Жидкостные ракетные двигатели (стр. 19 )

2)  T охл  <  T разл

где: Тразл - температура разложения компонента протекающего по заруба-шечному пространству. В противном случае на стенках охлаждающего тракта может начаться процесс смолообразования вещества, что приведет к увеличе­нию термического сопротивления стенки, а, следовательно, к росту величины температурного градиента в ней. Кроме того, образования летучих продук­тов при разложении компонента может отрицательно сказаться на работе фор­сунок смесительной головки камеры ЖРД.

3)        Скорость течения охладителя WOXJI должна быть равна своему рас­
четному значению.

Невыполнение этого условия может привести к существенному уве­личению величины гидравлического сопротивления охлаждающего тракта зарубашечного пространства камеры ЖРД.

4)        Компонент должен обладать малыми значениями вязкости корро­
зионной активности и температуры замерзания. При этом значение теплоем­
кости, температуры кипения и разложения компонента желательно иметь мак­
симально большими.

Обычно в качестве охладителя используется горючее, однако в неко­торых случаях (при недостатке горючего) в качестве охладителя может ис­пользоваться окислитель.

7.5. Внутреннее охлаждение

При указанной схеме охлаждения охладитель вводится во внутрен­нюю полость камеры сгорания, создавая при этом простеночный слой газа с пониженной температурой. Охладитель должен обладать повышенными зна­чениями теплоемкости, температуры кипения и диссоциации.

Для внутреннего охлаждения обычно используют горючее (водо­род, монометил, гидрозин). При внутреннем охлаждении подача охладителя в камеру ЖРД может осуществляться следующими способами:

1)  через периферийные форсунки, расположенные по внешнему диа­метру головки камеры, рис.55.

Этот способ охлаждения наиболее прост по своему конструктив­ному выполнению. Однако, пристеночный слой газа с пониженной темпера­турой отрывается от поверхности внутренней стенки, вследствие интенсивно­го вихревого движения в камере и пульсации давления в ней.

Поэтому для обеспечения эффективного охлаждения внутренней стенки камеры ЖРД могут быть использованы пояса завес.

Рис.55

Охлаждение периферийными форсунками

1) через пояса завес, которые представляют собой ряд мелких (обычно тангенциальных) отверстий, выполненных во внутренней стенке ка­меры. Указанные отверстия могут иметь форму окружности или кольцевой щели.

Рис.56

Пояса завес

Обычно пояса завес выполняются перед наиболее теплонапряженны-ми зонами камер ЖРД.

Для ЖРД малых тяг, используемых на высотах до 5км, как правило, достаточно иметь только завесное охлаждение.

3) через пористые вставки (транспирационное охлаждение). Охлади­тель подается в камеру ЖРД через вставки, выполненные из пористого мате­риала, уставленные во внутренней стенке камеры. В качестве преимущества указанного способа охлаждения необходимо отметить равномерное распреде­ление охладителя по внутренней поверхности камеры. К недостаткам транс-пирационного охлаждения можно отнести высокое гидравлическое сопротив­ление материала вставок, пониженное значение прочности, сложность закреп­ления вставки в стенке камеры, а также зашлаковывание пористых вставок в процессе эксплуатации.

7.6.Система теплозащитных покрытий (ТЗП)

Использование ТЗП на наиболее теплонапряженных элементах двига­тельной установки при неизменных внешних тепловых нагрузках позволяет снизить габаритно-массовые характеристики ДУ на 15-20 %, если бы обеспе­чение нормативно-прочностных характеристик осуществлялось путем увели­чения толщины элементов конструкции или постановкой дополнительных ребер жесткости.

Различают активные и пассивные ТЗП. К пассивным ТЗП относятся теплоизоляционные и емкостные, а к активным (аблирующим) - сгорающие, коксующиеся и испаряющиеся.

Абляция - комплексный процесс разрушения материала, включаю­щий нагрев, плавление, испарение, разрушение и механический унос материа­лов.

Процесс абляции является планируемым, то есть толщина покрытия зависит от условий эксплуатации и может быть рассчитана.

Условия работы стенок камеры осложнены тем, что вследствие не­равномерности смешения компонентов топлива даже при значениях среднего коэффициента избытка окислителя меньше единицы вблизи стенок могут воз­никать местные участки с наличием свободного окислителя. При высокой температуре окисление металлов протекает очень быстро и может привести к прогоранию стенок.

Высокие скорости газового потока в сопле способствуют эрозии — размыванию материала стенки. Процесс эрозии усиливается при достижении стенками температуры размягчения материала, а также при наличии в потоке твердых частиц (сажа, твердые продукты полного и неполного горения). Эро­зия может привести к недопустимому уменьшению толщины стенок камеры и их разрушению.

