Ракета без сопла

Набрел здесь на статейку (в
сокращении):



"...Скорость реактивной струи, создаваемой соплом Лаваля в результате
химической реакции, не может превышать 5 км/с; причем в камере сгорания развивается
температура, которую едва вы-держивают даже самые жаростойкие материалы. Чтобы
довести скорость истечения газов до 10 км/с, температура рабочего тела должна
иметь порядок 5000"С, что превышает температуру плавления любых известных материалов.
А до 100 км/с - вообще около полумиллиона градусов! Фантастически высокая температура
- тут уж не помогут никакие ухищрения конструкторов, хотя только при этом условии
дальние космические грузоперевозки и могут стать реальными. Тупик?



Как известно, в тупиковых ситуациях необходимо принципиально новое решение
проблемы: в данном случае следовало придумать способ создания реактивной струи
без сопла Лаваля и камеры сгорания, стенки которых ограничивают рабочую температуру.
Идею такого двителя подсказала обыкновенная свеча, прекрасно всем знакомая.




Это можно сделать, например, таким образом. Изготовим рабочее тело - какой-либо
твердый, но легко испаряющийся материал, - как и свечу, в форме стержня. Зажжем
высокотемпературный СВЧ-разряд, и с помощью электромагнита локализуем зону нагрева
на торце этой «свечи», который раскалится, и образующиеся пары превратятся в
плазму, создающую реактивную струю (рис.3). В результате скорость истечения
плазменной струи может быть сколь угодно большой, ибо здесь нет стенок, которым
грозило бы разрушение под действием высокой температуры.



Согласно расчетам, по эффективности такой двигатель не уступит ионному..."



но вот самих расчетов-то нет. Может кто встречал?

На более простом уровне - первые ракеты (Китай, дымный порох, черт знает как давно) были именно без сопла. Правда, там соплом служит канал заряда.
Совсем без сопла: рассчитано, что если твердое топливо с газообразованием около 1 l/g имеет скорость горения около 1 m/s, то сопло не нужно. И получится наиболее простой РД - одна деталь - подходяще забронированный заряд. Без корпуса, без ничего. Если интересно, могу дать упрощенную схему расчета.
А если плазма - нужна электростанция. См. обсуждение ЯРД.

Температура в камере кислород водородного мотора более 6000 кельвинов, но это не означает, что температкра стенки такая же. Стенку то охлаждают до приемлимой температуры. Эта проблема давным-давно решена.

Важна теплопроводность материала. Например самые напряжённые места делали из химически чистой меди, пророщеной нитевидными монокристаллами серебра в направлении теплопроводности. Бронза до сих пор используется.

У меня знакомый как раз сейчас занимается внутренним покрытием сопел ЖРД в РКА. Так он там именно про медь с серебром всё говорил... Жаль, у него там, в Королёве (бывш. подмосковный Калининград), Интернета нету...

Из чнго делать камеру разобрались.
А вот каким образо нагреть рабочее тело до полумилиона градусов?

И камеру ЖРД лучше делать из меди, чем, скажем из вольфрама. Не утверждаю, что из меди делают, но делали.

Берем кусочек Солнца, и, соблюдая требования ТБ, запревляем движок

В дискуссии про "Атомный ракетный двигатель" я рассказывал про газофазный ЯРД. Полмиллиона градусов там, конечно, нет но на первое время хватит

Вот что значит не опохмелится сутра. Прочиталт первое сообщение в постинге. Возник смешной вопрос. А почему в сопле Лаваля нельзя получить скорость больше 5 км/с ?

Да и я плохо читал. Можно, как же нельзя. Импульс маршевых ЖРД II ступени Энергии вплотную приближается. А те же фтороводородные?

А недавно по ТВ упоминали про движек в котором "сопло" формируется струями выхлопов специально для этого предназначенных РД. Типа одно из преимушеств то, что можно менять геометрию "сопла" с высотой. Даже стендовые испытания показывали.
Никто про это подробностей не знает?

Сюжета не видел, но судя по описанию, похоже на сопло с внешним расширением. Есть такая штука, когда газ расширяется при течении вокруг центрального тела

Точно про это - нет. Я ОРТ не могу смотреть. Но есть другие конструкции сопла, в кот. этот эффект наблюдается. Напр - сопло с внешним разширением и т.д. Если интересно, обсудим. Не знаю только в этот постинг ли?
Могу по примеру Diadia_Sidor, дать ссылку на монографии. Хочешь?

Надо же, опять опередил. Верхнее предназначалось TheFreak-у.

Мда, непонятки вышли.
То: Varban
Я имел в виду что профиль магнитного поля будет похож на сопло Лаваля.
Хотя если работать с равновесной плазмой тоэто уже не актуально.
И мне кажется, что неважно из чего сделано сопло, из металла, керамики или магнитных полей.

Верно про металл, керамику и т.д. Когда течет газ. Принцип простой - меняем сечение - меняется скорость.
Любое сверхзвуковое сопло работает так:

Входной участок:
На входном участке с уменьшением сечения скорость растет, пока не достигнет критических параметров потока. Статическое давление падает. Температура - тоже.
Теплопередача и тепловые потоки растут.

Критика:
Нечего сказать - скорость звука для данных условии. Тепловые потоки максимальные.

Раструб (или что там еще в других конструкции - зона внеш. расширения)
Площадь канала увеличивается. Именно так разгоняют газ с надкритическими параметрами.
Попросту - меняем давление на скорость.
Температура, давление падают. Скорость растет ЗА звуковой. Теплопередача падает.

