книги из ГПНТБ / Феодосьев В.И. Введение в ракетную технику Учеб. пособие
.pdf3. Использование энергии ядерных |
реакций |
191 |
руемой статьи при значительных мощностях |
(порядка десятков ки |
|
ловатт и выше) наименьший удельный вес будут иметь установки с ядерными реакторами и турбоэлектрогенераторами.
На фиг. 4. 7 приведена схема фотонного двигателя. Она выгля дит крайне упрощенно, так как мы не имеем сейчас возможности говорить о путях воплощения этой схемы в реальную конструкцию.
Впринципе же фотонный двигатель представляет собой камеру К
вкоторой какое-либо рабочее тело нагревается до очень высокой температуры — порядка десятков и сотен миллионов ( 1 0 7 — 1 0 8) гра
дусов Кельвина — за счет протекания термоядерной реакции. Такая термоядерная реакция может возникать в результате
разогрева рабочего тела с помощью мощного высококонцентриро ванного электрического разряда или вследствие других ядерных процессов, протекающих с большим дефектом массы, а следователь
но, и с большим выделением энергии. Естественно, что стенки ка меры 1 каким-либо способом, например за счет обмотки 2 , создаю
щей электромагнитное поле, концентрирующее зону ядерной реак ции в центре камеры, должны быть защищены от воздействия вы сокой температуры.
В камере 1 одна из стенок, например стенка 3, является прозрач ной, способной пропускать через себя световое излучение. Поток све товых электромагнитных волн или, иначе говоря, поток фотонов, вы текающий со скоростью света (т. е. со скоростью ~ 3 • 1 0 5 км/сек),
создает реактивную силу и, следовательно, тягу двигателя.
Сила реакции, вызванная излучением света, т. е. отбросом фото нов, является причиной возникновения светового давления, которое теоретически и- экспериментально было обнаружено академиком П. Н. Лебедевым еще в 1900 г.
Эта сила реакции может быть вычислена следующим путем. Если количество движения фотона, покидающего через прозрач
ную стенку камеры двигателя, обозначить через L, то общее коли чество движения, которое будет унесено всеми N фотонами, излучае мыми телом в единицу времени, будет равно LN.
Число излучаемых фотонов N можно выразить через полную энергию светового излучения Ф и энергию единичного фотона е. Очевидно, что
N —— .
е
Тогда полное количество движения, унесенное фотонами в единицу времени, составит
Z7V= Ф — .
8
Так как реактивная сила Р равна секундному количеству движения отбрасываемой массы, то
P ~ L ДГ=Ф — .
192 |
Гл. IV. Топлива ракетных двигателей |
Если фотоны излучаются равномерно со всей поверхности, то силу тяги удобнее выразить через величину давления излучения ркзл'
_ Р _ Ф L
Л , з л — s — s е '
В выражения для силы тяги фотонного двигателя и давления из лучения входит отношение количества движения фотона к его энер гии L/г, которое может быть найдено из следующих соображений. Приращение кинетической энергии движущегося тела связано с при ращением количества движения следующим соотношением:
d ( ^ ^ j = wd(mw).
Применяя это выражение к летящему фотону и учитывая, что ско рость фотона постоянна и равна скорости света с, получим диффе ренциальное уравнение
йг = с d.L,
интегрируя которое, находим
е=cL-\-C,
где |
С — постоянная интегрирования. При кинетической энергии е = 0 |
|||
и количество движения L—0. Отсюда следует, что и С—0. Тогда |
||||
|
|
, |
L |
1 |
|
|
S = CL и |
---- = |
----. |
|
|
|
Е |
С |
|
Воспользовавшись полученным соотношением, получим давление |
|||
излучения |
|
/ |
||
|
|
ф |
L |
|
|
|
Ризл |
|
с |
|
|
1 |
|
|
где |
/ = |
ф_ представляет собой удельный поток излучения, т. е. по |
||
|
|
S |
|
|
ток, излучаемый телом в единицу времени с единицы поверхности. Если предположить, что раскаленные газы — продукты термоядер ной реакции — являются абсолютно черным телом, то для подсчета удельного потока излучения 1=1 —1а можно воспользоваться уравнением Стефана—Больцмана
/0= 5,67 - 10—5 7'4 эрг!сек см1.
