Це другий матеріал з серії статей про рідинні ракетні двигуни .
Першу частину присвячено поясненню що таке РРД , що таке тяга та питомий імпульс тяги , на чому працюють РРД .
Я буду використовувати термінологію і факти з неї , так що якщо ви її не читали -- прочитайте .
Спочатку я розповів про те які речовини використовують у якості пального для РРД то в цій статті ми розглянемо як це пальне потрапляє з баків до камери згоряння .
Для цього придумали декілька типів систем подачі і всі вони повинні виконувати задачу подачі всіх компонентів пального до КЗ під відповідним тиском , який більше тиску в КЗ , з необхідною для створення тяги секундною витратою пального і з дотриманням співвідношення компонентів .
О !
Згадав !
Ще одна штука про яку треба розказати , Співвідношення компонентів .
Давайте зробимо хіміко - математичний відступ і трохи розберемося з ним .
Зі шкільного курсу хімії всі пам'ятають що речовини які реагують в якійсь реакції повинні складати певну пропорцію , інакше залишається деяка маса речовини що не прореагувала .
В нашому випадку мова йде про реакцію окислення тобто горіння .
Давайте розглянемо пару кисень - водень .
Реакція горіння цього пального :
Тобто на два моля водню треба 1 моль кисню , або якщо перерахувати в масі то на 4 г водню - 32 г кисню .
Це - стехіометричне співвідношення компонентів , тобто таке при якому все паливо згорає .
Коефіцієнтом співвідношення компонентів називають відношення масової витрати окисника до масової витрати палива , позначають як [ latex ]K_﹛m﹜[ / latex] і в даному випадку [ latex]K_﹛m0﹜=\frac﹛32 ﹜ ﹛4 ﹜ =8[ / latex] .
Нолик в індексі означає що це стехіометричне співвідношення компонентів .
Однак в РРД не використовують стехіометричні суміші - - якщо давати трошки більше палива то молекулярна маса продуктів згоряння падає і це підвищує питомий імпульс тяги .
А також незначно знижує температуру горіння що добре для двигуна .
Для пари кисень - водень оптимальне співвідношення [ latex]K_﹛m﹜=6[ / latex] , тобто в продуктах згоряння буде не тільки вода а й досить багато водню що значно покращує імпульс тяги .
Для того щоб простіше оперувати співвідношенням компонентів і розуміти в яку сторону від стехіометрії відрізняється співвідношення компонентів вводять параметр коефіцієнт надлишку окислювача [ latex]\alpha_﹛ok﹜=\frac﹛K_﹛m﹜﹜﹛K_﹛m0﹜﹜[/ latex].
Таким чином бачимо що оптимальним для водневих двигунів буде [latex]\alpha_﹛ok﹜=\frac﹛6﹜﹛8﹜=0,75[/latex].
Газ у якого [latex]\alpha_﹛ok﹜<1[/latex] є відновлювальним тобто у ньому є надлишок палива , газ з [latex]\alpha_﹛ok﹜>1[/latex] відповідно оксилювальний , а стехіометрична пропорція компонентів відповідно буде мати [ latex]\alpha_﹛ok﹜=1[/latex].
На жаргоні ракетників окислювальний газ називають " кислим " , а відновлювальний по аналогії - - " солодким " .
Ці жаргонізми я і буду використовували .
На цьому закінчимо наш не ліричний відступ .
Так як же нам подавати пальне в камеру ?
Перші експериментальні РРД обходилися силою тяжіння – компоненти самі текли в КЗ .
Але звичайно це не надійний спосіб і удосконалити його досить просто – створити в баках надлишковий тиск і ним виштовхувати пальне .
Так з'явилася
Виштовхувальна схема
В англомовній літературі використовують термін pressure fed .
Все досить просто – надуваємо баки газом , бажано інертним , бажано дуже легким , бажано гелієм але можна і азотом – отримуємо компоненти які витікають з цих баків під тим самим тиском .
Змінюючи тиск в баках змінюємо тиск пального , а значить і його подачу в КЗ і таким чином змінюємо тягу .
Дешево , зручно .
Надувати баки можна не тільки газом з балонів - можна розкладати один з компонентів .
Можна потрошку спалювати обидва компоненти в газогенераторі з [latex]\alpha_﹛ok﹜=1[/latex] і отриманим газом надувати баки .
Можна зробити порохову шашку , помістити її в пороховий акумулятор тиску ( ПАТ ) і надувати баки ним .
В кінці кінців для надуву баків з кріогенними компонентами можна газифікувати ці компоненти і подавати в бак .
Все добре і зручно доки баки маленькі .
Але як тільки вони ростуть у розмірах то вони починають ставати заважкими .
Справа в тому що тиск у баку має бути вищим за тиск у КЗ – інакше ж нічого в камеру не потече .
Наскільки вищим ?
Ну давайте глянемо .
Тиск у баках [ latex]p_﹛t﹜=p_﹛k﹜+ \ Delta p_﹛o﹜+ \ Delta p_﹛p﹜ + \ Delta p_﹛f﹜[ / latex] де [latex]p_﹛k﹜[/ latex] тиск у КЗ , [ latex]\ Delta p_﹛o﹜[/ latex] втрати тиску у тракті охолодження , [ latex] \ Delta p_﹛p﹜[ / latex] втрати тиску у трубопроводах , [ latex]\ Delta p_﹛f﹜[/ latex] перепад тиску на форсунках .
Остання величина може досягати 1 , 5 МПа і чим вона вища тим краще розпилення .
