ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Появление фундаментальных научных исследований теплопередачи в ЖРД из "развитие методов теплозащиты жидкостных ракетных двигателей " Начавшиеся еще в 30-е гг. прикладные научные исследования в первые послевоенные годы закономерно расширились. К их проведению были привлечены ученые, специализирующиеся в отдельных областях науки. [c.82] Следует подчеркнуть, что перед исследователями и СССР и США стояли в то время одинаковые научные задачи. [c.82] Конечно, нет возможности (да и необходимости) рассматривать здесь каждое проведенное в то время научное исследование. Вместе с тем следует хотя бы в общих чертах охарактеризовать существовавшее в науке положение дел, показать уровень и особенности научных исследований того времени. Для решения этой задачи остановимся более подробно на малоизвестных у нас в стране- амери канских работах по теплопередаче в ЖРД. [c.82] В 1947 г. появилась работа М. Цукрова [284], в которой приводились результаты анализа механизма пленочного охлаждения двигателей на углеводородном топливе. Автор, в частности, указывал, что тепловой поток в стенку ЖРД уменьшается, во-первых, за счет отложения на огневой стороне стенки слоя углерода толщиной 0,75 мм, во-вторых, в связи с поглощением тепла жидкостью, проходящей поверх слоя углерода, и паровым слоем, располагающимся поверх жидкости [284, с. 44]. [c.82] Интересным в этом выводе было то, что автор (по-видимому, впервые в США) отметил существование слоя углерода, оказывающего благотворное влияние на охлаждение стенки ЖРД. М. Цукров вскоре повторил свои эксперименты, проводя их при различных давлениях в камере сгорания, и вновь пришел к выводу, что при использовании топлива 1Р-3 на стенке появляются отложения, уменьшающие тепловой поток [286, с. 327, 330]. [c.82] В начале 60-х гг. эти исследования были распространены на другие топливные смеси БДАК +иР-3 [288],ЮХ+ иР-З [249], ЮХ + РР-1 [250]. На графике (рис. 38) приведены результаты экспериментов по определению эффективности слоя углерода, откуда, в частности, следует, что с повышением давления в камере плотность теплового потока, поступающего в стенку двигателя, работающего на углеводородном топливе, растет с существенно меньшим градиентом, чем для других типов топлива. Это объясняется влиянием на величину потока слоя углерода, выпадающего на стенку при горении керосина и кислорода. Эффективность этого слоя остается достаточно заметной до давления примерно 70 кгс/см (7 МПа) [246, с 135-1 36]. [c.82] В 40-е гг. специалисты фирмы Дженерал Электрик при разработке проекта Гермес проводили исследования, направленные на реализацию аналогичного метода охлаждения при использовании спиртокислородного топлива. При этом в горючее добавлялись специальные вещества (главным образом силиконы), осаждавшиеся в процессе горения на стенке камеры сгорания и образовывавшие постоянно обновлявшийся теплозащитный слой. В ходе экспериментов удалось добиться более чем 30%-ного снижения величины тепловых потоков в стенку при вводе в горючее примерно 2% (повесу) силиконов [120, с. 493]. [c.82] Сейчас, однако, неизвестно, применялся ли этот метод в то время на штатных ЖРД в США или нет. В следующей главе еще будет сказано о его дальнейшем развитии, а здесь отметим только, что в США он получил название заградительного охлаждения, а мы будем называть его теплозащитой отложением. [c.82] В 40-е гг. вновь появился интерес к транспирационному (или пористому) охлаждению. Как показано в работе [143], в 1942 г. специалистами США было получено несколько патентов на применение этого метода, который, в частности, предлагалось испояьзовать в газовых турбинах. Однако наиболее широкие прикладные исследования проводились для потребностей жидкостного ракетного двигателестроения [122, 142, 151, 235, 277, 285]. Это было обусловлено тем, что, как будет показано в следующем разделе, в США в середине 40-х гг. начались работы по практической реализации этого вида охлаждения в ЖРД. [c.83] Следующее направление прикладных исследований имело своей целью определение коэффициента теплоотдачи от продуктов сгорания в стенку ЖРД [137, 139, 152, 232,258, 289]. При этом, как правило, проводилось сравнение между собой результатов экспериментов и расчетов по различным методикам. Это сравнение показывало, что результаты опытов выше расчетных примерно в 3,5 раза по американским и в 3 раза по английским данным [137, с. 73]. [c.83] Одна