Прорывная концепция ракетного двигателя

Автор: Кулев Глеб, кандидат технических наук

Краткое содержание

Быстрое освоение космического пространства столкнулось с проблемой, связанной с недостаточной эффективностью современных ракетный двигателей.

В качестве решения этой проблемы предложена концепция реактивного двигателя на новых принципах работы, использующий комбинацию известных физических законов и обладающий преимуществами перед известными типами реактивных двигателей.

Статья представляет собой результаты испытания трёх модификаций реактивных двигателей на новых принципах работы и их анализ. В статье рассмотрены физические принципы работы реактивного двигателя на новых принципах, его преимущества и проблемы, возникающие при его создании.

Используемые в статье физические величины

• Cf = коэффициент тяги 

• Dcn = критическое сечение сопла, mm

• Dicc = диаметр камеры сгорания, mm

• F = тяга двигателя, N (кгс)

• Isp = удельный импульс, s

• Lcc = длина камеры сгорания, mm

• Mf = массовый секундный расход окислителя и топлива, g/s

• Pcc = давление в камере сгорания, kPa (kg/cm2)

• Pp = давление подачи топлива перед двигателем, kPa (kg/cm2)

• Rf = частота вращения газов в камере сгорания, Hz

• t = время, s

• V = скорость истечения газовой струи, m/s

• Vcc = скорость вращения газовой струи в камере сгорания, m/s

Введение

В настоящее время существует два основных типа ракетных двигателей: химические ракетные двигатели (жидкостный, или твердотельный) и электрические ракетные двигатели (ионный, или плазменный). Первые обладают большой тягой (F) и не высоким удельным импульсом, вторые низкой тягой и высоким удельным импульсом (Isp). Представляется интересным объединение этих двух типов ракетных двигателей в один гибридный вариант. Целью при этом является получить высокие тяговые характеристики, с существенно более высоким удельным импульсом. Методом достижения этой цели явилось создание концепции реактивного двигателя на новых принципах. Данное исследование проводилось в течение ряда лет, с проведением большого количества экспериментов. Часть результатов этих исследований представлена в данной статье, в виде отчета о испытаниях трёх модификаций реактивных двигателей (РД), работающих по схеме на новых принципах.

Рассмотрим кратко существующие схемы работы РД. Работу химических РД рассмотрим на примере жидкостного РД. В камеру сгорания (КС) подаётся смесь топлива с окислителем (в основном аксиально, вдоль оси двигателя), где происходит ее горение с образованием большого количества газов. Скорость движения этого количества газов в камере сгорания РД незначительна и обычно в расчётах не используется. Увеличение скорости газовой струи происходит в сопле Лаваля, состоящего из дозвуковой и сверхзвуковых частей (существующая схема работы РД).[1] При этом надо учитывать, что любой ракетный двигатель выбрасывает из сопла слабо ионизированную плазму. В пламени углеводородного топлива присутствуют заряженные частицы. Экспериментально обнаружено, что концентрация ионов (положительно заряженные частицы, или протоны) и электронов (отрицательно заряженные частицы) в пламени может на 4-6 порядков превышать концентрацию, которая наблюдалась бы при чисто термическом механизме ионизации, и фактически пламя может вести себя как слабо ионизированная плазма. Однако, температура пламени недостаточна для того, чтобы компоненты смеси могли ионизироваться в результате столкновений молекул между собой.[5] Сами же заряженные частицы в пламени двигаются хаотично и никакого влияния на работу жидкостного РД не оказывают.

Принцип работы ионных, или плазменных РД использует заряженные частицы. С начала рабочее тело, обычно какой-либо газ, ионизируется, затем разгоняется в магнитном поле и выбрасывается из двигателя, с применением сопловой части, или без неё, со скоростью реактивной струи существенно большей чем у жидкостных РД. Однако тяга таких двигателей не велика, а расход электрической энергии велик. Так же возникает проблема разделения разноимённых зарядов, чтобы разогнать заряды одного знака, в то время как заряды другого знака должны быть выведены за зоны действия ускоряющего поля. Однако эффективно разделить заряды крайне сложно. Этому препятствуют мощные кулоновские силы притяжения, возникающие между разноименно заряженными сгустками плазмы и немедленно восстанавливающие электрическое равновесие.[2] Жидкостные РД и плазменные РД сейчас бурно развиваются, появляется всё больше их разновидностей и модификаций, но не следует ожидать каких-либо существенных улучшений характеристик их работы. 

Рассмотрим, что предлагается в данной работе. В концепции двигателя на новых принципах предлагается использовать заряженные частицы, возникающие в процессе горения топлива, с целью перехода от дефлаграционного турбулентного горения к плазменному горению, позволяющему существенно улучшить характеристики РД. 

