УИ двигателей в зависимости от условий работы

Naib> Первый.
Naib> Плотная упаковка двигателей, типа как в Ф-9. Выхлоп центрального двигателя попадает в зону динамического высокого давления (от кольца остальных двигателей вокруг). То есть давление среды в которую истекают газы может быть и несколько атмосфер. В сравнении с Н-1 - расстояние в ней было значительно больше, то есть проблема это не только не новая, но и наверняка решённая. Правда, я не понимаю на каких принципах строить более-менее достоверную оценку внешнего динамического давления.
Потоки газов от соседних двигателей таки движутся, причем с той же скоростью и в том же направлении Поэтому статического противодавления они не создают. Наоборот, они создают эжекционный эффект и как минимум не мешают, а в случае разности тяги - помогают.



Naib> Второй.
Naib> Реактивное торможение, типа как в Ф-9-1. Ракета движется со скоростью 2000 м/с в направлении истечения газов. Если учесть, что скорость их истечения в вакуум примерно 3100 м/с, то разница скоростей (с ракетой) составляет всего 1100 м/с, то есть УИ снижается в разы. Как его оценивать в этом случае?
Давление на срезе сопла у Мерлина на первой ступени немногим менее атмосферного, а на той высоте,где встречная скорость 2000 м/с плотность атмосферы ничтожная. Соответственно, она не создает ощутимого сопротивления во много раз более плотному потоку газов из сопла. А ниже - скорость падает.

Но это в данном конкретном случае, в имеющихся по факту условиях.
С другой стороны, если придумать запуск двигателя против движения на скорости 2 км/с около земли...
Тяга двигателя создается внутри него (давление газов на переднюю стенку КС и стенки сопла), а не снаружи, за срезом. Стартуют же ракеты из-под воды, хотя там плотность среды принципиально другая

Как же двигатель узнает, что там вокруг него?
Просто на срезе сопла поток газа столкнется со средой иной плотности и давления, и где-то ВНУТРИ сопла образуется зона равновесного давления. Если она окажется больше степени расширения на срезе сопла, то двигатель будет работать в режиме недорасширения и тогда таки да - удельный импульс уменьшится.

Naib> Возникла пара-тройка вопросов, которые не совсем понятно как рассчитывать.
Naib> Классический расчёт УИ предполагает внешнее давление либо вакуум в статическом режиме (то есть движение внешней среды на порядки уступает скорости истечения продуктов сгорания и его можно не учитывать). Ракета при этом либо покоится, либо двигается против вектора истечения.
Naib> Теперь вопросы
Naib> Первый.
Naib> Плотная упаковка двигателей, типа как в Ф-9. Выхлоп центрального двигателя попадает в зону динамического высокого давления (от кольца остальных двигателей вокруг).

Там нет никакого "высокого динамического давления". Ну представь, что за соплом стоит труба постоянного диаметра. Какое давление на её стенки будет оказывать струя газа, движущегося практически параллельно стенкам этой трубы? Проценты того, что в самой струе.

Naib> но и наверняка решённая. Правда, я не понимаю на каких принципах строить более-менее достоверную оценку внешнего динамического давления.

На методах вычислительной газодинамики Суперкомпьютеры не просто так строят

Naib> Второй.
Naib> Реактивное торможение, типа как в Ф-9-1. Ракета движется со скоростью 2000 м/с в направлении истечения газов. Если учесть, что скорость их истечения в вакуум примерно 3100 м/с, то разница скоростей (с ракетой) составляет всего 1100 м/с,

Нет. Скорость по отношению к ракете вообще никак не меняется. Меняется скорость по отношению только к среде. Если среда достаточно разреженная, то ею, опять же, можно пренебречь при любой скорости. Например, когда КК "Союз" тормозится, чтобы сойти с орбиты, он движется навстречу потоку, со скоростью, превышающей 7 км/с, и на удельный импульс, тягу и скорость истечения это никак не влияет.

Naib> то есть УИ снижается в разы. Как его оценивать в этом случае?

Точно так же, как обычно. Для того, чтобы УИ реально снизился, нужно, чтобы скоростной напор (то самое ро вэ квадрат пополам) стал сравним с давлением на срезе сопла. У "земных" двигателей это давление в диапазоне 0,4..0,8 атмосферы. У большинства ракет-носителей пиковый скоростной напор при выведении меньше этого значения.

