ЖРД с циклом фазового перехода

Поделись знанием:
Перейти к: навигация, поиск

«Цикл с фазовым переходом» (ЦФП, англ. Expander cycle) — безгенераторная схема работы жидкостного ракетного двигателя (ЖРД), которая предназначена для увеличения эффективности топливного цикла. При схеме ЦФП топливо нагревается до его сжигания, обычно используя ту часть теряемого тепла главной камеры сгорания, которое идет на обогрев стенок камеры, и претерпевает фазовый переход. Полученная за счет превращения топлива в газ разность давления используется для подачи топливных компонентов, сохранения давления в камере сгорания и создания тяги.





Принцип работы

По мере того, как жидкое топливо проходит в охлаждающих трубках в стенах, оно претерпевает фазовый переход в газовое состояние с увеличением давления. Топливо в газообразном состоянии расширяется через турбину, используя разность давления между давлением его подачи и давлением после прохода охлаждающего контура для начала вращения турбонасоса. Это может обеспечить улучшенные стартовые характеристики, что использовано в ЖРД RL-10 (Пратт & Витни). Увеличенное давление из-за перехода топлива в газообразное состояние используется для привода турбины, которая в свою очередь приводит в действие топливный и окислительный насосы, увеличивая давления топлива и окислителя при поступлении в камеру сгорания. Топливо поступает в камеру после прохода турбины, где вместе с окислителем сгорает, порождая реактивную тягу для космического аппарата.

Некоторые двигатели с циклом фазового перехода могут использовать газогенератор для начала работы турбины двигателя до тех пор, пока поступление тепла из камеры сгорания и оболочки сопла не станет достаточным для поддержания работы двигателя.

Применимость

В силу необходимости фазового перехода топлива, данный тип цикла работы ЖРД ограничен количеством «паразитного» тепла, выдяляемого двигателем во время работы, которое в общем случае ограничивает мощность двигателя, использующего данную схему в неизменном виде. При использовании сопла обычной[какой?] формы, его поверхности недостаточно для прогрева достаточного количества топлива, которое бы могло привести в действие турбины и, как следствие, топливных насосов. Для двигателей с профилированным соплом в виде колокола максимальная тяга, которую может обеспечить цикл фазового перехода, составляет 31 тс (300 кН). Более высокие уровни тяги могут быть достигнуты, используя данный цикл частично, в котором часть топлива проходит мимо системы фазового преобразования (охлаждения) с турбиной и направляется прямо к камере сгорания.

Бо́льший диапазон использования этой схемы ЖРД позволяют альтернативные сопла конической формы. В данном случае выхлопная струя двигателя эффективно сжимается в более узкий поток вокруг центрального клинообразного выступа (англ. Aerospike), который может обеспечить бо́льшее количество паразитного тепла и поэтому бо́льшую тягу с использованием цикла фазового перехода в неизменном виде. Также должны использоваться криогенные виды топлива, такие как жидкий водород, метан или пропан, для которых могут быть легко достигнуты точка кипения и смена агрегатного состояния на газообразное.

Безгазогенераторная схема с фазовым переходом и схема с дожиганием генераторного газа имеют одинаковую эффективность при тяге около 9,1 тс, в случае меньшей тяги по энергомассовым характеристикам предпочтительнее первая схема, а большей — вторая.[1]

Продуваемый цикл с фазовым переходом (Открытый цикл)

В «открытом» цикле, или «продуваемом» цикле с фазовым переходом, только часть топлива нагревается для управления турбиной после чего сбрасывается для увеличения эффективности генератора. В данном случае увеличение мощности турбины приводит к уменьшению эффективности двигателя (ме́ньшему удельному импульсу). Закрытый цикл использует генераторный газ — в данном случае топливо — в камере сгорания (см. рисунок).

В этом модифицированном цикле, вместо того, чтобы использовать нагретое «генераторное» горючее в камере сгорания, оно сбрасывается, что позволяет максимизировать мощность топливных насосов, используя в турбине бо́льшую разницу в давлении. При этом используется небольшая часть топлива. Такая схема позволяет увеличить тягу двигателя путём уменьшения его эффективности. Однако в ряде случаев — так, как например в случае с японским ЖРД LE-5A/B — потери в эффективности не так значимы по сравнению с увеличением тяги.

