Войти
Регенеративное охлаждение в контексте конструкции ракетного двигателя представляет собой конфигурацию, в которой часть или все топливо проходит через трубы, каналы или в рубашке вокруг камеру сгорания или сопло для охлаждения двигателя. Это эффективно, потому что топливо (а иногда и окислитель) являются хорошими охлаждающими жидкостями. Затем нагретое топливо подается в специальный газогенератор или впрыскивается непосредственно в основную камеру сгорания.
В 1857 г. Карл Вильгельм Сименс представил концепцию регенеративного охлаждения. 10 мая 1898 года Джеймс Дьюар использовал регенеративное охлаждение, чтобы стать первым, кто статически сжижил водород. Концепция регенеративного охлаждения также упоминалась в 1903 году в статье Константина Циолковского. Роберт Годдард построил первый двигатель с регенеративным охлаждением в 1923 году, но отверг эту схему как слишком сложную. Двигатель с регенеративным охлаждением был построен итальянским исследователем Гаэтано Артуро Крокко в 1930 году. Первыми советскими двигателями, в которых использовалась эта технология, были OR-2 Фридриха Цандера, испытанные в марте 1933 года и ОРМ-50, стендовые испытания в ноябре 1933 года Валентин Глушко. Первый немецкий двигатель этого типа был также испытан в марте 1933 года Клаусом Риделем в VfR. Австрийский ученый Ойген Зенгер особенно прославился экспериментами с охлаждением двигателя, начиная с 1933 года; однако большинство его экспериментальных двигателей имели водяное охлаждение или охлаждение за счет дополнительного контура топлива.
Ракетный двигатель Фау-2, самый мощный в свое время с тягой 25 тонн (245 кН ), имел рекуперативное охлаждение. в конструкции Вальтера Тиля, за счет перекачки топлива по внешней стороне камеры сгорания между самой камерой сгорания и внешней оболочкой, которая соответствует камере и была разделена несколькими миллиметрами. Эта конструкция оказалась недостаточной для охлаждения камеры сгорания из-за использования стали для камеры сгорания, и дополнительная система топливных магистралей была добавлена снаружи с соединениями через обе оболочки камеры сгорания для впрыскивания топлива непосредственно в камеру на угол вдоль внутренней поверхности для дальнейшего охлаждения камеры в системе, называемой пленочным охлаждением. Эта неэффективная конструкция требовала сжигания разбавленного спирта при низком давлении в камере, чтобы избежать плавления двигателя. Американский двигатель Redstone имел ту же конструкцию.
Конструкция ракетного двигателя V2 с двойными стенками. Ключевым нововведением в регенеративном охлаждении стал советский двигатель U-1250, разработанный Алексеем Михайловичем. Исаева в 1945 году. Его камера сгорания была облицована тонким медным листом, поддерживаемым гофрированной стальной стенкой камеры. Топливо протекало по гофрам и очень эффективно поглощало тепло. Это позволило использовать более энергетическое топливо и более высокое давление в камере, и с тех пор это основная схема, используемая во всех российских двигателях. Современные американские двигатели решают эту проблему, облицовывая камеру сгорания припаянными трубками из меди или никелевого сплава (хотя в последних двигателях, таких как RS-68, начали использовать российские технологии, которые дешевле строить). Американский стиль облицовки двигателя медными трубками называется «спагетти-конструкцией», и эту идею приписывают Эдварду А. Нью из Reaction Motors Inc. в 1947 г.
Тепловой поток через стенку камеры очень высок; 1-20 МВт / м - не редкость.
Количество тепла, которое может поступать в охлаждающую жидкость, регулируется многими факторами, включая разницу температур между камерой и охлаждающей жидкостью, коэффициент теплопередачи, теплопроводность стенки камеры, скорость в каналах теплоносителя и скорость газового потока в камере или сопле.
Формируются два пограничных слоя : один в горячем газе в камере, а другой в хладагенте внутри каналов.
Очень обычно большая часть падения температуры происходит в пограничном слое газа, поскольку газы являются относительно плохими проводниками. Однако этот пограничный слой может быть разрушен неустойчивостью горения, и вскоре после этого может последовать разрушение стенки.
Пограничный слой внутри каналов охлаждающей жидкости также может быть нарушен, если охлаждающая жидкость находится под докритическим давлением и пленочное кипение; затем газ образует изолирующий слой, и температура стены очень быстро растет и вскоре выходит из строя. Однако, если хладагент участвует в пузырьковом кипении, но не образует пленки, это помогает разрушить пограничный слой хладагента, и образующиеся пузырьки газа быстро схлопываются; это может утроить максимальный тепловой поток. Однако во многих современных двигателях с турбонасосами используются сверхкритические охлаждающие жидкости, и эти методы могут использоваться редко.
Регенеративное охлаждение редко используется изолированно; Также часто используются пленочное охлаждение, охлаждение завесой, транспирационное охлаждение, радиационное охлаждение.
При регенеративном охлаждении давление в охлаждающих каналах больше, чем давление в камере. Внутренняя гильза находится под давлением, в то время как внешняя стенка двигателя подвергается значительным кольцевым напряжениям.
Металл внутренней гильзы сильно ослаблен высокой температурой, а также подвергается значительному тепловому расширению на внутренней поверхности при стенка гильзы с холодной стороны сдерживает расширение. Это создает значительные термические напряжения, которые могут вызвать растрескивание внутренней поверхности или образование трещин после многократных обжигов, особенно в горловине.
Кроме того, тонкая внутренняя гильза требует механической опоры, чтобы выдерживать сжимающую нагрузку из-за давления топлива; эта поддержка обычно обеспечивается боковыми стенками охлаждающих каналов и опорной пластины.
Внутренняя оболочка обычно изготавливается из материалов с относительно высокой температурой и высокой теплопроводностью; традиционно использовались сплавы на основе меди или никеля.
Для создания сложной геометрии, необходимой для регенеративного охлаждения, можно использовать несколько различных производственных технологий. К ним относятся гофрированный металлический лист, припаянный между внутренней и внешней облицовкой; сотни труб, спаянных для придания правильной формы, или внутренний лайнер с фрезерованными охлаждающими каналами и внешний лайнер вокруг него. Геометрия также может быть создана с помощью прямой металлической 3D-печати, как это видно на некоторых новых разработках, таких как ракетный двигатель SpaceX SuperDraco.
