Стехиометрия двигателя Мерлина

Работа с обогащением топливом распространена в углеводородных двигателях и улучшает удельный импульс, хотя есть некоторая путаница в отношении механизма, с помощью которого это происходит.

Согласно элементам ракетного движения Sutton & Biblarz :

Ракетные двигательные установки обычно не работают с соотношением их окислителя и топлива в стехиометрическом соотношении смеси. Вместо этого они обычно работают с большим количеством топлива, потому что это позволяет легким молекулам, таким как водород, оставаться непрореагировавшими; это снижает среднюю молекулярную массу продуктов реакции, что, в свою очередь, увеличивает удельный импульс.

Генри Спенсер , однако, говорит:

В химической ракете, где реакционная масса и источник энергии одни и те же, попытка снизить молекулярную массу за счет добавления избытка одного топлива также снижает температуру пламени, и если вы действительно занимаетесь математикой , это всегда чистая потеря. .

Так почему же они работают с большим расходом топлива? Ну, отчасти в этой математике есть некоторые упрощающие предположения, которые не совсем правильны. Однако более важно то, что учебники рассматривают не ту часть уравнения. Они перескакивают через КПД сопла, который не зависит от состава газа. В частности, подвыражение (gamma-1)/gamma, [(k-1)/k в Sutton; « отношение удельных теплоемкостей »] , которое появляется как показатель степени эффективности сопла, сильно зависит от состава газа и в первом приближении обратно пропорционально количеству атомов на молекулу. Таким образом, избыток топлива означает, что часть топлива превращается в CO или H ₂ , а не в CO ₂ и H₂ O, может иметь большое значение для эффективности сопла, и это может более чем компенсировать снижение энерговыделения.

В сложных молекулах, по-видимому, много тепловой энергии может быть связано с изгибом межатомных связей (как обсуждается в другой ветке архива) , что не способствует импульсу убегающего выхлопа, который определяет тягу.

Вот зажигание Кларка! (он использует$\frac {R} {C_p}$вместо Спенсера$\frac {\gamma - 1} {\gamma})$:

Если мы рассмотрим конкретные продукты выхлопа, то мы обнаружим следующее: N ₂ и твердый C практически бесполезны в качестве производителей энергии. HCl, H ₂ и CO удовлетворительны. CO ₂ — хороший, а B ₂ O ₃ , HBO ₂ , OBF, BF ₃ , H ₂ O и HF, а также твердые B ₂ O ₃ и Al ₂ O ₃ — отличные. Когда мы рассматриваем член R/Cp, порядок совсем другой. Двухатомные газы с R/Cp выше 0,2 превосходны. К ним относятся HF, H2 _, CO, HCl и N2 _.. (Конечно, одноатомный газ имеет отношение R/Cp, равное 0,4, но найти химическую реакцию, в результате которой образуется большое количество горячего гелия, выходит за рамки практической политики.) Трехатомные газы, H ₂ O, OBF и CO ₂ , с R/Cp между 0,12 и 0,15 являются удовлетворительными. Тетраатомные HBO ₂ и BF ₃ , около 0,1, плохи, а B ₂ O ₃ -- ну, пожалуй, следует обойти молчанием. Что касается твердых веществ C, Al ₂ O ₃ и B ₂ O ₃ , то их R/Cp точно равно нулю, как и тепловой КПД, если бы они когда-либо были единственными продуктами выхлопа.

Обратите внимание на количество атомов в продуктах выхлопа.

Водородно-кислородные двигатели делают то же самое; вот снова Спенсер:

Да, SSME работают с большим расходом топлива — все водородные двигатели работают с большим расходом топлива, потому что это значительно повышает производительность. Наличие достаточного количества непрореагировавшего водорода в выхлопных газах положительно влияет на производительность по нескольким причинам, а водород настолько легкий, что потери массы за это невелики. В идеале водородные двигатели должны работать с соотношением примерно 4: 1, при этом половина водорода не сгорает; на практике, поскольку водород очень громоздкий, соображения массы бака обычно вынуждают специалистов по двигателям идти на компромисс примерно 6: 1.

В дополнение к попаданию в выхлоп более простых и легких молекул, работа с высоким содержанием топлива также снижает температуру сгорания, что делает более практичным охлаждение камеры и сопла. Работа с обогащением топливом предпочтительнее, чем с обогащением окислителем для охлаждения, потому что горячий выхлоп, обогащенный окислителем, имеет тенденцию воздействовать на металл камеры сгорания и сопла, что быстро приводит к «обогащенному сгоранию двигателя» — разрушительному прогоранию частей двигателя. двигатель.