Дата публикации: 14.06.2021
0
223
Запуск ракеты-носителя Протон-М со спутником «Электрон-Л» с космодрома Байконур 24 декабря 2019 г. Фото: Роскосмос.
Эволюционная история сопла
Когда человек впервые использовал сопло? Уже в I веке Герон Александрийский предложил реактивное сопло для своего «эолипила». В нем два разнонаправленных паровых сопла вращали полый металлический шар реактивной силой. Спустя 1200 лет в Китае делали пороховые ракеты — для фейерверков и боевые, — освоив реактивное движение на практике. В Средние века боевые ракеты стали летать в Европе. В российской армии ХIX века ракетное оружие выросло до регулярных пеших и конных ракетных команд, запускавших ракеты со специальных пусковых станков; массовых ракет на флоте, больших ракетных заводов типа крупнейшего в Европе завода в Николаеве. Первый пуск боевых ракет из подводного положения ракетной подлодки произошёл ещё при жизни Пушкина, 29 августа 1834 года, на Неве, в 40 верстах выше Санкт-Петербурга.
Сопло — устройство для разгона потока жидкости или газа. Зачем его разгонять? В одних случаях нужен сам быстрый поток, используемый дальше. В других нужен не поток, а сила, возникающая при его выбросе, — реактивная. Такое силовое сопло называют реактивным. Именно реактивные сопла были практически освоены первыми с возникновением первых ракет.
Одновременно с широкой эксплуатацией ракет паровая техника конца ХIX века дошла до паровых турбин, которыми вращались винты судов. Для обтекания лопаток турбин требовалась высокоскоростная струя, и чем быстрее была скорость паровой струи, тем большую силу она создавала на лопатках турбины, повышая её мощность. Сопло здесь требовалось не для реактивной силы (которая, конечно, тоже возникала, но как побочный, неиспользуемый эффект), а для создания потока большой скорости. Через него энергия, брошенная соплом в виде массы пара, попадёт на лопатки и совершит на них работу, прокрутив с силой. Общее усилие лопаток передаётся на гребной винт.
Работая над высокоскоростным паровым соплом турбины, шведский инженер Карл Густав Патрик де Лаваль в 1890 году предложил принципиально новый тип сопла. Оно смогло разгонять поток до сверхзвуковых скоростей, чего раньше никогда не удавалось сделать. Так был перейдён сверхзвуковой Рубикон, сразу удвоивший скорости истечения.
Сверхзвуковой Рубикон
И у сопел эолипила Герона, и у наконечника пожарного брандспойта (а это сопло для разгона струи воды) канал течения сужается. В таком канале поток рабочего тела – пара, газа или жидкости разгоняется. Почему? Расход (количество рабочего тела, проходящее через сечение за секунду) в любом месте канала одинаковый – сколько втекает через начальное сечение, столько должно и выйти через конечное. Ведь текущее по каналу вещество не уменьшается и не прибавляется, в стенках нет отверстий, подводящих или отводящих его. И закон сохранения массы делает одинаковым расход вещества через любое место сопла.
И жидкость, и дозвуковой поток газа практически не меняют своего объёма, поэтому рассматриваются как несжимаемые. Неизменный расход их массы означает неизменный расход их объёма. Потоку приходится поторопиться, чтобы прогнать тот же объем через сузившееся место. Газ вынужден ускоряться.
Сверхзвуковые струи двигателей ракеты-носителя «Протон-М», пуск 31 июля 2020 года с космодрома Байконур. Фото: Роскосмос.
Течь его заставляет перепад давлений – поток течёт в сторону низкого давления, толкаемый сзади высоким. В сужающемся канале непрерывно падают давление и температура потока, зато растёт его скорость. Происходит перекачка потенциальной энергии давления и температуры газа в энергию движения, в его разгон. Чем выше перепад давлений между началом и срезом сопла, тем больше разгон и скорость истечения. Для её роста поднимают давление перед соплом. Это же верно и для перепада температур, и газ стараются сильнее нагреть сгоранием компонентов.
Но у скорости истечения оказался свой принципиальный предел. Это истечение со скоростью звука. Он непреодолим повышением давления на входе в сопло. Сколько бы его ни поднимали, в два, четыре или десять раз, в пределах сужающегося сопла поток не превысит скорость звука.
Вспомним, что такое дозвуковое и сверхзвуковое движение. Скорость звука (слабых волновых уплотнений в газе) зависит от многих факторов – состава газа, его плотности и давления. Но больше всего она зависит от температуры. В конкретных условиях скорость звука принимает конкретное местное значение. Сравнивает скорость потока с местной скоростью звука число Маха, деля скорость потока на скорость звука. Его значение обозначается М и показывает, во сколько раз скорость течения больше или меньше скорости звука. Когда М меньше единицы, поток медленнее звука – дозвуковой. При М=1 поток течёт ровно со скоростью звука. При М > 1 поток сверхзвуковой.
