Регенеративное охлаждение (ракетная техника)

Пропускание холодного топлива через трубки вокруг ракетного двигателя для его охлаждения

В конструкции ракетного двигателя регенеративное охлаждение представляет собой конфигурацию, в которой часть или все топливо пропускается через трубки, каналы или в рубашку вокруг камеры сгорания или сопла для охлаждения двигателя. Это эффективно, поскольку топливо часто является криогенным. Затем нагретое топливо подается в специальный газогенератор или впрыскивается непосредственно в основную камеру сгорания.

История

Разрез двигателя ОРМ-50, видна рубашка охлаждения на сопле

В 1857 году Карл Вильгельм Сименс представил концепцию регенеративного охлаждения. ^[1] 10 мая 1898 года Джеймс Дьюар использовал регенеративное охлаждение, чтобы стать первым, кто статически сжижал водород. ^[2] Концепция регенеративного охлаждения также упоминалась в 1903 году в статье Константина Циолковского . ^[3] Роберт Годдард построил первый двигатель с регенеративным охлаждением в 1923 году, но отверг схему как слишком сложную. ^[4] Двигатель с регенеративным охлаждением был построен итальянским исследователем Гаэтано Артуро Крокко в 1930 году. Первыми советскими двигателями, использовавшими эту технологию, были ОР-2 Фридриха Цандера , испытанный в марте 1933 года, и ОРМ-50, испытанный на стенде в ноябре 1933 года Валентином Глушко . Первый немецкий двигатель этого типа также был испытан в марте 1933 года Клаусом Риделем в VfR . Австрийский ученый Ойген Зенгер был особенно известен экспериментами с охлаждением двигателей, которые он начал проводить в 1933 году. Однако большинство его экспериментальных двигателей охлаждались водой или дополнительным контуром топлива.

Ракетный двигатель V -2 , самый мощный в свое время с тягой 25 тонн (245 кН ), охлаждался регенеративно, по проекту Вальтера Тиля , путем подачи топлива снаружи камеры сгорания между самой камерой сгорания и внешней оболочкой, которая соответствовала камере и была отделена на несколько миллиметров. Эта конструкция оказалась недостаточной для охлаждения камеры сгорания из-за использования стали для камеры сгорания, и была добавлена ​​дополнительная система топливных линий снаружи с соединениями через обе оболочки камеры сгорания для впрыска топлива непосредственно в камеру под углом вдоль внутренней поверхности для дальнейшего охлаждения камеры в системе, называемой пленочным охлаждением. Эта неэффективная конструкция требовала сжигания разбавленного спирта при низком давлении в камере, чтобы избежать расплавления двигателя. Американский двигатель Redstone использовал ту же конструкцию.

Двухстенная конструкция ракетного двигателя V2

Ключевым новшеством в регенеративном охлаждении стал советский двигатель У-1250, разработанный Алексеем Михайловичем Исаевым в 1945 году. Его камера сгорания была облицована тонким медным листом, поддерживаемым гофрированной стальной стенкой камеры. Топливо протекало через гофры и очень эффективно поглощало тепло. Это позволяло использовать более энергичное топливо и более высокое давление в камере, и с тех пор является базовой схемой, используемой во всех российских двигателях. Американские двигатели обычно решали эту проблему, облицовывая камеру сгорания паяными трубками из медного или никелевого сплава. Только недавно такие двигатели, как RS-68, начали использовать более дешевую российскую технологию. Американский стиль облицовки двигателя медными трубками называется «конструкцией спагетти», и эта концепция приписывается Эдварду А. Ною из Reaction Motors Inc. в 1947 году.

