Использование ракетного топлива для охлаждения двигателя

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.

Уместно ли отметить, что, в отличие, скажем, от автомобильного двигателя, охлаждающая жидкость имеет открытый цикл. Он используется один раз для охлаждения двигателя, а затем сжигается и выбрасывается. Это не замкнутый контур охлаждения, для которого другие жидкости наверняка подошли бы лучше.
Имеет двойной положительный эффект. 1/ Топливо, используемое в качестве охлаждающей жидкости, помогает охлаждать двигатели. 2/ Топливо предварительно подогревается двигателями, что увеличивает производительность двигателя, так как достигается более высокая температура и скорость выхода пороховых газов по сравнению с холодным топливом.

Ответы (5)

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.

Особенно удобно, что ракетный двигатель требует большого объемного расхода топлива, а значит, много тепла может отводиться от стенок камеры сгорания.
По сути, вам нужно будет нести количество охлаждения, равное количеству топлива, что совершенно непомерно! С охлаждающей жидкостью с лучшими характеристиками вы можете оптимизировать количество до 50% или 20%. 20% по-прежнему будут составлять около 100 тонн, что намного больше, чем полезная нагрузка. (Это предполагает, что вы не можете излучать тепло достаточно быстро, поэтому охлаждение все равно должно быть открытым.)
@Peter, то, что у вас есть такая большая охлаждающая способность, не означает, что она вам нужна. Однако это прекрасно сочетается с необходимостью испарения топлива для его сжигания. Вы должны ввести достаточно тепла в массу топлива, чтобы преодолеть энтальпию испарения. Если вы не сделаете этого в стенке двигателя, вам придется сделать это в камере сгорания, где энергия будет отбираться от тяги. Но тогда вам все равно придется охлаждать куртку...

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.

Потому что это «бесплатная» энергия, которую можно взять!

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.

Как уловить эту энергию, не вскипятив «теплоносителя»

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.

Но топливо, используемое для охлаждения двигателя, не должно испаряться в охлаждающих трубках или каналах. Пузырьки газа в жидкости уменьшат перенос тепла. Поэтому температура должна быть ниже точки кипения. Другой проблемой может быть резкое увеличение объема и давления, если значительная часть жидкости испарится.
@Uwe Хороший вопрос, я отвечу на это другим абзацем.
Тепло, удаляемое из камеры и сопла при жидкостном охлаждении, повторно используется в камере, чтобы было бесплатным. Но теряется энергия, необходимая для прокачки топлива по охлаждающим каналам, по крайней мере энергия, теряемая в турбине на привод насоса.
@Uwe Да, но если бы у вас был альтернативный способ охлаждения форсунки, разве вам не понадобились бы эти топливные насосы высокого давления ? Достаточно ли естественного давления в баке для подачи в камеру сгорания ракеты?
Вам нужны эти топливные насосы высокого давления для поддержания высокого давления в камере сгорания. Если естественного давления в баке достаточно для подачи в камеру сгорания ракеты, давление в камере будет слишком низким для обеспечения высокой скорости выхлопа. Чтобы увеличить естественное давление в резервуаре, вам нужны более тяжелые резервуары, чтобы противостоять давлению. Конечно, вам нужно больше газа под давлением, что увеличивает собственный вес.
Вам почти никогда не нужно испарять топливо. Обычно достаточно распылить его, что требует гораздо меньше энергии.

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]

Можете ли вы подкрепить это утверждение некоторыми ссылками или расчетами: «Происходит следующее: у вас значительно снижается давление в патроннике, что снижает вашу тягу и эффективность».
Честно говоря, у меня нет никаких публикаций, так что это больше основано на моем личном опыте запуска этих симуляций. Если вы посмотрите на модели камер сгорания, такие как Mascotte, DLR Lampoldshausen, горелка PennState, вы увидите снижение давления в камере примерно на 10% при моделировании, если учесть теплопередачу по сравнению с адиабатическими граничными условиями. Если учесть камерный газ и уменьшить его температуру на стенке, то объем значительно уменьшится, но это сложнее, чем при горении и сопловом течении.
Это отличная информация. Я так понимаю, это довольно маленькие камеры? Мой опыт работы с более крупными двигателями не совпадает с большим уменьшением.
Может быть, хорошая мысль! Соотношение поверхность/объем, безусловно, больше в небольших камерах, поэтому вы будете извлекать намного больше энергии по сравнению с тем, что у вас есть в объеме камеры, по сравнению с полноразмерными двигателями.

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.