Главная страница >  Цитатник 

РАСЧЕТЫ НЕИЗВЕСТНОГО

В 1924 году Ф.А. Цандер приступил к разработке методик расчета жидкостных ракетных двигателей. Его работы в этой области были обширны и не прекращались, по существу, до конца его жизни. Несмотря на кажущуюся простоту конструктивной схемы и принципа работы ракетного двигателя, он представляет собой чрезвычайно наукоемкий объект. В его камере продукты сгорания находятся в условиях весьма высоких температур, давлений и скоростей движения. Столь уникальная среда не встречается ни в природе, ни в каких-либо промышленных установках, технических средствах и пр. Поэтому к моменту появления идеи жидкостных ракет естественная наука не изучала особенностей процессов, подобных тем, которые лежали в основе работы жидкостного ракетного двигателя.

РАСЧЕТЫ НЕИЗВЕСТНОГО

Именно такой подход и был реализован на практике, когда пионеры ракетной техники различных стран стали создавать свои двигатели на основе лишь собственных, порой интуитивных, представлений, методами, которые лучше всего можно охарактеризовать как методы проб и ошибок.

Однако для создания последнего такие знания были крайне желательны. Получался своего рода заколдованный круг: для разработки двигателей необходимо было изучить закономерности процессов, сопровождавших их работу, но для этого требовалось уже иметь работающий двигатель, с тем, чтобы исследовать эти процессы. Выход из этого противоречия состоял в проведении чисто эмпирических разработок жидкостных ракетных двигателей при отсутствии научных исследований.

Однако при таких условиях оказывается заметным явление, называемое диссоциацией продуктов сгорания, то есть процесс разложения молекул окислов на атомы и радикалы. Этот процесс сопровождается поглощением тепла, поэтому располагаемая энергия будет в этом случае меньше теоретической химической энергии ракетного топлива. Сделав ряд допущений, Ф.А. Цандер разработал первую, хотя и приближенную, методику расчета состава продуктов сгорания с учетом их диссоциации. Кроме того, он провел расчеты по обеим методикам (с учетом и без учета процесса диссоциации) и сделал в целом правильный вывод об областях их применимости.

Ф.А. Цандер попытался подойти к этому вопросу с другой стороны. Если существующие научные знания не позволяют создать точные методики расчета жидкостных ракетных двигателей, рассуждал он, почему бы не разработать приближенные методики в надежде, что с появлением двигателей можно будет внести в расчетные формулы соответствующие коррективы. В ракетных двигателях, так же как и в других тепловых машинах, используется химическая энергия топлива, высвобождающаяся в результате реакции горения. Для расчетов двигателей необходимо уметь рассчитывать состав продуктов сгорания топлива. Методики подобного рода расчетов существовали в 20-е годы для поршневых двигателей, где тепловые процессы протекали при невысоких давлениях и при сравнительно низких температурах. В первых ракетных двигателях величина давления продуктов сгорания также была низкой, а температура, наоборот, высокой.

Он предложил также проводить тепловые расчеты жидкостного ракетного двигателя с помощью специальных (энтропийных) диаграмм, существенно уменьшающих трудоемкость вычислений. Эта его идея нашла в дальнейшем широкое распространение в расчетной практике.

Ф.А. Цандер привлек внимание специалистов к явлению, называемому сейчас рекомбинацией продуктов сгорания. Он отмечал, что при расширении последних в сопле двигателя их температура будет понижаться и часть тепла, затраченного на диссоциацию, станет выделяться обратно за счет рекомбинации. Это явление не исследовалось в 20-е годы XX века в теории газовых и паровых турбин. Ученый, конечно, не имел возможности самостоятельно решить эту задачу и ограничился лишь ее постановкой.

Так, например, одно время предлагалось размещать камеры двигателей в баке с жидким кислородом, чтобы тот охлаждал их стенки своей низкой температурой. Однако жидкий кислород — это криогенная жидкость, имеющая весьма низкую температуру кипения, и она не способна воспринимать много тепла от камеры двигателя, поскольку при больших тепловых нагрузках быстро начинает закипать, поглощая при этом лишь сравнительно небольшую часть тепла камеры. Образующийся в результате пар оттеснял жидкость от стенки камеры, охлаждение ее нарушалось, так что она могла прогореть.

