Почему жидкое космическое топливо является хорошей охлаждающей жидкостью для двигателя? Я исследовал сопло и камеру сгорания с регенеративным охлаждением на Merlin 1D , когда обнаружил это. Я знаю, что трубы построены вокруг камеры сгорания и сопла, но не знаю, как они охлаждаются топливом.
На самом деле, ничего особенно особенного в этом нет.
Любая жидкость, протекающая по трубам в стенке двигателя, будет отводить тепло от двигателя по мере его нагрева. Очевидно, что некоторые жидкости будут более эффективными, чем другие. (Кроме того, некоторые взрывчатые вещества не будут работать, потому что они либо забьют трубы, либо взорвутся, но RP-1 специально разработан, чтобы избежать этого).
Однако в ракетах вы можете сжигать нагретое топливо в двигателе, что экономит энергию, поскольку тепло, теряемое при охлаждении, не тратится впустую. Это также (что более важно) избавляет вас от необходимости отдельной подачи охлаждающей жидкости и огромного радиатора для избавления от тепла.
Объемная теплоемкость жидкостей значительно выше, чем у газов. Вам нужно гораздо больше энергии, чтобы нагреть определенный объем воды, чем такой же объем воздуха. Плотность жидкостей намного больше плотности газов, поэтому они могут переносить гораздо больше тепловой энергии.
Поэтому жидкость, протекающая по трубе, забирает гораздо больше тепла, чем газ, протекающий по той же трубе с той же скоростью.
Для охлаждения камеры сгорания жидкое топливо, протекающее по трубам, отбирает тепло и нагревается. Он должен быть не слишком горячим, чтобы он оставался жидким без пузырьков газа.
В ракете у вас есть жидкое топливо, которое нужно испарить, чтобы сжечь правильно. Чтобы испарить жидкость, нужно добавить к ней тепловую энергию, а именно ее скрытую теплоту/энтальпию парообразования , которая весьма значительна. Энтальпия вызывает нулевое практическое повышение температуры: температура вещества остается той же; это просто теперь пар, а не жидкость.
Если вы ничего не делаете (скажем, у вас есть внешнее охлаждение сопла), эта энтальпия должна исходить от огня в камере сгорания. То есть энтальпия испарения «крадет» энергию , которая в противном случае использовалась бы для тяги. Украденная энергия — это большое дело; Уравнение Ракеты жесткое .
Подумайте о жаре в автомобиле. Конечно, они могли бы заставить двигатель вращать генератор и вырабатывать резистивное электрическое тепло, но это нагружало бы двигатель. Радиатор двигателя уже выбрасывает лишнюю энергию от охлаждения двигателя... это бесплатно. Не влияет на экономию топлива или производительность.
Поэтому, даже если бы сопло было сделано из индеструктиума ... возможность получить "бесплатную энергию" за счет охлаждения сопла двигателя - это выигрыш эффективности. Добавляя туда теплоту топлива или окислителя , ему потребуется меньшая энтальпия испарения при попадании в камеру сгорания, а значит больше тяги. Бесплатно.
Имейте в виду, если он превратится в пар в рубашке охлаждения сопла, это будет огромной проблемой.
Но у нас есть кое-что, что работает в нашу пользу. Есть насосы высокого давления, которые поднимают топливо и окислитель от исходного давления в баках ракеты до гораздо более высокого давления для впрыска в камеру сгорания. Повышение давления жидкости также повышает ее температуру кипения . Таким образом, это наддув позволяет добавлять энергию топливу/хладагенту без его кипения в трубах.
Таким образом, наддув помогает вам «опередить» энтальпию, позволяя предварительно загрузить часть энтальпии в топливо под давлением.
Всего два коротких комментария к другим отличным ответам:
Настенное охлаждение не является бесплатным: происходит то, что вы (можете) значительно снизить давление в камере (в зависимости от размера камеры), уменьшая тягу и эффективность. Также могут быть некоторые эффекты второго порядка на эффективность сгорания, когда тепло отводится от процесса. Так что если бы мы могли запустить двигатель с адиабатическими стенками, это было бы абсолютно выгодно.
Сверхкритические жидкости не кипят: кроме того, все современные ракетные двигатели работают при давлении в камере, превышающем критическое давление их топлива. Поскольку наддув происходит перед входом в охлаждающие каналы, строгое «испарение» не может происходить при сверхкритических давлениях, так как больше нет температуры кипения. Однако при давлениях, близких к критическим, может произойти нечто подобное, «псевдобипение», с аналогичным исходом.
[изменить: адресовать некоторые комментарии из органического мрамора]
Скорость, с которой тепло передается от поверхности, зависит от пропускной способности всего, что касается ее поверхности, и скорости, с которой оно отводит это тепло от поверхности, что создает тепловой градиент, который быстрее отводит больше тепла от поверхности. (это настолько просто, насколько я мог бы выразиться без причудливых технических слов)
Ракетное топливо, которое обычно используется, обладает хорошими свойствами теплопередачи, и оно жидкое, поэтому его можно очень быстро откачивать с горячей поверхности, тем самым унося тепло с собой, это служит для предварительного нагрева горения топлива, снижая потери топлива, поскольку хорошо.
Стив Линтон
Поутник