оригинальная статья в моём блоге
довольно животрепещущая тема. особенно в свете успехов ТогоКогоНельзяНазвать на этом поприще. но прежде чем объяснить в
чем собственно успех, рассмотрим основные типы Жидкостных Ракетных Двигателей. слышал байку про надежность в отрыве от ресурса, но тему ресурса я немного рассматривал в отдельной статье. надежность конструкции это вообще очень сложный параметр, который много
что учитывает, от погодных условий до условий и времени эксплуатации. я
не буду занудствовать и просто расскажу о схемах ЖРД. первый наверное наиболее простой тип:
ЖРД с вытеснительной системой подачи топлива
наиболее проста в техническом исполнении и широко применялась в начале развития ракетной техники.
принцип работы системы простой. топливо в баках
находится под относительно высоким давлением и компоненты топлива
"выдавливаются" в камеру сгорания, где соотвествено происходит его
сжигание.
но для получения большей эффективности необходимо
наращивать давление и температуру в камере сгорания. что температуру
необходимо поднимать видно даже из школьной формулы максимального КПД тепловой машины и как нам перейти к давлению? вспомним уравнение состояния идеального газа.
PV = mRT
m обозначено количество вещества
исходя из формулы КПД T нам нужно как можно
больше, V и m = const. т.е. с повышением температуры давление будет
расти. кроме того закон сохранения импульса говорит, что скорость истекающих газов должна быть максимально возможной.
сразу становится видно, что система имеет
принципиальный недостаток: с увеличением размеров баков и ростом
давления в камере сгорания толщина стенок баков и, следовательно, их
масса вырастают до неприемлемых для летательных аппаратов величин.
как быть? выход из ситуации довольно простой:
держать топливные баки под небольшим давлением, а топливо нагнетать в
камеру сгорания компрессором. и вот наш первый относительно современный
тип:
ЖРД открытого цикла
ЖРД использует два компонента — горючее и окислитель.
в таком двигателе часть топлива сжигается в
газогенераторе, полученный горячий газ (часто называемый генераторным
газом) используется для приведения в действие ТурбоНасосного Агрегата после чего сбрасывается.
для приведения в действие ТНА может использоваться даже другое топливо. например газогенератор может использовать твёрдое топливо.
т.е. вы устранили основные недостатки вытеснительной схемы:
нет необходимости держать топливные баки под высоким давлением;
становится возможным значительно повысить давление, в камере сгорания, что благотворно влияет на эффективность.
пример такого двигателя РД-107. основной недостаток — потеря эффективности из-за неиспользованного для создания тяги топлива. классическое решение этой проблемы:
ЖРД закрытого цикла
с газификацией одного из компонентов.
взависимости какой компонент предварительно сжигается различают два типа двигателей.
если предварительно сжигается топливо с небольшим
количеством окислителя, то полученный газ называют восстановительным.
говорят двигатель с дожиганием восстановительного газа. пример такого
двигателя РД-857.
как не трудно догадаться если окислитель сжигается
с небольшим количеством топлива, то полученный газ называют
окислительным. соответственно двигатель с дожиганием окислительного
газа. например РД-180.
в схеме один из компонентов газифицируется в газогенераторе, который приводит в движение ТНА, после чодним словом электричество рулит.его полученный газ является рабочим телом для ТНА, который "закидывает" газ в основную камеру сгорания где происходит его дожигание.
таким образом генераторный газ не выбрасывается в окружающую среду, а подаётся в камеру сгорания, участвуя таким образом в создании тяги и повышая эффективность двигателя (удельный импульс).
в двигателе закрытой схемы расход рабочего тела через турбину ТНА существенно выше, чем в двигателе открытой схемы, что делает возможным достижение более высоких давлений в камере сгорания.
Недостатком этой схемы являются тяжёлые условия
работы турбины, сложная система трубопроводов из-за необходимости
транспортировки горячего генераторного газа к основной камере сгорания,
требования к материалам.
