В статье сделана попытка прояснить некоторые вопросы работы химических ракетных двигателей (РД).На приведённом ниже рисунке схематически изображён классический РД. Он состоит из камеры сгорания и сопла. Вообще-то сужающаяся часть камеры сгорания относится к соплу. Её называют дозвуковой частью сопла, а то, что на рисунке обозначено соплом называется сверхзвуковой частью сопла. Но для упрощения последующих расчётов будем считать дозвуковую часть сопла задней стенкой камеры сгорания. Тяга РД появляется из-за того, что в камере сгорания есть внутреннее давление, которое одновременно и толкает РД вперёд, и отбрасывает продукты сгорания назад.
Изменение давления по длине РД:
Толщина красного слоя условно определяет величину давления на том или ином участке внутренней поверхности. Видно, что зона максимальное давления Ркс расположена у переднего дна камеры сгорания и у боковой поверхности вплоть до начала сужения корпуса. По мере сужения корпуса давление падает, достигая в самом узком сечении значения так называемого «критического» давления Ркр. За критическим сечением давление продолжает падать. Из рисунка ясно, что тяга РД появляется от давления продуктов сгорания на переднее дно и сверхзвуковую часть сопла (здесь давление воздействует на стенки по направлению полёта РД). Однако её величину значительно снижает давление на заднее дно — дозвуковую часть сопла, где давление воздействует на стенки против направления тяги.
При достижении определённого диаметра сечения сверхзвуковой части сопла давление продуктов сгорания становится равным наружному давлению Рн и при дальнейшем расширении сопла даже падает ниже наружного давления. Вот с этого-то сечения сопло бессмысленно расширять, потому что сила воздействия наружного давления на сопло начинает превышать силу воздействия внутреннего давления и тяга РД, по крайней мере, перестаёт возрастать. Иное дело, если РД работает в безвоздушном пространстве. В этом случае из-за отсутствия наружного давления сопло можно расширять очень сильно и оно может увеличивать тягу значительно больше по сравнению с РД, работающими в плотных слоях атмосферы. Единственными ограничениями на размеры сверхзвуковой части сопла являются массово-габаритные ограничения. Начиная с определённых размеров сопла, выигрыш в тяге нивелируется проигрышем от недопустимо большой массы и сложности конструкции.
Благодаря усилиям великих учёных прошлых лет удалось найти взаимосвязь тяги R со скоростью истечения из сопла:
R=Wa*m +(Pa-Pн)*Fa (1)
где:
Wa-скорость истечения из сопла,
m- расход продуктов сгорания через сопло,
Pa-давление продуктов сгорания на срезе сопла,
Pн-давление внешней среды,
Fa-площадь выходного сечения сопла
Из формулы (1) легко получается ещё более широко используемая формула для удельного импульса тяги, являющегося важнейшим показателем РД, характеризующим и конструкцию, и свойства топлива:
Iу=Wa +(Pa-Pн)*Fa / m (2)
При выводе формулы (1) было использована простейшая схема взаимодействия потока продуктов сгорания со стенками РД, когда стенки напрямую взаимодействуют с основной струёй, которая, не отрываясь, течёт в непосредственной близости от стенок. При этом получается, что там, где корпус сужается (заднее дно камеры сгорания или дозвуковая часть сопла), он мешает ускорению потока (силы давления пристеночного слоя газов на поток направлены против его течения), и в этом же месте давление воздействует на стенки против силы тяги. Там же, где происходит расширение корпуса (сверхзвуковая часть сопла), стенки ускоряют поток (силы давления пристеночного слоя газов на поток направлены по его течению), а сила давления на стенки действует по направлению тяги, увеличивая её. Такое же увеличение скорости потока от воздействия пристеночного давления и такое же возрастание тяги происходит вблизи переднего дна камеры сгорания.
Применив закон сохранения импульса к основной струе с использованием указанных выше сил прямого воздействия на неё пристеночного давления и давления на выходе из сопла, классики и получили формулу (1). Вывод этой формулы будет приведён в одной из последующих статей.
Формула (1) блестяще работает для классических РД, в которых действительно выполняется условие безотрывного течения газов вдоль стенки. Однако, её категорически нельзя применять в случае РД с отрывом потока от стенок, потому что в этом случае основная струя взаимодействует не со стенками напрямую, а с вихревыми струйками, образующимися в зоне отрыва. Например, может возникнуть такая ситуация, когда при достаточно резком расширении корпуса дозвуковой поток начнёт тормозиться вихревыми струйками, а тяга возрастать под воздействием их же. Вот поэтому-то классики и наложили жёсткое условие безотрывности потока, при котором выведены и могут быть использованы формулы (1) и (2).
К сожалению, современные разработчики игнорируют это требование, считают формулу (2) универсальной и совершенно необоснованно применяют её для оценки удельного импульса РД любых новых схем. Расчёты тяги и удельного импульса РД с отрывом потока следует проводить только путём интегрирования давления по поверхности камеры сгорания и сопла! Именно подобный подход и позволил выявить неожиданную перспективность так называемого «Тандемного» РД, отличающегося от классического отрывом потока в камере сгорания (точнее, в камере истечения - дополнительной камере, расположенной между камерой сгорания и соплом). Описание Тандемного РД с расчётами его характеристик в сравнении с классическим РД будет представлено в одной из последующих статей.
