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

Если говорить максимально коротко, то суть в том, чтобы разогретый газ, находящийся под высоким давлением (его молекулы движутся хаотично), преобразовать в высокоскоростной поток частиц, направленный в определённом направлении. По сути, давление и температура преобразовываются в тягу.

На первый взгляд кажется, что надо уменьшать сопло, чтобы увеличивать скорость истечения струи газа, но это не так. Нам требуется преобразовать тепловую энергию в кинетическую, снизив при этом давление и температуру, что придаст газу ускорение. Чем ниже давление, тем больше энергии из камеры сгорания мы можем преобразовать в высокую скорость струи на выходе. А уменьшение диаметра сопла будет, как минимум, увеличивать давление.

При этом, чем выше ракета-носитель, тем меньше давление окружающей атмосферы, из-за чего давление газов, выходящих из сопла становится больше него (это хорошо видно на примере расширения струи выхлопных газов во время запуска РН). Именно поэтому сопла вакуумных движков значительно шире атмосферных.

Это довольно утрированное описание, но в противном случае тут такой лонгрид получится, что вы и половины не дочитаете. Тем не менее, что приходит в голову, когда становится понятна суть ограничений, накладываемых на конструкцию сопла?

Правильно — сопло было бы неплохо «вывернуть наизнанку», чтобы давление окружающей атмосферы не сжимало выхлопные газы, выходящие из него. Так получится, что оно будет только помогать. По сути, это и есть клиновоздушный ракетный двигатель, обладающий наиболее высоким КПД. Более того, он настолько же эффективен будет и в вакууме.

Если он такой идеальный, почему никто его не делает?

Обратимся к SpaceX. Инженеры компании смогли решить сложнейшую задачу — разработали двигатель закрытого цикла на метане с полной газификацией компонентов топлива. Спрашивается, почему нет даже разговоров о том, чтобы создать чуть ли не идеальный движок? Тем более, что наработок по этому направлению «вагон и тележка». Какие?

И снова американцы на Луне.

На основе двигателя J-2 второй ступени РН «Сатурн-5» разрабатывался клиновоздушный двигатель J-2T. Разработки зашли довольно далеко, было пройдено 34 огневых испытания, но с запуском программы Space Shuttle все эти наработки убрали, как говорится, в стол.

В компании Rocketdyne в период с 1970-й по 1972-й год активно разрабатывали КВРД L-1, созданный на основе J-2s («упрощённая» версия J-2). Этот движок прошёл 44 огневых испытания общей продолжительностью 3113 секунд. Опять же, разработку просто отложили.

Спустя 30 лет был запущен проект VentureStar. Очень интересный и заслуживающий отдельной публикации. Правда, судьба у него та же, что и у предыдущих — успешные огневые испытания и откладывание в сторону.

Как работает клиновоздушный двигатель?

Суть принципа его работы заключается в том, чтобы создать стенки виртуального сопла из потока окружающего воздуха. Благодаря этому, давление выхлопных газов будет уравновешиваться с давлением окружающей среды. По мере уменьшения атмосферного давления, виртуальное сопло будет расширяться, пока выводимый аппарат не попадёт в вакуум. Двигатель в таком случае не просто не развалится на куски при работе на разных высотах — он будет работать буквально идеально!

Существует две основные модификации этого вида двигателя: с тороидальным соплом (тороидальные КВРД) и с соплом в форме плоского клина (линейные КВРД). У тороидального КВРД камера сгорания похожа на пончик, а её горловина выходит как-бы внутрь, на сопло. У линейного КВРД несколько расположенных с двух сторон камер сгорания, выхлоп из которых выходит вдоль плоского клиновидного сопла.

Так почему практически никто не разрабатывает КВРД, и все продолжают выжимать максимум из многоступенчатых космических систем?

По сути, проблемы две: нагрев и масса. Причём первая тянет за собой и вторую, так как нагрев, снижая производительность, приводит к увеличению массу.

Площадь охлаждения горловины камеры сгорания КВРД существенно больше, чем у традиционных. Согласно имеющимся данным, для КВРД приходится удваивать площадь охлаждения в самом горячем месте двигателя.

Отличным примером здесь послужит J-2T, о котором я написал выше. На изображении он рядом с классическим J-2.

Масса же увеличивается из-за более крупных камер сгорания, большего количества трубопроводов и дополнительных систем охлаждения. Это далеко не все проблемы. Есть ещё сложности с установкой на РН, которое тянет за собой сложности с управлением вектором тяги.

Другое дело, что многие эти проблемы сегодня вполне имеют отдельно взятые решения. Та же 3D-печать уже сегодня позволяет создавать формы каналов охлаждения или камер сгорания, которые невозможно создать традиционными методами обработки.

