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?