Возможность заряженных частиц влиять на характеристики горения изучены достаточно хорошо. Например: если пламя горящей свечи поместить в электромагнитное поле, то произойдёт так называемый «эффект бабочки» (смотри рис.1), или разделение и отклонение пламени свечи на две горизонтальные противоположено направленные части. Это происходит из-за свободных положительно заряженных ионов и отрицательно заряженных электронов в пламени свечи. При этом надо отметить, что правая часть пламени, содержащая положительно заряженные ионы, существенно больше левой части пламени, содержащей отрицательно заряженные электроны. Объясняется это тем, что масса иона примерно в 1800 раз больше массы электрона и соответственно возможность влиять на процессы горения в электромагнитном поле у ионов существенно больше.[3] Из этого можно сделать вывод о том что, количество свободных ионов и электронов в пламени достаточно для того что бы существенно влиять на процессы происходящие при горении углеводородного топлива, при определённых внешних воздействиях.          

>: а) Обычное горение, b) Горение свечи в электромагнитном поле." width="690" height="319" data-src="https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/62c/0c8/d4e/62c0c8d4ef12c4b01d96c23bbfdccb11.jpeg" data-blurred="true"/>

Как ведут себя заряженные частицы в плазме? Ответ на данный вопрос даёт исследование, проведённое на МКС под названием «Плазменный кристалл». Кратко исследование можно описать так: в низкотемпературную плазму вводятся пылевые частицы заданного размера в условиях микрогравитации с видео регистрацией происходящих процессов. Рассмотрим один из выводов этой работы: при взаимопроникновении облаков микрочастиц различного диаметра возможно спонтанное образование стабильных пространственных структур в плазме (смотри рис.2) линий, цепочек, или проходов.[4] Из этого можно сделать вывод что плазма, при определенных, условиях может создавать пространственную структуру и в пределах этой структуры взаимодействовать на больших расстояниях.

Взаимодействие частиц в плазме является, строго говоря не парным, а коллективным, то есть одновременно взаимодействует друг с другом большое количество частиц.[6]

Так же надо учитывать, что при температурах более 2000 градусов в камере сгорания РД уже частично происходят изменения вида химических связей и как следствие происходит соответствующее увеличение запаса химической энергии, при ещё более высоких температурах, которые в существующих жидкостных РД ещё не достигнуты, может происходить тепловая ионизация, сопровождающаяся затратой энергии и изменяющая внутреннюю энергию газа, увеличивая ее запас.[7]

Сделаем общий вывод: методы повышения ионизации связанны с резким повышением температуры в камере сгорания (КС), или сильным электромагнитным воздействием, связанным с большим расходом электроэнергии, что трудно осуществимо в двигателях летательных аппаратов.

Краткое описание концепции РД на новых принципах и его конструкции

В концепции двигателя на новых принципах для повышения эффективности его работы используется комбинация трех факторов: температура, давление и гравитация. В качестве гравитации в двигателе выступает центробежная сила, возникающая при вращении газа и продуктов горения в КС, с приданием частицам газа максимально упорядоченного движения (тангенциальное, движение по окружности газа в КС). В камере сгорания такого типа средняя кинетическая энергия частиц (вызванная центробежной силой и скоростью вращения газа) может быть больше потенциальной энергии их взаимодействия и такую газовую среду можно будет назвать плазмой. При увеличении давления и скорости движения газов в камере сгорания плазменные свойства частиц будут нарастать, что будет приводить к увеличению эффективности работы двигателя.

Краткое описание конструкции РД на новых принципах. Камера сгорания представляет собой цилиндр с внутренним диаметром Dicc-50 мм и длиной Lcc-300 мм, заканчивающаяся конусным соплом, без сверхзвуковой части. Критическое сечение сопла диаметр Dcn-30 мм. В качестве топлива используется стехиометрическая смесь метана (CH4) и кислорода (O2) в газообразном состоянии. Топливная смесь в камере сгорания подаётся тангенциально (по окружности КС). Всего было проведено три серии испытаний (двигатели РД1, РД2, РД3), с одинаковой геометрией камеры сгорания и сопла, но с разной конструкцией форсунок в КС (смотри рис.3).

Испытание РД1

А. Цель испытания, устройство, описание испытания

Целью испытания РД1 является проверка возможности его работы в цикле, на новых принципах. Конструкция РД1 представляет собой гибрид существующей схемы работы (схема с аксиальной подачей топлива, вдоль оси двигателя), и схемы на новых принципах работы (схема с тангенциальной подачей топлива, по окружности КС). РД1 спроектирован так, чтобы первую часть времени работать по схеме близкой к существующей, а с определенного времени перейти на новый принцип работы. Это достигнуто с помощью расположенных специальным образом форсунок в КС и последовательным их включением. Внешний вид РД1 и схема расположения форсунок в поперечном разрезе, смотри рис.4. 

Порядок работы РД1 следующий: в первую секунду работы, включаются первые две форсунки (нумерация от дна КС) и подаётся 26 грамм газовой смеси в секунду, затем каждую последующую секунду включается последовательно по одной форсунке (расход газовой смеси по 13 грамм в секунду на одну форсунку) и так далее до 10 секунды включительно, с замером тяги (F) в ньютонах, каждую секунду. Испытания РД1, с по кадровой съёмке (1 кадр в секунду), рис.5.                                                  

B. Результаты испытания, анализ, выводы

Результаты испытания РД1 сведены в общий график, рис.6. 

