Невозможное возможно: как вакуумный двигатель SpaceX RaptorVAC работает при атмосферном давлении

На изображении мы видим то, чего, по старой газодинамической школе, быть не должно: работа вакуумного двигателя при атмосферном давлении. Что же тут странного? Чтобы понять необычность картины, заглянем чуть глубже в работу ЖРД — точнее, в его газодинамику.

Газодинамика сопла: от дозвука до сверхзвука

Реактивное сопло ЖДР работает тепловой машиной, разгоняя поток газа. Мы подробно рассказывали об этом в материале «Сопло Лаваля: машина, создающая сверхзвук». Поэтому лишь коротко напомним основные черты его работы, простыми словами и упрощенно.

Оно подчиняется законам газодинамики и поэтому работает в канале сопла. Будь это сухие газы, или водяной пар, или их смесь, испаренный металл, и вообще любая газообразное фаза чего бы то ни было, даже в смеси с пылевидной твёрдой или жидкой фазами. Понятие «газ» верно для всех газообразных веществ, независимо от химического состава: это состояние, а не состав. Сущность его физическая: газообразное вещество выступает и работает как тело, рабочее тело. Если оно подчиняется законам газодинамики — для сопла это газ.

Чем больше разгон струи, тем сильнее реактивная сила тяги сопла и всего двигателя в целом. Скорости истечения струи могут уходить далеко в сверхзвуковой диапазон. Переход течения в сверхзвуковое происходит внутри сопла всегда в одном и том же, строго определенном месте. И еще он требует изменения площади поперечного сечения течения по закону «сужение — расширение». Сопла с таким каналом предложил шведский инженер Густав Лаваль, и позже их тип назвали соплом Лаваля.

Геометрия канала сопла Лаваля (при неизменном выполнении закона «сужение — расширение») может быть какой угодно. Стенки его могут быть плоскими, с плоским же выходным отверстием. Которое может располагаться косо или быть щелевым. Или весь канал окажется изогнутым, как банан. Квадратным в сечении, треугольным, или превращаться в трубку с центральным телом внутри. С разным отношением размеров сужения и расширения, и других параметров. Вариаций геометрии сопла Лаваля не счесть, как листья в осеннем саду.

Незыблемым остается начальное сужение, обтекаемо переходящее в последующее расширение до среза сопла (так называют его край, наружную кромку). И если на выходе сопла появился сверхзвук, то звуковой скорости поток достиг непременно в самом узком месте сопла. Где бы оно ни располагалось и каким бы ни было. Это наименьшее сечение назвали критическим сечением.

Почему критическим? Потому что переход за скорость звука глубоко и принципиальным образом, то есть критически, меняет картину течения. Например, разгон сверхзвукового потока происходит в расширении канала — тогда как дозвуковой поток, наоборот, разгоняется в сужении. Разгон дозвукового потока в сужении, смена характера течения на сверхзвуковое, и снова его разгон в расширении. Такая эстафета разгона приводит к непрерывному ускорению потока, от входа в сопло до выхода из него. Разгон этот не везде одинаковый, и интенсивнее всего идет в критическом сечении. Здесь самое большое текущее изменение параметров потока: падение температуры, давления и плотности газа и рост его скорости.

Для разгона важно не только совершенство ускорительной установки в виде сопла. Не менее важно качество и состояние разгоняемого газового материала. Наличие у него упругости и вязкости и позволяет управлять движением газа через геометрию канала для его течения. А сжатый и нагретый газ отработает в канале в меру своей «сжатости» и «нагретости». Поэтому их повышают как смогут, и в таком виде подают на вход в сопло.

Отметим, что камера сгорания ракетного двигателя переходит непосредственно в реактивное сопло. Камера сгорания завершается в том месте, где ее стенки начинают сужение: это место становится началом сопла. Давление в камере сгорания и давление на входе в сопло, таким образом, это одно и то же. По крайней мере, будем подразумевать это в нашем рассказе.

Снижение давления разгоняет струю

Разгон происходит за счет расширения газа. С одновременным и неразрывно связанным с ним снижением давления. Чем больше расширение, тем ниже давление, и тем быстрее течет поток. Расширяться газ может в теории до бесконечности, в реальности до очень низких давлений, иногда уже близких к вакууму. Там уже больше некуда снижать давление; увеличивать перепад давлений (от начала сопла к его срезу) придется с другого конца двигателя, поднимая давление в камере. И вот его можно повышать до тех пор, пока выдержит прочность камеры. Какое давление газа будет рабочим для камер сгорания?

