используются, главным образом, для стратегических ракетных комплексов как наземного, так и морского базирования, запускаемых на большие расстояния (типовые диаметры критических сечений от 7 до 15 дюймов для первой ступени и 4–5 дюймов для третьей ступени), а для больших космических ускорителей, таких как «Спейс Шаттл», «Титан» и «Ариан-5», диаметры критического сечения сопла от 30 до 50 дюймов.
3.Утопленные сопла. Значительная часть конструкций сопел является утопленной в пределах камеры сгорания или корпуса (см. рис. 6.11, в). Утапливание сопел в некоторой степени уменьшает общую длину двигателя, которая, в свою очередь, уменьшает длину ракеты и ее инертную массу. Это важно для применения
вусловиях ограничения длины, таких как стратегические ракеты, запускаемые из шахты или с подводной лодки, а также для их верхних ступеней и в случае космических ракетных систем. Это накопление нежелательно и может быть сведено к минимуму за счет хорошей конструкции.
4.Выдвижное (раздвижное) сопло. Это больше относится к выдвижному конусу или ЕЕС (extendible exit cone), хотя оно не всегда имеет точно коническую форму. Такое сопло используется на верхних ступенях стратегических ракет и на верхних ступенях космических ракетоносителей для достижения максимального фактического удельного импульса. Это сопло имеет секцию нерегулируемого сопла с низким отношением площадей, которое увеличивается до более высокого отношения за счет механического добавления расширяющейся части сопла. Удлиненное сопло повышает удельный импульс за счет удвоения или даже утроения начального коэффициента расширения, тем самым значительно увеличивая коэффициент тяги сопла. Поэтому эта система позволяет создать очень высокий коэффициент расширения сопла, которое вначале упаковано на относительно короткой длине, тем самым обеспечивая уменьшение инертной массы. Расширяющаяся часть конуса сопла находится в отведенном (начальном) положе-
245
нии в течение фазы ускорения при полете и выдвигается на место до того, как двигатель начнет работать после отделения нижней ступени (см. рис. 6.11, г). Обычно электромеханические или приводимые в действие турбиной приводные механизмы эксцентрика (ball screw) обеспечивают развертывание выходного конуса.
5. Сопло, смонтированное на газоходе. При использовании на тактических запускаемых в воздухе или на земле ракет с ограничениями по диаметру обеспечивают пространство для размещения и приведения в действие аэродинамического стабилизатора полета и силовых систем управления вектором тяги. Газоход также позволяет расположить центр тяжести ракетного двигателя близко или впереди центра тяжести ракеты (см. рис. 6.11, д). Это ограничивает перемещение центра тяжести в процессе работы двигателя и делает стабилизацию полета более легкой. Каждый двигатель обычно имеет одно сопло. Некоторые большие двигатели должны иметь четыре поворотных сопла, которые используются для управления вектором тяги.
6.3. Проектирование и изготовление
Почти все сопла твердотопливных ракетных двигателей являются абляционно охлажденными. Общая конструкция сопла ракетного двигателя состоит из стальных или алюминиевых оболочек (элементов корпуса), которые проектируются таким образом, чтобы выдерживать конструктивные нагрузки (рабочее давление в двигателе, нагрузка от действия приводного механизма управления вектором тяги являются самыми большими), и абляционных лайнеров из композиционных материалов, которые связаны с корпусными деталями сопла. Абляционные лайнеры проектируются для обеспечения теплоизоляции стальных или алюминиевых элементов сопла, создания внутреннего аэродинамического контура, необходимого для эффективного расширения газообразных продуктов сгорания, чтобы создавать тягу, и для охлаждения путем абляции и обугливания управляемым и пред-
246
сказываемым способом, чтобы предупредить накопление тепла и разогрев, который может повредить или существенно ослабить конструкционные элементы сопла или связывающих материалов. Сопла твердотопливных ракетных двигателей проектируются так, чтобы гарантировать, что толщина абляционных лайнеров является достаточной для сохранения адгезионной связи на границе лайнер – элемент сопла при поддержании температуры ниже температуры деградации адгезионных конструкционных свойств при работе двигателя.
Конструкции сопел изменяются от самых простых монолитных не двигающихся графитовых сопел до сложных составных сопел, способных к движению, для управления направлением вектора тяги (см. рис. 6.11). Более простые небольшие сопла обычно применяются при низком давлении в камере сгорания, небольшой продолжительности работы (менее 10 с), низких отношениях площадей и/или низкой тяге. Они используют элементы стенок из абляционных теплопоглотителей и графитовые вставки (вкладыши) в горловине сопла, стойкие к высоким температурам, эрозии и окислению (рис. 6.12).