Преимущества

Схема ЖРД с циклом фазового перехода имеет множество преимуществ по сравнению с другими:

  • Низкая температура. Преимущество в том, что после того как топливо стало газообразным, его температура находится вблизи обычных комнатных температур и наносит очень мало вреда турбине, позволяя повторное использование двигателя. В других схемах, таких как открытый цикл или закрытый цикл, турбина функционирует при высоких температурах.
  • Живучесть. Во время разработки двигателя RL-10B-2 инженеры беспокоились, что отслоение изоляции внутри топливного бака может вызвать повреждение двигателя. Они проверили это, поместив куски изоляции в бак и пропустили через двигатель. Это не вызвало проблем при работе двигателя RL-10 и не вызвало уменьшения тяги. Обычные газовые генераторы представляют из себя миниатюрные ракетные двигатели, что подразумевает их сложное устройство. Даже незначительное блокирование газогенерирующей части посторонним предметом может привести к появлению горячей области, которая может быть причиной взрыва. Использованне данной схемы более терпимо к загрязнениям из-за более широких каналов циркулирования горючего.
  • Системно-обусловленная безопасность. По причине того, что ЖРД с циклом фазового перехода обладают ограничением по тяге, режим максимальной тяги легко проектируется и реализуется. В других типах двигателей, проблема с заклиненным клапаном или любая похожая проблема могут привести к неуправляемому росту тяги и неконтролируемому развитию ситуации в целом. Для того чтобы этого избежать, требуется сложная механическая и электронная система управления. ЖРД с циклом фазового перехода не способны на неисправное функционирование такого рода.

Примерами ЖРД с циклом фазового перехода являются RL-10 и RL-60, Пратт & Витни[2] и планируемый ЖРД Винчи на РН «Ариан 5 ESC-B» [3]

Использование

Известные примеры использования схемы ЖРД с циклом фазового перехода:

ЖРД с циклом фазового перехода использовались или планируется использовать в:

  • разгонном блоке «Центавр»;
  • планируемой одноступенчатой [en.wikipedia.org/wiki/DC-X «Мак Доннел Дуглас DC-X» (en)]. [www.webcitation.org/66WVngg8k Архивировано из первоисточника 29 марта 2012].;
  • планируется на второй ступени РН «Ариан 5»;
  • РН «Сатурн I»;
  • РН «H-IIA».
Рабочие характеристики
　 RL-10 Vinci YF-75D РД-0146 LE-5A LE-5B
Страна США США Франция Франция КНР КНР Россия Россия Япония Япония Япония Япония
Cycle Expander Expander Expander Expander Expander bleed cycle
（Nozzle Expander） 		Expander bleed cycle
（Chamber Expander）
TТяга (vac.) 66.7 kN (15,000 lbf) 180 kN 88.26 kN 98.1 kN (22,054 lbf) 121.5 kN (12.4 tf) 137.2 kN (14 tf)
Mixture ratio 6.0 5 5
Давление в камере 40 80 130 110
Isp (vac.) 433 465 442 463 452 447
Chamber pressure :MPa 2.35 6.1 7.74 3.98 3.58
LH2 TP rpm 125,000 51,000 52,000
LOX TP rpm 17,000 18,000
Высота m 1.73 2.2~4.2 2.2 2.69 2.79
Масса kg 135 280 242 248 285

См. также

Напишите отзыв о статье "ЖРД с циклом фазового перехода"

Ссылки

  1. ↑ Губанов Б. И. [www.buran.ru/htm/42-3.htm Глава 42. Разгонные блоки] // [www.buran.ru/htm/gubanov3.htm Триумф и трагедия «Энергии». Размышления главного конструктора]. — Нижний Новгород: НИЭР, 1998. — Т. 3: «Энергия» — «Буран». — 432 с. (рус.)
  2. ↑ [www.pw.utc.com/StaticFiles/Pratt%20&%20Whitney/Assets/Documents/space_2003_status_rl60.pdf Pratt & Whitney Космический Двигатель – свод данных по RL-60 (en)]. Проверено 28 декабря 2008. [www.webcitation.org/66WVdWG5W Архивировано из первоисточника 29 марта 2012].
  3. ↑ [www.arianespace.com/launch-services-ariane5/ariane-5-intro.asp Ariane 5 > Overview]. Проверено 28 декабря 2008. [www.webcitation.org/66WVmuCwL Архивировано из первоисточника 29 марта 2012].

Напишите отзыв о статье "ЖРД с циклом фазового перехода"

Ссылки

  • [www.aero.org/publications/crosslink/winter2004/03_sidebar3.html Принципиальные схемы ЖРД (en)]
 