С 1 по 5 секунду РД1 работает по схеме близкой к существующей (топливо подается вдоль оси двигателя), количество используемых форсунок недостаточно для тангенциальной раскрутки газовой смеси. Эта зона работы представлена на Рис.6-желтый сектор (1).

С 5 по 6 секунды РД1 автоматически перешёл с существующей схемы работы (аксиальная подача топлива, вдоль оси двигателя), в режим на новых принципах работы (тангенциальная подача топливной смеси). Рис.6, 5-6 секунды. Количество подключенных форсунок достаточно для тангенциальной раскрутки топливной смеси в КС.

С 6 по 10 секунды РД1 работает по схеме на новых принципах. Топливная смесь в КС подаётся постоянно тангенциально, смотри Рис.3. Характеристики работы РД1 в режиме на новых принципах представлены на Рис.6-зелёный сектор (2).

Анализируя с 5 по 6 секунды работы РД1 видно, что: 

1. Реактивная струя двигателя изменилась, стала ярче плотнее и короче. 

2. Массовый расход топливной смеси (Mf) возрос с 78 до 91 грамма в секунду, в 1.17 раза. 

3. Тяга (F) возросла с 40 Н (4.1 кгс) до 145 H (14.8 кгс), в 3.6 раза. 

4. Скорость истечения реактивной струи (V) выросла с 512 м/с до 1593 м/с, более чем в 3 раза.   

Схемы работы двигателя на 5 секунде рис.7, на 6 секунде рис.8. 

На пятой секунде двигатель работает по схеме близкой к существующей (топливо подаётся вдоль оси двигателя). Данные: скорость газовой смеси и продуктов горения в КС близка нулю, тяга F-40 Н (4.1 кгс), массовый расход Mf-78 грамм в секунду, скорость истечения V-512 м/с.

На 6 секунде двигатель работает по схеме на новых принципах (топливо подаётся тангенциально). Данные: скорость продуктов горения В КС не равна нулю, тяга F-145 Н (14.8 кгс), массовый расход Mf-91 грамм в секунду, скорость истечения V-1593 м/с. 

В процессе испытаний РД1 был осуществлён переход во время работы двигателя с одного цикла на другой. Серьезных замечаний по результатам испытаний не было.

Из физических законов известно, что скорость истечения газовой струи из диффузора не может быть выше локальной скорости звука, а сама локальная скорость звука пропорциональная корню квадратному температуры в КС (для пары метан-кислород при горении в КС приблизительно 900 м/с). С 1 по 5 секунду испытания скорость истечения до звуковая, до 512 м/с, что соответствует локальной скорости звука и работе двигателя по схеме близкой к существующей. Однако, с 6 по 10 секунды скорость истечения становится более 1593 м/с и соответственно скорость истечения реактивной струи становится сверхзвуковой. При этом надо учитывать, что сверхзвуковая часть сопла у РД1 отсутствует. 

Что произошло? С 1 по 5 секунды все происходит согласно работе двигателя по существующей схеме, при этом надо учитывать, что скорость продуктов горения в КС близка к нулю. Фактически в КС РД1 только потенциальная энергия (ее характеризует температура и давление в КС), кинетическая энергия в КС двигателя практически равна нулю, а преобразование потенциальной энергии в кинетическую происходит только в сопловой части. А вот с 6 по 10 секунды всё по-другому, в двигателе на новых принципах изначально топливо подаётся тангенциально из форсунок в КС и обладает существенной скоростью, соответственно уже в КС доля кинетической энергии велика. Появляется дополнительная ступень для увеличения скорости истечения реактивной струи помимо сопловой части.

По результатам испытаний РД1 можно сделать вывод, что цикл на новых принципах, в исследованном диапазоне эффективней (рис.8), по сравнению с существующей схемой работы (рис.7), а сама схема на новых принципах представляет практический интерес.

Следующим вариантом РД на новых принципах было испытание РД2 с изменённой конструкцией КС.

Испытание РД2

А. Цель испытания, устройство, описание испытания

Целью испытания РД2 является исследование его работы на новых принципах и получение дроссельной характеристики двигателя. Измерялась тяга (F) и давление подачи топлива на входе, перед двигателем (Pp). Для РД2 схема расположения форсунок и направление вращения газов в поперечном разрезе (со стороны сопла) в КС смотри рис.9.

Порядок проведения экспериментов для РД2 следующий. Проводятся четыре отдельных эксперимента с последовательным увеличением давления подачи топлива на входе, перед двигателем и замером тяги двигателя. В каждом эксперименте задействованы сразу все форсунки в КС. РД2 показал максимальную тягу F-420 Н (42,8 кгс), при давлении подачи топливной смеси Pp-700 кПа (7,1 kg/cm2).