Механизм

Регенеративное охлаждение остается преобладающим методом управления тепловыми нагрузками в камерах тяги. Обычно ракетное топливо действует как охладитель, когда оно поступает в двигатель через каналы на выходе сопла. ^[5] Оно проходит через область горловины с высоким нагревом и выходит вблизи поверхности инжектора. Эти каналы создаются либо путем пайки охлаждающих трубок к камере тяги, либо путем фрезерования каналов вдоль стенок камеры. Поперечное сечение этих каналов меньше, что увеличивает скорость охлаждающей жидкости и максимизирует эффективность охлаждения в областях с высоким нагревом. ^[6]

Тепловой поток и температура

Тепловой поток через стенку камеры очень высок; обычно в диапазоне 0,8–80 МВт/м ² (0,5–50 БТЕ /дюйм ² -сек). ^{[7] : 98} Распространенным методом оценки теплового потока, исходящего от горячих газов сгорания, является использование уравнения Бартца: ^[8]

${\displaystyle h_{g}={\frac {0.026}{D_{*}^{0.2}}}\left({\frac {\mu ^{0.2}c_{p}}{Pr^{0.6}}}\right)\left({\frac {p_{c}}{c^{*}}}\right)^{0.8}\left({\frac {D_{*}}{r_{c}}}\right)^{0.1}\left({\frac {A_{t}}{A}}\right)^{0.9}\sigma }$

• ${\displaystyle h_{g}}$коэффициент теплопередачи от горячего дымового газа к внутренней стенке камеры/сопла (Вт/м²/К)
• ${\displaystyle D_{*}}$диаметр горловины камеры (м)
• ${\displaystyle \mu }$динамическая вязкость горючего газа (Па с)
• ${\displaystyle c_{p}}$удельная теплоемкость горючего газа (Дж/кг/К)
• ${\displaystyle Pr}$число Прандтля горючего газа
• ${\displaystyle p_{c}}$давление в камере (Па)
• ${\displaystyle {\ce {c^{\ast }}}}$характерная скорость реакции горения (м/с)
• ${\displaystyle r_{c}}$радиус кривизны стенки горла (м)
• ${\displaystyle A_{t}}$площадь поперечного сечения горла камеры (м ² )
• ${\displaystyle A}$площадь поперечного сечения камеры/сопла в интересующей точке (м ² )

• ${\displaystyle \sigma }$— безразмерный параметр, учитывающий изменение свойств газа в пограничном слое :

${\displaystyle \sigma ={\frac {1}{\left({\frac {1}{2}}{\frac {T_{w}}{T_{c}}}(1+{\frac {\gamma -1}{2}}M^{2})+{\frac {1}{2}}\right)^{0.8-\omega /5}\left(1+{\frac {\gamma -1}{2}}M^{2}\right)^{\omega /5}}}}$

• ${\displaystyle T_{w}}$температура внутренней стенки камеры/сопла (К)
• ${\displaystyle T_{c}}$температура камеры (К)
• ${\displaystyle \gamma }$это отношение удельных теплоемкостей газа сгорания
• ${\displaystyle M}$число Маха горючего газа в интересующей точке
• ${\displaystyle \omega }$показатель степени вязкостно-температурного закона для горючего газа. Обычная оценка составляет 0,6. См. температурная зависимость вязкости .

Количество тепла, которое может поступать в охлаждающую жидкость, контролируется многими факторами, включая разницу температур между камерой и охлаждающей жидкостью, коэффициент теплопередачи , теплопроводность стенки камеры, скорость жидкости внутри каналов охлаждающей жидкости, скорость потока газа в камере/сопле, а также теплоемкость и входную температуру жидкости, используемой в качестве охлаждающей жидкости.

Образуются два пограничных слоя : один в горячем газе в камере (который моделируется с помощью уравнения Бартца выше), а другой в охлаждающей жидкости внутри каналов. ^{[7] : 104–105}

Очень типично, что большая часть падения температуры происходит в газовом пограничном слое, поскольку газы являются относительно плохими проводниками. Однако этот пограничный слой может быть разрушен нестабильностью горения , и вскоре после этого может последовать разрушение стенки.

Пограничный слой в каналах охлаждающей жидкости также может быть нарушен, если охлаждающая жидкость находится под докритическим давлением и кипит пленка; затем газ образует изолирующий слой, а температура стенки очень быстро повышается и вскоре выходит из строя. Однако, если охлаждающая жидкость вступает в пузырьковое кипение , но не образует пленку, это помогает разрушить пограничный слой охлаждающей жидкости, и образовавшиеся пузырьки газа быстро схлопываются; это может утроить максимальный тепловой поток. Однако многие современные двигатели с турбонасосами используют сверхкритические охлаждающие жидкости, и эти методы могут использоваться редко.