Давление излучения абсолютно черного тела р нзя0 составит
РизлО |
5,6710~S7~‘| дин = 1,927-10 - 21 74 кг!см1. |
|
2,9979-ЮЮ см * |
Как видно из полученного выражения, давление излучения Рим о ничтожно мало при низких температурах, но может достичь весьма больших значений при очень больших температурах, которые реаль-
3. Использование энергии ядерных реакций |
193 |
но достижимы в настоящее время благодаря освоению термоядерных реакций. Так, если в зоне термоядерной реакции будет достигнута температура в 1 миллион градусов, то давление излучения абсолют но черного тела составит около 2000 кг/см2. Это даст возможность получить тягу двигателя, равную 2000 кг с 1 см2 площади излуче ния фотонного двигателя.
Если продукты термоядерной реакции действительно будут по своим свойствам аналогичны абсолютно черному телу, то давление излучения действительно сможет обеспечить необходимую величину тяги фотонного ракетного двигателя. Однако многие авторы считают, что газ, нагретый до высокой температуры, имеет малую плотность и не содержит в себе сложных (многоатомных) молекул, вследст вие чего он не может иметь большой излучательной способности. Эти соображения частично подтверждаются расчетами и эксперимен тами по осуществлению управляемых термоядерных реакторов; ожидается, что при нагреве атомов водорода в них до температуры 50*106°абс. интенсивность излучения их будет соответствовать интенсивности излучения абсолютно твердого тела, нагретого всего лишь до 5000° абс. Световое давление при такой интенсивности из лучения составит всего 1,2 • 10~6 кг/см2, т. е. очень малую величину.
Таким образом, вопрос о возможности создания фотонного ракет ного двигателя надо считать еще очень неясным. Столь же пробле матичны и способы использования фотонного двигателя, так как он может быть эффективно применен на ракетных летательных аппа ратах только при скоростях полета, близких к скорости света.
П р и м е ч а н и е . Все данные о топливах и их компонентах, приведенные в гл. IV, взяты из иностранных источников.
13 519
Глава V
ПРОЦЕССЫ В КАМЕРЕ СГОРАНИЯ РАКЕТНОГО
ДВИГАТЕЛЯ
1. ГОРЕНИЕ В Ж РД
Подготовительные процессы и горение топлива в камере Ж РД
В камере сгорания ракетного двигателя протекают химические реакции горения, в результате которых значительная часть химиче ской энергии топлива переходит в тепло и затрачивается на нагре вание продуктов сгорания.
Существует много доказательств того, что компоненты топлива, прежде чем вступить в реакцию, должны испариться и что горение, таким образом, происходит в газовой фазе. Вместе с тем имеются примеры протекания реакций в жидкой фазе, как, например, в слу чае горения самовоспламеняющихся топлив и особенно в момент их воспламенения. Можно предположить, однако, что и в этом случае большая часть топлива вступает в реакцию только после испарения.
Так или иначе, протекание химической реакции возможно толь ко при соприкосновении молекул горючего и окислителя в необходи мой для горения пропорции. Поэтому, чтобы осуществить горение жидких топлив, необходимо вначале образовать возможно более однородную смесь паров горючего и окислителя.
Процесс создания такой смеси носит название смесеобразования. Физическая полнота горения топлива в камере определяется до лей прореагировавших молекул горючего и окислителя; она зависит от качества предварительного смешения топлива в двигателе и от времени, которое отводится на процесс горения. При этом время, необходимое на завершение горения, будет тем меньше, чем лучше
протекал подготовительный процесс смесеобразования.
Так как в двигателе с данными параметрами время горения опре деляется размерами (объемом) камеры сгорания, то улучшение сме сеобразования позволяет уменьшить ее размеры. Уменьшать же раз меры камеры сгорания выгодно, так как благодаря этому уменьшает ся вес двигателя и упрощается задача его охлаждения.