Во время работы первого образца РД2 (всего было испытано три модификации РД2), при давлении подачи топлива Pp-700 кПа, произошёл быстрый (1-2 секунды) эффект прогара сопла двигателя, вследствие смещения газовой струи от центральной оси. Противоположная от прогара сторона сопла не была повреждена. По повреждению (эффект прогара) сопла хорошо видно, как происходит разворот газовой струи из поперечного вращения в продольное движение реактивной струи. Эффект прогара и разворота газовой струи, смотри рис.10. 

Одновременно с этим был отмечен ещё один эффект. В КС РД2 топливная смесь в КС подается по часовой стрелке (рис.9), а при выходе реактивной струи из двигателя, помимо основного продольного перемещения реактивной струи, появляется медленный вращательный эффект всего объема газа реактивной струи.

Вращение реактивной струи происходит в противоположном направлении (против часовой стрелки) от вращения газа в КС (по часовой стрелке), направление вращения которого задается форсунками. Этот вращательный эффект реактивной струи появляется сразу при пуске двигателя, даже при самых низких давлениях подачи топлива. Схематическое движение газовой струи в РД2 смотри рис.11.

Для предотвращения повреждения сопла при испытании второго двигателя РД2, было применено охлаждение сопловой части и изменена схема подключения форсунок. Однако, повреждение сопла повторилось в том же самом месте.

При испытании третьего двигателя РД2, ещё раз была изменена схема подключения форсунок, а сам двигатель перевёрнут на 180 градусов, но эффект прогара произошёл и этом случае, в том же самом месте, только с противоположной стороны.

Устранить эффект прогара перечисленными выше методами не удалось.

B. Результаты испытания, анализ, выводы

РД2 стабильно работал и показал тягу (F) в диапазоне 0-420 H при давлении подачи (Pp) газовой смеси от 0-700 kPa. При более высоком Pp происходил эффект прогара сопла. Полученных данных в этом диапазоне до 700 kPa достаточно для построения дроссельной характеристики РД2 (Pp-тяга). Дроссельная характеристика, смотри рис.12, представляет собой квадратичную зависимость. Все двигатели со стандартной схемой работы имеют линейную дроссельную характеристику. При квадратичной зависимости, в отличии от линейной, динамика роста удельного импульса (Isp) будет выше.

Обсудим перечисленные эффекты и данные. Выше достаточно подробно описан эффект прогара сопла и эффект медленного вращения реактивной струи при выходе из двигателя. Оба эти эффекта надо рассматривать совместно и объясняются они переходом дефлаграционного горения в плазменное, в КС и сопле у РД2. Струя, выходящая из двигателя, обладает связанностью и коллективными эффектами характерными для плазмы. Процесс нарастания плазменных свойств происходит плавно, по мере повышения давления в КС. Медленное вращение реактивной струи при выходе из двигателя известно в физике и называется дрейфом. Сам же дрейф характерен для плазмы (смотри рис.13).

Исходя из плазменных свойства реактивной струи, можно смоделировать процессы, происходящие в РД2. Учитывая коллективные свойства и связанность в газовой (реактивной) струе, при плазменном горении, можно объяснить эффект прогара сопла. А саму струю можно представить в виде пружины (учитывая её связанность и коллективные свойства). В этом случае реактивная струя, выходящая из сопла, за счёт ее разворота в противоположную сторону относительно струи в КС, прижимается к стенке диффузора сопла, в результате чего происходит эффект прогара (рис.14).

Соответственно, учитывая схему работы РД2 и процессы происходящие при его работе можно сделать вывод, что этим процессом можно управлять через изменение конструкции КС. Изменив направление движения газовой струи на противоположное в КС, можно устранить эффект прогара сопла. Изменённая схема смотри рис.15.

Изменённая схема (рис.15) реализована и испытана в РД3.

Испытание РД3

А. Цель испытания, устройство, описание испытания

Целью испытания РД3 является исследование режимов работы РД с учетом изменений в конструкции КС согласно рис.15 (направление вращения газов в КС против часовой стрелки). Измерялась тяга (F), давление в КС (Pcc), давление подачи топлива перед двигателем (Pp), записаны спектры звука во время работы двигателя. Для РД3 схема расположения форсунок и направление вращения газов в поперечном разрезе (со стороны сопла) в КС смотри рис.16. Внешний вид РД3 смотри рис.17. РД2 и РД3 внешне не отличаются, все их конструктивное отличие заключается в КС, у РД2 вращение газов в КС по часовой стрелке, а у РД3 в КС против часовой стрелки. Сопловая часть, геометрические размеры форсунок и их количество одинаковые. Порядок проведения экспериментов для РД3 следующий. Проводятся три отдельных эксперимента с последовательным увеличением давления подачи топлива на входе перед двигателем (Pp), с замером тяги (F) и замером давления в камере сгорания (Pcc). В каждом эксперименте задействованы сразу все форсунки в КС. РД3 показал максимальную тягу (F) 2340 H (239 кгс), при давлении подачи топливной смеси (Pp) 2900 kPa (30 kg/cm2) и давлении в КС (Pcc) 2027 kPa (20 kg/cm2). 

