soyuz TMA-7 trong một lần phóng
Tàu con thoi Atlantis chuẩn bị phóng
ĐTL dùng trong hệ thống tàu con thoi của Mỹ
ĐTL RD-171 dùng trong tên lửa đẩy Zenit của Ucraina
TLĐ Trường Chinh-2F trở tàu vũ trụ Thần Châu-5 đưa người Trung Quốc đầu tiên lên vũ trụ

TLĐ Trường Chinh-2F trở tàu vũ trụ Thần Châu-5 đưa người Trung Quốc đầu tiên lên vũ trụ
ĐTL LE-7A dùng cho tầng thứ nhất của TLĐ H-IIB của Nhật đã giúp đưa vệ tinh nhỏ F-1 của Việt Nam ra ngoài không gian trên tàu vận tải HTV-3
Test ĐTL RS-68 dùng trong TLĐ nổi tiếng Delta IV của Mỹ
TLĐ Proton-K nổi tiếng của Nga đưa modul "Ngôi sao" của trạm ISS lên quỹ đạo

Xem thêm

Tham khảo

^ Конструкция и проектирование жидкостных ракетных двигателей. Камеры / Д. И. Завистовский, В. В. Спесивцев. Учеб. пособие. — Харьков: Национальный аэрокосмический университет «Харьковский авиационный институт», 2006. — 122 с.
^ Усреднённая плотность топлива рассчитывается как суммарная масса компонентов, отнесённая к их суммарному объёму.
^ Alexander A. Kozlov, Aleksey G. Vorobiev and others. Development Liquid Rocket Engine of Small Thrust With combustion chamber from carbon - ceramic composite material.

Liên kết ngoài

http://www.lpre.de/index.htm
http://kbhmisaeva.ru/main.php?id=33 Lưu trữ 2016-03-20 tại Wayback Machine
http://www.jpl.nasa.gov/news/index.cfm Lưu trữ 2012-08-04 tại Wayback Machine
Bộ môn ĐCTL MAI^{[liên kết hỏng]}
Bộ môn ĐCTL Bauman

[1] Конструкция и проектирование жидкостных ракетных двигателей. Камеры / Д. И. Завистовский, В. В. Спесивцев. Учеб. пособие. — Харьков: Национальный аэрокосмический университет «Харьковский авиационный институт», 2006. — 122 с.

[2] Усреднённая плотность топлива рассчитывается как суммарная масса компонентов, отнесённая к их суммарному объёму.

[3] Alexander A. Kozlov, Aleksey G. Vorobiev and others. Development Liquid Rocket Engine of Small Thrust With combustion chamber from carbon - ceramic composite material.

[1]

[2]

[3]