Почему вспыхивают сопла ракет?

Назначение этого сопла — добиться максимального ускорения потока для получения максимально возможной скорости на выходе.

Форма сужающихся/расширяющихся (де Лаваля) сопел диктуется термодинамическими свойствами газов.

Для дозвукового потока газа сужающийся канал ускоряет поток. Для сверхзвуковых течений физика обратная: они ускоряются за счет расходящегося прохода. Таким образом, относительно короткая сужающаяся часть сопла, которую вы видите, — это место, где поток разгоняется до сверхзвуковой скорости в горловине, а затем длинная расширяющаяся часть ускоряет сверхзвуковой поток.

Место, где вы отрежете сопло, зависит от того, каким должно быть давление в выходной плоскости сопла.

Ссылка: Динамика и термодинамика потока сжимаемой жидкости , Ашер Шапиро, Том I (1953). См. «Сужающиеся -расширяющиеся сопла» на стр. 93 и особенно обсуждение рисунка 4-12 . Работа сужающегося-расширяющегося сопла при различных значениях противодавления.

Газ в самой узкой части (горле) сужающегося-расширяющегося сопла, используемого в ракетном двигателе, идеально движется со скоростью 1 Маха, скоростью звука. Это создает условия закупорки потока. После горловины газ расширяется, температура падает, и из-за эффекта Вентури его скорость превышает 1 Маха. Таким образом, сужающееся-расходящееся сопло преобразует часть тепловой энергии выхлопных газов в кинетическую энергию.

Существуют пределы степени, в которой ракета может преобразовать эту тепловую энергию в кинетическую энергию. Ракета, работающая в вакууме, теоретически могла бы преобразовать почти всю эту тепловую энергию в кинетическую энергию. Выхлоп будет выходить из сопла при температуре, близкой к нулю по Кельвину, и с выхлопом, имеющим почти идеальную колонну. Однако для этого потребуется бесконечно длинное сопло. В какой-то момент добавление к соплу становится чистым ущербом, а не преимуществом. Ракета, работающая в атмосфере, в идеале имеет выходное давление, равное атмосферному. Увеличение сопла сверх этого идеального значения приводит к противодавлению атмосферы на ракету, а уменьшение сопла ниже этого идеального значения приводит к снижению скорости на выходе.

Как насчет самолетов? В дозвуковых самолетах не используется сужающееся-расходящееся сопло, потому что поток не запирается. За потоки, превышающие скорость звука, взимается штраф за производительность. Это цена, которую нужно заплатить, чтобы покинуть атмосферу Земли и выйти на орбиту. Некоторые гиперзвуковые самолеты используют сужающееся-расширяющееся сопло, но оно часто скрыто внутри двигателя. Сопло имеет коническую форму, самую широкую у горловины и сужающуюся к задней части двигателя. Вместо того, чтобы течь через сопло, выхлопные газы обтекают сопло в реактивном двигателе.

Сгорание порохов является экзотермическим процессом, он в основном дает тепло. Начальная скорость (вспомните турбонасосы) и измененная удельная газовая постоянная продукта сгорания пренебрежимо малы. Теплота также преобразуется в давление по газовому закону .

Тепло и давление несколько бесполезны, когда выхлопные газы больше не взаимодействуют с нашей ракетой. Они теряются, когда газ смешивается с атмосферой или просто расширяется в пустом пространстве. Необратимость этих процессов выражается в увеличении энтропии .

Только импульс газа обеспечивает тягу, которая пропорциональна скорости. Задачей камеры сгорания, дросселя и сопла является эффективное преобразование давления в скорость при адиабатическом расширении.

Для хорошей термодинамической эффективности поток газа должен быть изоэнтропическим (но точка торможения смещается в зависимости от давления и скорости окружающего воздуха, так что это всегда компромисс для ступеней подъема). Эта конструктивная цель диктует форму вытяжного канала. Для дозвукового потока сужающийся канал будет создавать противодавление, эффективно уменьшая давление на дросселе и увеличивая скорость ( принцип Бенулли ).

Однако противодавление не работает для сверхзвуковых потоков. Давление просто не будет распространяться назад, вместо этого будут накапливаться ударные волны. Таким образом, оптимальный профиль воздуховода имеет самую узкую точку, где поток достигает скорости 1 Маха, и расширяется после этого дросселя. Формальный вывод этого факта из уравнения состояния течения сжимаемой жидкости можно найти здесь . На Physics.SE также есть ответ по теоретической подоплеке .

Самолеты, способные к сверхзвуковому крейсерскому полету, также имеют сужающиеся расширяющиеся сопла, потому что им необходимо генерировать сверхзвуковой поток выхлопных газов для поддержания своей скорости. Обратите внимание, что сверхзвуковые сопла могут использоваться для дозвукового движения (как в случае стартовой ракеты), но не наоборот.