Высокие температуры продуктов сгорания потребовали действенных мер по защите стенок камер двигателей от разрушения. Поэтому не случайно этому вопросу пионеры ракетной техники также уделяли особое внимание. Их идеи в этой области были довольно многочисленны и охватывали, по существу, все способы тепловой защиты, применявшиеся в различных технических средствах и промышленных установках того времени. Правда, не все эти идеи были целесообразны.

Достоинство этого метода состоит в том, что охлаждение осуществляется самим топливом, а не некоторой дополнительной жидкостью, масса которой идет за счет массы полезной нагрузки ракеты. Кроме того, при таком охлаждении практически отсутствуют неоправданные потери энергии продуктов сгорания. Иначе говоря, тепло, поступившее на стенку камеры двигателя, не рассеивается в окружающее пространство, а вновь направляется в камеру — происходит регенерация тепла, откуда и название метода (регенеративное охлаждение).

Ф.А. Цандер не стал высказывать новых идей по проблеме охлаждения. Быстро разобравшись в достоинствах и недостатках всех существовавших предложений, он остановил свое внимание на одном из самых эффективных способов охлаждения, нашедшего впоследствии широкое распространение и с успехом применяющегося в настоящее время, Сущность этого способа, предложенного в 1903 году К.Э.Циолковским и получившего название регенеративного охлаждения, состоит в следующем. На внешней стенке камеры двигателя делаются специальные каналы (или она окружается специальным кожухом), по которым движется один из компонентов топлива и снимает тепло с этой стенки (то есть происходит ее охлаждение)'. Далее хладагент (компонент топлива) направляется в камеру, где и сгорает.

Однако на основе методики Цандера исследователи могли лучше понять особенности распределения теплового потока по длине камеры двигателя, характер влияния отдельных параметров на процесс теплопередачи. Эта методика, не давая точных по своей абсолютной величине значений тепловых потоков, могла с успехом использоваться при сравнительном анализе таких важных аспектов, как выбор наиболее эффективного топлива с точки зрения проблемы охлаждения, выбор формы (или размера) камеры, при которой решение этой проблемы оказывается проще, и т.д.

Ф.А. Цандер был первым, кто попытался создать методику расчета такого охлаждения. Задача эта была трудной, существовавшие в то время эмпирические формулы были получены для расчетов тепловых потоков в условиях, резко отличавшихся от характерных для камер жидкостных ракетных двигателей. При отсутствии каких-либо других предпосылок ученый основал свою методику на этих формулах. Правда, расчеты по ней были столь неточны, что не могли служить в качестве инструмента для выбора конкретных параметров системы охлаждения.

Ученый также считал, что теплота от частиц к газу может переходить только в результате теплообменных процессов, а значит, и температуры частиц и газа различны. Следовательно, потоки продуктов сгорания будут также и термически неравновесны. Из-за всего этого возникают некоторые потери в экономичности двигателя по сравнению с однородной струей при той же калорийности топлива. Ф.А. Цандер показал, что степень отставания по скорости частиц от газа зависит от размеров и удельной массы частиц: чем они мельче и легче, тем меньше будет отставание, а значит, меньше будут и потери в скорости истечения.

Ф.А. Цандер провел обширные теоретические исследования по проблеме использования металлизированного топлива. Он в целом правильно представлял себе физическую основу преобразования энергии топлива в кинетическую энергию струи и особенности истечения продуктов сгорания при применении такого топлива. Он считал, что в продуктах сгорания металлизированного топлива должны присутствовать «летучие» вещества, которые будут увлекать твердые частицы и воспринимать их энергию. При этом скорости «летучих» и конденсированных (жидких частиц или твердых частиц окислов) будут различны, и их поток будет динамически неравновесным.

