Искусственный спутник земли

Чтобы пояснить устройство, а также принцип действия ЖРД стратосферной ракеты, приведем в качестве примера ЖРД, применявшийся в первой ступени стратосферной двухступенчатой ракеты (рис. 6), вторая ступень которой в 1954 г. достигла высоты в 425 км.

Рис. 6. Двухступенчатая высотная ракета

Принципиальная схема такого ЖРД с основными агрегатами показана на рис. 7. Этот двигатель работает на двухкомпонентном топливе, состоящем из обычного этилового спирта 75% крепости (горючее) и жидкого кислорода (окислитель), которые хранятся в двух отдельных больших баках. Запас топлива на ракете достигает свыше 9 т, что составляет почти ⅚ общего веса ракеты. Как видно из приведенного выше рис. 7, по объему топливные баки составляют большую часть всего объема ракеты. Несмотря на такое большое количество топлива, его хватает только на 75–90 секунд работы двигателя, так как такой двигатель расходует свыше 125 кг топлива в секунду, развивая тягу в 25 т (на земле). Скорость истечения газов из сопла двигателя достигает более 2000 м/сек.

Рис. 7. Принципиальная схема жидкостного ракетного двигателя:

1 — сопло; 2 — система подачи горючего для внутреннего охлаждения; 3 — форкамера; 4 — камера сгорания; 5 — труба подвода жидкого кислорода к форкамерам; 6 — главный спиртовой клапан горючего; 7 — труба подвода горючего к рубашке охлаждения, 8 — баллоны высокого давления; 9 — бачок катализаторов; 10 — редуктор давления воздуха; 11 — реактор; 12 — бак перекиси водорода; 13 — главный клапан окислителя, 14 — насос горючего; 15 — турбина; 16 — насос окислителя, 17 — труба подачи парогаза в турбину: 18 — труба для отвода горючего в насос при остановке двигателя

Как видно из рис. 7, основными частями двигателя являются шаровидная камера сгорания 4, реактивное сопло 1, парогазогенератор, турбонасосный агрегат для подачи топлива и система управления. Продукты сгорания расширяются в сопле двигателя до давления на выходе, равного 0,8 кг/см², и приобретают при этом большую скорость. Диаметр камеры сгорания в наиболее широкой части ее равняется 950 мм. Диаметр горловины сопла 410 мм, диаметр выходного сечения 740 мм. Длина двигателя составляет 1790 мм. Вес камеры сгорания с соплом 420 кг. В днище камеры сгорания расположено 18 горелок (форкамер) 3, разрез камеры показан на рис. 8. Кислород, подаваемый насосом 16, поступает внутрь горелок через трубопровод 5 в центральные форсунки, а спирт, выходящий из рубашки охлаждения, — через кольцо маленьких форсунок вокруг каждой горелки. Такая конструкция форкамер обеспечивает достаточно хорошее распыление и перемешивание топлива, необходимые для осуществления полного сгорания за то очень короткое время, пока топливо находится в камере сгорания (сотые доли секунды).

Рис. 8. Форкамера двигателя стратосферной ракеты

Как следует из самого названия, в камере сгорания происходит сгорание топлива, т. е. преобразование химической энергии топлива в тепловую, а в сопле — преобразование тепловой энергии продуктов сгорания в кинетическую энергию струи газов, вытекающих из двигателя в атмосферу.

Давление в камере сгорания порядка 16–17 атм, а температура достигает 2400–2500℃, вследствие чего в камере сгорания возникает большая теплонапряженность, т. е. в ней выделяется огромное количество тепла в единицу времени. Камера сгорания ЖРД по теплонапряженности значительно превосходит все другие известные в технике топочные устройства — топки паровых котлов, цилиндры двигателей внутреннего сгорания, камеры сгорания воздушно-реактивных двигателей и др. Для сравнения скажем, что в камере сгорания ЖРД в секунду выделяется такое количество тепла, которое достаточно для того, чтобы вскипятить около 600 000 кг воды! Поэтому неохлаждаемые ракетные двигатели могут работать только в течение 25 секунд[13].

Для того чтобы камера сгорания при таком огромном количестве выделяющегося в ней тепла не вышла из строя, необходимо интенсивно охлаждать ее стенки, а также и стенки сопла.

Охлаждение двигателя осуществляется следующим образом.