Регенеративное охлаждение (ракетная техника)

В ракетных двигателей конструкции регенеративное охлаждение представляет собой конфигурацию, в которой часть или все топливо пропускается через трубы, каналы или рубашку вокруг камеры сгорания или сопла для охлаждения двигателя. Это эффективно, поскольку топливо часто является криогенным. Нагретое топливо затем подается в специальный газогенератор или впрыскивается непосредственно в основную камеру сгорания.

История

В 1857 году Карл Вильгельм Сименс представил концепцию регенеративного охлаждения. ^[1] 10 мая 1898 года Джеймс Дьюар применил регенеративное охлаждение и первым осуществил статическое сжижение водорода. ^[2] Концепция регенеративного охлаждения также была упомянута в 1903 году в статье Константина Циолковского . ^[3] Роберт Годдард построил первый двигатель с рекуперативным 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, в которых использовалась эта технология, были ОР-2 Фридриха Цандера , испытанный в марте 1933 года, и ОРМ-50, стендовые испытания которого провел в ноябре 1933 года Валентин . Глушко . Первый немецкий двигатель этого типа также был испытан в марте 1933 года Клаусом Риделем в VfR . Австрийский ученый Ойген Зенгер прославился своими экспериментами по охлаждению двигателей, начавшимися в 1933 году; однако большинство его экспериментальных двигателей имели водяное охлаждение или охлаждались дополнительным контуром топлива.

Ракетный двигатель Фау -2 , самый мощный в свое время с тягой 25 тонн (245 кН ), в конструкции Уолтера Тиля охлаждался регенеративно за счет топлива, перекачиваемого снаружи камеры сгорания между самой камерой сгорания и внешняя оболочка, которая соответствовала камере и была отделена несколькими миллиметрами. Эта конструкция оказалась недостаточной для охлаждения камеры сгорания из-за использования стали для камеры сгорания, а снаружи была добавлена дополнительная система топливопроводов с соединениями через обе оболочки камеры сгорания для впрыска топлива непосредственно в камеру под углом. 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.

Ключевой инновацией в области регенеративного охлаждения 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 через гофры и очень эффективно поглощало тепло. Это позволило использовать более энергичное топливо и более высокое давление в камере, и с тех пор это основная схема, используемая во всех российских двигателях. Американские двигатели обычно решали эту проблему путем футеровки камеры сгорания паяными трубками из медного или никелевого сплава. Лишь недавно в двигателях типа РС-68 начали использовать более дешевую российскую технику. Американский стиль облицовки двигателя медными трубками называется «конструкцией спагетти», и эта концепция принадлежит Эдварду А. Ною из Reaction Motors Inc. в 1947 году.

Механизм

Регенеративное охлаждение остается преобладающим методом управления тепловыми нагрузками в камерах тяги. Обычно ракетное топливо действует как охлаждающая жидкость, когда оно поступает в двигатель через каналы на выходе из сопла. ^[5] Он пересекает область горла с высокой температурой и выходит возле торца форсунки. Эти каналы создаются либо путем припаивания охлаждающих трубок к камере тяги, либо путем фрезерования каналов вдоль стенок камеры. Поперечные сечения этих каналов меньше, что увеличивает скорость охлаждающей жидкости и максимизирует эффективность охлаждения в зонах с сильным нагревом. ^[6]

Тепловой поток и температура

Тепловой поток через стенку камеры очень велик; обычно в диапазоне 0,8–80 МВт/м. ² (0,5–50 БТЕ /дюйм ²-сек). ^[7]^: 98 Распространенным методом оценки теплового потока, выходящего из горячих дымовых газов, является использование уравнения Барца: ^[8]

$h_{g}={\frac {0.026}{D_{*}^{0.2}}}\left({\frac {\mu ^{0.2}c_{p}}{Pr^{0.6}}}\right)\left({\frac {p_{c}}{c^{*}}}\right)^{0.8}\left({\frac {D_{*}}{r_{c}}}\right)^{0.1}\left({\frac {A_{t}}{A}}\right)^{0.9}\sigma$

$h_{g}$ коэффициент теплопередачи от горячего дымового газа к внутренней стенке камеры/сопла (Вт/м²/К)
$D_{*}$ - диаметр горла камеры (м)
$\mu$ - динамическая вязкость дымовых газов (Па·с)
$c_{p}$ - удельная теплоемкость дымового газа (Дж/кг/К).
$Pr$ - число Прандтля горючего газа
$p_{c}$ давление в камере (Па)
${\ce {c^{\ast }}}$ - характерная скорость реакции горения (м/с)
$r_{c}$ — радиус кривизны стенки горла (м)
$A_{t}$ – площадь поперечного сечения горла камеры (м ²)
$A$ — площадь поперечного сечения камеры/сопла в интересующей точке (м ²)