кроме того насосы топлива и горючего "сидят" на
одном валу, что не дает возможности хорошо их друг от друга изолировать.
т.е. довольно высокая вероятность пожара. и тут мы плавно переходим к
ЖРД с полной газификацией компонентов.
схема с полной газификацией компонентов топлива
это разновидность замкнутой схемы, в которой осуществляется газификация
всего топлива в двух газогенераторах: в одном небольшая часть горючего
сжигается с почти полным расходом окислителя, а в другом — почти полный
расход горючего сжигается с небольшой частью окислителя.
схема имеет преимущества:
турбины могут иметь меньшую рабочую температуру, так как через них проходит большая масса.
два газогенератора позволяет устанавливать
топливные и окислительные насосы отдельно друг друга, что повышает
пожаробезопасность.
самый известный ЖРД представить такой схемы это конечно раптор.
двигатель по параметрам правда хорош. два ТНА
приводимыми в действие двумя турбинами, позволяют достичь высоких
давлений в камере сгорания 35 МПа и выдавшегося удельного импульса до
330 секунд над уровнем моря в некоторых модификациях. однако кроме
несомненных преимуществ схема имеет ряд недостатков:
- это сложная система трубопроводов
- газ после газогенераторов имеет высокую температуры и давление, что предъявляет требования к материалу трубопроводов и самого ТНА.
если приглядеться, то видно, что один из ТНА установлен сверху на камеру сгорания, что позволяет упростить трубопроводы, но есть еще ведь еще один ТНА. как быть с ним?
но стойте, зачем нам полная газификация? ради
красивой строчке в рекламном буклете? кроме того говорят о глубоком
дросселировании. вспомним уравнение состояние идеального газа:
PV = mRT.
камера сгорания у нас объем не изменяет, значит V
константа. что такое дросселирование - понижение давления газа или пара
при протекании через сужение трубопровода. т.е. мы уменьшаем количество
вещества, следовательно давление и температура падают падают. а если еще
вспомнить формулу КПД тепловой машины, видно что падает и КПД.
так что глубокое дросселирование говорит о том
что, большую часть времени УИ раптора значительно меньше пикового. так
давайте сделаем двигатель с газификацией одного компонента, если
принципиальных преимуществ схема с полной газификацией не дает.
встречайте РД-191
РД-191 — однокамерный ЖРД с дожиганием окислительного газа с вертикально расположенным турбонасосным агрегатом. ТНА расположен сбоку, а не прям над камерой сгорания, что увеличило бы высоту двигателя.
к принципиальные недостатки схемы характерные недостатки схемы с газификацией одного компонента: одна турбина качает и топливо и окислитель, что определяет значительно меньшее чем у "раптора" давление в камере сгорания, всего 26 МПа и не самый выдающийся удельный импульс 311 секунд.
определенные преимущества схемы с полной газификацией компонентов есть, хоть есть и недостатки, их не так много, но можно ли их принципиально решить? да можно прошу любить и жаловать:
ЖРД с ЭНА
этой схеме вместо ТНА используется ЭлектроНасосныйАгрегат. думаю как понятно из названия для приводов насосов используется электродвигатель, что ещё дает выигрыш в КПД. почему? как я уже упоминал выше нам нужна большая разница температур - вспомним школьную формулу КПД для тепловой машины. а как вы понимаете при газификации топливо точно нагревается.
идеологически схема похоже на схему с полной газификацией. т.е. использует свой отделенный насосный агрегат для окислителя и для топлива. каждый насосный агрегат приводится в действие своим электродвигателем.
единственный двигатель, который я знаю, использующий такую схему, это ЖРД Реерфорд. как вы можете видеть двигатель имеет простую систему трубопроводов и выглядит достаточно просто.
при этом ЭНА развивают давление до 20 МПа. для сравнения давление в камере сгорания раптора 35 МПа в 1.75 раз большее. а удельный импульс ЖРД Резерфорд 303 с, что в общем-то сравнимо с детищем SpaceX 330 с. всего в 1.1 раз больше. самое главное преимущество ЖРД с ЭНА из которой все следует, что в двигателе ОДНА камера сгорания.