Для оценки качества процесса смесеобразования используются два критерия. Первый критерий исходит из того, что совершенное
I. Горение в Ж РД |
195 |
горение топлива возможно только в том случае, если в каждой точке камеры имеется необходимое соотношение между компонентами топ лива. При недостатке окислителя в каком-либо участке камеры не будет использоваться полностью горючее, а при недостатке горю чего — некоторое количество окислителя.
Поэтому процесс смесеобразования должен происходить так, что бы в каждой точке камеры устанавливалось необходимое соотно шение между горючим и окислителем, или, как говорят, распределе ние соотношения компонентов должно быть наиболее равномерным. В пределе при идеальном смесеобразовании в каждой точке должно быть то соотношение между окислителем и горючим, которое выбра но для всего двигателя в целом. Это требование становится особенно важным потому, что продукты сгорания, образующиеся в различ ных точках камеры сгорания, текут затем по соплу камеры в виде отдельных струек. Эти струйки очень слабо перемешиваются. Таким образом, если при образовании смеси горючего и окислителя не до стигнуто равномерное распределение соотношения компонентов топ лива, то возникшая неравномерность в значительной мере сохра няется и в процессе истечения, что приводит к физической непол ноте горения и потере химической энергии.
Второй оценочный критерий исходит из того, что в любом элемен тарном объеме камеры должен одинаково интенсивно протекать про цесс горения, для чего через каждую элементарную площадку по
перечного сечения камеры должно проходить в единицу времени оди наковое количество топлива или продуктов его сгорания.
Количество топлива, проходящее в секунду через элементарную площадку поперечного сечения, носит название расходонапряженности, обозначается г и выражается в г/см2 сек или в кг/м2 сек.
Следовательно, можно сказать, что процесс смесеобразования должен обеспечить возможно более равномерное распределение расходонапряженности по поперечному сечению камеры. В пределе при идеальном смесеобразовании в каждой точке поперечного сечения камеры расходонапряженность должна равняться средней расходонапряженности r= G /S K.c, где G — весовой секундный расход топли ва, SK.,-— поперечное сечение камеры сгорания.
В камере двигателя имеет место струйное течение газа. Вследст
вие слабого перемешивания газовых струй время, в течение которого топливо и продукты сгорания проходят камеру сгорания, для струек с различной расходонапряженностью различно. Струйка с малой расходонапряженностью, имея малую скорость, долго нахо дится в камере сгорания, даже дольше, чем это необходимо для пол ного завершения процесса горения. Зато струйка с большей расходо напряженностью проходит камеру очень быстро, и время, которое она находится в камере сгорания, оказывается недостаточным для завершения химических реакций. Это приводит к дополнительным потерям химической энергии топлива.
13*
196 |
Гл. V. Процессы в камере сгорания ракетного двигателя |
|
Органом |
смесеобразования является головка камеры сго |
|
рания. |
|
|
В |
головке |
камеры располагаются форсунки, впрыскивающие |
внутрь камеры горючее и окислитель в мелко распыленном виде. Смешение компонентов топлива может начаться еще в жидкой фазе путем слияния капелек и взаимного растворения горючего и окисли теля, но основная доля смеси образуется после испарения капелек и перемешивания паров компонентов.
Испарение и смешение компонентов связаны с явлением переноса
частиц из одной точки |
камеры в другую, т. е. с диффузионным |
||
|
и конвективным потоками в камере сгорания. |
||
|
Кроме этого, для испарения и последующего |
||
|
нагрева паров до температуры, при которой |
||
|
могут начаться и протекать химические реак |
||
|
ции горения, требуется подвод тепла со сто |
||
|
роны более нагретых областей в камере. Про |
||
|
цессы переноса частиц и переноса тепла про |
||
|
исходят одновременно и тесно связаны меж |
||
|
ду собой. |
|
|
|
|
Законы механического и теплового дви |
|
|
жения, которым подчиняется процесс смесе |
||
|
образования, являются чрезвычайно’ |
слож |
|
|
ными. Поэтому ниже, рассматривая смесеоб- |
||
Фиг. 5.1. Струйная фор- |
разование, мы ограничимся только некоторы- |
||
сунка и закон распреде- |
ми качественными выводами. |
|
|
ления расходопапряжен- |
^ |
Совершенно ясно, что удовлетворить тре- |
|
ности по сечению факела |
г |
г |
|
компонента |
бования, предъявляемые к процессу смесе |
||
|
образования, тем легче, чем мельче капли |
||
распыливаемого топлива, |
чем равномернее распределены |
капли |
|
в факеле форсунки и чем |
больше форсунок с малым расходом рас |
||
положено на головке. Размер капель и равномерность их распреде ления определяются главным образом типом форсунок.