$\sigma$ – безразмерный параметр, учитывающий изменение свойств газа в пограничном слое :

$\sigma ={\frac {1}{\left({\frac {1}{2}}{\frac {T_{w}}{T_{c}}}(1+{\frac {\gamma -1}{2}}M^{2})+{\frac {1}{2}}\right)^{0.8-\omega /5}\left(1+{\frac {\gamma -1}{2}}M^{2}\right)^{\omega /5}}}$

$T_{w}$ температура внутренней стенки камеры/сопла (K)
$T_{c}$ температура камеры (К)
$\gamma$ - отношение удельных теплоемкостей дымовых газов
$M$ - число Маха горючего газа в интересующей точке
$\omega$ является показателем степени зависимости вязкости от температуры горючего газа. Общая оценка составляет 0,6. См. температурную зависимость вязкости .

Количество тепла, которое может поступать в теплоноситель, контролируется многими факторами, включая разницу температур между камерой и теплоносителем, коэффициент теплопередачи , теплопроводность стенки камеры, скорость жидкости внутри каналов охлаждающей жидкости, скорость потока газа в камере/сопле, а также теплоемкость и температура на входе жидкости, используемой в качестве теплоносителя.

Формируются два пограничных слоя : один в горячем газе в камере (который моделируется уравнением Барца, приведенным выше), а другой в теплоносителе внутри каналов. ^[7]^{: 104–105}

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 очень скоро после этого может последовать разрушение стенки.

Пограничный слой внутри каналов теплоносителя также может быть нарушен, если теплоноситель находится при докритическом давлении и пленка кипит; тогда газ образует изолирующий слой, и температура стенки очень быстро возрастает и вскоре выходит из строя. Однако если охлаждающая жидкость вступает в пузырьковое кипение , но не образует пленки, это способствует разрушению пограничного слоя охлаждающей жидкости, и образовавшиеся пузырьки газа быстро схлопываются; это может утроить максимальный тепловой поток. Однако во многих современных двигателях с турбонасосами используются сверхкритические охлаждающие жидкости, и эти методы используются редко.

Регенеративное охлаждение редко используется изолированно; пленочное охлаждение, ^[6] транспирационное охлаждение, радиационное охлаждение Часто применяют также .

Механические соображения

При регенеративном охлаждении давление в каналах охлаждения превышает давление в камере. Внутренняя гильза испытывает сжатие, а внешняя стенка двигателя испытывает значительные кольцевые напряжения .

Металл внутренней гильзы сильно ослабляется под воздействием высокой температуры, а также подвергается значительному тепловому расширению на внутренней поверхности, тогда как стенка холодной стороны гильзы сдерживает расширение. Это создает значительные термические напряжения, которые могут привести к растрескиванию или растрескиванию внутренней поверхности после многократных обжигов, особенно в горловине.

Кроме того, тонкая внутренняя гильза требует механической поддержки, чтобы выдерживать сжимающую нагрузку, возникающую из-за давления пороха; эта поддержка обычно обеспечивается боковыми стенками охлаждающих каналов и опорной пластиной. 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 технологий производства. К ним относятся гофрированный металлический лист, припаянный между внутренней и внешней облицовкой; сотни паяных трубок правильной формы или внутренний лейнер с фрезерованными охлаждающими каналами и внешний лейнер вокруг него. ^[9] Геометрию также можно создать с помощью прямой 3D-печати металлом , как это видно на некоторых новых конструкциях, таких как ракетный двигатель SpaceX SuperDraco .