тут правда стоить упомянуть небольшую мощность электродвигателя. почему это важно? дело в том что массу компонентов которую надо "перелопатить" ЭНА тоже небольшая. и можно обойтись сравнительно не большой электрической мощностью. что очень важно ведь ЭНА ЖРД Резерфорд запитываются от аккумуляторов. т.е. недостаток схемы источник энергии ЭНА. и тут я выскажу свое решение проблемы:
ЖРД с термоэлектрическим генератором
действительно схема с ЭНА очень хороша. она технологична, лаконичная. расход и соотношение компонентов можно регулировать изменением расхода насосов, с помощью питающего их инвертора, т.е. электронно, а не с помощью дросселя как в традиционном ЖРД. такое решение позволяет ещё больше упростить и повысить надёжность конструкции.
но схема имеет принципиальный недостаток: источник энергии ЭНА. и вот тут то как раз вес выходит на первый план, так как ЖРД Резерфорд использует аккумуляторы. конечно это не свинцово-кислотные
аккумуляторы, как в большинстве автомобилей, но тем не менее.
так позвольте у нас полно энергии. ведь мы сжигаем эффективное топливо, так значит нужно немножко энергии у горячих газов отнять и превратить в электричество.
ту ещё вот что надо заметить, что в схеме с одной турбиной, что с двумя на количество запасённой энергии это не влияет - она одна, та что есть в баках. т.е. эта энергия делится: часть идет в турбины, а часть в камеру сгорания и как нетрудно догадаться на двух газогенераторах топлива сгорает больше, при этом тепловая энергия в кинетическую энергию отбрасываемой струи переходит с очень малым КПД, а остальная рассеивается в виде тепла. так давайте её соберём и преобразуем в электричество!
с этой задачей справляется термоэлектрический элемент. вроде бы все просто и логично, но это обманчивая простота. КПД существующих термоэлектрических генераторов не более 7%. понадобятся новые материалы и подходы, но преимуществами являются простота и высокая безопасность схемы, кроме того используется неиспользуемое до этого тепло. т.е. мы однозначно повышаем КПД. который у ЖРД ниже паровозного.
про один из подходов я даже расскажу. например сопло ЖРД нагреваются до очень высоких температур, а значит много фонят в ИК диапазоне. значит нужен массив выпрямляющих наноантенн, которые осуществляют преобразование электромагнитной волны в электричество. кстати говоря недавно посоветовали интересную заметку по теме.
основная проблема это "оптические" частоты электромагнитных волн, что определяет размер антенны - антенки нужны ну совсем маленькие. кроме того антенна выпрямляющая, значит и "диод" должен работать на оптической частоте, а это сотни тысяч гигагерц. проблемы сложные, но решаемые. приятным бонусом будет то, что такой системе не нужен холодильник. т.е. без проблем будет работать в вакуума.
недавно узнал про ещё один перспективный генератор который должен подходить хорошо — термоэмиссионный генератор. суть заключается в том, что при нагревании металлы активно испускают электроны. например представьте себе нить в трубке. если в трубке вакуум, а нить можно нагреть до достаточно высокой температуры, то электроны смогут сравнительно легко пролететь расстояние между нитью до стенки трубки.
в обратную же сторону электрон пролететь не может т.к. стенка трубки имет значительно более низкую температуру. возникает что-то типа p-n перехода в полупроводниках.
т.е. в случае ЖРД нет смысла охлаждать с помощью компонентов топлива сопло. тепло от соплового аппарата нужно доставлять в термоэлектрический генератор, к его его аноду, например при помощи жидкометаллических теплоносителей, а уже «холодную» часть генератора
охлаждать компонентами топлива. а если скажем получится использовать не обычные насосы, а МГД насосы система обещает получится достаточно
простой и технологичной.