Регенеративное охлаждение ракетных двигателей: история и технологии.

Введение

Пропускание холодного топлива через трубки вокруг ракетного двигателя для его охлаждения.

Регенеративное охлаждение, в контексте разработки ракетных двигателей, – это конструкция, при которой часть или всё топливо пропускается через трубки, каналы или рубашку, окружающую камеру сгорания или сопло, для охлаждения двигателя. Это эффективно, поскольку ракетное топливо часто является криогенным. Затем нагретое топливо подаётся в специальный газогенератор или непосредственно в основную камеру сгорания.

История

В 1857 году Карл Вильгельм Сименс представил концепцию регенеративного охлаждения. 10 мая 1898 года Джеймс Дьюар использовал регенеративное охлаждение, чтобы стать первым, кто осуществил статическое сжижение водорода. Концепция регенеративного охлаждения также упоминалась в 1903 году в статье Константина Циолковского. Роберт Годдард построил первый двигатель с регенеративным охлаждением в 1923 году, но отклонил эту схему как слишком сложную. Регенеративно охлаждаемый двигатель был создан итальянским исследователем Гаэтано Артуро Крокко в 1930 году. Первыми советскими двигателями, в которых применялась эта технология, были OR 2 Фридриха Цандера, испытанный в марте 1933 года, и ORM 50, прошедший стендовые испытания в ноябре 1933 года под руководством Валентина Глушко. Первый немецкий двигатель этого типа также был испытан в марте 1933 года Клаусом Риделем в VfR. Австрийский ученый Юджин Сенгер был особенно известен своими экспериментами с охлаждением двигателей, начатыми в 1933 году; однако большинство его экспериментальных двигателей охлаждались водой или с помощью дополнительного контура топлива. Ракетный двигатель V-2, самый мощный в свое время с тягой 25 тонн (245 кН), был регенеративно охлажден по проекту Вальтера Тиля: топливо подавалось вокруг внешней части камеры сгорания, между самой камерой и внешней оболочкой, повторяющей форму камеры и отделенной от нее на несколько миллиметров. Эта конструкция оказалась недостаточной для охлаждения камеры сгорания из-за использования стали для ее изготовления, поэтому была добавлена дополнительная система топливных линий, соединенных с обеими оболочками камеры сгорания для впрыска топлива непосредственно в камеру под углом к внутренней поверхности, обеспечивая дополнительное охлаждение в системе, известной как пленочное охлаждение. Эта неэффективная конструкция требовала сжигания разбавленного спирта при низком давлении в камере, чтобы избежать плавления двигателя. Американский двигатель Redstone использовал ту же конструкцию. Ключевым нововведением в регенеративном охлаждении стал советский двигатель U 1250, разработанный Алексеем Михайловичем Исаевым в 1945 году. Его камера сгорания была облицована тонким медным листом, поддерживаемым гофрированной стальной стенкой камеры. Топливо протекало по гофрам, эффективно поглощая тепло. Это позволило использовать более энергетически насыщенное топливо и повысить давление в камере, и с тех пор эта схема используется во всех российских двигателях. Американские двигатели обычно решали эту проблему, облицовывая камеру сгорания паяными медными или никелевыми трубками. Лишь недавно такие двигатели, как RS 68, начали использовать более дешевую русскую технологию. Американский способ облицовки двигателя медными трубами называют «спагетти-конструкцией», и авторство этой концепции приписывается Эдварду А. Неу из Reaction Motors Inc. в 1947 году.

In 1857 Carl Wilhelm Siemens introduced the concept of regenerative cooling. On 10 May 1898, James Dewar used regenerative cooling to become the first to statically liquefy hydrogen. The concept of regenerative cooling was also mentioned in 1903 in an article by Konstantin Tsiolkovsky. Robert Goddard built the first regeneratively cooled engine in 1923, but rejected the scheme as too complex. A regeneratively cooled engine was built by the Italian researcher, Gaetano Arturo Crocco in 1930. The first Soviet engines to employ the technique were Fridrikh Tsander's OR 2 tested in March 1933 and the ORM 50, bench tested in November 1933 by Valentin Glushko. The first German engine of this type was also tested in March 1933 by Klaus Riedel in the VfR. The Austrian scientist Eugen Sänger was particularly famous for experiments with engine cooling starting in 1933; however, most of his experimental engines were water cooled or cooled by an extra circuit of propellant. The V 2 rocket engine, the most powerful of its time at 25 tons (245 kN) of thrust, was regeneratively cooled, in a design by Walter Thiel, by fuel pumped around the outside of the combustion chamber between the combustion chamber itself and an outer shell that conformed to the chamber and was separated by a few millimeters. This design was found to be insufficient to cool the combustion chamber due to the use of steel for the combustion chamber, and an additional system of fuel lines were added outside with connections through both combustion chamber shells to inject fuel along directly into the chamber at an angle along the inner surface to further cool the chamber in a system called film cooling. This inefficient design required the burning of diluted alcohol at low chamber pressure to avoid melting the engine. The American Redstone engine used the same design. A key innovation in regenerative cooling was the Soviet U 1250 engine designed by Aleksei Mihailovich Isaev in 1945. Its combustion chamber was lined with a thin copper sheet supported by the corrugated steel wall of the chamber. Fuel flowed through the corrugations and absorbed heat very efficiently. This permitted more energetic fuels and higher chamber pressures, and is the basic plan used in all Russian engines since. American engines usually solved this problem by lining the combustion chamber with brazed copper or nickel alloy tubes. Only recently engines like the RS 68 have started to use the cheaper Russian technique. The American style of lining the engine with copper tubes is called the "spaghetti construction", and the concept is credited to Edward A. Neu at Reaction Motors Inc. in 1947.

Механические соображения

При регенеративном охлаждении давление в охлаждающих каналах превышает давление в камере сгорания. Внутренняя облицовка находится под сжатием, а внешняя стенка двигателя испытывает значительные обручальные напряжения. Металл внутренней облицовки значительно ослабляется высокой температурой и также подвергается значительному тепловому расширению на внутренней поверхности, в то время как холодная боковая стенка облицовки сдерживает это расширение. Это создает значительные термические напряжения, которые могут привести к образованию трещин или микротрещин на внутренней поверхности после многократных запусков, особенно в области горловины. Кроме того, тонкая внутренняя облицовка требует механической поддержки для выдерживания компрессионных нагрузок, создаваемых давлением рабочего тела; такую поддержку обычно обеспечивают боковые стенки охлаждающих каналов и опорная пластина. Внутренняя облицовка обычно изготавливается из материалов с относительно высокой температурой плавления и высокой теплопроводностью; традиционно используются сплавы на основе меди или никеля. Для создания сложной геометрии, необходимой для регенеративного охлаждения, можно использовать различные технологии изготовления. К ним относятся гофрированный металлический лист, спаянный между внутренней и внешней облицовкой; сотни труб, спаянных в нужную форму, или внутренняя облицовка с фрезерованными охлаждающими каналами и внешней облицовкой вокруг нее. Геометрию также можно создавать с помощью прямой металлической 3D-печати, как, например, в конструкции некоторых новых двигателей, таких как ракетный двигатель SpaceX SuperDraco.