Рис. 6.12. Конструкции сопел для небольших твердотопливных ракетных двигателей
247
Пиролитические шайбы (прокладки) или диски ориентированы так, что их направление в части обеспечения высокой теплопроводности является перпендикулярным оси сопла. Сложные сопла обычно необходимы, чтобы отвечать более жестким требованиям к конструкции при проектировании, таким как обеспечение управления вектором тяги, работа при высоком давлении в камере сгорания (следовательно, при более высокой скорости теплопередачи) и/или на большой высоте (большие коэффициенты расширения сопла), при очень высоком уровне тяги и более продолжительном времени работы двигателя (свыше 30 с).
На рис. 6.13 и 6.14 показаны особенности конструкции самого большого и наиболее сложного сопла ракетного двигателя, изготавливаемого в настоящее время. Сопло используется на твердотопливном, повторно используемом ускорителе (Reusable Solid Rocket Booster – RSRM), который обеспечивает 71,4 % подъемной тяги ракетоносителя «Спейс Шаттл» (см. рис. 6.3 и 6.7). Сопло спроектировано для того, чтобы обеспечить конструкционные и температурные коэффициенты безопасности в течение времени работы ускорителя «Шаттл» 123,7 с. Оно состоит из девяти слоев графитовой (углеродной) ткани с абляционными лайнерами на основе фенольных смол, связанных с шестью стальными и алюминиевыми элементами корпуса сопла. Элементы скрепляются вместе, образуя конструкционную основу сопла. Гибкое соединение, сделанное из каучука, завулканизированное вместе со стальными клиньями, позволяет соплу изменять свое направление на 8 градусов относительно центральной линии, чтобы обеспечить управление вектором тяги.
Поскольку металлические элементы сопла восстанавливаются и повторно используются после полета, то система разделения выходного корпуса (периферический линейный кумулятивный заряд) служит для отделения основной секции заднего выходного корпуса ниже алюминиевой вставки заднего выходного конуса, чтобы минимизировать воздействие на оставшиеся компоненты.
248
Рис. 6.13. Внешний вид части сопла для ускорителя «Спейс Шаттл» (характеристики сопла: коэффициент расширения 7,72, диаметр критического сечения (горловины) 52,86 дюйма, выходной диаметр 149,64 дюйма, общая длина 178,75 дюйма, вес сопла 23 941 фунт, максимальное давление 1016 фунт/дюйм2, максимальная тяга (вакуум) 3 070 000 фунтов)
С точки зрения перспективы совершенства основной задачей при проектировании сопла является обеспечение эффективного расширения газового потока, выходящего из камеры сгорания двигателя, для создания тяги. Простые сопла с непрофилированными выходными конусами могут быть спроектированы с использованием основных термодинамических зависимостей, позволяющих определить критическое сечение сопла, полуугол сопла и коэффициент расширения. Более сложные профилированные (колоколообразные) сопла применяются для уменьшения потерь за счет отклонения потока, чтобы слегка повысить удельный импульс и уменьшить длину сопла и его массу.
249
250
Рис. 6.14. Секция поворотного сопла, показанного на рис. 6.13, с указанием составных элементов
250
Двухмерные программы расчета с использованием метода характеристик потока реагирующего газа с учетом двухфазности потока применяются для анализа потока газ–частица в сопле и определения оптимального профиля сопла с обеспечением увеличения удельного импульса, а также получения приемных эрозионных характеристик. Такие программы обеспечивают аналитические решения всех механизмов потерь идентифицированного удельного импульса, которые снижают совершенство.
На рис. 6.15 показано количество лайнера на основе углеродной (графитовой) ткани, пропитанной фенольной смолой, уносимого при химической эрозии и соударении частиц, глубина обугливания лайнера, температура газа и давление в выбранных местах для сопла ускорителя «Спейс Шаттл».
Рис. 6.15. Измерения эрозии и глубины обугливания для материала сопла на основе углеродных (графитовых) волокон,
пропитанных фенольной смолой, для ускорителя «Спейс Шаттл»
Эрозия на носовом обтекателе (1,73 дюйма) является самой высокой, главным образом, в результате соударения частиц Al2O3, перемещающихся вдоль канала двигателя. При ударе час-
251
тиц механически удаляется обугленный материал лайнера. В противоположность этому радиальная эрозия критического сечения сопла, равная 1,07 дюйма, происходит в основном за счет углеродного материала лайнера, реагирующего химически с окисляющими веществами в сочетании с горящим газовым потоком в зоне самой сильной теплопередачи. В месте расположения горловины сопла эрозия за счет соударений, по существу, равна нулю, потому что частицы Al2O3 перемещаются параллельно поверхности сопла.