В Ж Р Д применяются два типа форсунок: струйные и центробеж
ные. |
|
С т р у й н ы е ф о р с у н к и |
(фиг. 5. 1) представляют собой про |
стые цилиндрические отверстия |
малого диаметра, обеспечивающие |
вытекание тонких струек жидкости. Струйки распадаются на капля вследствие трения жидкости о газ, находящийся в камере.
Для струйных форсунок характерен узкий и длинный факел ком понента; распадение струйки и образование капель начинается до вольно далеко от форсунки. Распределение расходонапряженности в факеле компонента оказывается весьма неравномерным: наиболь шая расходонапряженность имеет место у оси факела, а к перифе рии она быстро уменьшается (см. фиг. 5. 1). Так как факел у струй ных форсунок получается узким, смешение различных компонентов начинается далеко от головки, а распределение расходонапряжен
1. Горение в Ж РД |
197 |
ности компонентов по поперечному сечению камеры сгорания после смешения топлива получается не достаточно равномерным.
Для устранения этого недостатка струйные форсунки устанав ливаются иногда с таким расчетом, чтобы в одной точке камеры пе ресекались две или большее число струек, вытекающих из разных форсунок (фиг. 5 .2). При этом часто делается так, что в точке пе ресечения встречаются струйки горючего и окислителя. В результа те удара струек происходит их бо
лее быстрое распадение на капли |
Сечение по аа |
и улучшается пепемешивание ком- |
|
Фиг. |
5.2. |
Струйные фор |
Фиг. |
5.3. |
Центробежная фор |
|
сунки |
с |
пересекающимися |
сунка |
и |
закон |
распределения |
|
|
осями. |
расходонапряженности по сече |
|||
|
|
|
нию факела |
компонента. |
||
ся и по выходе из канала. Под действием центробежных сил выхо дящая струйка растягивается в пленку, которая быстро распадается на капли.
Факел центробежных форсунок широкий и короткий, а капли рас пределяются в нем более равномерно, хотя наибольшая расходонапря,женяость компонента получается на окружности некоторого ра
диуса с центром на оси форсунки.
Вращательное движение в канале центробежной форсунки жид кость получает или благодаря тангенциальному входу в форсунку (фиг. 5 .4), или вследствие движения по винтовому каналу, образо ванному нарезной вставкой (шнеком) и стенкой форсунки.
Иногда в головках камер применяются одновременно и центро бежные, и струйные форсунки.
Расход компонентов через форсунки определяется их проходным сечением и перепадом давлений на форсунках; при этом расход про порционален корню квадратному из перепада давлений. Чем больше перепад давления, тем выше качество распыливания топлива, С дру
198 Гл. V. Процессы в камере сгорания ракетного двигателя
гой стороны, увеличение перепада приводит к возрастанию необхо димого давления подачи, что связано, особенно при вытеснительной подаче, с увеличением веса системы подачи двигателя.
Как уже было сказано выше, получение однородной смеси требу ет большого числа форсунок с малым расходом через каждую фор сунку.
И действительно, выполненные двигатели имеют большое число мелких форсунок. Так, например, в двигателе ракеты V-2 распили вание горючего в количестве примерно 3 кг/сек на одну форкамеру
Вход
к о м п о н е н т а
Фиг. 5. 4. Два типа центробежных форсунок.
а —с тангенциальным входом, б—шнековая.
/—входное тангенциальное отверстие, 2—развальцовка, удерживаю щая колпачок форсунки, 3—нарезная вставка (шнек).
осуществляется |
через 68 форсунок (из которых 44 центробежных |
и 24 струйных), |
так что на одну форсунку в среднем приходится |
расход всего в 42 г!сек.
