Глава V. ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАЗВИТИЯ РАБОТ ПО РЕШЕНИЮ ПРОБЛЕМЫ ТЕПЛОВОЙ ЗАЩИТЫ ЖРД
5.1. КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ ТЕПЛОВОЙ ЗАЩИТЫ ЖРД
- Попытки классификации методов охлаждения и теплозащиты ЖРД в той или иной форме предпринимаются в большом количестве работ: учебниках, энциклопедиях, обзорных статьях и т.д. Однако при этом во внимание принимаются лишь наиболее используемые в настоящее время методы охлаждения и не рассматриваются методы, находящиеся в стадии разработок или опытного применения, и, кроме того, не учитывается исторический опыт работ по охлаждению двигателей и, как следствие этого, не рассматриваются методы, находившие применение на ранних этапах развития ЖРД.
- Проведенное в настоящей работе исследование создает предпосылки для разработки классификации (табл. I), не имеющей указанных недостатков.
- Из всех способов предохранения материальной части ракетных двигателей от разрушающего воздействия высоких температур, прежде всего, целесообразно выделить методы, способствующие решению проблемы охлаждения и теплозащиты. К ним относятся: выбор формы камеры сгорания и сопла, выбор соответствующих компонентов топлива, либо обладающих хорошими охлаждающими свойствами, либо имеющих сравнительно низкую температуру сгорания; выбор целесообразного соотношения компонентов топлива или добавление в топливо инертной примеси для снижения температуры сгорания.
- Далее методы предохранения двигателей можно разделить на две большие группы: охлаждение, т.е. отвод от стенки камеры теплового потока, поступившего на нее, и теплозащита, т.е. уменьшение тем или иным способом теплового потока, поступающего на основную стенку двигателя.
- Охлаждение осуществляется несколькими способами, которые в свою очередь можно разбить на две группы. К первой из них следует отнести охлаждение проточное, осуществляемое с помощью жидкости (или газа), протекающей по охлажденной стенке. Во вторую группу входят статические методы, к числу которых следует отнести емкостное охлаждение жидкостью и радиационное охлаждение.
- Емкостное охлаждение имеет (точнее, имело) две разновидности: независимое охлаждение, когда в качестве хладагента используется посторонняя жидкость (например, вода), и регенеративное, при котором осуществляется съем тепла топливом, поступающим затем в камеру сгорания.
- Проточное охлаждение также может быть независимым и регенеративным. При этом независимое охлаждение может иметь несколько разновидностей: открытые трубы, спутным потоком воздуха, водой и пр.
- Два метода охлаждения: тепловые трубы и циркуляционное, при котором хладагент движется по замкнутому контуру между нагревателем — камерой сгорания — и охладителем — баком с топливом и т. д. — по-видимому, целесообразно отнести к промежуточной группе между независимым и регенеративным методами. Предпосылкой для этого является то обстоятельство, что эти методы имеют промежуточный хладагент, например рабочее тело тепловой трубы, тепло от которого передается к основному хладагенту: топливу двигателя или воде, или холодильнику-излучателю для сброса в космос. В зависимости от того, куда отводится тепло, снятое с поверхности двигателя, эти методы могут быть регенеративными или независимыми — назовем их методами с промежуточным хладагентом.
Таблица 1
- Проточное охлаждение можно классифицировать также по конструкции охлаждающего тракта: гладкий или оребренный тракт. В свою очередь, оребренный тракт может иметь две принципиально отличающиеся разновидности: связанная или несвязанная конструкция. Связанная конструкция может быть трубчатой в один, полтора и два прохода и не трубчатой, при которой соединение стенок двигателя осуществляется с помощью промежуточных прокладок, выштамповок, а также через отфрезерованные ребра.
- При регенеративном проточном охлаждении (принципиально возможно и при независимом, хотя примеров практической реализации пока нет) бывает целесообразно интенсифицировать процесс теплоотдачи к хладагенту за счет выбора, например, соответствующей кривизны и шероховатости охлаждающего тракта, путем доведения хладагента до пузырькового кипения и т.д.
- Методы теплозащиты также можно разделить на две большие группы в зависимости от того, что используется для их реализации: жидкость (газ) или твердые высокотемпературные или другие материалы.
Теплозащиту с помощью жидкости (газа) в настоящее время называют внутренним охлаждением. Конечно, в ряде случаев топливо при таком методе выполняет функции хладагента, снимая за счет своего движения поступивший на стенку тепловой поток от продуктов сгорания. Однако главная задача внутреннего охлаждения заключается в том, чтобы уменьшить величину теплового потока в стенку, и, следовательно, этот метод более правильно называть теплозащитой, а не охлаждением. Внутреннее охлаждение, в свою очередь, можно разделить на две группы: охлаждение с помощью жидкости, не являющейся топливом, и охлаждение топливом. Кроме того, внутреннее охлаждение можно классифицировать по способу подачи хладагента: охлаждение, создаваемое соответствующим расположением форсунок на периферии головки, при котором горение топлива возле стенки происходит с более низкой температурой, чем в центре камеры; охлаждение, осуществляемое путем подачи хладагента на внутреннюю поверхность стенки через специальные отверстия в поясах завесы; охлаждение реверсивное, транспирационное, дискретное с ламиниризацией или вспениванием.
- Теплозащита с помощью материалов может быть условно разделена на две группы: теплозащита разрушающимися и неразрушающимися покрытиями. К первой из них можно отнести абляционное охлаждение (поверхностная, внутренняя и внешняя абляция), а также теплозащиту отложением, включающую в себя естественный процесс отложения углерода на стенке при сгорании углеводородных топлив, и искусственный процесс, при котором в топливо добавляются специальные вещества, уменьшающие тепловые потоки в стенку либо за счет отложения вещества на стенке, либо за счет создания облаков конденсированных частиц, экранирующих стенки камеры от радиационных потоков.
- Ко второй группе относятся теплозащита неразрушающимися материалами, изолирующими основную стенку двигателя, и теплопоглощение (сюда же можно условно отнести и теплопоглощение основной стенкой двигателя, не имеющей специального покрытия). Кроме того, к этой же группе можно отнести и метод абляции, при котором после «обугливания» поверхностного слоя материала в начальный момент работы двигателя последующее разрушение покрытия не происходит (нестационарная абляция).
Далее…
В настоящей работе мы используем исторически сложившийся термин «внутреннее охлаждение», так как, в конечном счете, важно не название метода, а его сущность.
Эти методы могут использоваться как с помощью топлива, так и с помощью дополнительной жидкости (газа).