Рабочий газ и реактивное сопло

Общие сведения из термодинамики рабочих газов.

Главным итогом процесса горения в камере сгорания ракетного двигателя является преобразование твердого или жидкого топлива в сильно разогретые, газообразные продукты горения. Так как топливо всегда состоит из нескольких элементов, то продукты горения всегда создают смесь из разных, более или менее сложно составленных, химических соединений.

liquid rocket - Рабочий газ и реактивное сопло

Типовой жидкостный ракетный двигатель

Продукты горения называются рабочим газом или рабочим продуктом. Связанные с образованием этого рабочего газа и его последующим поведением в ракетном двигателе закономерности относятся к области термодинамики, чьи прикладные законы создают единственное и точное основание для расчета ракетных двигателей. В задачу этого раздела не входит рассмотрение, в полном объеме, области термодинамики в своем применении к рабочим газам ракетных двигателей. Можно только сослаться на огромное количество преимущественных обширных представлений в этой области.

Камера сгорания, благодаря закрытому резервуару, в котором находится постоянный газ, представлялась бы сильно упрощенной. Если газ будет выходить из резервуара сквозь поперечное сечение суживающегося сопло (при этом в резервуаре, благодаря подкачке, должно всегда поддерживаться неизменное давление), то скорость реактивной струи газа в самом узком поперечном сечении сопла никогда не будет больше, чем соответствующая скорость звука. Другими словами, определяющее давление выходного отверстия скорости реактивной струи стремиться к достижению постоянного значения, которое не может быть превышено, даже если давление окружающей среды снизилось до отметки, намного ниже этого критического давления выходного отверстия.

Количество реактивной струи зависит от перепада давления между резервуаром (камерой сгорания) и отверстием сопла, таким образом, получается критический перепад давления, при котором устанавливается оптимальное значение для вытекающей массы газа. После этого повышение внутреннего или понижение внешнего давления больше уже не влияют на количество протекающей жидкости. Что касается снижения давления протекающего газа, то здесь получают неудовлетворительный результат, который свидетельствует о том, что при больших перепадах давления суживающееся сопло не допускает полного распространения газа, но которое необходимо для полного преобразования энергии газовой струи из химической в кинетическую. В том случае, если происходит значительное снижение давление окружающей среды по отношению к давлению выходного отверстия, то показатель последнего падает до своего критического значения. Таким образом, при оснащении камеры сгорания ракетного двигателя суживающимся реактивным сопло, давление газовой струи за пределами реактивного сопло будет снижаться до более низкого давления окружающей среды, благодаря чему исчезнет значительная часть энергии реактивной струи.

Смотрите также:  АК Jet Airways заказала очередные 737 MAX

Выходящую за пределы сопло часть энергии также можно наблюдать и по внешним признакам газовой струи. Это происходит, до тех пор, пока значение давления окружающей среды находиться ниже отметки критического давления выходного отверстия, которое еще называют давлением в сопле Лаваля. Неожиданное, взрывообразное распространение газа за пределы выходного отверстия позволяет газовым частицам, в первую очередь благодаря их инерции, разлетаться по сторонам от оси реактивной струи настолько далеко, пока возникающее в ней пониженное давление не вынуждает их вновь изменить свое направление. Этот процесс может повторяться несколько раз, что приводит к периодическому возникновению измененной к своему поперечному сечению газовой струи. Вследствие этого появляются акустические ударные волны, ведущие к значительному развитию шума, и чья акустическая энергия соответствует основной части, не использованной в сопло, реактивной энергии.

Таким образом, можно утверждать, что у ссужающихся сопло, в кинетическую энергию газовой струи конвертируется только перепад давления, который выше давления в сопле Лаваля. В 1887 году Лавалем было установлено, что если к самому узкому поперечному сечению суживающегося сопло присоединить расширяющий конструктивный элемент, то остаточное понижение давления тоже поддается использованию. Сопло такой формы называется соплом Лаваля. Его поперечное сечение расширяется в пределах от F1 до F2, при чем давление в конической части, обозначаемое давлением в сопле Лаваля р1 снижается до давления р2 на поверхности выходного отверстия сопла. Уже внутри сопло Лаваля, скорость потока превышает скорость звука, преобладающую в самом узком поперечном сечении. Коэффициент использования перепада давления, а также достигаемая скорость реактивной струи в выходном отверстии сопла зависят от коэффициента расширения сопла Лаваля, которое в дальнейшем называется просто сопло. Достижение максимальной, теоретически возможной, скорости происходит при полном ослаблении давления и охлаждении газов. Условием для этого, могло бы стать сопло с нескончаемым коэффициентом расширения и распространением в разряженном пространстве. При этих условиях стало бы возможным достижение двухатомным рабочим газом на выходном отверстии сопла 2,45-кратной скорости звука, которая преобладает в самом узком поперечном сечении сопла. Температура идеального газа снизилась бы до отметки абсолютного нуля, а общая теплоемкость газа преобразовалась бы в кинетическую энергию. В действительности эти соотношения не могут быть достигнуты.