Возможно, именно поэтому к разработке этих двигателей возвращаются различные компании, среди которых испанская компания Pangea Aerospace протестировала первый в мире жидкостный клиновоздушный ракетный двигатель на метане/жидком кислороде.

Заключение

Всё равно получился лонгрид, хотя в целом материала набралось статей на 15-20. Надеюсь, вам понравилось, и спасибо, что дочитали. Каков итог?

КВРД идеально подходит для одноступенчатой ракеты-носителя или, скажем, орбитального самолёта (ссылка на видео о таком проекте имеется в конце статьи), так как основное преимущество КВРД заключается в одинаковой эффективности на любой высоте. Ещё идеальней, если можно так выразиться, эти двигатели подходят для планет с более плотной и толстой атмосферой.

Ничего удивительного, что сама концепция родилась более полувека назад, ведь она по-настоящему крутая. Оставалось только дождаться соответствующего развития технологий.

Друзья, как считаете, увидим мы вывод полезной нагрузки в космос с помощью КВРД? Или традиционная конструкция двигателя даёт идеальную комбинацию производительности и надёжности?

У Тима Додда (Everyday Astronaut) по этому поводу есть гораздо более подробная статья.

У меня есть каналы в Дзене, Telegram, YouTube и чат для дискуссий на научные темы. Подписывайтесь, если интересно.

Испытания проходит полноценная двигательная установка, включающая в себя, помимо самого двигателя, компактные высоковольтные преобразователи, обеспечивающие питание двигателя от низковольтной бортовой сети спутника, а также электронную плату управления, принимающую цифровые команды и на их основе контролирующую все процессы внутри установки.

По планам разработчиков в следующем месяце будет собрано два наноспутника формата CubeSat 3U, использующих двигательные установки данного типа. Вывод спутников на околоземную орбиту предполагается в следующем году, где и пройдут основные лётные испытания двигателя.

Плазменная двигательная установка, получившая название VERA (Volume-Effective Rocket-propulsion Assembly), станет одной из первых в мире, пригодных для установки на космические аппараты столь малого (масса не более 4 кг) формата, как CubeSat 3U. Малые размеры и масса разработанных двигателей позволят создавать на орбите группировки из десятков наноспутников.

Несмотря на малый размер, такие спутники смогут решать множество задач, которые ранее решались только с помощью куда более крупных и дорогих аппаратов. Наноспутники могут заниматься дистанционным зондированием Земли (ДЗЗ), в том числе оперативным выявлением стихийных бедствий, собирать данные о перемещении морских и воздушных судов, поддерживать так называемый "интернет вещей" (IoT), обеспечивая связь с удалёнными автономными метеорологическими и океанографическими станциями и т.д.

Однако до сих пор разработчики наноспутниковых группировок сталкивались с проблемой отсутствия достаточно компактных двигательных установок, которые позволили бы спутникам занять и затем поддерживать необходимые позиции в орбитальной плоскости. С двигателем VERA эта проблема будет решена, что даст мощный толчок для развития недорогих спутниковых систем нового поколения.

Ещё одна важная проблема, которую поможет решить новый плазменный двигатель – проблема космического мусора. Обычно наноспутники могут оставаться на орбите более десяти лет после завершения своей эксплуатации, прежде чем торможение о верхние слои атмосферы очистит от них околоземное пространство. Всё это время сохраняется угроза, что уже отработавший свой ресурс наноспутник врежется в какой-нибудь действующий, возможно, пилотируемый, аппарат. Но оснащённые двигателями наноспутники могут в конце своей жизни самостоятельно снизить высоту орбиты, тем самым в 2-3 раза сократив время до сгорания в верхних слоях атмосферы.

Источник

Друзья, иииииии, наконец, мы готовы представить нашу, пожалуй, на сегодняшний день самую масштабную работу с видео! 🎊🎉

Нами проделана колоссальная работа по адаптации для русскоговорящего населения такого важного и подробного видео от Everyday Astronaut о родословной советских двигателей! 🔥

Последние две недели наша жизнь состояла из консультаций со специалистами из отрасли, бессонных ночей всех участников проекта, многочисленных дискуссий, кучи перелистанных энциклопедий, мы очень старались сделать это как можно быстрее и качественно и надеемся, что вы получите огромное удовольствие от просмотра! 🍿

✨ Отдельных тёплых слов заслуживают ребята из команды NewSpace и Илон Маск:

📝 Перевод:
Юрий Бражников
Евгений Филатов
Костя Туляков
Aлиса Зарипова

🎙Голос:
Максим Созоненко

🎞 Монтаж:
Рахим Джайрханов

И хотим поблагодарить наших любимых друзей и коллег из команды "Мечты" в лице Владимира Щедрина 🚀❤

📌 Оригинал видео от Everyday Astronaut: https://youtu.be/Y-xyXDiC92s
📌 Ссылка на канал NewSpace в YouTube: http://www.youtube.com/c/NewSpacePress