См. также

Ссылки

^
См.:
- Чарльз Уильям Сименс, «Усовершенствования в охлаждении и производстве льда, а также в устройствах или машинах для этой цели», британский патент №. 2064 (подано: 29 июля 1857 г.).
- Цикл Сименса
^
См.:
- Джеймс Дьюар (1898) «Предварительное замечание о сжижении водорода и гелия», Proceedings of the Royal Society of London , 63 : 256-258.
- «Жидкий водород как двигательное топливо, 1945-1959» . Офис программы истории НАСА . History.nasa.gov . Проверено 9 августа 2014 г.
^ Tsiolkovsky, Konstantin E. (1903) "Исследование мировых пространств реактивными приборами" (The exploration of cosmic space by means of reaction devices), Научное обозрение (Scientific Review) 5 : 44-75. (in Russian)
^ Фрэнк Х. Винтер (1990). Ракеты в космос . Кембридж, Массачусетс: Издательство Гарвардского университета. п. 30 . ISBN 978-0-674-77660-9 .
^ Луи, Кларенс; Куан, Майрон; Вонг, Ребекка. «Рециркуляционная регенеративная система экологического контроля». Журнал аэрокосмической промышленности . 113 : 1359–1374. дои : 10.4271/2004-01-2575 .
^ Перейти обратно: ^а ^б «Что такое пленочное охлаждение?» . Me.umn.edu . Проверено 24 февраля 2015 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б Хазель, Декстер К.; Хуанг, Дэвид Х. (1 января 1971 г.). НАСА SP-125, Проектирование жидкостных ракетных двигателей, второе издание (PDF) . НАСА. Архивировано из оригинала (PDF) 20 сентября 2022 года . Проверено 11 сентября 2022 г.
^ «Технические заметки» . Журнал реактивного движения . 27 (1): 49–53. Январь 1957 г. doi : 10.2514/8.12572 . ISSN 1936-9980 .
^ Джордж П. Саттон (ноябрь – декабрь 2003 г.). «История жидкостных ракетных двигателей в России, бывшем Советском Союзе» . Журнал движения и мощности . 19 (6). PDF.aiaa.org: 1008–1037. дои : 10.2514/2.6943 .

[1] См.:
Чарльз Уильям Сименс, «Усовершенствования в охлаждении и производстве льда, а также в устройствах или машинах для этой цели», британский патент №. 2064 (подано: 29 июля 1857 г.).

Цикл Сименса

[2] Чарльз Уильям Сименс, «Усовершенствования в охлаждении и производстве льда, а также в устройствах или машинах для этой цели», британский патент №. 2064 (подано: 29 июля 1857 г.).

[3] Цикл Сименса

[2] См.:
Джеймс Дьюар (1898) «Предварительное замечание о сжижении водорода и гелия», Proceedings of the Royal Society of London , 63 : 256-258.

«Жидкий водород как двигательное топливо, 1945-1959» . Офис программы истории НАСА . History.nasa.gov . Проверено 9 августа 2014 г.

[5] Джеймс Дьюар (1898) «Предварительное замечание о сжижении водорода и гелия», Proceedings of the Royal Society of London , 63 : 256-258.

[6] «Жидкий водород как двигательное топливо, 1945-1959» . Офис программы истории НАСА . History.nasa.gov . Проверено 9 августа 2014 г.

[3] Tsiolkovsky, Konstantin E. (1903) "Исследование мировых пространств реактивными приборами" (The exploration of cosmic space by means of reaction devices), Научное обозрение (Scientific Review) 5 : 44-75. (in Russian)

[4] Фрэнк Х. Винтер (1990). Ракеты в космос . Кембридж, Массачусетс: Издательство Гарвардского университета. п. 30 . ISBN 978-0-674-77660-9 .

[5] Луи, Кларенс; Куан, Майрон; Вонг, Ребекка. «Рециркуляционная регенеративная система экологического контроля». Журнал аэрокосмической промышленности . 113 : 1359–1374. дои : 10.4271/2004-01-2575 .

[:0-6] Перейти обратно: ^а ^б «Что такое пленочное охлаждение?» . Me.umn.edu . Проверено 24 февраля 2015 г.

[HuzelAndHuang-7] Перейти обратно: ^а ^б Хазель, Декстер К.; Хуанг, Дэвид Х. (1 января 1971 г.). НАСА SP-125, Проектирование жидкостных ракетных двигателей, второе издание (PDF) . НАСА. Архивировано из оригинала (PDF) 20 сентября 2022 года . Проверено 11 сентября 2022 г.

[8] «Технические заметки» . Журнал реактивного движения . 27 (1): 49–53. Январь 1957 г. doi : 10.2514/8.12572 . ISSN 1936-9980 .

[9] Джордж П. Саттон (ноябрь – декабрь 2003 г.). «История жидкостных ракетных двигателей в России, бывшем Советском Союзе» . Журнал движения и мощности . 19 (6). PDF.aiaa.org: 1008–1037. дои : 10.2514/2.6943 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]