Смотрите также:  Классы авиабилетов

Из вышесказанного можно сделать вывод, что реактивное сопло для непрерывного понижения давления и соответственно этому постоянного увеличения скорости потока должно быть, прежде всего, ссужающимся, но потом должна снова расширяться. В том случае, когда газовая струя не должна отрываться от стенки этого сверхзвукового сопло, угол раствора сопла не может превысить определенного значения.

При больших углах раствора и коротких соплах, вследствие трения об стенку сопла возникают небольшие потери. Аэродинамическое сопротивление и масса двигателя у коротких сопл также становятся меньше. С увеличением угла раствора, при циркуляционном охлаждении, происходит сокращение теплопередачи к охлаждающему средству в пределах сопла. В то же время, большой угол раствора ведет к увеличению радиально направленных компонентов струи, вытекающей из реактивного сопла, что влечет за собой уменьшение тяги. Короткие сопла с большим углом раствора, по-прежнему, остаются довольно таки не благоприятными для использования процессов рекомбинации при возможных предшествующих диссоциациях, так как для этого в распоряжении имеется сравнительно небольшое количество времени.

Опыт показал, что сопла с половиной угла раствора, между 12° и 18°, показывают наилучшие результаты. Несмотря на то, что с технологической точки зрения это довольно таки хлопотный процесс, все же представляется уместным, переход от камеры сгорания к суживающейся части сопла, но в любом случае горловина сопла должна быть хорошо округлена. Деформации в линии стенки могут легко привести к нежелательному отрыву газовой струи от стенки сопла. Для избежания потерь при трении, возникающем во время прохождения газа, поверхность внутренней стенки сопла должна быть сглажена. Гладкие как зеркало внутренние поверхности сопла также снижают теплопередачу к стенке сопла.

У сопел Лаваля точно также существует тесная взаимосвязь между коэффициентом расширения и давлением окружающей среды. Подобно дело обстоит и у суживающихся сопел – относительные величины самые элементарные, когда давление окружающей среды равняется давлению в выходном отверстии. В таком случае газы покидают сопло как цилиндрическая струя. Если давление окружающей среды опускается ниже давления выходного отверстия, то получается та же картина, как и у ссужающегося сопла с докритическим противодавлением; газовая струя расширяется только за пределами сопла.

Смотрите также:  Впечатляющий финансовый результат Emirates за ушедший финансовый год

В том случае, если давление окружающей среды больше чем давление в выходном отверстии сопла, то как и в случае слишком большого угла раствора, может произойти отрыв струи. Из-за трения об стенку сопла, поток гаоозобразных продуктов сгорания, в непосредственной с ней близости, имеет только дозвуковую скорость. В этот пограничный слой проникает окружающая среда с более высоким давлением (давление окружающей среды) и отрывает его до глубины, которая зависит от относительной величины давления окружающей среды. С нею, естественно, остается неиспользованной и часть сопла для создания тяги.

Эти явления в реактивных соплах имеют некоторое значение для открытых ракет. Для создания тяги, как было показано, по возможности необходимо стремиться к коэффициентам расширения с очень низким давлением в выходном отверстии. Взлет ракет происходит на поверхности земли или в непосредственной близости с ней. Если бы давление в выходном отверстии было бы намного меньше, чем давление воздуха у земли, то из-за отрыва струи при взлете, произошла бы потеря значительной части тяги. Давление в выходном отверстии равное давлению воздуха поблизости с землей, на больших высотах снова привело бы к недостаточному использованию энергии, потому что в таком случае газовая струя расширялась бы частично только за пределами сопла. По этим причинам прибегают к компромисссному решению и рассчитывают давление в выходном отверстии, к примеру, для высоты около 2100 над уровнем моря.

Проблемы, которые связывают с реактивными соплами – необычайно разносторонние. При расчете ракетного двигателя, наибольшее значение, прежде всего, придается пониманию процессов, происходящих в камере сгорания и реактивном сопло, которые с точки зрения термодинамики образовывают единое целое. Вследствие этого также возникает необходимость в хорошем согласовании камеры сгорания и реактивного сопла.