Введение
Тип двигательной сопла Дробовая сопла ракетного двигателя - это двигательная сопка (обычно типа де Лаваль), используемая в ракетных двигателях для расширения и ускорения продуктов сгорания до высоких сверхзвуковых скоростей. Проще говоря: топливо, подвергнутое давлению с помощью насосов или высокого давления, вводится в камеру сгорания для сжигания, и камера сгорания вводит в сопла, которая преобразует энергию, содержащуюся в высокотемпературных продуктах сгорания, в кинетическую энергию, ускоряя газ до высокой скорости и близкого окружающего давления.
A rocket engine nozzle is a propelling nozzle (usually of the de Laval type) used in a rocket engine to expand and accelerate combustion products to high supersonic velocities. Simply: propellants pressurized by either pumps or high pressure ullage gas to anywhere between two and several hundred atmospheres are injected into a combustion chamber to burn, and the combustion chamber leads into a nozzle which converts the energy contained in high pressure, high temperature combustion products into kinetic energy by accelerating the gas to high velocity and near ambient pressure.
История
Простые формы сопла в форме колокола были разработаны в 1500-х годах. Насадка де Лаваля была первоначально разработана в 19 веке Густафом де Лавалем для использования в паровых турбинах. Впервые он был использован в раннем ракетном двигателе, разработанном Робертом Годдардом, одним из отцов современной ракетостроения. С тех пор он использовался почти во всех ракетных двигателях, включая реализацию Вальтера Тиля, которая сделала возможным немецкую ракету V2.
Использование в атмосфере
Оптимальный размер сопла ракетного двигателя достигается, когда давление на выходе равняется окружающему (атмосферному) давлению, которое уменьшается с увеличением высоты. Причина этого заключается в следующем: используя квази одномерное приближение потока, если давление окружающей среды выше, чем давление выхода, оно уменьшает чистую тягу, производимую ракетой, что можно увидеть с помощью анализа баланса сил. Если давление окружающей среды ниже, в то время как баланс сил указывает на то, что тяга увеличится, изентропические отношения Маха показывают, что отношение площади сопла могло быть больше, что привело бы к более высокой выходной скорости движущего вещества, увеличивая тягу. Для ракет, путешествующих с Земли на орбиту, простая конструкция сопла оптимальна только на одной высоте, теряя эффективность и тратя топливо на других высотах. После прохождения горла давление газа выше, чем давление окружающей среды, и его необходимо понизить между горлом и выходом из сопла путем расширения. Если давление выхлопных газов, выходящих из выхода сопла, все еще выше атмосферного давления, то сопла считается недостаточно расширенной; если выхлопные газы ниже атмосферного давления, то они перерасширены. Небольшое перерасширение вызывает небольшое снижение эффективности, но в остальном не наносит вреда. Однако, если давление выхода меньше примерно на 40% давления окружающей среды, то происходит "разделение потока". Это может привести к нестабильности выхлопных газов, что может привести к повреждению сопла, трудностям с управлением транспортным средством или двигателем, а в более экстремальных случаях - к разрушению двигателя. В некоторых случаях, по соображениям надежности и безопасности, желательно запускать ракетный двигатель на земле, который будет использоваться на протяжении всего пути на орбиту. Для оптимального взлета давление газов, выходящих из сопла, должно быть на уровне давления на уровне моря, когда ракета находится близко к уровню моря (при взлете). Однако сопла, предназначенная для работы на уровне моря, быстро теряет эффективность на больших высотах. В многоступенчатой конструкции второй ступени ракетного двигателя предназначен в первую очередь для использования на больших высотах, обеспечивая дополнительную тягу только после того, как первый ступени двигателя выполняет первоначальный взлет. В этом случае конструкторы обычно выбирают конструкцию с чрезмерно расширенным соплами (на уровне моря) для второй стадии, что делает его более эффективным на больших высотах, где давление окружающей среды ниже. Это была техника, используемая на перерасширенных (на уровне моря) основных двигателях космического челнока (SSME), которые провели большую часть своей движущейся траектории в почти вакууме, в то время как два эффективных твердотельных ракетных ускорителя шаттла на уровне моря обеспечили большую часть начальной тяги взлета. В вакууме космоса практически все сопла не расширяются, потому что для полного расширения газа сопла должна быть бесконечно длинной, в результате инженеры должны выбрать конструкцию, которая воспользуется дополнительным расширением (надвигательная сила и эффективность), а также не добавит чрезмерного веса и не поставит под угрозу производительность транспортного средства.
Использование вакуума
Для сопла, которые используются в вакууме или на очень большой высоте, невозможно сравнить давление окружающей среды; скорее, сопла с большим соотношением площади обычно более эффективны. Однако очень длинная насадка имеет значительную массу, что само по себе является недостатком. Обычно необходимо найти длину, которая оптимизирует общую производительность транспортного средства. Кроме того, по мере снижения температуры газа в сопла, некоторые компоненты выхлопных газов (например, водяной пар от процесса сгорания) могут конденсироваться или даже замерзать. Это крайне нежелательно и его нужно избегать. Для некоторых типов двигателей (например, для ракеты с изменяемым специфическим импульсом с магнитоплазмой, VASIMR) были предложены магнитные сопла, в которых поток плазмы или ионов направляется магнитными полями вместо стен из твердых материалов. Это может быть полезно, поскольку магнитное поле само по себе не может плавиться, а температура плазмы может достигать миллионов градусов Кельвина. Однако часто существуют проблемы с тепловым проектированием, которые представляют собой сами катушки, особенно если для формирования горла и полей расширения используются сверхпроводящие катушки.
Оптимальная форма
Отношение площади самой узкой части насадки к площади выходной плоскости в основном определяет, насколько эффективно расширение выхлопных газов преобразуется в линейную скорость, скорость выхлопных газов и, следовательно, тягу ракетного двигателя. Свойства газа также влияют. Форма насадки также немного влияет на то, насколько эффективно расширение выхлопных газов преобразуется в линейное движение. Самая простая форма сопла имеет ~ 15° конусовый полуугол, что составляет около 98% эффективности. Меньшие углы дают очень незначительно более высокую эффективность, большие углы дают более низкую эффективность. Чаще всего используются более сложные формы революции, такие как сопла колокольчика или параболические формы. Они дают, возможно, на 1% более высокую эффективность, чем конусовая сопла, и могут быть короче и легче. Они широко используются на ракетах-носителях и других ракетах, где вес является премией. Их, конечно, сложнее изготовить, поэтому они, как правило, дороже. Существует также теоретически оптимальная форма сопла для максимальной скорости выхлопных газов. Однако, обычно используется более короткая форма колокола, которая дает лучшую общую производительность из-за его гораздо меньшего веса, меньшей длины, меньших потерь сопротивления и только очень незначительно меньшей скорости выхлопных газов. Другие аспекты конструкции влияют на эффективность ракетной насадки. Горло насадки должно иметь гладкий радиус. Внутренний угол, сужающийся до горла, также влияет на общую эффективность, но это незначительно. Угол выхода насадки должен быть как можно меньше (около 12°), чтобы свести к минимуму вероятность возникновения проблем с разделением при низком выходном давлении.