Home - strona główna WRiA.PL – “Wspomnienia ...”. Przegląd Wojsk Lotniczych i WOPK nr 06/1985
Technika i eksploatacja
Mjr mgr inż. ZBIGNIEW PRZĘZAK

 

Proces spalania w silnikach rakietowych na paliwo ciekłe

 

Silnik rakietowy na paliwo ciekłe należy do grupy silników odrzutowych, wytwarzających ciąg przez bezpośrednie wykorzystanie energii kinetycznej silnego strumienia gazów spalinowych. Konstrukcja silnika zależy od jego mocy, składników materiału napędowego i rozmiarów całej rakiety Do szczególnych właściwości silników rakietowych na paliwo ciekłe należy możliwość pracy w każdym środowisku, niezależność ciągu od prędkości lotu, stosunkowo duże zużycie materiałów pędnych, krótki czas pracy (od ułamka sekundy do kilkuset sekund) i duży jednostkowy silnika. Materiały napędowe do silnika rakietowego doprowadza się dwoma sposobami 1:

  • składniki materiału napędowego są wtłaczane do komory silnika pod wpływem wytwarzanego w zbiornikach paliwa i utleniacza nadciśnienia (rys. 1):
  • niezbędne ciśnienie zapewnia zespół turbopomp z gazogeneratorem (rys. 2).

Materiałami napędowymi do silników rakietowych na paliwo ciekłe są pierwiastki lub związki chemiczne reagujące szybko ze sobą z wydzielaniem dużych ilości ciepła i gazów. Postęp W technice rakietowej wymaga stosowania coraz doskonalszych paliw, dających — przy pożądanych wysokich ciężarach właściwych — duże energie ciągu na jednostkę masy paliwa. Zazwyczaj środki takie składają się z dwóch substancji, z których jedna stanowi paliwo, a druga dostarcza potrzebnego utleniacza. W okresie II wojny światowej stosowane były pociski rakietowe (V-2) spalające alkohol lub benzynę ciężką w nadtlenku wodoru lub ciekłym tlenie.


Uproszczony schemat zasilania pa­liwem ciekłym nadciśnieniowego silnika rakietowego.
Rys. 1. Uproszczony schemat zasilania paliwem ciekłym nadciśnieniowego silnika rakietowego: 1 — zbiornik powietrza pod ciśnieniem; 2 — reduktor ciśnienia powietrza; 3 — zbiornik paliwa; 4 — zbiornik utleniacza; 5 — komora spalania.
 


 Uproszczony schemat zasilania sil­nika rakietowego paliwem ciekłym za pomocą turbopomp.
Rys. 2. Uproszczony schemat zasilania silnika rakietowego paliwem ciekłym za pomocą turbopomp: 1 — gazogenerator; 2 — zbiornik paliwa; 3 — zbiornik utleniacza; 4 — turbina; 5 — pompa paliwa; 6 — pompa utleniacza; 7 — komora spalania: 8 — dysza dopływowa

Jako paliwo mogą być również stosowane 2 ciekły amoniak, hydrazyna, anilina (C6H5NH2), nitrometan (CH3NO2). Pospolitymi utleniaczami, poza ciekłym tlenem i nadtlenkiem wodoru, są dymiący kwas azotowy i czterotlenek azotu. Ostatnio rozważa się i wypróbowuje do tych celów ciekły wodór, cyjan, a także borowodory, np. B2H6 i B10H14, które dzięki zawartości boru mają szczególnie wysokie ciepło spalania, sięgające około 17 000 kcal/kg. Również można wykorzystywać stałe substancje w rodzaju glinu, berylu i boru oraz ich wodorki, np. borowodorek glinu AL (BH4)3, a jako utleniacz nadaje się może bardziej od tlenu aktywny fluor lub ozon w stanie ciekłym. Ozon, rozkładając się na tlen, wydziela dodatkowe ilości ciepła. Hipotetyczne jak dotąd znaczenie mają substancje o charakterze rodnikowym, np. wodór atomowy i inne w rodzaju CH3 i NH, których duże ciepła rekombinacji podwyższyć mogą znacznie wartości ciepła spalania.