Вам не хватает одной вещи: камеры сгорания (спрятанной за трубопроводом в верхней части фото).

Вот поперечное сечение ракетного двигателя:

Тяга определяется как:

F = qVe + (Pe-Pa)Ae

F = сила тяги
q = количество вылетающей массы
Ve = скорость истечения
Pe = давление на конце сопла
Pa = давление окружающей среды
Ae = площадь конца сопла

Отредактируйте , чтобы удалить неверное утверждение: Заимствование из ответа OrganicMarble: поток ускоряется за счет расходящегося прохода, поэтому вам нужен большой диаметр сопла. Однако диаметр сопла ограничен давлением окружающей среды, примерно потому, что вам нужно, чтобы давление в сопле было выше, чем окружающее. Это немного сложнее , очевидно, Pe может быть ниже, чем окружающий .

Pc велико, поэтому, если вы хотите сделать Pe равным Pa, вам нужно отверстие сопла намного больше, чем горловина (место, где камера сгорания встречается с соплом).

Роль камеры сгорания состоит в том, чтобы сжечь как можно больше топлива + окислителя; никогда не выбрасывайте несгоревшее горючее или окислитель, потому что раньше их приходилось везти туда с огромным расходом горючего и окислителя - на счету каждый грамм.

Самолеты везут только топливо, воздуха у них в избытке, так что пока все топливо сгорает, избыток воздуха, не прореагировавшего с топливом, не повредит - а даже поможет; при нагревании он расширяется и обеспечивает тягу, без необходимости в огромной скорости истечения, которая будет сильно влиять на турбины; больше газа расширяется меньше, а не небольшое количество газа расширяется с огромным коэффициентом - в ракетах небольшое количество массы обеспечивает большую тягу. В реактивных самолетах количество массы, которую несет самолет, еще меньше, но масса, обеспечивающая тягу - всасываемый воздух - намного больше, самолет за один полет проталкивает через двигатели воздух, во много раз превышающий его собственный вес.

А еще есть аэродинамика. Обратитесь к этому вопросу .

Два двигателя слева имеют сопла для работы в атмосфере. К моменту, когда выхлопные газы достигают отверстия, их давление ненамного превышает атмосферное, и большую тягу он обеспечить не может.

А это раструб, прикрепленный к третьему из вышеперечисленных двигателей, предназначенный для вакуума.

Каждый последний импульс выжимается из выхлопных газов, которые в противном случае бесполезно выбрасывались бы вбок.

Установка такой штуки на самолет была бы совершенно контрпродуктивной, потому что огромное сопло само по себе создавало бы такое сильное сопротивление воздуха (через его внешнюю часть в воздушном потоке), что полностью сводило бы на нет все преимущества.

Хотя в вашем вопросе есть существенная заслуга. Ничто не сравнится с колокольным соплом в пустоте; это самый эффективный способ получить импульс из газа, расширяющегося в пустоту. Но колпаковые сопла для атмосферных двигателей - это костыль, неоптимальное сведение проблемы пустотного колпакового сопла к граничным условиям атмосферного давления. Они работают, работают хорошо, но не оптимально.

Аналогом сопла реактивного двигателя самолета в ракетной технике является двигатель Aerospike .

Видео аэроспайка в действии .

Аэроспайк определенно превосходит насадку-колокол в атмосферных условиях. Однако проблема заключается в том, что широкомасштабное внедрение аэродинамических двигателей потребует большого количества новых исследований, в то время как колоколообразные сопла «проверены и надежны», проверены, хорошо известны и легко доступны. А так, поскольку никто не хочет платить за "быть первым", мы до сих пор застряли с раструбными соплами для атмосферной ракетной техники.

Эта страница объясняет это очень хорошо (лучше, чем я): https://spaceflightsystems.grc.nasa.gov/education/rocket/nozzle.html

Как там объясняется, исчерпанная масса постоянна, а ее параметры — нет. На входе в сопло газ горячий и имеет очень высокое давление. На выходе из сопла давление намного меньше (как из атмосферы, так и из космоса).

Форсунка используется для расширения выхлопного газа от этого высокого давления до очень низкого внешнего давления.

Давление и температура связаны со скоростью. Следовательно, снижение давления позволяет увеличить скорость истечения и, следовательно, тягу.

Вы также заметите, что сопло больше на вторых ступенях, чем на первых ступенях из-за разницы давления окружающей среды (атмосфера против космоса).

Уравнение, на которое вы действительно хотите взглянуть, называется отношением площади к Маха. Это уравнение получено из предположений об одномерном изоэнтропическом потоке с различной площадью поперечного сечения. Не проходя весь вывод, мы можем перейти к конечному результату и интерпретировать его значение.

