Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

В контексте конструкции ракетного двигателя регенеративное охлаждение - это конфигурация, в которой часть или все топливо проходит через трубы, каналы или в рубашку вокруг камеры сгорания или сопла для охлаждения двигателя. Это эффективно, потому что топливо (а иногда и окислитель) являются хорошими охлаждающими жидкостями. Затем нагретое топливо подается в специальный газогенератор или впрыскивается непосредственно в основную камеру сгорания.

История [ править ]

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 сжижил 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 эту 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 Фридрих Цандер.Испытания ОР-2 в марте 1933 г. и стендовые испытания ОРМ-50 в ноябре 1933 г. Валентином Глушко . Первый немецкий двигатель этого типа был также испытан в марте 1933 года Клаусом Риделем в VfR . Австрийский ученый Ойген Зенгер особенно прославился экспериментами с охлаждением двигателя, начиная с 1933 года; однако большинство его экспериментальных двигателей имели водяное охлаждение или охлаждение за счет дополнительного контура топлива.

V-2 ракеты двигатель, самый мощный из своего времени в 25 тонн (245 кН ) тяги, был регенеративным охлаждением, в конструкции по Walter Thielтопливом, прокачиваемым по внешней стороне камеры сгорания между самой камерой сгорания и внешней оболочкой, которая соответствовала камере и была разделена несколькими миллиметрами. Эта конструкция оказалась недостаточной для охлаждения камеры сгорания из-за использования стали для камеры сгорания, и дополнительная система топливных магистралей была добавлена ​​снаружи с соединениями через обе оболочки камеры сгорания для впрыска топлива прямо в камеру на угол 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 плавления двигателя. Американский двигатель Redstone использовал ту же конструкцию.

Двустенная конструкция ракетного двигателя V2.

Ключевым нововведением 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 по гофрам и очень эффективно поглощало тепло. Это позволило использовать более энергетическое топливо и более высокое давление в камере, и с тех пор это основная схема, используемая во всех российских двигателях. Современные американские двигатели решают эту проблему, облицовывая камеру сгорания припаянными трубками из меди или никелевого сплава (хотя современные двигатели, такие как RS-68начали использовать российскую технику, которая дешевле строить). Американский стиль облицовки двигателя медными трубами называется «спагетти-конструкцией», и эту идею приписывают Эдварду А. Ной из компании Reaction Motors Inc. в 1947 году.

Тепловой поток и температура [ править ]

Тепловой поток через стенку камеры очень велик; 1-20 МВт / м 2 - не редкость.

Количество тепла, которое может поступать в хладагент, регулируется многими факторами, включая разницу температур между камерой и хладагентом, коэффициент теплопередачи , теплопроводность стенки камеры, скорость в каналах хладагента и скорость потока. поток газа в камере или сопле.

Формируются два пограничных слоя : один в горячем газе в камере, а другой в теплоносителе внутри каналов.

Обычно большая часть падения температуры происходит в пограничном слое газа, поскольку газы являются относительно плохими проводниками. Однако этот пограничный слой может быть разрушен из-за нестабильности горения , и вскоре после этого может последовать разрушение стенки.

Пограничный слой внутри каналов охлаждающей жидкости также может быть нарушен, если охлаждающая жидкость находится под докритическим давлением и пленочное кипение; затем газ образует изолирующий слой, и температура стены очень быстро повышается и вскоре выходит из строя. Однако, если хладагент вступает в пузырьковое кипение, но не образует пленки, это помогает разрушить пограничный слой хладагента, и образующиеся пузырьки газа быстро схлопываются; это может утроить максимальный тепловой поток. Однако во многих современных двигателях с турбонасосами используются сверхкритические охлаждающие жидкости, и эти методы могут использоваться редко.

Регенеративное охлаждение редко используется изолированно; также часто используются пленочное охлаждение, [5] охлаждение завесой, [6] транспирационное охлаждение, радиационное охлаждение .

Механические соображения [ править ]

При регенеративном охлаждении давление в охлаждающих каналах больше, чем давление в камере. Внутренняя гильза находится под давлением, а внешняя стенка двигателя испытывает значительные кольцевые напряжения .

Металл внутренней гильзы сильно ослаблен высокой температурой, а также подвергается значительному тепловому расширению на внутренней поверхности, в то время как стенка гильзы с холодной стороны сдерживает расширение. Это создает значительные термические напряжения , которые могут вызвать внутреннюю поверхность трещину или манию после многократных обжигов особенно на горле.

Вдобавок тонкая внутренняя гильза требует механической опоры, чтобы выдерживать сжимающую нагрузку из-за давления топлива; эта поддержка обычно обеспечивается боковыми стенками охлаждающих каналов и опорной пластины.

Внутренний вкладыш обычно изготавливается из материалов с относительно высокой температурой и 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, припаянный между внутренней и внешней облицовкой; сотни труб, спаянных для придания правильной формы, или внутренний лайнер с фрезерованными охлаждающими каналами и внешний лайнер вокруг него. [7] Геометрия также может быть создана с помощью прямой 3D-печати металлом , как это видно на некоторых новых конструкциях, таких как ракетный двигатель SpaceX SuperDraco .

См. Также [ править ]

  • Регенеративное охлаждение

Ссылки [ править ]

  1. ^ См .:
    • Чарльз Уильям Сименс, «Усовершенствования в охлаждении и производстве льда, а также в аппаратуре или оборудовании для этой цели», патент Великобритании № 2064 (подано 29 июля 1857 г.).
    • Цикл Сименса
  2. ^ См .:
    • Джеймс Дьюар (1898) «Предварительное замечание о сжижении водорода и гелия», Труды Лондонского королевского общества , 63  : 256-258.
    • «Жидкий водород как топливо для силовых установок, 1945–1959» . Офис программы истории НАСА . History.nasa.gov . Проверено 9 августа 2014 .
  3. ↑ Циолковский, Константин Е. (1903) "Исследование пространств реактивными приборами", Научное обозрение (Научное обозрение) 5  : 44-75. (на русском)
  4. ^ Фрэнк Х. Винтер (1990). Ракеты в космос . Кембридж, Массачусетс: Издательство Гарвардского университета. п. 30 . ISBN 978-0-674-77660-9.
  5. ^ "Что такое охлаждение пленки?" . Me.umn.edu . Проверено 24 февраля 2015 .
  6. ^ Эндрю Новицки (2005-01-07). "sci.space.tech: Охлаждение завес расплавленной солью" . Sci.tech-archive.net . Проверено 24 февраля 2015 .
  7. ^ Джордж П. Саттон (ноябрь – декабрь 2003 г.). "История жидкостных ракетных двигателей в России, бывшем Советском Союзе" (PDF) . Журнал движения и мощности . Pdf.aiaa.org. 19 (6). [ постоянная мертвая ссылка ]