Skuteczność działania paliwa rakietowego określa się za pomocą impulsu specyficznego, który określa czas trwania (w sekundach) ciągu 1 kG wytworzonego przez 1 kg paliwa.

Proces przemian energetycznych następuje w komorze spalania silnika. Zamienia się w niej, w rezultacie spalania. energia chemiczna materiału napędowego w energię cieplną wytworzonych gazów, a następnie w energię kinetyczną strumienia gazów wypływających z dyszy. Warunki pracy komory są ciężkie, ze względu na wysokie obciążenie cieplne, wysokie temperatury i ciśnienie panujące w komorze, małą objętość komory spalania oraz krótki czas przebywania cząstek paliwa wprowadzanych do komory.

Procesy fizykochemiczne w komorze spalania silnika rakietowego.

Rys.3. Procesy fizykochemiczne w komorze spalania silnika rakietowego: 1 — samozapłonowe paliwa ciekłe; 2 — niesamozapłonowe paliwa ciekłe

Procesy fizykochemiczne w komorze silnika są skomplikowane; w celu ich poznania oddziela się je od siebie i przedstawia jako łańcuch procesów przebiegających kolejno po sobie (rys. 3).

Na przekształcenie ciekłych składników materiału pędnego w gazowe produkty reakcji, wymagany jest czas t. będący sumą czasów trwania poszczególnych procesów gazowych. W warunkach panujących w komorze (T > 2000 K), najszybciej przebiegają reakcje chemiczne (czas ich trwania 10- 5 - 10-6 s), natomiast procesy fizyczne, zwłaszcza związane z mieszaniem składników, są zwykle rozciągnięte w czasie i dlatego największe efekty skrócenia czasu przekształcenia uzyskać można przez doskonalenie procesów fizycznych.

Tabela 1

Wielkość impulsu specyficznego niektórych paliw

 

Paliwo Utleniacz Impuls specyficzny [s]
n - oktan C8H18 Tlen O2 265
n — oktan C3H18 Dwufluorek tlenu OF2 300
Wodór H2 Ozon O3 375
Amoniak NH3 Trójfluorek azotu + fluor NF3+F2 (1:1) 295
Hydrazyna N2H4 Fluor F2 315
Dwumetylohydrazyna H2N - N(CH3)2 Czterotlenek azotu N2O4 285
Wodór H2 Fluor F2 410
Beryl Be Fluor F2 ok. 500

Spalanie odbywa się w strumieniu poruszających się składników, więc stabilizacja strefy spalania wystąpi wówczas, gdy ilość wytworzonego ciepła będzie co najmniej równa ilości niezbędnej do przygotowania spalania składników materiałów pędnych dopływających do tej strefy. Doświadczenie wykazuje, że długości poszczególnych stref są stałe i niezależne od wielkości komory (rys. 4).

Podział silnika rakietowego wg procesów fizykochemicznych.

Rys.4. Podział silnika rakietowego wg procesów fizykochemicznych: 1 strefa rozpylania i mieszania w fazie ciekłej: 2 — strefa parowania i mieszania w fazie gazowej; 3 — strefa spalania i wyrównywania składu; 4 — strefa rozprężania poddźwiękowego; 5 — strefa rozprężania naddźwiękowego; x — strefa frontu płomienia.

Łączna długość strefy 1 i 2 nie przekracza 100—150 mm a strefy x ca 50 mm. Długość strefy 3 wynosi 200— 500 mm.

Największe wydzielanie ciepła obserwuje się wówczas, gdy spalaniu ulega jednorodna mieszanina paliwa i utleniacza o optymalnym składzie. Procesy zmierzające do wytworzenia takiej mieszanki, nazywane procesami przygotowawczymi, obejmują rozpylanie, parowanie i mieszanie.

Rozpylanie jest to proces fizyczny polegający na podziale zwartej strugi cieczy na drobne cząsteczki. Charakteryzowany jest przez tzw. rozdrobnienie i jednorodność rozdrobnienia.