Химические
Другие
Ядерные
Электрические
Другие

Отрывок, характеризующий ЖРД с циклом фазового перехода

– Барина дома нет, в штаб уехали, – сказал ему денщик Телянина. – Или что случилось? – прибавил денщик, удивляясь на расстроенное лицо юнкера.
– Нет, ничего.
– Немного не застали, – сказал денщик.
Штаб находился в трех верстах от Зальценека. Ростов, не заходя домой, взял лошадь и поехал в штаб. В деревне, занимаемой штабом, был трактир, посещаемый офицерами. Ростов приехал в трактир; у крыльца он увидал лошадь Телянина.
Во второй комнате трактира сидел поручик за блюдом сосисок и бутылкою вина.
– А, и вы заехали, юноша, – сказал он, улыбаясь и высоко поднимая брови.
– Да, – сказал Ростов, как будто выговорить это слово стоило большого труда, и сел за соседний стол.
Оба молчали; в комнате сидели два немца и один русский офицер. Все молчали, и слышались звуки ножей о тарелки и чавканье поручика. Когда Телянин кончил завтрак, он вынул из кармана двойной кошелек, изогнутыми кверху маленькими белыми пальцами раздвинул кольца, достал золотой и, приподняв брови, отдал деньги слуге.
– Пожалуйста, поскорее, – сказал он.
Золотой был новый. Ростов встал и подошел к Телянину.
– Позвольте посмотреть мне кошелек, – сказал он тихим, чуть слышным голосом.
С бегающими глазами, но всё поднятыми бровями Телянин подал кошелек.
– Да, хорошенький кошелек… Да… да… – сказал он и вдруг побледнел. – Посмотрите, юноша, – прибавил он.
Ростов взял в руки кошелек и посмотрел и на него, и на деньги, которые были в нем, и на Телянина. Поручик оглядывался кругом, по своей привычке и, казалось, вдруг стал очень весел.
– Коли будем в Вене, всё там оставлю, а теперь и девать некуда в этих дрянных городишках, – сказал он. – Ну, давайте, юноша, я пойду.
Ростов молчал.
– А вы что ж? тоже позавтракать? Порядочно кормят, – продолжал Телянин. – Давайте же.
Он протянул руку и взялся за кошелек. Ростов выпустил его. Телянин взял кошелек и стал опускать его в карман рейтуз, и брови его небрежно поднялись, а рот слегка раскрылся, как будто он говорил: «да, да, кладу в карман свой кошелек, и это очень просто, и никому до этого дела нет».
– Ну, что, юноша? – сказал он, вздохнув и из под приподнятых бровей взглянув в глаза Ростова. Какой то свет глаз с быстротою электрической искры перебежал из глаз Телянина в глаза Ростова и обратно, обратно и обратно, всё в одно мгновение.
– Подите сюда, – проговорил Ростов, хватая Телянина за руку. Он почти притащил его к окну. – Это деньги Денисова, вы их взяли… – прошептал он ему над ухом.
– Что?… Что?… Как вы смеете? Что?… – проговорил Телянин.
Но эти слова звучали жалобным, отчаянным криком и мольбой о прощении. Как только Ростов услыхал этот звук голоса, с души его свалился огромный камень сомнения. Он почувствовал радость и в то же мгновение ему стало жалко несчастного, стоявшего перед ним человека; но надо было до конца довести начатое дело.
– Здесь люди Бог знает что могут подумать, – бормотал Телянин, схватывая фуражку и направляясь в небольшую пустую комнату, – надо объясниться…
– Я это знаю, и я это докажу, – сказал Ростов.
– Я…
Испуганное, бледное лицо Телянина начало дрожать всеми мускулами; глаза всё так же бегали, но где то внизу, не поднимаясь до лица Ростова, и послышались всхлипыванья.
– Граф!… не губите молодого человека… вот эти несчастные деньги, возьмите их… – Он бросил их на стол. – У меня отец старик, мать!…
Ростов взял деньги, избегая взгляда Телянина, и, не говоря ни слова, пошел из комнаты. Но у двери он остановился и вернулся назад. – Боже мой, – сказал он со слезами на глазах, – как вы могли это сделать?
– Граф, – сказал Телянин, приближаясь к юнкеру.
– Не трогайте меня, – проговорил Ростов, отстраняясь. – Ежели вам нужда, возьмите эти деньги. – Он швырнул ему кошелек и выбежал из трактира.