Преодолеть звуковой рубеж можно, лишь используя особый принцип. Он называется принципом обращения воздействия.
В газодинамике есть понятие воздействия. Это влияние на течение газа, меняющее его параметры, в том числе скорость. Сужение канала – это геометрические воздействие, изменение геометрии течения. И есть принцип обращения воздействия. Согласно ему, одним и тем же воздействием можно изменять скорость течения только до скорости звука. Причём это верно как для разгона, так и для торможения (если поток сверхзвуковой). Максимум, достигаемый одним и тем же воздействием, всегда будет скоростью звука, М=1. Становясь непреодолимым для этого воздействия звуковым барьером. Больше этой границы воздействие любой мощности не сможет сделать ничего.
Пуск ракеты-носителя «Союз-2.1а» с грузовым кораблём «Прогресс МС-14». 25 апреля 2020 года, Байконур. Видно, как жёлтым пламенем снаружи потока догорает избыточный углерод на периферии реактивной струи в кислороде окружающего воздуха. Именно это наружное догорание делает струю такой яркой; в бескислородной атмосфере она бы не светилась и выглядела малозаметной серой лентой. Откуда на периферии соплового потока избыток углерода, и что ещё видно на этих струях – здесь. Фото: Роскосмос.
Чтобы перешагнуть за М=1 и продолжить разгон или торможение потока, нужно сменить воздействие на противоположное. При геометрическом воздействии (сужение канала) нужно сменить его знак. Для разгона это смена сужения на расширение. Где сменить, когда? После достижения потоком скорости звука. В расширяющейся части поток станет сверхзвуковым и будет разгоняться дальше. Почему?
Став сверхзвуковым, поток получает критически другие свойства. Дозвуковая несжимаемость сменяется на большую сжимаемость и расширяемость. Расширение газа столь велико, что обгоняет геометрическое расширение канала. Распухающий газ вынужден всё быстрее протекать даже через растущие сечения канала. Поэтому скорость потока в сверхзвуковом расширении сопла возрастает, а плотность газа снижается. Лаваль предложил эту форму сопла и получил на выходе сверхзвуковой поток. А сопло с геометрией сужения-расширения назвали соплом Лаваля.
Пути достижения сверхзвука
Отметим, что разогнать поток до сверхзвука может не только меняющаяся геометрия сопла Лаваля. Возможны сверхзвуковые сопла с неизменной геометрией канала, просто с ровной трубой. Их три типа: массовое, тепловое и механическое. И все они работают по принципу обращения воздействия. Массовое сопло имеет продырявленные стенки. В дозвуковой части трубы через перфорацию стенок внутрь закачивается газ. Для прохода через трубу прирастающего количества газ ускоряется, достигая скорости звука. А после скорости звука воздействие меняется на противоположное – газ через отверстия в стенках откачивается из трубы. Что вызывает расширение (есть куда после откачки) и разгон остающегося в трубе газа. Для разгона потока меняется расход массы газа – поэтому сопло называется массовым.
Два других типа чисто теоретические. Тепловое сопло – при движении по неизменной трубе газ нагревается, достигая скорости звука. А после неё газ охлаждается со сверхзвуковым разгоном. Механическое сопло подводит энергию в газ силовым механическим воздействием, а за скоростью звука так же механически отводит энергию для разгона сверхзвукового потока.
Сопло Лаваля – частный случай принципа обращения воздействия, его геометрический аватар. Две противоположные воронки с общим узким местом. Именно такое сопло широко используют в практических делах. Поскольку достижение скорости звука радикально меняет поведение потока, скорость звука назвали критической скоростью. А сечение сопла (всегда наименьшее), в котором достигается скорость звука, назвали критическим сечением сопла.
В сужающейся дозвуковой части сопла плотность газа меняется незначительно, он расширяется мало. Зато существенно снижаются его давление и температура – скорость растёт в основном за счёт них. Круче всего эти параметры падают в критической части сопла, в зоне скорости звука. Смена воздействия сохраняет эти изменения потока и дальше, в сверхзвуковой части, добавляя расширение газа. Поэтому скорость потока непрерывно растёт в обеих частях сопла – и дозвуковой, и сверхзвуковой.
Дозвуковой поток газа ведёт себя течением реки, несжимаемой жидкостью, сохраняющей объëм. Абсолютно? Нет, по мере роста скорости воздух при обтекании тела понемногу сжимается, но незначительно; степень сжатия не превышает первых десятков процентов. Это принципиально не меняет картину обтекания, оставляя её в рамках гидродинамики, или «гидродинамики для воздуха» – аэродинамики. Картина остаётся такой до звукового рубикона.