Rozdrobnienie następuje w wyniku oddziaływania sił zewnętrznych (sił oporu ośrodka, które mają tendencję rozrywania strugi na cząstki) i wewnętrznych (sił bezwładności, lepkości i napięcia powierzchniowego, z tym, że siły lepkości i napięcia powierzchniowego mają tendencję powstrzymywania rozdrobnienia). Proces rozdrobnienia charakteryzuje niżej podane kryterium:

D = δV2d/σ

gdzie:

δ — gęstość ośrodka gazowego;

V — prędkość gazów;

σ — napięcie powierzchniowe;

d — średnica kropli.

Jeżeli:

D <C 10,7 — następuje deformacja kropli cieczy;

D = 10,7 — kropla ulega rozdwojeniu;

D = 10,7 - 14 - kropla dzieli się na trzy do pięciu cząstek;

D > 14 — następuje rozpad wielokrotny wszystkich kropli cieczy.

Średnica kropli, na które rozpada się struga, jest tym mniejsza im większy jest spadek ciśnienia i mniejsze natężenie przepływu podczas wtrysku strugi do komory silnika rakietowego. Jednorodność rozdrobnienia określa analiza wymiarowa kropel występujących w rozpylonej cieczy (rys. 5). Optymalny przebieg krzywej rozdrobnienia odpowiada dużemu jej nachyleniu, udzie występuje najmniejsza różnica pomiędzy kroplami o największej i najmniejszej średnicy.

Krzywa rozdrobnienia rozpylonej cieczy.

Rys. 5. Krzywa rozdrobnienia rozpylonej cieczy: Mi — ilość rozpylonej cieczy: M — Ilość cieczy wtryskiwanej; d — średnica kropli

Parowanie jest procesem fizycznym polegającym na przejściu kropel cieczy w stan gazowy. W komorze silnika rakietowego do czynników przyspieszających parowanie należy proces rozdrobnienia i doprowadzenia ciepła ze strefy spalania. Promień kropli w czasie parowania można określić wyrażeniem:

ro2= rk m - kt

gdzie:

  • rk - promień kropli;

  • t — czas parowania kropli;

  • k — stała doświadczalna;

  • m — wykładnik potęgi ca 2.

Na podstawie analizy tego wyrażenia można określić następujące parametry:

  • czas parowania kropli cieczy dla d = 100 u wynosi 0,003—0,005 s;

  • prędkość średnia kropli Vśr. = 20 -30 m/s;

  • odcinek na którym następuje proces parowania kropli cieczy lpar =0,06 -
    0,15 m.

Ciepło dostarczane jest ze strefy spalania do strefy rozpylania w wyniku tzw. zjawiska prądów zwrotnych, powodujących cyrkulację gazów o podwyższonej temperaturze w strefie rozpylania.

Mieszanie następuje w wyniku zastosowania odpowiedniej konstrukcji wtryskiwaczy. Do podstawowych należą strugowe i wirowe.

Wtryskiwacze strugowe mają nawiercone otwory o małej średnicy w ściankach głowicy wtryskowej, w wyniku czego możliwe jest przetłoczenie przez nie cieczy i skierowanie rozpylonej w odpowiednim kierunku. Wtryskiwacze te stosuje się przy małych wymaganiach dotyczących jakości rozpylania oraz przy dużych natężeniach przepływu i małych komorach spalania. Do ich zalet należy zaliczyć proste kształty i prostą technologię wykonania: do wad — niską jakość rozpylania, którą można polepszyć poprzez umożliwienie zderzeń strug sąsiednich wtryskiwaczy. Przy mieszaniu strug prędkość paliwa powinna być większa od prędkości utleniacza o 60%.

We wtryskiwaczach wirowych ciecz przed osiągnięciem dyszy wtryskiwacza zostaje wprowadzona w intensywny ruch wirowy względem osi wtryskiwacza. w wyniku tego ruchu cząsteczki rozpylonej cieczy poruszają się po torach spiralnych. Po opuszczeniu dyszy wtryskiwacza, cząstki rozpylonej cieczy układają się w cienkiej warstwie przypowierzchniowej strugi przypominającej stożek.