из трудностей расчета коэффициента конвективной теплоотдачи от продуктов сгорания состояла в том, что в 40-е гг. не были известны свойства газов при температурах, характерных для ЖРД, и значения соответствующих параметров определялись путем их аппроксимации из области низких температур. Другая трудность заключалась в том, что расчеты велись по формулам, предназначенным для условий, резко отличавшихся от наблюдаемых в ЖРД. [c.83] Исследования второй, лучистой составляющей теплового потока в ЖРД проводились весьма робко по данным [237], до середины 50-х гг. в США были предприняты всего две попытки измерения величины этого потока. [c.84] В ходе первого опыта измерения проводились на двигателе, работавшем на азотной кислоте и гидразине и имевшем в камере сгорания сапфировое окошко, пропускавшее лучистый поток на чувствительный элемент. При этом давление в камере менялось в пределах 21—42 кгс/см (2,14-4,4 МПа), температура продуктов сгорания — в диапазоне 2400 —2900К. Так как в продуктах сгорания не содержался углекислый газ, исследователи провели расчет лучистого потока по существовавшим в то время формулам, предназначенным для промышленных установок, в предположении, что тепло излучает только водяной пар. Сравнения расчетных и экспериментальных значений показали, что соответствующие расхождения велики вычисленное значение степени черноты продуктов сгорания оказалось примерно вдвое меньше полученного в ходе опыта [237]. [c.84] Следует отметить, что, как и в случае с конвективной составляющей теплового потока, при расчетах лучистого потока исследователи по-прежнему вынуждены были использовать эмпирическую информацию, предназначенную для аналогичных расчетов теплопередачи в промышленных установках, т.е. для температур и давлений, резко отличавшихся от имевших место в ЖРД. При этом специалисты, как правило, пользовались данными, приведенными для водяного пара и углекислого газа при температуре до 2000 С в работе Хоттеля и Эгберта [179]. [c.84] На рассматриваемом этапе проводились и другие исследования прикладного характера. Например, изучалось влияние конструкции форсуночной головки, а также процесса неустойчивого горения на теплоотдачу в ЖРД, анализировалось влияние на теплоотдачу перерасширения газов в сопле [122], определялось влияние расхода хладагента на эффективность пленочного охлаждения и на изменение при этом удельной тяги двигателей [164], проводилось сравнение пористого и пленочного охлаждения [92] и т.д. Аналогичные работы проводились, разумеется, и у нас в стране, но их уровень несколько превосходил уровень американских исследований. В правомочности такого утверждения нетрудно убедиться, сравнивая характеристики советских и американских ЖРД. В следующем разделе будет показано, в частности, что в первое послевоенное десятилетие двигатели, созданные в СССР, превосходили американские по величине удельного импульса, а это означает, что их охлаждение осуществлялось при более сложных условиях, что требовало от советских исследователей более вьюокого уровня знания особенностей тепловых процессов, протекающих в ЖРД. [c.84] Однако результаты фундаментальных исследований в области теплопередачи в ЖРД начали сказываться наиболее широко лишь в середине 50-х гг. Так, например, в области исследований внутреннего охлаждения был сделан поворот от описания процессов к созданию их теории. Исследователи все больше начинали интересоваться не только внешним проявлением различных видов внутреннего охлаждения, но и пытаться теоретически описать этот процесс. В результате появились работы Кнута, Грутенхьюза, Крокко, Эккерта и Ливигуда и других исследователей (см. подробнее работы [94, 140, 143, 171, 182, 193, 194, 206]). Эти исследования логично привели к началу изучения пограничных слоев со вдувом [130, 151], что стало еще одним шагом на пути развития фундаментальных исследований указанного вопроса. [c.85] В результате различными исследователями был получен ряд формул, предназначавшихся для расчета конвективной теплоотдачи в промышленных установках, т.е. для условий, резко отличавшихся от условий в ЖРД. Эти отличия в основном состояли в следующем. [c.85] Однако получать формулы типа (8) на основе экспериментальных данных для условий ЖРД было весьма сложно и, кроме того, трудоемко, так как теплоотдача в ЖРД зависела от большого количества факторов (например, от конфигурации камеры, давления продуктов сгорания). [c.86] Вернуться к основной статье