Диссертация (1025976), страница 5
Текст из файла (страница 5)
и далее. Жидкий кислород в настоящее время рассматривается в36качестве охладителя в нескольких из перспективных концепций двигателей,предлагаемых для этих транспортных средств, но необходимы дополнительныеисследования, прежде чем охлаждение жидким кислородом можно будетсчитать жизнеспособной альтернативой водородному или углеводородномуохлаждению.Как правило, для охлаждения камеры сгорания ракетного двигателяиспользуется горючее. Но в случае охлаждения углеводородом в камерахвысокого давления, рассматриваемых для перспективных двигателей, будутнакапливаться отложения кокса в каналах охлаждения, что приведет кснижению теплообмена с охладителем. Таким образом, для поддержаниянеобходимого теплообмена может потребоваться применение кислорода вкачестве регенеративного охладителя.
Анализ с использованием взаимосвязейтеплообмена показал, что кислород способен охлаждать такие двигатели,давление в камере сгорания которых превышает 27,6 МПа с разумнымидопущениями по перепадам давления. Испытания камер с водородом и жидкимкислородомикамерсРП-1(керосином)ижидкимкислородомпродемонстрировали возможность применения жидкого кислорода в качествеохладителя на давлении в камере 4,1 МПа и 8,3 МПа.
Тем не менее, требуетсявремя для создания базы данных об охлаждении жидким кислородом прежде,чем уровень доверия и надежность этой концепции будут достаточны длярассмотрения такого альтернативного метода охлаждения». [91]В работе «Охлаждение жидким кислородом кислородно-углеводородныхкамер сгорания высокого давления» (1989 г.) [92] Элизабет С. Армстронг нетолько доказывает необходимость кислородного охлаждения, но и приводитрезультаты экспериментов, направленных на исследование влияния нацелостность внутренней поверхности камеры сгорания в случае, еслипроизойдет утечка кислорода в зону горения через усталостные трещины,которые могут возникнуть между каналами охлаждения и огневой стенкой.В 1990 г.
выходит статья «Охлаждение камер сгорания ракетныхдвигателей жидким кислородом» Элизабет С. Армстронг и Жюли А.37Шлюмбергер [93], где вновь приводятся доводы о необходимости охлажденияжидким кислородом: в результате серии испытаний было установлено, чтожидкий кислород, вытекающий через моделируемые усталостные трещины, невлиял на целостность камер. Результаты этих испытаний показали, что жидкийкислород можно безопасно применять в качестве охладителя, даже есливозникнут некоторые трещины в стенке камеры на входе в критическоесечение.Но, несмотря на эти положительные результаты работы, программаNASA по разработке кислородно-углеводородного ЖРД с охлаждениемжидким кислородом была приостановлена и так и не реализована на практике.В 1991 г.
специалисты NASA еще раз вернулись к вопросу кислородногоохлаждения, уже в связи с использованием такой системы охлаждения дляпланируемого полета на Марс [130]. Элизабет С. Армстронг в своей статье«Охлаждение ракетных двигателей на топливе, получаемом на месте, длямиссии полета на Марс» [94] рассмотрела два варианта охлаждения такихдвигателей: горючим (монооксидом углерода) и окислителем (жидкимкислородом):В том же 1991 г., но не в январе, а в июне выходит статья «Ракетныедвигатели на топливе, получаемом на месте, для подъемных транспортныхсредств миссии полета на Марс» Элизабет А. Ронкас [135], где она также, как иЭлизабет С.
Армстронг, рассматривает возможность использования ЖРД,работающих на монооксиде углерода в качестве горючего и кислороде вкачестве окислителя. Э.А. Ронкас настаивает на применении кислородногоохлаждения.Разработка в NASA двигателей, предназначенных для полета на Марс,продолжилась. И в 1997 г. выходит статья Дианы Л. Линн «Ракетный двигательна топливе, получаемом на месте, для миссии на Марс, предназначенной длясбора образцов марсианского грунта и их доставки на Землю» [121]. В этойработе автор отказывается от идеи регенеративного охлаждения в принципе38ввиду использования ЖРД с вытеснительной подачей топлива вместо ЖРД снасосной подачей.Таким образом, от идеи использования жидкого кислорода в качествеохладителя для двигателей, предназначенных для полета на Марс, в NASAотказались. В дальнейшем отказались и от идеи использования двигателей стопливной парой монооксид углерода/кислород, предлагая использовать либоЖРДнажидкомметанеижидкомкислороде[100,124],либомагнитоплазменный двигатель [106] или твердотопливные двигатели, такиекак, например, работающие на топливной паре магний/углекислый газ [107],или гибридные ракетные двигатели [146], работающие на твердом горючем ижидком окислителе [123], как парафин/кислород [101].Работы по реализации идеи охлаждения ЖРД жидким кислородом вNASA прекратились, но данная концепция не была забыта.