Zaletą wtryskiwacza wirowego oraz wtryskiwacza z zawirowywaczem jest wysoka jakość rozpylania. Z powodu dużego kąta rozpylania, można w nich uzyskać zderzenie strug z sąsiednich wtryskiwaczy bezpośrednio przy ściance głowicy. Do wad należy skomplikowana budowa i duże wymiary.

Wtryskiwacz zespolony.

Rys. 6. Wtryskiwacz zespolony.

Wtryskiwacz zespolony (rys. 6) daje lepszą jakość i jednorodność rozpylania, lecz ma skomplikowaną budowę. i duże wymiary.

Rozmieszczenie wtryskiwaczy w w głowicy silnika rakietowego w decydujący sposób wpływa na mieszanie paliwa i utleniacza oraz na parametry silnika. Rozmieszczenie wtryskiwaczy (rys. 7) powinno zapewnić:

  • jednorodny skład paliwa i utleniacza w przekroju poprzecznym komory silnika;

  • małą skłonność do niestatecznej pracy;

  • ochronę ścianek komory przed przegrzaniem;

  • proste doprowadzenie materiałów pędnych.

Wtryskiwacze strugowe rozmieszcza się obwodowo, natomiast wirowe — szachownicowo i plastrowo.

Sposoby rozmieszczenia wtryskiwaczy w głowicy silnika rakietowego.

Rys. 7. Sposoby rozmieszczenia wtryskiwaczy w głowicy silnika rakietowego: a obwodowe; b — szachownicowe: c — plastrowe.

Spalanie jest procesem fizykochemicznym, w którym, w wyniku zachodzącej z dużą szybkością reakcji chemicznej miedzy paliwem a utleniaczem, wydziela się duża ilość energii. Szybkość reakcji spalania zależy od składu i początkowych parametrów mieszaniny palnej (głównie temperatury i ciśnienia). Spalanie odbywa się wewnątrz komory spalania silnika rakietowego (rys. 8). Charakteryzuje się bardzo wysokimi temperaturami (T = 3000 - 4500 K).

Komora spalania silnika rakietowego.

Rys. 8. Komora spalania silnika rakietowego: lk — długość komory, lk = (1—1,5) dk,  lc — długość fazy ciekłej,  lg — długość fazy gazowej, dk — średnica komory,  dkd — średnica krytyczna d.

Dopuszczalne wartości temperatur ścianek komór wynoszą:

Tdop. = 800 - 850 K - dla stali węglikowych;

Tdop = 1000 - 1300 K - dla stali stopowej.

Wynika stąd wniosek, że niezawodna praca komory jest niemożliwa bez dobrego układu chłodzenia.

Rozkład temperatur i ciepła w silniku rakietowym.

Rys.9. Rozkład temperatur i ciepła w silniku rakietowym: Tsk — temperatura ścianek komory: Tg — temperatura ośrodka gazowego; qk — ciepło konwekcji; qpr — ciepło promieniowania

W praktyce mają zastosowanie następujące sposoby chłodzenia:

  • chłodzenie obiegowe zewnętrzne, gdzie czynnikiem chłodzącym jest np. utleniacz przepływający przez odpowiednio dostosowane ścianki komory spalania silnika;

  • chłodzenie wewnętrzne (uzupełniający sposób chłodzenia) polegające na wytworzeniu w pobliżu ścianek komory ośrodka wzbogaconego w paliwo pobierające ciepło z otoczenia przy odparowywaniu;

  • chłodzenie akumulacyjne, polegające na magazynowaniu ciepła odprowadzanego przez ścianki komory;

  • stosowanie wykładzin izolacyjnych w postaci cienkich powłok nakładanych metodą napylenia na wewnętrzną powierzchnię ścianek komory o grubości od 0,05 do 0.5 mm, np. z grafitu, trudno topliwych tlenków lub węglików.


1Przedstawienie sposobów doprowadzania materiałów napędowych do silników rakietowych ma cel czysto poglądowy i nie wyczerpuje stosowanych w praktyce modyfikacji podanych przykładów.

2 Trzebiatowski Włodzimierz: Chemia nieorganiczna. PWN 1978, str. 331.