Доработка схемы работы РД3 согласно рис.15, полностью устранила эффект прогара сопла, явление дрейфа реактивной струи при работе двигателя сохранилось. Вращение (дрейф) реактивной струи при выходе из двигателя и движение газовой струи в КС однонаправленные (смотри рис.18). Двигатель устойчиво работал во всём исследованном диапазоне. Для всех трёх испытаний использовался один двигатель РД3.

B. Результаты испытания, анализ основных данных

РД3 устойчиво работал во всех исследованных диапазонах. Замечаний по работе двигателя не обнаружено. По результатам испытаний построено три графика. Первые два — это дроссельные характеристики (рис.19), взаимосвязь давления подачи топлива перед двигателем (Pp график 2), или давлении в камере сгорания (Pcc график 1) и тяги (F). Третьим графиком является взаимосвязь давления подачи топлива перед двигателем (Pp) и давлением в камере сгорания (Pcc) (рис.21).

Дроссельные характеристики

Проанализировав дроссельные характеристики (рис.19) можно сделать вывод что обе кривые имеют квадратичную зависимость и соответствуют друг другу по динамике их изменения, что в принципе логично. А сами графики, как и в случае с дроссельными характеристиками у РД2 имеют квадратичную, а не линейную зависимость, как у двигателей со стандартной схемой работы, что лучше. Так как у 

РД3 и РД2 размеры КС, сопла, сечение форсунок и их количество одинаковы, разное только направление вращения газовой смеси в КС то объединим их дроссельные характеристики (рис.12 и 19) по подаче топлива (Pp) и тяге (F) в один график, объединённых дроссельных характеристик РД2 и РД3 (рис.20). В целом характеристики обоих двигателей хорошо согласуются, квадратичная зависимость сохраняется, однако сектор 2 (РД3) выглядит предпочтительнее, чем сектор 1 (РД2). В секторе 2 динамика роста тяги (F) будет выше.

Анализ давления подачи топлива (Pp), и давления в КС (Pcc)

Проанализировав график для РД3 взаимозависимости (рис.21) давления подачи топливной смеси перед двигателем (Pp) и давлением в камере сгорания (Pcc) можно сделать следующий вывод, что при увеличении давления подачи топлива в двигатель, разница давлений сокращается, что является положительным моментом в процессе работы двигателя. Уменьшаются энергетические затраты на подачу топлива в двигатель, режимы работы турбокомпрессора двигателя становятся более щадящими и экономичными. Возможно достижение более высоких давлений в КС, при более низких давлениях турбокомпрессора. Рассмотрим почему это происходит.

У двигателя с существующей схемой работы (рис.22) при подаче газовой смеси в КС приходится преодолевать встречное сопротивление расширяющихся газов при его горении (частично при встречных векторах действующих сил).

В схеме на новых принципах работы РД (рис.23) газовая смесь подаётся по окружности, что создаёт эффект инжекции. Соответственно, вектора действующих сил становятся однонаправленные, сопротивление при подачи газовой смеси снижается.

Анализ спектра звука.

При испытаниях РД3 был записан спектр звука во время испытаний. Рассмотрим и проанализируем эти данные. Скорость газовой струи при её вращении в КС четко прослеживается в спектре звука РД3. При выключении подачи газовой смеси в КС в спектре звука прослеживается плавное снижение частоты вращения газовой струи, с максимальный частоты, до нулевых значений. Проанализированные спектры звука представлены на рис. 24, 25, 26.

Зная частоту вращения газа и диаметр КС (Dicc- 50 mm) можно определить скорость газовой струи в КС.

Анализ рис. 24, 25, 26 показал, что скорость газовой струи в КС при увеличении давления в КС изменяется с 314 до 353 m/s и имеет тенденцию к увеличению скорости. Помимо определения скорости газовой струи, анализ спектра показывает отсутствие низкочастотных колебаний опасных для любых типов двигателей.

Коэффициент тяги (Cf)

Данных, полученных в результате испытаний достаточно для расчета коэффициента тяги (Cf). Для этого надо знать тягу (F), площадь сопла (расчет по Dicc) и давление в КС (Pcc).

Чем больше значение коэффициент тяги (Cf), тем эффективнее сопловая часть и соответственно эффективнее сам двигатель. Коэффициент тяги (Cf) равен тяге (F) РД, делённой на давление в КС (Pcc) и площадь критического сечения сопла (из Dicc).

Коэффициент тяги (Cf) состоит из суммы двух значений, дозвуковой части сопла его значение до 1.2 и сверхзвуковой части, диапазон, 0.5-0.8. У поверхности земли общее значение до 2 (сумма дозвуковой части и сверхзвуковой частей).