За скоростью звука лежит газодинамика. Здесь в полной мере проявляется сжимаемость газа: он сжимается и расширяется многократно, в разы и десятки раз. Это радикально меняет протекающие объёмы и создаёт критические изменения в картине.
Сверхзвуковой поток ведёт себя противоположно дозвуковому – в сужении он тормозится, а в расширении разгоняется. Если он тормозится, то делает это скачкообразно и мгновенно, всегда со сжатием объёма и разогревом, образуя внутри себя резкие границы уплотнения. И, наконец, сверхзвуковой поток может течь в сторону высокого давления – например, в это самое уплотнение.
Течь навстречу перепаду давления сверхзвуковому потоку разрешает другая природа движущей силы. Преобладающим становится не давление газа, как в дозвуковом потоке, а сила инерции движения. Поведением дозвукового потока управляет тепловая сущность – потенциальная энергия давления газа, а сверхзвуковые свойства потока создаёт другая форма энергии – кинетическая энергия движения.
Осиная талия и перерасширение
Классические сопла ракетных двигателей – это воронкообразные сужения и расширения с узкой осиной талией между ними. Узкая она благодаря большой плотности в камере сгорания. Сжатый газ может расширяться во много раз, всё ещё сохраняя ощутимое воздействие на стенки сопла и создавая тягу. Основное расширение начинается при подходе к скорости звука и продолжается во всей сверхзвуковой части сопла. В которой отношение конечной площади к начальной, то есть площади среза сопла и критического сечения, назвали степенью расширения сопла. Насколько можно расширять (и значит разгонять) газ внутри сопла? В космосе разрежённость потока на срезе сопла доводят до практически извлекаемой пользы – пока добавка тяги на продлении сопла оправдывает прирост его массы. Неиспользованные остатки давления сбрасываются в пустоту космоса.
При старте с поверхности Земли в сопло давит атмосфера, препятствуя истечению. Струя вылетает из сопла расширенной сильнее атмосферы – плотность и давление струи ниже атмосферных. Такая струя называется перерасширенной, а сопло работает в режиме перерасширения. Чем разреженнее поток на срезе сопла, тем больше перепад давления с атмосферой и её противодействие струе. Перерасширенная сверхзвуковая струя за счёт высокой скорости выходит из сопла против перепада в половину атмосферы, а то и больше. И тормозится атмосферой уже за соплом.
Вот оно, работающее свойство сверхзвукового потока двигаться в сторону большего давления. Если этот перепад вырастет ещё больше, атмосферное давление втиснется в сопло и начнёт отжимать струю от стенок, “выключая” этот участок сопла. Тем самым тормозить струю ещё в расширении сопла, не давая вырастать тяге – начнётся режим запирания сопла наружным давлением. Зачем же расширять поток на срезе сопла ниже давления атмосферы? Потому что её давление быстро падает с ростом высоты, в которую всё стремительнее будет уходить ракета.
Первые полсотни километров вертикали плавно обнулят противодавление атмосферы.
Поток на срезе сопла станет плотнее убывающей атмосферы, выбрасывая избыток давления без пользы. Сжатый плотней атмосферы поток недорасширен до равенства с ней. Он бы сильнее расширится смог, сделав и тягу немного сильней. Это режим недорасширения. Чтобы уменьшить напрасный сброс неиспользованного давления из сопла, степень расширения оптимизируют. То есть рассчитывают так, чтобы интегральные за время работы поднимающегося сопла потери были минимальны, а сделанная работа реактивной силы наибольшей для всего участка полёта.
Для этого давление на срезе сопла рассчитывают равным атмосферному на высотах 8-12 км. Здесь работа сопла оптимальная – нет перепадов давления с атмосферой, нет и их потерь. Стартовое перерасширение плавно уменьшается с высотой, обнуляясь в оптимальном режиме истечения на 10-12 км, за которыми будет плавно нарастать недорасширение. Так сопло по мере подъёма ракеты проходит три режима своей работы. А выбор давления на срезе сопла даёт наименьшие интегральные потери на всём пути до точки выключения.
На вторых и третьих ступенях межконтинентальных и космических ракет двигатели запускаются в отсутствии ощутимого атмосферного давления. Поэтому расширение их сопел делают заметно большим, чем у первой ступени. Большие степени расширения и у космических ракетных двигателей – орбитального маневрирования, ориентации. Их сверхзвуковые части напоминают большие кубки с маленьким глазком критического сечения.
1 2
Источник: https://naked-science.ru/
Публикации, размещаемые на сайте, отражают личную точку зрения авторов.
dostoinstvo2017.ru
Комментариев пока нет