Миллиарды капель и космический старт
Те же «капельные», но совсем не малые проблемы встали и перед создателями ЖРД. Здесь камеры особенно прожорливые: рабочий процесс должен «переварить» огромные массы топлива, обеспечить высокие мощности, необходимые, чтобы вывести ракету в космическое пространство. Но сначала немного истории.
Созданная упорным и вдохновенным трудом ученых, инженеров, конструкторов ракета с ЖРД свершила техническое чудо и проложила человеку путь в космос. Основы этой гигантской победы человеческого разума были заложены на рубеже XIX и XX веков. Основоположником современной космонавтики и реактивной техники был, как известно, Константин Эдуардович Циолковский (1857—1935). Школьный учитель физики из Калуги первый увидел реальные очертания будущих космических аппаратов. В своей замечательной работе «Исследование мировых пространств реактивными приборами» (1903) он дал законы движения ракеты и впервые в мире предложил и обосновал новый тип двигателя — ЖРД. Этим же путем позднее пошли и другие ученые: Р. Эно-Пельтри во Франции (1913), Р. Годдард в США (1919), Г. Оберт в Германии (1923). Интересно, что Оберт, имя которого для многих наших специалистов звучало лишь вехой ушедших лет, неожиданно «ожил» и в 1982 году прибыл, достаточно бодрый для своих 88 лет, в числе почетных гостей к нам в страну, когда мы отмечали 125-летие со дня рождения Циолковского и 25 лет с начала космической эры.
В беседе с академиком Б. В. Раушенбахом, нашим известным ученым, соратником С. П. Королева, Оберт с гордостью напомнил собеседнику, как одним из первых понял и высоко оценил труды Циолковского.
Не все ученые того времени были столь прозорливы, отчасти из-за своеобразия формы публикаций Константина Эдуардовича, заменявшего часто в формулах алгебраические символы словами. Оберта повезли в Центр подготовки космонавтов и среди прочего показали специальный бассейн, где удельные веса жидкости и плавающего тела одинаковы. Космонавты в скафандрах демонстрировали тренировку в условиях невесомости. Борис Викторович Раушенбах рассказывал: Оберту все очень понравилось, и он ко всеобщему веселью сделал вдруг заявку на приоритет:
— О да, интересно! Но я сам проделал это еще в 1916 году. Погружался с головой в свою ванну, держа трубочку во рту. Мне очень хотелось почувствовать, что есть невесомость...
Прошли годы. Вот-вот станет явью мечта Циолковского, говорившего, что Земля — колыбель человечества, но нельзя все время жить в колыбели. По обе стороны океана уже шли к космическим стартам. Но первым взлетел в космос 12 апреля 1961 года наш Юрий Гагарин на корабле «Восток», и одним из решающих факторов успеха были мощные и надежные ЖРД.
Вспомним рациональный, поразительно простой и эффективный принцип действия ЖРД (см. рис. 5). Горючее и окислитель из баков подаются центробежными насосами в камеру сгорания: окислитель — непосредственно к своим форсункам, а горючее — к своим, но через узкую полость между двойными стенками камеры сгорания и сопла. Только так, используя большой поток горючего в качестве охладителя, можно защитить камеру и сопло (конструктивно они представляют одно целое) от чудовищного (выше вулканического) жара, развиваемого внутри этого химического двигателя. Горючее, подогреваемое между стенками, готовится к процессу смесеобразования. В реальных двигателях вспомогательный насос подает его из отдельного бака в газогенератор — специальную меньшую камеру, работающую при более низкой температуре. Здесь оно газифицируется и идет как рабочее тело на колесо турбины. Турбина вращает соосно расположенные основной и вспомогательный насосы — все в целом образует ТНА (турбонасосный агрегат), компактный сгусток современной технической мысли; перед запуском ЖРД его раскручивает специальный стартовый движок. Автоматика регулирует режим работы, поддерживает заданную пропорцию жидких компонентов.
Камера сгорания ЖРД — подлинное царство капель, они владеют всем пространством на начальном ее участке — там нет никакой металлической начинки, как в ВРД (форкамеры, стабилизаторы). Здесь оба компонента реакции — и горючее, и окислитель — используются в виде жидкости, например керосин и сжиженный кислород (или спирт с азотной кислотой, отдающей кислород при разложении). В этом заключается отличие от ВРД, для которого возят с собой только жидкое горючее, а окислитель даровой — из воздуха атмосферы.