Для РД3 коэффициент тяги получен по данным первого испытания при тяге F-867 H и составил Cf=1.8. Для сравнения у РД-180 при максимальном давлении и тяге и соплом, состоящим из дозвуковой и сверхзвуковой частей Cf=1.73. При этом надо 

учитывать, что у РД3 сверхзвуковая часть сопла отсутствует. В случае двигателя на новых принципах это объясняется плазменными свойствами газовой струи, и как следствие возможностью устранить ограничения, связанные с преодолением сверхзвуковой скорости, при истечении реактивной струей из диффузора. Что в стандартной схеме работы РД в принципе невозможно (при превышении локальной сверхзвуковой скорости происходит эффект запирания, диффузора, или сопла, со всеми вытекающими отсюда негативными последствиями). Подробнее смотри испытание РД1. Так же не надо забывать, что уже в КС газ имеет высокую скорость, а в сопловой части происходит его дальнейший рост. 

Регулирование тяги РД3 и его диапазон

У РД3 во время испытаний был протестирован режим работы при минимальном давлении в КС и, как следствие, при минимальной тяге. Испытания показали, что тяга регулируется равномерно в диапазоне от нуля и до максимальных значений.

Сразу после пуска реактивная струя имеет сверхзвуковую скорость (рис.27), при малых значениях тяги и давления. Соответственно, громкого хлопка при включении двигателя на максимальную мощность не будет.

Регулирование тяги у РД3 возможно на 100 процентах рабочего диапазона. У двигателей с существующей схемой только около 50 процентов диапазона являются рабочими. Явления неустойчивости процесса горения, включающее в себя скачки давления в КС и опасные низко частотные вибрации, отсутствуют.

Анализ реактивной струи двигателя РД3

Реактивная струя, выходящая из двигателя с существующей схемой работы (рис.28), выглядит как череда скачков уплотнения (скачки Маха), представляющие собой периодическое изменение скорости и давления. Естественно, это негативно действует на реактивную струю, снижая ее эффективность.

При пуске двигателя на новых принципах РД3 (рис.27) наблюдается максимальное количество скачков Маха, расположенных равномерно вдоль реактивной струи. По мере повышения давления в КС, скачки Маха сдвигаются почти полностью к соплу и начинают исчезать (рисунок 29 a, b). При максимально испытанном давлении в КС, для РД3 (рисунок 29 c), они полностью исчезли (кроме первого сверхзвукового скачка Маха).

Рис.29. RE3 : a) тест 1, b) тест 2, c) тест 3.

Реактивная струя выглядит оптимально: ее переходный слой резко очерчен, она равномерна по структуре и в целом напоминает струю плазменных двигателей. Степень расширения реактивной струи оптимальна.

Анализ плазменных свойств РД1, РД2, РД3, схема двигателя на новых принципах работы

Сразу после пуска РД2, РД3 при низком давлении в КС, струя газов, выходящая из сопла, ведёт себя как плазма. Почему это происходит в двигателе на новых принципах? Давайте разберёмся. 

В двигателе с существующей схемой работы, горение в КС имеет вид турбулентного горения (рис.30). Как уже писалось выше в обычном пламени уже 

достаточно заряженных частиц, и они способны при определённых условиях воздействовать на процесс горения. Но, при турбулентном горении газа в КС (что характерно для двигателя с существующей схемой) движение элементарных частиц хаотическое, без системное. Любое воздействие на эти частицы, в том числе и с помощью электромагнитного поля, не приведёт к каким-либо существенно положительным эффектам в работе двигателя, с существующей схемой работы. 

В двигателе на новых принципах все по-другому.  У двигателя на новых принципах изначально проработаны процессы упорядоченного движения газовых частиц, как топлива, так и продуктов сгорания в КС. Рассмотрим основные из них. Топливо в КС двигателя подаётся тангенциально (по окружности КС), по всей ее площади. Подача топлива в КС происходит с помощью щелевых форсунок (рис.31), с целью придать топливу максимально ламинарное (упорядоченное) движение. 

Вращательное движение с большой скоростью топлива и продуктов сгорания создаёт существенную центробежную силу, так же усиливающий ламинарный эффект, за счёт более равномерного распределения газа и продуктов сгорания по стенкам КС. Уже при низком давлении в КС, при пуске двигателя, струя газов, выходящая из сопла, ведёт себя как слабо ионизированная плазма, количество ионизированных частиц составляет в общем объёме доли процента. Однако, плазменные свойства проявляются сразу и их можно определить как стационарные, постоянно действующие. Каждая частица взаимодействует с многими другими окружающими ее частицами, вследствие чего частицы плазмы, помимо хаотического теплового движения, могут участвовать в различных упорядоченных движениях. Проявлением плазменных свойств, в первый момент после пуска, является изменение направления вращения струи газов при выходе из сопла РД2 (смотри рис.32). Более подробно это описано в разделе о испытании РД2.

Справа схема работы РД2 (рис.32c), газы в камере сгорания вращаются по часовой стрелке (если смотреть со стороны сопла), это задается блоком щелевых форсунок в КС, а газы выходящие из сопла меняют направление вращения (дрейфа), на противоположное, против часовой стрелки. На левой фотографии (рис.32a) показан момент пуска двигателя РД2 и появления дрейфа. На центральной фотографии (рис.32b) показан эффект дрейфа в момент превышения скорости звука (Скачки Маха). Эффект дрейфа на обоих фотографиях происходит в противоположном направлении от вращения газовой смеси в КС.