Naib> Второй.
Naib> Реактивное торможение, типа как в Ф-9-1. Ракета движется со скоростью 2000 м/с в направлении истечения газов. Если учесть, что скорость их истечения в вакуум примерно 3100 м/с, то разница скоростей (с ракетой) составляет всего 1100 м/с, то есть УИ снижается в разы. Как его оценивать в этом случае?

Путаете систему отсчета. Скорость газов там относительно ракеты. Собственное движение ракеты, можно считать, не имеет значения

Naib> Возникла пара-тройка вопросов, которые не совсем понятно как рассчитывать.
Naib> Классический расчёт УИ предполагает внешнее давление либо вакуум в статическом режиме (то есть движение внешней среды на порядки уступает скорости истечения продуктов сгорания и его можно не учитывать). Ракета при этом либо покоится, либо двигается против вектора истечения.


Грубая ошибка, которую постоянно повторяют Внешнее давление никогда не равно 0 Оно равно давлению на срезе сопла! Которое будет нулевым в межгалактическом пространстве при бесконечном размере сопла!!!

Naib> Плотная упаковка двигателей, типа как в Ф-9.
Давление на срезе движка как правило сильно меньше 1 атм, так что в момент старта УИ как у одиночного.
В дальнейшем из-за взаимовлияния растёт чуть медленнее чем у одиночного. Но разница скорей единицы процентов, если не доли процента.
Naib> Реактивное торможение, типа как в Ф-9-1.
Не, неправильно - надо не соотношение скоростей считать, а соотношение создаваемым потоками газа давлений. Атмосфера хоть шустрая, но очень сильно разреженная, порядка на три-четыре меньше выхлопа.

PSS> Путаете систему отсчета. Скорость газов там относительно ракеты. Собственное движение ракеты, можно считать, не имеет значения

Ну да, и для снарядов должэно быть также, и пофиг нам всякое там донное сопротивление?

Bell> Давление на срезе сопла у Мерлина на первой ступени немногим менее атмосферного, а на той высоте,где встречная скорость 2000 м/с плотность атмосферы ничтожная. Соответственно, она не создает ощутимого сопротивления во много раз более плотному потоку газов из сопла. А ниже - скорость падает.

При реактивном торможении двигатель влетает соплом в собственную газовую струю (так как разница скоростей у них поначалу не очень велика). За счёт этого получается некое давление скоростного напора.

Naib> При реактивном торможении двигатель влетает соплом в собственную газовую струю (так как разница скоростей у них поначалу не очень велика).

Нет, скорость газа относительно сопла не зависит от скорости сопла относительно стартовой системы координат. Иначе бы "Союз" не мог сойти с орбиты потому что его скорость более чем вдвое превышает скорость реактивной струи

Б.г.> Там нет никакого "высокого динамического давления". Ну представь, что за соплом стоит труба постоянного диаметра. Какое давление на её стенки будет оказывать струя газа, движущегося практически параллельно стенкам этой трубы? Проценты того, что в самой струе.

Ну, так как туда же идёт выхлоп газогенератора, то струя за счёт неравномерного охлаждения начнёт турбулизироваться. Но в целом понятно, спасибо.

Ramank> Здоров. А штифтовая форсунка хоть как нибудь увеличивает уи?
Хоть как-нибудь, по-видимому - да.
Пинтл-форсунка позволяет организовать пристеночное охлаждение без дополнительных трубопроводов и каналов в стенке КС, что слегка уменьшает гидравлические потери в двигателе. Так же она позволяет дросселировать тягу с меньшими потерями УИ. Считается, что у нее меньше склонность к акустическим колебаниям, что тоже положительно влияет на эффективность горения на переходных режимах.
Итого - в реальной эксплуатации "средневзвешенный" удельный импульс за цикл полета получается чуть выше, чем у обычной системы форсунок. Но сколько там именно - хз, вероятно очень мало.

Bell> Итого - в реальной эксплуатации "средневзвешенный" удельный импульс за цикл полета получается чуть выше, чем у обычной системы форсунок. Но сколько там именно - хз, вероятно очень мало.