Втрати тиску в тракті охолодження і трубопроводах також не маленькі і може вийти що скажімо при [ latex]p_﹛k﹜ =1[ / latex ]
МПа тиск в баках має бути 3 МПа .
А баки великі і для того щоб зробити їх міцними потрібно збільшувати товщину стінок тобто нарощувати масу баків .
Що як ви розумієте дуже погано з точки зору маси корисного навантаження .
Оптимізаційні розрахунки кажуть що виштовхувальну схему доцільно використовувати для тиску в КЗ не більше ніж 5 МПа .
Далі підвищення [ latex]p_﹛k﹜[ / latex] приведе до непропорційного збільшення маси баків .
А сучасні РРД мають [ latex]p_﹛k﹜ =15 ... 25[/ latex] МПа і більше .
Навіщо , спитаєте ви
Навіщо піднімати тиск у камері РРД ?
А все просто – перш за все для підвищення питомого імпульсу тяги – чим вищий [ latex]p_﹛k﹜[ / latex] тим вищий і імпульс за рахунок збільшення співвідношення тиску в КЗ до тиску на зрізі сопла .
Але збільшення [ latex]p_﹛k﹜[ / latex] також допомагає зменшити розмір і відповідно масу КЗ !
Але ж тиск росте і стінки камери треба робити товщими тобто важчими – скажете ви -- з баками ж так виходить ?
А от і ні .
По-перше КЗ значно менша від баків і збільшення її маси не так сильно впливає на загальну масу конструкції .
А по-друге – а от не обов'язково збільшення тиску КЗ потребує збільшення товщини стінок камери -- вони і так доволі товсті і міцні .
Справа в тому що сучасна конструкція стінки КЗ має в собі канали охолодження .
Тобто така конструкція вже і так витримує тиск в КЗ .
Камери згоряння РРД розраховують спочатку з точки зору газодинаміки - форму і розміри самої камери .
Потім товщину стінок визначають розрахунком тепловідводу і охолодження КЗ - товщину вогневої стінки , розмір каналів .
А вже після цього проводять перевірочний розрахунок міцності в найбільш навантажених місцях .
Мости скажімо проектують розраховуючи розміри через формули міцності .
Ну як мінімум так мають мости проектувати :).
Таким чином виходить що підвищення тиску в КЗ дозволяє підвищити ефективність РРД і одночасно зменшити розміри і масу камери згоряння .
Правда у виштовхувальній схемі збільшення Рк призводить до збільшення маси баків .
Які набагато більші від КЗ .
Що ж тоді робити ?
Як подавати пальне з баків в КЗ ?
Нам потрібен
Насос
Проблему підвищення тиску в камері і необхідність насосу розуміли ще піонери ракетобудування - Годдард і Оберт .
Але задача створення такого агрегату здавалася їм надто складною - він повинен подавати компонент пального під досить великим тиском , при цьому забезпечувати високу продуктивність в десятки , а в сучасних двигунах сотні ба навіть тисячі , кілограм за секунду .
Не забуваємо що як мінімум один , а то і обидва компоненти це кріогенна або хімічно агресивна рідина .
Ну і звичайно цей насос має бути легким і надійним .
Задача здається не простою ...
За свідченням Віллі Лея Вернер фон Браун саме так - складна і незрозуміла - оцінював задачу створення насосу десь в 1939 році коли стало зрозуміло що для Агрегату - 4 , скорочено А - 4 - ракети яка стане відомою світу як V - 2 - потрібна саме насосна подача кисню і спирту .
І тоді він відправився на німецьку фірму , яка випускала різноманітні насоси , порадитися з тамтешніми інженерами .
Віллі Лей в своїй книзі " Ракети і польоти в космос " описує як фон Браун звернувся до конструкторів очікуючи що вони скажуть що це неможливо .
Однак !
Інженери відразу сказали що такі насоси є - їх фірма випускає такі для пожежників .
Прості , надійні , спроможні створювати значний тиск і прокачувати великі об'єми - це все про
Відцентрові насоси
Відцентровий насос це лопаточна машина яка передає кінетичну енергію обертання через лопатки рідині , яку прокачує , збільшуючи її швидкість і тиск .
На відміну від об'ємних насосів - поршневих або шиберних - у відцентрового насосу нема зміни напряму руху , нема потреби в контактних ущільненнях .
Єдиний недолік відцентрових насосів це те що вони потребують тиску рідини на вході для того щоб уникнути її кавітації .
Але чим крутити відцентровий насос ?
Я думаю у фон Брауна і Ко не виникло проблем з пошуком джерела енергії - турбіна .
Тобто лопаточна машина яка перетворює енергію газу або рідини на механічну енергію обертання валу .
Таким чинам десь в 1939-му - 40-му роках під керівництвом фон Брауна , Вальтера Дорнбрегера і Вальтера Ріделя на кульманах в Пенемюнде з'явилися перші креслення того що ми зараз називаємо турбо - насосний агрегат , або скорочено ТНА - серця сучасних РРД .
Десь в той самий проміжок часу коли в підвалах НКВД розстрілювали головного інженера Ракетного НДІ Лангемака , катували Валентина Глушко і ламали щелепу Сергію Корольову ...
Отже з насосом визначилися , з тим що крутити його буде турбіна також менш більш ясно .
От що було не ясно так це чим приводити в рух саму турбіну ?
Отже так з'явився перший РРД з насосною подачею який став дідусем усіх
РРД відкритої схеми
Чому її називають відкритою ?
Та тому що газ після турбіни , його ще називають м'ятим газом , не потрапляє в камеру згоряння і не створює реактивної тяги -- його використовують тільки для приводу ТНА .
Що з ним можна робити після турбіни ?