Все ВРД — проточные каналы, ЖРД — глухой горшок, дно его плотно усажено сотнями форсунок — форсуночная головка должна за секунду пропускать многие килограммы жидкости. В форсуночной головке распылители обоих компонентов расположены в определенном порядке, чтобы каждый факел горючего равномерно по возможности насытить окислителем. Часто используют сотовое расположение, подсказанное архитектурой пчелиного улья.
В адском горшке ЖРД приготовляется более калорийное варево, чем в камере ВРД. Температура газов на выходе из двигателя достигает 3500 К и более. Однако набор процессов смесеобразования здесь в принципе тот же, что и в воздушных камерах: распыливание, движение и испарение капель, смешение паров до горючей концентрации, только организованы они сложнее во времени и в пространстве. Все явления протекают почти рядом, бок о бок друг с другом и горением. Исследователи нарисовали картину рабочего процесса в ЖРД. Плотное облако капель в факелах форсунок увлекает за собой слои окружающего газа, на их место обратно засасываются встречные струи горячего газа — продукты полного и неполного сгорания из начальной зоны пламени. Образуются обратные токи — вблизи форсуночной головки крутятся колечки интенсивных вихрей. Только жидкие розетки, и густое облако капель спасают сами форсунки от выгорания.
Химическая реакция горения протекает бурно и идет преимущественно в газовой фазе; сквозь газ движутся горящие капли — давление в камере высокое: 50 и более атмосфер. Температура быстро нарастает от задней стенки к выходу камеры. Продукты сгорания поступают в реактивное сопло, где поток разгоняется до высоких сверхзвуковых скоростей, и таким образом тепловая энергия преобразуется в кинетическую. Мы помним счетверенные слепящие блики на теле- или киноэкране, когда показывают запуск космического корабля,— это огненные выхлопные струи из сопел связки двигателей, ими оснащена космическая ракета, идущая в зенит.
Мощность и тяга современных ЖРД очень велики. Пять двигателей первой ступени американской ракеты «Сатурн», забросившей «Аполлоны» на Луну, имели тягу около 600 тонн каждый.
Приведем некоторые цифры для характеристики таких мастодонтов современной ракетно-космической техники, как «Сатурн-V» (двигатель F-1). Мощность одного двигателя первой ступени оценим по параметрам реактивной струи. Массовый расход компонентов G (керосин и жидкий кислород) составляет примерно 2650 кг/с, а скорость истечения газов из сопла двигателя w достигает примерно 2400 м/с. Тогда мощность газовой струи оказывается равной 7.6-103 МВт :
Таким образом, двигатель диаметром около метра развивает мощность примерно 10 Днепрогэсов!
Оценим число капель, вылетающих в секунду из форсунок такого двигателя. Секундный расход жидкости равен произведению числа капель п на среднюю плотность жидкости ρср и объем капли:
Если принять средний диаметр капли в спектре распыливания равным 100 мкм, а среднюю плотность равной 1 г/см3, то получим, что
n = 5 х 1012 капель в секунду. Такой невероятный рой капель рождается в секунду примерно из 6000 распылителей форсуночной головки, питая бушующее пламя камеры.
Упомянем еще один класс двигателей—РДТТ: ракетные двигатели твердого топлива — дальнейшее развитие древней пороховой техники. Главные части здесь — тоже камера сгорания и сопло, но в камеру заложен заряд твердого топлива сравнительно медленного горения. Заряд содержит оба компонента — горючее и окислитель. Наша знаменитая «Катюша» — пример твердотопливной ракеты.
— Но капель в РДТТ нет? — может спросить внимательный читатель.
Представьте, есть, но это особые, «железные» капли. Для повышения тяги ракеты иногда увеличивают калорийность топлива, закладывая в него мелкие частицы алюминия. Сгорая, они выделяют много тепла и превращаются в мельчайшие капельки окисла — Аl2О3. Сделав свое полезное дело, они потом становятся балластом. Хотя общая выгода получена, потоку газов приходится возвращать «сдачу» — часть своей энергии— на разгон и вынос частиц из сопла. Такие потери называются двухфазными (первая фаза— газ, вторая фаза — твердые или жидкие частицы); их надо уметь рассчитывать, а для этого надо знать диаметры частиц. И вот мы снова пришли к спектру капелек, только из окисла металла, которые обычно меньше, чем капли в ВРД. Механизм образования спектра здесь другой. Капли жидкого горючего — результат распада струй, капли окислов — продукт конденсации в жидкость из газообразного состояния, и поэтому их называют конденсатом.
