Необыкновенная жизнь обыкновенной капли - Марк Волынский

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.