Сейчас часто используется сокращенное название ITE, которое означает интегральное критическое сечение сопла/вход
(integral throat/entrance – ITE) и относится к вкладышу критическо-
го сечения сопла моноблочного варианта (single-piece), которое также включает в себя часть сужающейся входной секции.
Эрозия критического сечения сопла вызывает увеличение диаметра при работе двигателя и является одной из сложных проблем, встречающихся при проектировании сопла двигателя. Обычно увеличение площади критического сечения сопла более 5 % рассматривается как неприемлемое для большинства применений твердотопливных ракет, так как вызывает уменьшение тяги и давление в камере сгорания. Эрозия имеет место не только в зоне горловины сопла (обычно от 0,01 до 0,25 мм/с или от 0,004 до 0,010 дюйм/с), но также на секциях, расположенных до критического сечения и после него. Сопловые сборки обычно теряют от 3 до 12 % их начальной инертной массы. Эрозиявызывается комплексным взаимодействием между высокотемпературным, высокоскоростным газовым потоком, химически агрессивными веществами в газе и механическим абразивным действием частиц. Углерод в материале сопла реагирует с веществами, подобными O2, O, OH или H2O, и окисляется; накопленная концентрация этих химических веществ является показателем вероятной эрозии. На рис. 6.16 приведены химические концентрации для веществ в выхлопных газах алюминизированного топлива. Топлива, обогащенные горючим (которые содержат немного свободного O2 или O), и твердые топлива, у которых некоторая часть газообразного
252
кислорода поглощается при окислении алюминия, вызывают меньшую эрозию. Неуравновешенную эрозию сопла вызывает смещение вектора тяги.
Рис. 6.16. Изменение состава выхлопных газов на выходе из сопла в зависимости от отношения давлений при фиксированном отношении окислитель/горючее в смеси и для смещенного равновесия. Для замороженного равновесия состав должен быть тем же самым, как и в камере сгорания
Нахождение оптимального контура стенки сопла требует анализа вычислительных компьютерных программ для колоколообразных сопел с использованием метода характеристик, чтобы определить профиль стенки, который обеспечивает быстрый поворот газа ближе к осевому потоку без образования ударных волн или сталкивающихся частиц избыточной окиси алюминия, действующих на стенки сопла. Ключевые параметры, которые управляют проектированием профиля сопла; начальный угол θi (угол, на который поворачивается сверхзвуковой поток сразу после прохожде-
253
ния критического сечения сопла), длина от горловины сопла до выходной плоскости, выходной угол выходной плоскости θе и угол поворота θi–θе. Столкновение с твердыми и жидкими частицами выхлопных газов может быть минимизировано при начальном угле обычно между 20 и 26° и при угле поворота обычно от 10 до 15°. Уменьшение длины сопла колоколообразной формы (с твердыми частицами в газе) обычно составляет от 80 до 90 % длины эквивалентного конического сопла с полууглом 15°. Профиль входа в горловину сопла основан на гиперболической спирали, которая однородно ускоряет поток продуктов сгорания до сверхзвуковой скорости в плоскости горловины.
6.4.Поглощение (абсорбция) тепла
иматериалы сопла
Ракетные двигатели при работе никогда не достигают теплового равновесия. Температуры всех компонентов, подвергаемых действию теплового потока, непрерывно увеличиваются при работе двигателя. В хорошей тепловой конструкции критические зоны достигают максимально допустимой температуры за короткое время после прекращения работы двигателя. Компоненты сопла связаны с их способностью к поглощению тепла (для разложения материала требуются высокая теплоемкость и высокая энергия) и к медленной теплопередаче (хорошая теплоизоляция
снизкой теплопроводностью), чтобы выдержать действие напряжений и деформаций, создаваемых температурными градиентами и нагрузками. Максимальная допустимая температура для любого материала двигателя должна быть несколько ниже температуры, при которой происходит избыточное разложение (потери прочности материала, материал плавится, становится слишком мягким, растрескивается, подвергается пиролизу, отклеивается, слишком быстро окисляется). Продолжительность работы двигателя зависит от конструкции и количества теплопоглощающего и теплоизоляционного материала. Необходимо разработать сопло
сдостаточным количеством теплопоглощающего материала
254