Отношение площади к Маха:

$\frac{dA}{A} = (M^2-1)\frac{du}{u}$

Одно это уравнение расскажет вам все, что вы хотите знать о том, как изменения площади (dA) влияют на изменения скорости (du) при различных числах Маха (M).

Для дозвукового течения М<1, тогда$M^2-1<0$. Другими словами, коэффициент в правой части отрицательный. Это означает, что dA и du имеют противоположное поведение. Если мы уменьшим поперечное сечение сопла (dA отрицательно), изменение скорости потока (du) должно быть положительным. Это эффект, который мы обычно наблюдаем, когда кладем большой палец на конец садового шланга: меньшее отверстие приводит к более быстрому потоку. Наоборот, это также означает, что скорость потока уменьшается, когда увеличивается изменение площади (например, когда вы снимаете большой палец с садового шланга).

Совершенно противоположное верно, когда у нас есть сверхзвуковой поток. Если М>1, то коэффициент$M^2-1$положительно, что означает, что dA и du ведут себя одинаково. Таким образом, если у нас есть положительное изменение площади (т.е. мы увеличиваем площадь сопла), мы также увеличиваем скорость потока (du положительно). Это не то явление, с которым мы обычно сталкиваемся в повседневной жизни, а довольно удивительный результат, полученный из физики и математики.

Еще один неожиданный результат из этого уравнения: в точке, где мы достигаем скорости звука (М=1), нам нужно, чтобы изменение площади было равно нулю. Это означает, что наклон касательной к соплу в звуковой точке должен быть горизонтальным. Теперь объедините это с двумя другими случаями в насадке:

Когда внутри камеры сгорания ракеты нарастает давление, оно начинается с медленной дозвуковой скорости. Чтобы ускорить процесс, сначала нужно уменьшить площадь поперечного сечения сопла.

То есть до тех пор, пока мы не достигнем скорости звука, 1 Маха. В этот момент сопло должно достичь своего максимального сужения.

После этого момента уравнение говорит нам, что мы должны начать увеличивать площадь поперечного сечения сопла, чтобы продолжить движение потока до более высокой, сверхзвуковой скорости.

Конечным результатом этого является сопло, которое сначала сжимается до звуковой точки, а затем расширяется. Это классическая конструкция сопла Де Лаваля.

Потому что он сверхзвуковой.

Струи газа, достигающие сверхзвуковой скорости (что во многих случаях включает в себя распыление воздуха из воздушного компрессора в продувочном пистолете), ведут себя довольно интересно.

Когда газ выходит при высоком давлении и низкой скорости, сужение канала, по которому он движется, сделает его быстрее . (область, где он сужается, закрыта трубами и патрубками на этом изображении двигателя, но она есть.)

В самом узком месте поток газа достигает скорости звука. (При условии, что скорость потока и/или отношение давления окружающей среды к давлению подачи достаточно высоки)

Если вы хотите, чтобы он продолжал ускоряться, вам нужно сделать канал шире. Это преобразует давление (и тепло) в скорость — газ охлаждается, расширяется и ускоряется. Сопло двигателя не обязательно должно иметь форму колокола — в первые дни это были просто конусы, обычно с углом прилегания около 30 градусов — но это довольно эффективная форма для их изготовления.

Если вы находитесь в атмосфере, то в конечном итоге давление газа приблизится к атмосферному давлению, и сопло ракеты лучше заканчивать в этой точке или раньше, чтобы не снижать ее эффективность (слишком короткое лучше, чем слишком длинное). Теоретически в вакууме это может продолжаться вечно — вот почему ракетные двигатели, работающие только в вакууме, имеют такие большие удлинения сопла.

Те же самые правила применимы к реактивным двигателям , пока реактивный поток является сверхзвуковым , что, безусловно, верно для двигателей, которые разгоняют самолеты на сверхзвуковой скорости — если вы внимательно посмотрите на сопла реактивного двигателя истребителя, работающего на форсаже, вы увидите, что это расширение. Когда текучая среда либо не является газом, либо не достигает сверхзвуковой скорости и, следовательно, не действует как сжимаемый газ, тогда ваше интуитивное понимание форсунок является точным. Тем не менее, я отмечаю, что только потому, что сопло реактивного двигателя выглядит так, как будто оно все сходится, не означает, что это действительно так.

Насколько я знаю, сопла космических кораблей сходящиеся и расходящиеся, я объясняю, они начинаются с большой камеры и становятся меньше до точки, когда давление преобразуется из дозвукового в сверхзвуковое, в этот момент сопло снова становится больше, толкая ракету. на сверхзвуковой скорости.