Охлаждение ракетных двигателей⁠⁠

Температура газов внутри камеры сгорания двигателя может достигать 3500 К, что выше температуры плавления большинства доступных материалов. Двигатели должны достичь этой температуры, чтобы нормально функционировать, но как они могут пережить полет при такой температуре?

Охлаждение с помощью радиатора

В верхней части камеры сгорания находится форсуночная головка. Здесь топливо и окислитель под чрезвычайно высоким давлением закачиваются в камеру сгорания, где они смешиваются и воспламеняются.

Один из вариантов охлаждения ракетного двигателя — сделать стенки достаточно толстыми, чтобы горячие газы не могли нагреть и расплавить металл. В этом случае стенки действуют как теплоотвод — это большой теплопроводник, способный выдерживать высокие температуры в течение определенного периода времени.

Основная проблема этого метода - толстая металлическая стенка имеет большую массу. Другая проблема заключается в том, что двигатель сможет работать только до тех пор, пока весь металл в конечном итоге не достигнет температуры плавления.

Поэтому радиаторы плохо подходят для охлаждения главных двигателей, которые должны работать непрерывно в течение нескольких минут. Они могут использоваться для охлаждения двигателей меньшего размера, например маневровых подруливающих устройств. Эти двигатели обычно работают в импульсном режиме, что дает дополнительную возможность для остывания в промежутках между импульсами.

Соотношение количества топлива и окислителя

Следующий вариант предотвращения плавления двигателя - запустить двигатель в конфигурации с высоким содержанием топлива или окислителя. Это позволит снизить температуру основного выхлопа.

Для полного сгорания топлива необходима так называемая стехиометрическая горючая смесь:

Стехиометри́ческая горю́чая смесь — смесь окислителя и горючего, в которой окислителя ровно столько, сколько необходимо для полного окисления горючего.

В результате этой химической реакции выделится максимально возможное количество тепла. Чем больше тепла производет ракетный двигатель, тем сильнее придется его охлаждать, чтобы он не расплавился.

Это означает, что ракетные двигатели имеют соотношение топлива и окислителя, немного отличающееся от стехиометрического. Также с этой целью используются газогенераторы (камеры предварительного сгорания). Например, главный двигатель космического корабля Шаттл RS-25 работал с повышенной пропорцией топлива. А советский двигатель НК-33 пропускал топливо, богатое окислителем, через камеры предварительного сгорания замкнутого цикла.

Абляционное охлаждение

Абляционное охлаждение — один из самых простых и эффективных способов охлаждения ракетного двигателя. В этом методе используется материал, который испаряется и выбрасывается вместе с выхлопом, унося с собой тепло. Обычно этот слой выполняется из углеродного композитного материала, который имеет высокую температуру плавления.

Этот же метод используется в тепловых экранах большинства космических кораблей. Когда корабль входит в атмосферу, он очень сильно нагревается. Теплозащитный экран забирает это тепло, и когда его поверхность становится слишком горячей, верхний слой расплавляется, унося тепло с собой и предотвращая проникновение тепла вглубь космического корабля.

Этот же принцип можно применить для охлаждения ракетного двигателя. Внутренняя поверхность стенок камеры сгорания и сопла покрывается слоем углеродных композитов. Этот метод является саморегулирующимся и не имеет движущихся механических частей, что делает его чрезвычайно эффективным и надежным.

Наиболее очевидным ограничением является то, что двигатель с подобным методом охлаждения нельзя использовать повторно. Некоторые двигатели даже не смогут пройти полное тестирование перед использованием, поскольку оно изнашивает стенки абляционной камеры. Так, именно по этой причине двигатель Apollo Lunar Ascent не прошел полный цикл испытаний в виде готового устройства, вплоть до момента запуска для возврата астронавтов с  поверхности Луны.

Из-за износа абляционного слоя площадь горловины будет увеличиваться, что со временем приведет к снижению производительности двигателя.

Другие примеры двигателей с абляционным охлаждением - SpaceX Merlin 1A, использовавшийся в первых полетах Falcon 1, и двигатель первой ступени ракеты-носителя Delta-IV RS-68A. RS-68A работает на водороде и кислороде, его выхлоп состоит из чистого водяного пара. Однако из-за разрушения абляционного слоя выхлоп RS-68A имеет ярко-оранжевый цвет.

Регенеративное охлаждение

Регенеративное охлаждение является наиболее распространенным способом предотвращения перегрева жидкостного ракетного двигателя. Этот метод предполагает протекание части или всего топлива через стенки камеры сгорания и сопла перед попаданием в камеру сгорания. Для этого в стенках камеры и сопла выполняются каналы, по которым пропускают топливо с целью отвода тепла.

Это открытие было большим прорывом, поскольку позволило ракетным двигателям работать практически бесконечно. В ранних версиях двигателей с регенеративным охлаждением трубы, через которые текло топливо, находились с наружной части двигателя и сопла. В качестве примера можно привести двигатель RL-10:

В современных двигателях охлаждающие каналы прорезают прямо в стенке сопла. Каналы герметизируют с использованием медного или никелевого сплава, поскольку эти материалы обладают высокой теплопроводностью.

Одной из основных проблем регенеративного охлаждения является то, что давление внутри охлаждающих каналов должно быть выше, чем давление в камере сгорания. Также при использовани этого метода топливо может закипеть, не достигнув камеры сгорания. Этот процесс можно использовать с пользой для вращения турбины или для запуска насосов двигателя.

Пленочное охлаждение

Суть метода пленочного охлаждения заключается в том, что в камеру сгорания и сопло впрыскивается жидкость или газ таким образом, чтобы образовалась тонкая пленка между горячими газами и поверхностью камеры / сопла. Эта пленка выступает в качестве теплоизоляционного слоя.

Самый простой способ создать охлаждающую пленку - увеличить концентрацию впрыска топлива во внешнем кольце форсунок. В камере сгорания будет недостаточно окислителя для полного сгорания этого избыточного топлива, поэтому оно образует теплоизоляционную пленку, препятствующую перегреву сопла. По мере нагрева избыток топлива будет испаряться, еще больше увеличивая поглощение тепла при фазовом переходе.

Радиационное охлаждение

Вакуумные двигатели SpaceX Merlin и Rocket Lab Rutherford при включении светятся ярко-красным светом. Удлинители сопла на этих двигателях изготовлены из очень тонкого металла, способного выдерживать высокие тепловые нагрузки. Они отдают тепло в окружающее пространство посредством теплового излучения.

Недостатком этих удлинительных насадок является то, что они очень тонкие и относительно хрупкие. Кроме того, ниобий сильно реагирует с кислородом, следовательно, двигатели с насадками из ниобия могут работать только в вакуумной среде, а также более сложны в производстве.

Источник