Це другий матеріал із 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 використовуватиму 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 , а 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 більший за тиск у 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 .
Зробімо хіміко - математичний відступ і трохи розберімося з ним .
Зі шкільного курсу хімії всі пам'ятають , що речовини , які реагують у якійсь реакції , повинні складати певну пропорцію , інакше залишається деяка маса речовини , що не прореагувала .
В нашому випадку мова йде про реакцію окислення , тобто горіння .
Розгляньмо пару кисень - водень .
Реакція горіння цього пального :
Тобто на два молі водню треба 1 моль кисню , або якщо перерахувати в масі , то на 4 г водню — 32 г кисню .
Це — стехіометричне співвідношення компонентів , тобто таке , за якого 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] .
Нулик в індексі означає , що це стехіометричне співвідношення компонентів .
Однак у 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 окислювальний , а стехіометрична пропорція компонентів відповідно буде мати [ latex]\alpha_﹛ok﹜=1[/latex].
На жаргоні ракетників окислювальний газ називають " кислим " , а відновлювальний за аналогією — " солодким " .
Ці жаргонізми я і буду використовувати .
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 вдосконалити 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 із цих баків під тим самим тиском .
Змінюючи тиск у баках , змінюємо тиск пального , а значить , і його подачу в КЗ і таким чином змінюємо тягу .
Дешево , зручно .
Надувати баки можна не тільки газом із балонів — можна розкладати один із 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 , погляньмо .
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 що вона вища , то 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 у 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 — що вищий [ latex]p_﹛k﹜[ / latex] , то 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 y тому , що сучасна конструкція стінки КЗ має в собі канали охолодження .
Тобто така конструкція вже і так витримує тиск у КЗ .
Камери згоряння РРД розраховують спочатку з точки зору газодинаміки — форму і розміри самої камери .
Потім товщину стінок визначають розрахунком тепловідводу й охолодження КЗ — товщину вогневої стінки , розмір каналів .
А вже після цього проводять перевірочний розрахунок міцності у найбільш навантажених місцях .
Мости , скажімо , проєктують , розраховуючи розміри через формули міцності .
Ну як мінімум так мають мости проєктувати :).
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 у КЗ ?
Нам потрібна
Насос
Проблему підвищення тиску в камері і необхідність насосу розуміли ще піонери ракетобудування — Годдард і Оберт .
Але створення такого агрегату здавалося їм надто складним — він повинен подавати компонент пального під досить великим тиском , при цьому забезпечувати високу продуктивність у десятки , а в сучасних двигунах сотні , ба навіть тисячі кілограмів за секунду .
Не забуваємо , що як мінімум один , а то й обидва компоненти — це кріогенна або хімічно агресивна рідина .
Ну , і звичайно , цей насос має бути легким і надійним .
Задача здається непростою ...
За свідченням Віллі Лея , Вернер фон Браун саме так — складне і незрозуміле — оцінював задачу створення насосу десь у 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 у 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 — їхня фірма випускає такі для пожежників .
Прості , надійні , спроможні створювати значний тиск і прокачувати великі об'єми — це все про
Відцентрові насоси
Відцентрова 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 із пошуком джерела енергії — турбіна .
Тобто лопаточна машина , яка перетворює енергію газу або рідини на механічну енергію обертання валу .
Таким чином , десь у 1939-му - 40-му роках під керівництвом фон Брауна , Вальтера Дорнбергера і Вальтера Ріделя на кульманах у Пенемюнде з'явилися перші креслення того , що ми зараз називаємо турбо - насосний агрегат , або скорочено ТНА — серця сучасних РРД .
Десь у той самий проміжок часу , колиу підвалах НКВД розстрілювали головного інженера Ракетного НДІ Лангемака , катували Валентина Глушка і ламали щелепу Сергію Корольову ...
Отже , з насосом визначилися , з тим , що крутити його буде турбіна , — також більш - менш ясно .
От що було не ясно , то це , чим приводити в рух саму турбіну ?
Отже , так з'явився перший РРД із 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 ?