Спасибо, значит если кто то будет делать жрд открытой схемы лучше делать пинтл, а для закрытой как думаете она подходит?

kot45> Пинтл-форсунка дает худшее смешение жидких компонентов топлива, соответственно удлиняет зону смешения, незначительно уменьшает удельный импульс, но зато неоднородная зона смешения замечательно демпфирует высокочастотные колебания в КС, значительно сокращает сроки отработки ЖРД.
kot45> ЖРД закрытой схемы пинтл-форсунка не применима - в форсунках смешивается газообразный компонент топлива с жидким.

Кому теперь верить.

kot45> Пинтл-форсунка дает худшее смешение жидких компонентов топлива, соответственно удлиняет зону смешения, незначительно уменьшает удельный импульс
чо-то у меня имха такая, что детально этот вопрос не прорабатывался и конкретных цифр нет...
и даже знак перед ними достоверно неизвестен...

kot45> ЖРД закрытой схемы пинтл-форсунка не применима - в форсунках смешивается газообразный компонент топлива с жидким.
А вот кстати - не факт!
На жидкотопливных горелках (которые для котлов) как раз похожая система - впрыскивание солярки одной форсункой в поток воздуха, закачиваемый вентилятором. Давление там конечно не то, да и мощности на порядок ниже, но сам принцип работает.


ЗЫ.
Давно уже говорю, то нашим двигателестроителям надо заняться котловым оборудованием и конкретно горелками. Огромный рынок, фактически захваченный импортом, где можно с пользой применить свою компетенцию...

Ramank>> Здоров. А штифтовая форсунка хоть как нибудь увеличивает уи?

Bell> Хоть как-нибудь, по-видимому - да.

А тебя не смущает неизбежное поперечное движение в этом дизайне? Люди бьются за уменьшение такого движения на камерах большого диаметра. Из-за этого в мощных двигателях голова камеры - это настоящее сито из форсунок. Компоненты прут вдоль направления выхлопа и смешивание проис-ходит в пределах 3-5 диаметров форсунки, а дальше всё сгорает.

Bell> Давно уже говорю, то нашим двигателестроителям надо заняться котловым оборудованием и конкретно горелками. Огромный рынок, фактически захваченный импортом, где можно с пользой применить свою компетенцию...

Ой не факт.
В котловых горелках ведь ещё азот горит, собака. И есть целое непростое направление "малотоксичных" горелок, призванных проводить процесс при возможно низкой температуре и при этом высокой полноте сгорания топлива.
У ракетчиков всё наоборот.

Naib> В котловых горелках ведь ещё азот горит, собака. И есть целое непростое направление "малотоксичных" горелок, призванных проводить процесс при возможно низкой температуре и при этом высокой полноте сгорания топлива.
Ну я принципе в курсе на счет борьбы с NOx. Там не просто направление, с этим борются все изготовители горелок. Работал в Компания РАЦИОНАЛ и вообще довольно долго занимался бытовой инженеркой.
Но речь о том, что двигателисты давно могли бы применить свои богатейшие знания и опыт в коммерческом, прикладном направлении. Брезгуют...
В 2007-2008 г. Рационал как эксклюзивный импортер продавал в России горелок Вайсхаупт на 1 млрд. руб., руководство хвалилось перед своими сотрудниками.

Naib> У ракетчиков всё наоборот.
Да ладно, суть-то та же. Сжигание углеводородов в кислородной среде.

kot45>> Пинтл-форсунка дает худшее смешение жидких компонентов топлива, соответственно удлиняет зону смешения, незначительно уменьшает удельный импульс
Bell> чо-то у меня имха такая, что детально этот вопрос не прорабатывался и конкретных цифр нет...
Bell> и даже знак перед ними достоверно неизвестен...