Большой интерес вызвала у современных специалистов « идея ученого об использовании на ракетных и реактивных двигателях устройства, названного им «обратным конусом». О принципе действия последнего он писал: «…воздух или в общем случае какие-либо газы подогреваются под определенным давлением, затем расширяются адиабатически, политропически или, следуя какому-нибудь другому закону, ускоряют движение в раструбе (сопле. — Г. С.), причем ими достигается весьма низкое давление. Затем газы опять сжимаются, замедляя движение в другом раструбе. Процесс происходит опять по какому-либо закону: в частности, он может быть изотермическим или почти адиабатическим. Основное при этом, что во время сжатия от газов должно отводиться весьма большое количество теплоты».

Кроме того, он обратил внимание и на тот факт, что отставание частиц от газа оказывается меньше в случае более длинного сопла. К сожалению, изучение вопроса о тепловой неравновесности Ф.А. Цандер прервал, не доведя его до логического конца. Его исследования по металлизированному топливу имели пионерский характер и нашли свое развитие на современном этапе.

Рис. Диаграмма ракетного двигателя с обратным конусом

Другими словами, если расширяющаяся часть сопла перейдет в сужающуюся («обратный конус»), то скорость истечения газов из последней будет выше, чем без «обратного конуса». При этом необходимо только интенсивно охлаждать этот конус, и, чем глубже охлаждение, тем лучше.

Рис. Схема струйного двигателя

На диаграмме PV (рис. 3) для случая теоретически идеального термодинамического цикла ракетного двигателя его работа при использовании обратного конуса будет выражаться площадью ABCEFD, которая больше площади ABCD (работа без обратного конуса) на величину CEF (эффект обратного конуса). На участке EF происходит интенсивный отвод тепла от обратного конуса.

На участке AC он подогревается от трубы, затем расширяется (в J) и, наконец, сжимается в обратном конусе и через отверстие О покидает нагнетатель. Последний снабжен либо охлаждающими ребрами Р, либо каким-нибудь иным устройством для отвода тепла. В конце цикла воздух оказывается сжатым до нужного давления, что и требовалось обеспечить.

На основе этих представлений Ф.А. Цандер разработал проект струйного нагнетателя (рис. 4) для получения сжатого воздуха. По трубе Я под большим давлением подается некоторый нагретый газ, скажем, продукты сгорания топлива двигателя или специально сожженного топлива. В закритической части сопла J этот газ расширяется, а в обратном конусе L сжимается до давления атмосферного воздуха. В пространстве между трубой Н и окружающим ее кожухом А движется атмосферный воздух.

Расчеты идеальных процессов показывали, что выигрыш в экономичности двигателей за счет использования обратного конуса может быть значительным. Однако исследования, проведенные для условий, максимально соответствующих имеющим место на практике, показали, что, к сожалению, всевозможные потери, связанные с использованием внешнего регенеративного Охлаждения «обратного конуса», компенсируют выигрыш, предсказанный расчетом идеальных процессов. Поэтому это устройство до сих пор не находит практического применения.

Ф.А. Цандер обратил внимание на то обстоятельство, что его нагнетатель представляет собой своего рода реактивный двигатель, тяга которого создается, во-первых, во внутреннем контуре горячими газами, а, во-вторых, в контуре внешнем — воздухом. Он разработал два варианта такого двигатели, не имевших принципиального отличия от струйного нагнетателя.


Вместе с тем, некоторые исследователи считают, что обратный конус будет эффективным, если его охлаждение осуществлять путем добавления в продукты сгорания веществ, поглощающих много тепла. Дело за дальнейшими исследованиями.





Далее:
Человек в космосе, а что дальше?.
ЛЕОНОВ Алексей Архипович.
Космические марки не включенные в основной список.
Голованов Я.К. «Кузнецы грома».
Grissom Virgil.
YOUNG JOHN.
Краффт А. Эрике «Будущее космической индустрии».
ОТ АВТОРА.
Эксперименты на геофизических ракетах.


Главная страница >  Цитатник