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?