В 2000-х годахбританскаякомпанияReactionEnginesLimitedзаняласьразработкойгибридного ракетного двигателя SABRE. Предполагается, что даннымдвигателем будет оснащена аэрокосмическая система Skylon, достигающаяорбиты, взлетая с поверхности Земли без отбрасывания оборудования(стартовых ступеней), затратив только ракетное топливо и жидкости (singlestage-to-orbit – SSTO), т.е. речь идет об одноступенчатом выходе на орбиту.Данный двигатель будет иметь два режима работы: воздушно-реактивный ирежим ракетного двигателя. В атмосфере SABRE станет работать на воздушнореактивномрежиме,послевыходаизатмосферысистеманачинаетфункционировать в закрытом цикле высокопроизводительного ракетногодвигателя, потребляющего жидкий кислород и жидкий водород с находящихсяна борту баков, позволяя Skylon достичь орбитальной скорости после выхода изатмосферы в крутом наборе высоты.
В 2011 г. вышла статья «Достижения попрограмме разработки Skylon и Sabre» (Марк Хемпселл, Алан Бонд, РичардВарвилл) [112], где отмечаются успехи в реализации кислородного охлаждения:«Поскольку двигатель SABRE использует жидкий водород для охлажденияпоступающего воздуха, водород недоступен для использования в качестве39охладителя камеры сгорания и, следовательно, окислитель (воздух иликислород) должен выполнять эту обязанность. Для исследования такогоподхода к охлаждению EADS Astrium GmbH в Оттобрунне и DLR вЛампольдсхаузенепровелидетальноеисследование,приводящеектестированию двух экспериментальных камер.
На одной изучали возможностьиспользования жидкого кислорода в качестве охладителя на ракетном режимеработы SABRE, на второй исследовали комбинацию воздуха и водорода дляпленочного охлаждения на воздушно-реактивном режиме. Эта работа былауспешно завершена в 2010 г».В статье 2014 г.
«Прогресс по Skylon и Sabre» [113] Марк Хемпселл вновьподтверждает успешность проведенных испытаний камеры сгорания скислородным охлаждением и утверждает, что возможность примененияжидкого кислорода в качестве охладителя камеры экспериментально доказана.Тем не менее, на сегодняшний день жидкостный ракетный двигатель,использующий для охлаждения камеры сгорания жидкий кислород, так и несоздан, хотя его преимущества в экономическом плане сегодня особенноактуальны и востребованы.В России в последнюю четверть века, в силу объективных причин,работы в данном направлении почти не велись.
Лишь в начале 2000-х годовроссийские ученые вновь обратились к идее кислородного охлаждения ЖРД.Встатье«Анализкислородно-керосиновыхвозможныхЖРД»Г.П.направленийКалмыков,совершенствованияЕ.В.Лебединский,В.И. Тарарышкин [27] пишут, что перевод двигателя на охлаждениекислородом позволяет увеличить удельный импульс тяги.«Перспективность этого технического решения состоит в том, что егореализация не требует больших затрат и новых технологических решений.Единственный проблемный вопрос – это высокие температуры в трактеохлаждения ≈ 673°К (400°С).Учитывая большую химическую активность кислорода, необходимоопасаться возможности возгорания меди в этих условиях, хотя имеющиеся40экспериментальные данные свидетельствуют о том, что пороговые значенияэтой температуры значительно выше.Учитывая, что мощность ТНА увеличилась в 1.625 раза, можно ожидатьувеличения примерно на 8 кг массы ТНА новой схемы двигателя. Вместе с темувеличение давления в камере сгорания (при фиксированном диаметре срезасопла – 1.146 м) не изменило существенно боковую поверхность камерысгорания, поэтому масса двигателя с охлаждением кислородом примерно на8 кг больше массы опорного варианта.
Прирост в удельном импульсе тяги на13 сек приведет к увеличению массы полезного груза (ПГ) на геостационарнойорбите примерно на 195 кг».Авторыстатьиконстатируют измененияв подходе кнаучнымисследованиям в космической области. «Наметившаяся в последнее времякоммерциализация космической деятельности выливается в новые требования кдвигательным установкам (ДУ).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