Регенеративное охлаждение редко используется изолированно; также часто применяются пленочное охлаждение, ^[6] транспирационное охлаждение, радиационное охлаждение .

Механические соображения

При регенеративном охлаждении давление в каналах охлаждения больше давления в камере. Внутренняя гильза находится под сжатием, в то время как внешняя стенка двигателя испытывает значительные кольцевые напряжения .

Металл внутренней гильзы сильно ослаблен высокой температурой, а также подвергается значительному термическому расширению на внутренней поверхности, в то время как холодная стенка гильзы сдерживает расширение. Это создает значительные термические напряжения, которые могут привести к растрескиванию или образованию трещин на внутренней поверхности после многократных обжигов, особенно в горловине.

Кроме того, тонкий внутренний вкладыш требует механической поддержки, чтобы выдерживать сжимающую нагрузку из-за давления топлива; эта поддержка обычно обеспечивается боковыми стенками охлаждающих каналов и опорной пластиной. Внутренний вкладыш обычно изготавливается из относительно высокотемпературных материалов с высокой теплопроводностью; традиционно использовались сплавы на основе меди или никеля.

Для создания сложной геометрии, необходимой для регенеративного охлаждения, можно использовать несколько различных производственных технологий. К ним относятся гофрированный металлический лист, спаянный между внутренней и внешней облицовкой; сотни труб, спаянных в правильную форму, или внутренняя облицовка с фрезерованными охлаждающими каналами и внешней облицовкой вокруг нее. ^[9] Геометрия также может быть создана с помощью прямой 3D-печати металла , как это видно на некоторых новых конструкциях, таких как ракетный двигатель SpaceX SuperDraco .

Смотрите также

• Регенеративное охлаждение
• Цикл расширения

Ссылки

1. См.:
   • Чарльз Уильям Сименс, «Усовершенствования в охлаждении и производстве льда, а также в аппаратах и ​​машинах для этой цели», британский патент № 2064 (подан 29 июля 1857 г.).
   • цикл Сименса
2. См.:
   • Джеймс Дьюар (1898) «Предварительная заметка о сжижении водорода и гелия», Труды Лондонского королевского общества , 63  : 256-258.
   • «Жидкий водород как двигательное топливо, 1945-1959». Офис программы истории НАСА . History.nasa.gov . Получено 9 августа 2014 г.
3. Циолковский, Константин Е. (1903) «Исследование мирового реактивного пространства с помощью реакционных устройств», Научное обозрение (Научное обозрение) 5  : 44-75. (на русском языке)
4. Фрэнк Х. Винтер (1990). Ракеты в космос . Кембридж, Массачусетс: Издательство Гарвардского университета. стр. 30. ISBN 978-0-674-77660-9.
5. Луи, Кларенс; Куан, Майрон; Вонг, Ребекка. «Рециркуляционная регенеративная система управления окружающей средой». Журнал аэрокосмической техники . 113 : 1359–1374. doi :10.4271/2004-01-2575.
6. "Что такое пленочное охлаждение?". Me.umn.edu . Получено 24.02.2015 .
7. Huzel, Dexter K.; Huang, David H. (1 января 1971 г.). NASA SP-125, Проектирование жидкостных ракетных двигателей, второе издание (PDF) . NASA. Архивировано из оригинала (PDF) 20 сентября 2022 г. . Получено 11 сентября 2022 г. .
8. "Технические заметки". Журнал реактивного движения . 27 (1): 49–53. Январь 1957. doi :10.2514/8.12572. ISSN  1936-9980.
9. Джордж П. Саттон (ноябрь–декабрь 2003 г.). «История жидкостных ракетных двигателей в России, бывшем Советском Союзе». Journal of Propulsion and Power . 19 (6). Pdf.aiaa.org: 1008–1037. doi :10.2514/2.6943.