Благодаря коллективным взаимодействиям, плазма ведёт себя как своеобразная упругая среда, в которой легко возбуждаются и распространяются различного рода колебания и волны. В качестве примера можно привести возможность измерения частотных характеристик в КС (смотри рис.33).

Для сравнения на рис.34 приведен спектр звука работы РД с существующей схемой работы. Частотные характеристики почти равномерно распределены по всему спектру.

Перечислим кратко некоторые выявленные во время испытаний РД1, РД2, РД3 проявления плазменных свойств:

1. При испытаниях РД1 в дроссельных характеристиках двигателя был обнаружен резкий всплеск тяги при практически неизменном уровне расхода топлива, что невозможно для двигателя с существующей схемой работы.

2. Дрейф. Медленное вращение газовой струи против часовой стрелки (если смотреть со стороны сопла на двигатель). 

3. Возможность управлять плазменной струей, с целью предотвращения эффекта прогара сопла (смотри испытание РД2, РД3). При дефлаграционном горении это невозможно.

4. Изменение дроссельных характеристик (Pcc-тяга) с линейной функции на квадратичную.

5. Плавное исчезновение скачков Маха в реактивной струе по мере увеличения давления в КС и нарастания плазменных свойств.

6. Коэффициент тяги РД с соплом, без сверхзвуковой части, при низком давлении в КС, аномально высокой Cf=1.8.

По результатам испытаний двигателей на новых принципах рассмотрим физическую схему работы РД3 и опишем процесс, происходящий в двигателе.

Как писалось в введении, в процессе горения в пламени уже есть существенное количество положительно и отрицательно заряженных частиц, способных при определённых внешних воздействиях влиять на процесс горения (эффект <<бабочки>>) и проявлять плазменные свойства. При подаче топлива тангенциально и его горении, газ начинает вращаться с большой скоростью (353 m/s) в КС. При этом возникает существенная центробежная сила. Центробежная сила равна произведению квадрата скорости газового потока (353 m/s) на секундный расход топливной смеси (применим 1 kg/s), делённые на радиус КС (25 mm). Естественно, эта сила перераспределена по всей площадь поверхности КС (КС: радиус R-25 mm, длина h-300 mm). Соответственно учитывая перечисленные выше данные, центробежная сила равна 1000 H на 1 mm^2. Что является существенной силой, влияющей на процессы, происходящие в КС. Ещё раз повторю, при обычном горении уже образуется достаточное количество свободных заряженных частиц, а в случае же воздействия на горение центробежной силы, их количество существенно увеличивается. Учитывая, что процесс горения происходит на большой скорости, и при воздействии центробежной силы, а масса положительно заряженных протонов в 1800 раз больше отрицательно заряженных электронов, происходит процесс их разделения. Более тяжелые протоны начинают вращаться с большой скоростью по максимальному диаметру в КС, а лёгкие электроны остаются в её центральной части. Понятно, что проблема разделения разноимённых зарядов, в схеме на новых принципах происходит естественным путём, без каких-либо энергозатрат. Разделение заряженных частиц и вращение (движение) положительно заряженных частиц с большой скоростью приводит к возникновению магнитного поля в двигателе на новых принципах. Естественно, если есть движущееся магнитное поле, то возникает и электричкой ток. Этим и объясняется образование плазменной струи в двигателе. Касательно возникновения дрейфа реактивной струи при её выходе из двигателя (при работе газовая струя, выходящая из двигателя, начинает вращаться против часовой стрелки, если смотреть со стороны сопла на двигатель), это явление совпадает с правилом правой руки, или правилом буравчика и объясняется электрическими свойствами плазмы. Схема движения заряженных частиц у РД3 представлена на рис.35. Исходя из вышесказанного, разгон газовой струи происходит на всем протяжении от КС, сопла и до реактивной струи, выходящей из сопла. В заключение добавлю одно предположение, если на электрические процессы происходящие в РД на новых принципах наложить внешнее соответствующее электрическое поле, то можно получить усиление всех процессов в двигателе по разгону реактивной струи.

Выводы

Проведённые испытания трёх двигателей на новых принципах работы, и их результаты, показывают, что представленная концепция перспективна, и обладает рядом существенных преимуществ по сравнению с существующей схемой работы РД. 

Перечислим некоторые преимущества двигателя на новых принципах и проблемы, выявленные в результате испытаний. Преимущества двигателя на новых принципах:

1. Можно получить более высокое значение импульса РД, при более низком давлении в КС. Возможно достичь рекордные значений по импульсу для жидкостных РД. 

2. Равномерная и стабильная работа двигателя во всех диапазонах (по тяге от нуля и до максимальных значений) в безопасном режиме, отсутствие нестабильного горения в КС, отсутствие низкочастотных колебаний и вибраций.