Срез сопла. Если истечение расчетное - порядок. Если давление на срезе превышает атмосферное, то следует дорасширение. Если меньше - потери на противодавление. В тяжелых случаях - отрыв потока в раструбе, до среза.

Если нет вышеперечисленных явлении, то двигатель считают бессопловым - давал пример с китайским д-лем на дымняке. Там нет входного конуса. Где-то по длине заряда, может быть, достигаются критические параметры. А может, и нет. Никто не считал:))
В современных канальных бессопловых РДТТ все-таки принимают меры к казгону потока, оформляя конусный канал.
В примере, кот. я давал с топливом со скоростью горения 1 m/s, вообще нет канала. Соотв. нет разгона потока, он сразу такой получается. Есть потери на истечение не по оси, чем больше диаметр, тем меньше. Но строго говоря, только ЭТОТ двигатель может именоваться бессопловым.
А с плазмой ...
плазма взаимодействует с магнитным полем, оно и будет ускорять/тормозить ее. Тут все-таки не газодинамика. Скорее магнитная ловушка с дыркой. И значит, не сопло.

[Edited by varban (09-06-2000 at 18:33).]

А у нежно любимого мною твёрдофазного ЯРД-а ваще под 9500 м/с. А сопло всё того же Лаваля

А сопло Лаваля формировать магнитным полем.

Э, нет, дорогой товарищ. Если ты сформируеш поток магнитным полем, значит - это уже плазма. Это будет не сопло Лаваля, а что-то другое имени неизвестного пока товарища. В отрасли сформировалась своя терминология, и нечего придумывать другую. Почти цитирую.

Сюжет я смотрел не по ОРТ, по Discovery. Тот движек предполагается для одного из проектов Shuttle следующего поколения. Поперечное сечение у него не круг, а, реально, сильно вытянутый прямоугольник. Только не спрашивайте деталей, что видел, о том и говорю.

Связь - хуже не бывает, поэтому посылаю по частям.
О том - может ли быть (скорее - должен ли быть) реальный двигатель прямоугольного сечения, да еще и вытянутого.
Нет, не должон. Двигатели делают круглого сечения, как баки. Не нужно убеждать, что лучшее сечение для сосуда под давлением - круг.
С другой стороны - TheFreak видел РД вытянутого прямоугольного сечения. И еще говорилось, что сопло такое хитрое - умеет приспособливаться к атмосферному давлению.

А дело может быть вот в чем: сопло с центральным телом, оно же с внешным расширением предполагает кольцевую камеру сгорания. Не единственно возможной, но наиболее элегантной.
По сути дела такой движок представляет из себя центральное тело с формой усеченного конуса, даже не конуса, а гиперболлоида вращения (верхнее основание больше). Вокруг верхнего основания располагается камера сгорания - кольцевая. А через нижнее основание вдувается газ - для того, чтобы не делать конус полным. И критическое сечение - кольцевое. Там с одной стороны, со стороны центрального тела, контур как у профиллированного сопла (колокольчик). А с другой - ничего нет - просто атмосфера. При большом давление, на уровне моря, она прижимает струю и струя, обтекая центральное тело и взаимодействуя с замыкающим скачком уплотнения, как бы "съеживается". На больших высотах кольцеобразная струя "разпухает" - атмосфера меньше на нее давит. Так истечение - всегда расчетное - нет перерасширения и недорасширения.

Такими двигателями занималась в 70...80 Rocketdyne. Спроектировали они 10 тонный движок с очень приличными параметрами:
O2:H2 = 5.5; Pkam = 70 kfg/cm²; I1 = 480 kgf*s/kg; степень разширения сопла - около 200. Для него и разработали сегментированную камеру сгорания о 24-х сегментах - помнится, TheFreak говорил про кластеризацию - почти она и есть. Испытывали, ессно, по частям. Сначала охлаждаемый водой сегмент, потом - несколько сегментов с регенеративным охлаждением, и наконец - летную камеру.
В процессе испытания получили интересные результаты, отработали и на эжектормом стенде, написали отчеты и, как часто бывает, не поставили на изделие. А потом, имея те же сегменты, чтобы не пропадало все зря, продолжили изучать перспективную схему.

А потом та же Rocketdyne стала развивать схему (тогда рассматривали реальность одноступенчатой космической ракеты). Но это не так просто - если топливо углеводородное - низкий импульс, а если водород - низкая плотност. Тогда решили, что двигатель будет иметь две камеры сгорания, в одну сгорает водород в кислороде, а в другую - углеводородное стандартное топливо ихнее (RP какое-то, забывать стал). На начальном этапе используются три компонента, на высоте - только H2 и О2. Все хорошо, вроде. Но две камеры - это два сопла. Неэлегантно, грубо.
Попробовали сделать концентрические две камеры вокруг общего центрального тела, но не получилось - "горшок" не желал работать толком, ржал как тысяча лошадей и рвался на мелкие осколки. И тогда стали моделировать с использованием линейных камер. И все получилось, испытали их успешно. Так там тоже сопло (даже сопла) с внешним расширением. И движок - прямоугольного сечения - 8.8х4.4х2.1 m. Расчетная тяга - 2000 тонн, давление в камерах - под 200 атмосфер, импульс от 320 до 460 единиц. сухая масса 20 тонн. Как видите, бандура еще та. И ессно, что осталась невостребованной. Даже не верится, что всерьез будут прорабатывать. Скорее показали журналистам, чтобы удивить...
Все, больше не могу. Чтобы еще раз полез в Москву из дома на модеме - ни в жизнь.