Таким образом, для обеспечения надежной работы стенок камеры требуется защита их от чрезмерного  нагрева, окисления  (коррозии) и размывания (эрозии). Основным требованием, предъявляемым к системам защиты стенок, является надежное обеспечение необходимого ресурса при минимальном снижении удельной тяги и минимальном увеличении веса камеры.

Емкостные ТЗП

На аккумуляции тепла стенками камеры в процессе нестационарного теплообмена с газом основан метод так называемого емкостного охлаждения камеры.

Очевидно, что время безопасной работы камеры при емкостном охла­ждении будет ограничено временем, за которое температура огневой по-верхности достигнет предельно допустимой, которая близка к температуре плавления материала; при этом глубинные слои стенки должны обеспечивать необходимую прочность. Время достижения опасной температуры зависит от уровня температуры плавления или сублимации для данного материала, его теплоемкости и теплопроводности. 

Чем выше теплоемкость материала, тем большее количество тепла может аккумулироваться в массе стенки, тем медленнее будет расти темпера­тура стенки со стороны газа. Увеличение теплопроводности материала позво­ляет быстрее отводить тепло от огневой поверхности и также замедляет рост Тст. г.

Различные материалы имеют различные сочетания значений теплоем­кости и теплопроводности, поэтому в одинаковых условиях время безопасной заботы для них различно.

Время безопасной работы медной стенки, несмотря на ее более низ­кую, чем у стали, температуру плавления и примерно одинаковую теплоем­кость, существенно больше. Причина в значительно большей теплопроводно­сти меди.

В стальной стенке тепло, воспринятое огневой поверхностью, не от­водится в глубь стенки с такой же скоростью, как в медной, поэтому темпера­тура поверхности возрастает очень быстро, в то время как соседние слои ма­териала относительно холодные. Таким образом, теплоемкость стальной стен­ки используется лишь частично, а время безопасной работы лимитируется теплопроводностью.

Материалы, относящиеся к емкостным ТЗП должны обладать хоро­шими теплоаккумулирующими способностями при высоких значениях темпе­ратуры разрушения материала (вольфрам, молибден, медь и т. д.).

Теплоизоляционные ТЗП

Защита стенок камеры облегчается при использовании материалов, более тугоплавких, чем современные конструкционные металлы. Такими ма­териалами являются карбиды и окислы металлов, различные виды огнеупор­ной керамики и металлокерамики, графиты, обладающие низкими значениями коэффициента теплопроводности. В связи с более высокой температурой плавления возможно повышение температуры стенки со стороны газа и, сле­довательно, снижение тепловых потоков в стенку.

Некоторые современные керамические материалы хорошо проти­востоят нагреву, химическому и эрозионному воздействию газового потока, однако имеют и существенные конструктивные и эксплуатационные недос-

татки. К ним относятся довольно низкое сопротивление разрыву и изгибу, хрупкость (опасны удары и сотрясения) и недостаточное сопротивление теп­ловому удару: керамика склонна к растрескиванию при быстром изменении температуры (запуск или остановка двигателя).

Тугоплавкие материалы могут применяться для изолядии основного материала стенки со стороны огневой поверхности. Так как тугоплавкие по­крытия имеют обычно низкую теплопроводность, то температура основного материала значительно ниже температуры огневой поверхности. Как видно, в этом случае низкая теплопроводность не является недостатком (если темпера­тура плавления покрытия достаточно высока). Изменение температуры в ос­новном материале, имеющем большую теплопроводность, менее значительно. Толщина тугоплавких покрытий составляет 0,1— 0,6 мм.

Уместно отметить, что аналогичную керамическим покрытиям роль в эксплуатации двигателя выполняют плохо теллопроводящие отложения сажи, кокса и шлака.

Тугоплавкие материалы лучше нержавеющей стали по таким показа­телям, как допустимая температура, удельный вес, теплоемкость, коэффици­ент линейного расширения.

В качестве примера можно назвать покрытую керамикой "Ниафракс А" камеру ЖРД американского управляемого снаряда "Найк", работающую без жидкостного охлаждения 35 сек. (Компоненты топлива - углеводородное горючее с азотной кислотой, Т гор = 2780°С). Экспериментальные сопла, вы­полненные из "Ниафракса", работали в условиях ЖРД до 60 сек.

Аблирующие ТЗП

При организации теплозащиты абляцией материал стенок должен об­ладать высокой теплотой плавления или сублимации и в то же время - низ­кой теплопроводностью. В этом случае количество тепла, отводимого уноси­мым материалом, преобладает над количеством тепла, аккумулируемого в сохраняющихся слоях материала стенок.

При расчете характеристик ЖРД, сопло которого имеет теплозащиту абляцией, необходимо учитывать изменение площади проходных сечений со­пла (прежде всего критического ) по времени.