Вечером того же дня на квартире Денисова шел оживленный разговор офицеров эскадрона.
– А я говорю вам, Ростов, что вам надо извиниться перед полковым командиром, – говорил, обращаясь к пунцово красному, взволнованному Ростову, высокий штаб ротмистр, с седеющими волосами, огромными усами и крупными чертами морщинистого лица.
Штаб ротмистр Кирстен был два раза разжалован в солдаты зa дела чести и два раза выслуживался.
– Я никому не позволю себе говорить, что я лгу! – вскрикнул Ростов. – Он сказал мне, что я лгу, а я сказал ему, что он лжет. Так с тем и останется. На дежурство может меня назначать хоть каждый день и под арест сажать, а извиняться меня никто не заставит, потому что ежели он, как полковой командир, считает недостойным себя дать мне удовлетворение, так…
– Да вы постойте, батюшка; вы послушайте меня, – перебил штаб ротмистр своим басистым голосом, спокойно разглаживая свои длинные усы. – Вы при других офицерах говорите полковому командиру, что офицер украл…
– Я не виноват, что разговор зашел при других офицерах. Может быть, не надо было говорить при них, да я не дипломат. Я затем в гусары и пошел, думал, что здесь не нужно тонкостей, а он мне говорит, что я лгу… так пусть даст мне удовлетворение…
– Это всё хорошо, никто не думает, что вы трус, да не в том дело. Спросите у Денисова, похоже это на что нибудь, чтобы юнкер требовал удовлетворения у полкового командира?
Денисов, закусив ус, с мрачным видом слушал разговор, видимо не желая вступаться в него. На вопрос штаб ротмистра он отрицательно покачал головой.
– Вы при офицерах говорите полковому командиру про эту пакость, – продолжал штаб ротмистр. – Богданыч (Богданычем называли полкового командира) вас осадил.
– Не осадил, а сказал, что я неправду говорю.
– Ну да, и вы наговорили ему глупостей, и надо извиниться.
– Ни за что! – крикнул Ростов.
– Не думал я этого от вас, – серьезно и строго сказал штаб ротмистр. – Вы не хотите извиниться, а вы, батюшка, не только перед ним, а перед всем полком, перед всеми нами, вы кругом виноваты. А вот как: кабы вы подумали да посоветовались, как обойтись с этим делом, а то вы прямо, да при офицерах, и бухнули. Что теперь делать полковому командиру? Надо отдать под суд офицера и замарать весь полк? Из за одного негодяя весь полк осрамить? Так, что ли, по вашему? А по нашему, не так. И Богданыч молодец, он вам сказал, что вы неправду говорите. Неприятно, да что делать, батюшка, сами наскочили. А теперь, как дело хотят замять, так вы из за фанаберии какой то не хотите извиниться, а хотите всё рассказать. Вам обидно, что вы подежурите, да что вам извиниться перед старым и честным офицером! Какой бы там ни был Богданыч, а всё честный и храбрый, старый полковник, так вам обидно; а замарать полк вам ничего? – Голос штаб ротмистра начинал дрожать. – Вы, батюшка, в полку без году неделя; нынче здесь, завтра перешли куда в адъютантики; вам наплевать, что говорить будут: «между павлоградскими офицерами воры!» А нам не всё равно. Так, что ли, Денисов? Не всё равно?
Денисов всё молчал и не шевелился, изредка взглядывая своими блестящими, черными глазами на Ростова.
– Вам своя фанаберия дорога, извиниться не хочется, – продолжал штаб ротмистр, – а нам, старикам, как мы выросли, да и умереть, Бог даст, приведется в полку, так нам честь полка дорога, и Богданыч это знает. Ох, как дорога, батюшка! А это нехорошо, нехорошо! Там обижайтесь или нет, а я всегда правду матку скажу. Нехорошо!
И штаб ротмистр встал и отвернулся от Ростова.
– Пг'авда, чог'т возьми! – закричал, вскакивая, Денисов. – Ну, Г'остов! Ну!
Ростов, краснея и бледнея, смотрел то на одного, то на другого офицера.
– Нет, господа, нет… вы не думайте… я очень понимаю, вы напрасно обо мне думаете так… я… для меня… я за честь полка.да что? это на деле я покажу, и для меня честь знамени…ну, всё равно, правда, я виноват!.. – Слезы стояли у него в глазах. – Я виноват, кругом виноват!… Ну, что вам еще?…
– Вот это так, граф, – поворачиваясь, крикнул штаб ротмистр, ударяя его большою рукою по плечу.
– Я тебе говог'ю, – закричал Денисов, – он малый славный.
– Так то лучше, граф, – повторил штаб ротмистр, как будто за его признание начиная величать его титулом. – Подите и извинитесь, ваше сиятельство, да с.
– Господа, всё сделаю, никто от меня слова не услышит, – умоляющим голосом проговорил Ростов, – но извиняться не могу, ей Богу, не могу, как хотите! Как я буду извиняться, точно маленький, прощенья просить?
Денисов засмеялся.
– Вам же хуже. Богданыч злопамятен, поплатитесь за упрямство, – сказал Кирстен.
– Ей Богу, не упрямство! Я не могу вам описать, какое чувство, не могу…
– Ну, ваша воля, – сказал штаб ротмистр. – Что ж, мерзавец то этот куда делся? – спросил он у Денисова.
– Сказался больным, завтг'а велено пг'иказом исключить, – проговорил Денисов.
– Это болезнь, иначе нельзя объяснить, – сказал штаб ротмистр.
– Уж там болезнь не болезнь, а не попадайся он мне на глаза – убью! – кровожадно прокричал Денисов.


Источник — «http://wiki-org.ru/wiki/index.php?title=ЖРД_с_циклом_фазового_перехода&oldid=78063184»