3. Отсутствует, или существенно уменьшится сверхзвуковая часть сопла Лаваля. Особенно это важно для вакуумных РД, уменьшится их размер, устраняется проблема недорасширенный реактивной струи в вакууме, за счёт ее плазменных свойств. 

4. Существенно меньшие энергетические расходы по подаче топливной смеси в КС, чем у двигателей с существующей схемой работы. 

5. Аномально высокий безразмерный коэффициент тяги (Cf=1.8) при отсутствии сверхзвуковой части сопла, что говорит о высокой эффективности схемы РД на новых принципах. Реально достижим Cf>3 на уровне земли. 

6. Отсутствует сверхзвуковой хлопок при пуске двигателя. Сверхзвуковой хлопок РД на новых принципах работы происходит сразу после пуска двигателя при малой тяге, и как следствие он практически не слышен. А вся дальнейшая работа двигателя происходит в сверхзвуковом режиме истечения реактивной струи. 

7. В отличие от существующих плазменных двигателей, где тяга двигателя обычно до одного ньютона, схема работы двигателя на новых принципах позволяет получить тягу от одного ньютона до сотен тонн тяги в плазменном режиме. 

К недостаткам можно отнести очень большую нагрузку на стенки КС из-за большой центробежной силы возникающей при вращении топливной смеси в КС и как следствие более сложная конструкция КС, при отсутствии опыта в создании двигателей и КС на новых принципах работы с использованием криогенных компонентов.

В конце одно замечание, связанное с испытанием РД1 (рис.6). А точнее со скачком тяги двигателя с пятой по шестую секунды работы. Известно, что дроссельная характеристика работы реактивного двигателя представляет собой неразрывную линию. Однако в данном случае это не так, и имеет место скачек тяги. Объясняется это просто. Если мы будем испытывать по отдельности двигатель со стандартной схемой работы и двигатель на новых принципах работы, то в первом и во втором случае принцип неразрывности (закон сохранения энергии) будет соблюдаться неукоснительно, правда в первом случае зависимость будет линейной, а во втором квадратичной (рисунки 19,20). В случае же с испытанием РД1 (рис.6) происходит переход режима дефлаграционного горения, в режим плазменного горения, и как следствие происходит скачек тяги двигателя, связанный с большей энергетической эффективностью работы двигателя на новых принципах, по сравнению с существующей схемой. При этом надо учитывать, что двигатель на новых принципах использует дополнительную энергию гравитации (центробежная сила), которая в двигателе со стандартной схемой не используется.

Проведённые испытания трёх двигателей дали достаточно большой объём рабочей информации для проведения в кратчайшие сроки дальнейших работ.

А его конструкция может быть реализована в проекте по созданию двигателя на новых принципах в ближайшее время.

Этот обзор по испытанию трёх модификаций двигателей на новых принципах работы передаёт основную часть испытаний и принципов действия. В случае, если вас заинтересует эта работа с практической точки зрения (проектирование, изготовление, испытание и так далее), я готов обсудить проведение совместной работы по созданию РД демонстратора уже с использованием криогенной топливной пары метан-кислород и тягой 5-10 тонн силы. 

Данная работа проведена по собственной инициативе, мною лично, за счёт собственных средств.

Контакты для связи: kulevsp@gmail.com 

Таблицы

Таблица 1.

Таблица 2.

Таблица 3.

Литература

Список литературы

Periodicals

[1] Dieter K. Huzel, “Modern Engineering for Desing of Liquid-Propellant Rocket Engines”, Ingeniería de transportes y aeronautica Progress in astronautics and aeronautics, AIAA, Vol.147, 1992,p.7.

[2] Juk B. E. “Electric hydrogen rocket engine concept”, Innovative science, Vol.62, 2016, Pp 65-67.

[3] Graff, G., Kalinovwsky, H. &amp; Traut, J. “A direct determination of the proton electron mass ratio.” Z Physik, Vol. 297, 1980, Pp. 35-39. doi: 10.1007/BF01414243

[4] Pustylnik M. Y., Fink M. A., Nosenko V. , Antonova T., Hagl T., Thomas H. M., Zoblin A. V., Lipaev A. M., Usachev A. D., Molotov V. I., “Plasmakristall-4: New complex (dusty) plasma laboratory on board the International Space Station.”, Review of Scientific Instruments, Vol.87, Vol.87, 2016.    doi: 10.1063/1.4962696

Books

[5] Lawton James, Weinberg F., “Electrical aspects of combustion”, Oxford: Clarendon press, 1969, p.183.

[6] Artsimovich L. A., “Elementary Plasma Physics”, Atomizdat, 1969,Pp200.

[7] Dobrovolskii M. B., “Liquid rocket engines: design basics”, Batman Moscow State University, 2005, Pp 487.

Used photos

Рис.1 - Video channel Veritasium, “What’s In A Candle Flame?”

Рис.2 - KUDSVERCHKOV. ISS.,”Plasma Kristall experiment.”

Рис.30- SpaceX, “Structure in Turbulence.”