Тред №215409

В жидкостном ракетном двигателе камера сгорания и сопло окружаются охлаждающей рубашкой, выполненной из листового металла, и топливо перед поступлением внутрь камеры пропускается между рубашкой и стенками камеры и сопла. Тепло, переданное топливу от стенок камеры и сопла, вместе с топливом возвращается внутрь камеры сгорания. Наиболее часто для охлаждения двигателя используется окислитель, которого при горении расходуется в 2— 4 раза больше, чем горючего. Но иногда окислитель непригоден для охлаждения. Например, в некоторых двигателях в качестве окислителя используется жидкий кислород, температура кипения которого— 183°С, и потому для охлаждения двигателя он не может быть использован. В таких случаях для охлаждения используется горючее. В двигателях с очень высокой температурой и высоким давлением газов в камере сгорания горючее и окислитель применяются для охлаждения одновременно.

Чтобы температура стенок сопла и камеры не превышала допустимых величин, от стенок надо отводить огромное количество тепла. Теплоотвод от стенок в топливо полностью компенсируется теплоподводом от газов к стенкам, и потому при установившемся режиме работы двигателя температура стенок с течением времени не меняется, т. е. теплообмен имеет стационарный характер. Для надежного охлаждения стенок камеры сгорания и сопла от каждого кв. сантиметра поверхности стенки надо отводить около 1200 килоджоулей в сек, что составляет 5 – 10% общего количества тепла, выделяемого в камере при горении топлива. Тепловые потоки через стенки жидкостного ракетного двигателя превышают тепловые потоки через рабочие поверхности котельного агрегата в 100 – 200 раз, а через стенки цилиндра поршневого двигателя внутреннего сгорания — в 30-70 раз.

Горячие газы передают тепло стенкам ракетного двигателя путем соприкосновения и излучения, но интенсивность этих способов теплообмена на различных участках внутренней поверхности двигателя различна. В начале камеры топливо перемешивается, испаряется, а затем горит. При горении углеводородных топлив получаются трехатомные газы — углекислый газ и водяной пар, которые излучают на стенки заметное количество энергии. Кроме того, в процессе горения большинства топлив в газах появляются мельчайшие частицы раскаленного углерода, которые делают пламя светящимся. Эти частицы излучают значительно больше энергии, чем газы, и усиливают подвод тепла к стенкам камеры путем лучеиспускания. Однако большая часть тепла к стенкам камеры передается путем соприкосновения, а передача тепла излучением не превышает 20 – 25% .

В суживающейся части сопла скорость газа увеличивается, и интенсивность теплоотдачи повышается, а передача тепла излучением остается такой же, как в камере сгорания. Поэтому суживающийся участок сопла, особенно вблизи наиболее узкого сечения, работает в самых тяжелых условиях. В расширяющейся части сопла скорость газа продолжает увеличиваться, но температура газа и плотность его значительно ниже, чем в камере сгорания, и потому потоки тепла, поступающие к стенке путем соприкосновения и излучения газа, уменьшаются. Следовательно, условия работы расширяющейся части легче, чем суживающейся. При создании жидкостного ракетного двигателя конструкторы стремятся тщательно охлаждать все сопло и особенно его поверхности, примыкающие к наиболее узкому сечению. Для этого топливо из баков направляется сначала в рубашку сопла, а затем в рубашку камеры сгорания. Кроме того, чтобы снизить температуру наиболее узкой части сопла, проходное сечение канала для топлива на этом участке охлаждающей рубашки сужают. Благодаря этому скорость движения охлаждающего топлива увеличивается, теплоотдача становится более интенсивной и уменьшается разность температур между стенкой и топливом. Все эти меры снижают температуру участков сопла вблизи наиболее узкого сечения, но она все-таки остается выше температуры стенок камеры сгорания и выходного участка реактивного сопла. При выполнении стенок из жаропрочной стали наибольшая температура стенок сопла превышает температуру стенок камеры сгорания на 350—400°.

Для снижения температуры стенок двигателя наружные поверхности сопла и камеры выполняют иногда с ребрами, которые омываются охлаждающим топливом. Наиболее высокая температура получается на поверхности стенки камеры и сопла, соприкасающейся с газом. Температура поверхности стенки со стороны охлаждающей жидкости значительно ниже. Разница между температурами с двух сторон стенки камеры и сопла, а также средняя величина температуры стенки зависят от ее толщины и материала, из которого она выполнена.

Если стенка сделана из жаропрочной стали толщиной 5 мм, то ее сопротивление тепловому потоку, передаваемому от газов в охлаждающее топливо, составит около 50% общего теплового сопротивления; примерно 45% приходится на тепловое сопротивление лучисто-конвективного теплообмена и 5% —на сопротивление теплоотдачи от стенки в охлаждающее топливо. Уменьшение теплового сопротивления стенки за счет ее толщины или замены материала приведет к относительному увеличению теплового сопротивления лучисто-конвективного теплообмена. Например, если при прочих неизменных условиях жаростойкую сталь заменить алюминием, то сопротивление стенки уменьшится до 10%, а сопротивление лучисто-конвективного теплообмена увеличится до 84%. Чтобы передать тепло при увеличенном тепловом сопротивлении, необходима большая разность температур. Следовательно, увеличение теплового сопротивления лучисто-конвективного теплообмена внутри камеры приведет к снижению температуры стенки. Поэтому для изготовления камер жидкостных ракетных двигателей можно использовать не только жаропрочные стали, но и алюминиевые сплавы, высокая теплопроводность которых позволяет получить более низкую температуру стенок.

Большую часть веса ракеты составляет топливо. Чтобы уменьшить вес топлива, ученые изучают и создают для ракетных двигателей новые вещества, при сгорании которых выделяется больше тепла. Поэтому совершенствование ракет сопровождается ростом температуры в камере сгорания. Увеличивается также и давление газов в камере, так как при этом лучше используется тепло, выделенное при горении, и уменьшается объем камеры.

При высоких температуре и давлении газов в камере сгорания для обеспечения безопасной температуры стенки тепловые потоки от газов к стенке становятся настолько большими, что внешнего охлаждения стенок двигателей топливом становится совершенно недостаточно. В этом случае приходится использовать дополнительные средства защиты стенок.