Для того чтобы получить возможно более равномерное распреде ление компонентов по сечению камеры сгорания, форсунки горючего и окислителя на головке располагаются в определенном порядке.
Наиболее просто расположить |
в определенном порядке форсунки |
на плоской головке двигателя |
(фиг. 5. 5). На таких головках часто |
применяется шахматное либо сотовое расположение форсунок. По следний способ расположения удобен тем, что позволяет увеличить число форсунок окислителя по сравнению с числом форсунок горю чего. И хотя расход окислителя обычно в 2—4 раза превышает рас ход горючего, размеры форсунок окислителя и расход через них получаются в этом случае примерно такими же, как и для форсунок
горючего.
Принцип равномерного распределения горючего и окислителя может быть нарушен на периферии головки. Здесь часто устанав ливаются одни только форсунки горючего для образования присте ночной газовой струи пониженной температуры, защищающей стенку от прямого воздействия ядра потока, в котором температура более высокая. Для уменьшения непроизводительного расхода горючего
1. Горение в Ж РД |
199 |
через периферийные форсунки их делают так, что расход компонен та через каждую из них по сравнению с расходом соответствующего компонента через основную форсунку составляет 30—50°/о.
Если головка имеет не плоскую, а шаровидную форму, то форсун ки размещаются обычно в специальных форкамерах (см. фиг. 5. 10).
окислителя
6)
а) в)
Фиг. 5.5. Схема плоской головки и способы расположения форсунок на ней.
а—шахматное расположение форсунок, б—сотовое расположение фор сунок, в —соты в крупном масштабе.
X —основные форсунки горючего, О —форсунки окислителя, Ш —пе риферийные форсунки горючего для защиты стенки камеры.
Для испарения и последующего нагрева паров к распыленному топливу необходимо подводить тепло. Этот подвод тепла происхо дит в результате вихревого движения газа у головки, лучеиспуска ния от объемов газа, имеющих высокую температуру, лучеиспуска ния от горячих стенок камеры и, наконец, после начала реакции го рения путем непосредственной передачи тепла, выделяемого при ре акции. Наибольшее значение в подводе тепла к каплям топлива в процессе испарения имеет вихревое движение газа около головки.
Вихревое движение газа около головки сопровождается обратны ми потоками в пространстве между факелами компонентов топлива,
200 Гл. V. Процессы в камере сгорания ракетного двигателя
выбрасываемыми форсунками (фиг. |
5 .6). Эти обратные токи прино |
||||
сят с собой тепло, необходимое для испарения топлива, |
и способст |
||||
Ф акел компонент а |
вуют |
перемешиванию |
горючего |
и |
|
окислителя. |
|
|
|||
т оплива |
|
|
|||
|
В смеси паров горючего и окисли- |
||||
------_________— |
теля по мере прогрева |
начинаются |
|||
химические реакции, в результате ко |
|||||
|
торых выделяется тепло, достаточ |
||||
|
ное для дальнейшего протекания ре |
||||
|
акции во всем объеме |
камеры сго |
|||
|
рания. |
|
|
||
Головка камеры |
В соответствии с такой картиной |
||||
протекания процессов смесеобразова |
|||||
Фиг. 5. 6 . Схема возникновения |
|||||
вихревого движения и обрат |
ния и горения в Ж РД камера сгора |
||||
ных токов у головки камеры |
ния может быть условно разделена |
||||
сгорания. |
на |
несколько характерных |
зон |
||
|
(фиг. 5. 7). |
|
|
||
В первой зоне, непосредственно примыкающей к внутренней по |
|||||
верхности головки, происходит распадение струек компонентов топ-
Фиг. 5.7. Камера сгорания ЖРД и разделение ее на различные зоны.
/ —зона распыла, |
// —зона |
испарения, / / / —зона |
смешения и химических реакций, mm- |
сечение перехода |
горения из кинетической области в диффузионную, G /G 0 —относительное |
||
количество распыленного |
или испаренного, |
или смешанного, или прореагировавшего |
|
|
|
топлива. |
|
лива на капли. Поэтому эта зона может быть названа зоной распыла. Другие процессы — испарение и смешение — происходят в ней с от носительно малой интенсивностью.