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 ракетных двигателей Перевод, Космос, Ракетный двигатель, Видео, Длиннопост

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.

Охлаждение ракетных двигателей Перевод, Космос, Ракетный двигатель, Видео, Длиннопост

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.

Охлаждение ракетных двигателей Перевод, Космос, Ракетный двигатель, Видео, Длиннопост

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.

Охлаждение ракетных двигателей Перевод, Космос, Ракетный двигатель, Видео, Длиннопост

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.

Охлаждение ракетных двигателей Перевод, Космос, Ракетный двигатель, Видео, Длиннопост

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.

Охлаждение ракетных двигателей Перевод, Космос, Ракетный двигатель, Видео, Длиннопост

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.

Охлаждение ракетных двигателей Перевод, Космос, Ракетный двигатель, Видео, Длиннопост

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.

Охлаждение ракетных двигателей Перевод, Космос, Ракетный двигатель, Видео, Длиннопост

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

Исследователи космоса

16.5K пост46.9K подписчиков

Добавить пост

Правила сообщества

Какие тут могут быть правила, кроме правил установленных самим пикабу :)

Вы смотрите срез комментариев. Показать все
14
Автор поста оценил этот комментарий

Главное забыл, что чаще всего завесу (почему-то в посте названную плёнкой) можно создать из дренажа газогенератора, то есть по сути из мусора, что успешно и применяется.

раскрыть ветку (12)
10
Автор поста оценил этот комментарий

Там хорошо видно, что чем ближе к концу, тем большу я халтурю, спать уже хотелось :)

2
Автор поста оценил этот комментарий

Это перевод выжимки из видео, в котором упоминается, что например мерлин вакуум использует это.

4
Автор поста оценил этот комментарий

Применяется, да, вот только там ни разу не мусор, а остатки продуктов сгорания и переизбыток окислителя, который еще можно эффективно использовать. Более того, такую систему применяют только постсоветская инженерная школа. Остальные от этого отказались ибо слишком сложно и можно вывести просто отдельную трубку рядом с соплом

раскрыть ветку (9)
4
DELETED
Автор поста оценил этот комментарий
Применяется, да, вот только там ни разу не мусор, а остатки продуктов сгорания и переизбыток окислителя, который еще можно эффективно использовать. Более того, такую систему применяют только постсоветская инженерная школа.
Это называют закрытым циклом водородный RS-25 и метановый Раптор такие.
Остальные от этого отказались ибо слишком сложно и можно вывести просто отдельную трубку рядом с сопло.

Это открытый цикл он проще, меньше масса и заметно дешевле, часто экономически выгоднее использовать их просто потратив больше топлива, Мерлин на Фалькон 9 такие.

раскрыть ветку (3)
Автор поста оценил этот комментарий

Это называют закрытым циклом
Не всегда.

раскрыть ветку (2)
3
DELETED
Автор поста оценил этот комментарий

Закрытый цикл называют окислительным, восстановительным и полнопоточным по типу газогенератора.

раскрыть ветку (1)
Автор поста оценил этот комментарий

Тут на самом деле большой вопрос, что имел ввиду тот любитель пускать окислитель через рубашку рхлаждения сопла. Если рассматривать его камент в контексте того, к к которому он отвечал, то вылезает мерлин вакуум, который не является двигателем с закрытым циклом. И именно в таком контексте я написал своё "не всегда".

Автор поста оценил этот комментарий

Почему именно окислителя? Возможно делать два газогенератора с избытками компонентов топлива для наддува баков.

Автор поста оценил этот комментарий

Да, двигатели замкнутой схемы с окислительным генераторным газом существуют только советские/постсоветские. Но есть ещё и двигатели замкнутой схемы с восстановительным генераторным газом, например RS-25, где выхлоп газогенератора тоже идёт в камеру сгорания.

А предыдущий комментатор, похоже говорил, о том, что можно использовать выхлоп газогенератора двигателя открытого цикла, давление кторого слишком низкое, чтомы его можно было подать в камеру сгорания. Поэтому его подают в сопло. Это отлично видно у вакуумной версии merlin 1D.

раскрыть ветку (3)
1
Автор поста оценил этот комментарий

>существуют только советские/постсоветские

AR-1, BE-4.

раскрыть ветку (1)
Автор поста оценил этот комментарий

Мне почему-то казалось, что BE-4 использует восстановительный генераторный газ. А об AR-1 я как-то даже не читал.

Так что буду знать.

DELETED
Автор поста оценил этот комментарий

Раптор полнопоточный там стоят оба газогенератора, да вы правы.
Вы смотрите срез комментариев. Чтобы написать комментарий, перейдите к общему списку