Здесь качественно понятная картинка.При удлинении зоны смешения часть топлива (очень небольшая) будет догорать в сверхзвуковой части сопла и за срезом. Казалось бы удлинить цилиндрическую часть КС и УИ сохранится, но при этом придется увеличить расход топлива на завесное охлаждение и получится - те же я.., но на виде сбоку. Поэтому хотя качественно УИ уменьшается, но не намного, и для открытой схемы можно наплевать и забыть. Зато огромное преимущество более устойчивое горение топлива в КС с точки зрения ВЧК. Пространственная неоднородность зоны смешения компонентов и прилегающей границы зоны начала сгорания дает следующую картинку. Если разбить неоднородный объем зоны смешения на микрообъемы, то в каждом микрообъеме будут свои собственные резонансные частоты и демпфирование. При возникновении ВЧК в какой то части КС возмущение натыкается на микрообъемы с разными частотами и разным демпфированием, что способствует гашению ВЧК.
Похожим образом действуют антирезонансные перегородки в форсуночной стенке КС. Надо отметить, что в дозвуковой части КС имеют место парные вихри (как бы группа струй газа наряду с линейной скоростью имеет вращательную компоненту вокруг продольной оси). Соседствующие вихри вращаются в противоположную сторону. Кольцевые и поперечные перегородки регулируют диаметр этих вихрей и стабилизируют неоднородность как зоны смешения, так и зоны горения.

kot45>> ЖРД закрытой схемы пинтл-форсунка не применима - в форсунках смешивается газообразный компонент топлива с жидким.
Bell> А вот кстати - не факт!
Bell> На жидкотопливных горелках (которые для котлов) как раз похожая система - впрыскивание солярки одной форсункой в поток воздуха, закачиваемый вентилятором. Давление там конечно не то, да и мощности на порядок ниже, но сам принцип работает.

На ТЭЦ проработал 3 года, с котлами , мазутными форсунками знаком - одного принципа мало для сравнения.

Bell> Ну я принципе в курсе на счет борьбы с NOx. Там не просто направление, с этим борются все изготовители горелок. Работал в Компания РАЦИОНАЛ и вообще довольно долго занимался бытовой инженеркой.

Посмотрел их достижения. Впечатляет.

Bell> Но речь о том, что двигателисты давно могли бы применить свои богатейшие знания и опыт в коммерческом, прикладном направлении. Брезгуют...

"Нас и тут неплохо кормят"? Или просто ленятся. По форсункам ещё есть такое весьма важное направление как лакокраска. В Хотьково, вроде, этим занимались. Получили форсунки двойного распыла (форсунка + дораспыл сжатым воздухом) ещё ряд наворотов. Это позволяло класть краску тоньше и ровнее и как следствие - изрядно её экономить.

Bell> Да ладно, суть-то та же. Сжигание углеводородов в кислородной среде.

Только у ракетчиков среда восстановительная и часто безазотная вообще, а у котельщиков - окислительная и азота много. Были даже проекты получения азотной кислоты таким способом, сжигание довели до таких параметров, что в выхлопе получались единицы процентов NO.

Возвращаясь к теме - НЯП, штифтовая форсунка среди прочего призвана организовать топливную завесу на стенки КС. А это значит, что "длина прогорания" топлива изменяется и как следствие - меняются равновесные концентрации продуктов горения в сторону равновесия аналогичного большему расходу топлива. До определённого уровня соотношения расходов топливо/кислород это увеличивает УИ, за счёт снижения средней молмассы продуктов горения. Но где-то рядом "дремлет копоть", то есть конденсация углерода в сажу, что УИ заметно снижает. Флаконы, кстати, порой сильно коптят, вплоть до чёрного пламени. И фотки сопел севших ступеней тоже всегда "копчёные", включая даже те сопла, которые работали при посадке.

В общем, процесс скорее всего капризный и шатает УИ на секунды туда-сюда в зависимости от работы двигателя. Как мне кажется, при дросселировании двигатель должен терять УИ из-за работы этой форсунки в том числе.

Ramank> Интересная статья, разработка похожа на пинтл форсунку

"В то время как, например, обычный автомобильный двигатель преобразует тепловую энергию с эффективностью около 30%, камеры ракетного двигателя достигают это с эффективностью вплоть до 99% (где 100% — максимально возможный уровень). "

Дальше можно не читать. Ракетный двигатель — точно такая же тепловая машина, как и ДВС. И КПД примерно те же 30% с небольшим.

Применительно к чисто тепловым машинам закон Карно абсолютен.

Sandro> Применительно к чисто тепловым машинам закон Карно абсолютен.
Ой, а зацитируйте современную общепринятую формулировку "закона Карно"?

[показать]