Как ни странно, практически любое. Все видели красивые форсажные реактивные струи двигателей самолетов. Поперечные светлые полоски на струях визуализируют их сверхзвуковое течение, создаваемое соплом Лаваля. В него превращается трансформируемое сопло двигателя, формируя очень небольшое сужение внутри себя. У знаменитого двигателя АЛ-31Ф (буква «Ф» означает «форсажный») истребителей Су-27 давление на входе в сопло при форсаже около пяти атмосфер, а на срезе сопла одна атмосфера (когда самолет на земле или у земли). Давление при прохождении сопла снижается всего в пять раз. Зато скорость реактивной струи вырастает до 1000 м/с.

В твердотопливных ракетных двигателях давление повыше, и обычно достигает 20-30 атмосфер. Два момента запрещают его дальнейший рост: наружный и внутренний, или оболочка двигателя и топливо. Оболочка у твердотопливного двигателя большая, это весь его корпус. Его усиление намного увеличит массу конструкции. А топливо ускоряет свое горение с ростом давления, и чем дальше, тем сильнее. И все быстрее приближая переход обычного горения в детонацию.

В не менее легендарном жидкостном ракетном двигателе РД-107, на котором полетел на орбиту Ю. А. Гагарин и позже множество космонавтов, давление в камере сгорания вдвое больше — почти 60 атмосфер. За счет такого большого давления и сгорание идет в разы быстрее; значит, и камера нужна короче, и сжечь можно успеть побольше. А давление на срезе сопла лишь 0,4 атмосферы. Это снижает давление газа от камеры к срезу сопла в 60 : 0,4 = 150 раз (или в 30 раз больше, чем у сопла авиационного двигателя). И разгоняет струю до 2520 м/с на уровне моря (при старте с земли).

Почему давление в жидкостном ракетном двигателе РД-107 падает так сильно при прохождении его сопла? А для сопла авиационного АЛ-31Ф его падение давления не просто меньше, а в 30 раз меньше ракетного сопла?

Расширение сопла: водопад, обрушивающий давление

Вспомним, что и наибольшее сужение сопла авиационного двигателя «не сильное». Выходная площадь сопла у АЛ-31Ф в три раза больше площади его критического сечения. Соотношение этих площадей называется степенью расширения сопла. Отметим: это не падение давления газа, а соотношение площадей поперечных сечений канала сопла, самого большого (среза) и самого маленького (критического). Чисто геометрический показатель конструкции, даже безо всякого газа и его течения. Но оно же задаст и степень расширения газа, или кратность увеличения его объема.

Почему степень расширения газа определяется соотношением именно выходной и критической площади, расположенной внутри сопла? А не более интуитивно логичными площадями начала и завершения сопла?

Потому что от входа в сопло до его критического сечения, в сужающийся части сопла, поток всегда дозвуковой. Он проявляет малую сжимаемость и расширяемость, и мало меняет свой объем, в отличие от сверхзвукового. Поэтому основное расширение газа происходит в сверхзвуковой части сопла, за критическим сечением. Поэтому и степень расширения определяется площадями сверхзвуковой части сопла: начальной (критическим сечением) и конечной (срезом сопла).

А в ракетном РД-107 с его «осиной талией» критического сечения и большим колоколом сверхзвуковой части это соотношение куда больше, чем у авиационного АЛ-31Ф: почти 19. И падение давления газа при таком расширении получается в 30 раз больше, и разгон потока доводит скорость до 2520 м/с — в два с половиной раза быстрее, чем при форсаже авиационного двигателя.

Сверхзвуковой разгон в числах Маха

Кстати, какая скорость реактивной струи будет в значениях числа Маха (М) — у авиационного и ракетного двигателей? Это измерение в М нам понадобится дальше.

А скорость звука сильно зависит от температуры газа, в котором движется этот звук. Реактивная струя горячая, и скорость звука в ней оказывается непривычно высокой. В форсажной струе авиационного двигателя температура около 900°С (ее разброс зависит от того, на какой высоте и при каком текущем атмосферном давлении работает двигатель). Скорость звука в такой температуре 680 м/с, и для скорости истечения струи 1000 м/с число М получится равным 1,47. От критического сужения с его всегдашним М=1 сверхзвуковая часть сопла авиационного двигателя разгоняет поток еще на 0,47 скорости звука. Поэтому форсажная струя за двигателем впечатляет, особенно на ночных полетах, своим красочным видом и сверхзвуковым грохотом.

На срезе сопла ракетного РД-170 температура куда выше, 1700°С. Для такого жара скорость звука тоже выше, около 860 м/с. Для скорости потока на срезе сопла 2520 м/с (на старте при обычном атмосферном давлении) его число Маха достигает М=2,9, или почти 3. Прирост скорости за критическим сечением составляет в значениях числа Маха уже 1,9. Это в четыре раза больше сверхзвукового прироста скорости у сопла авиационного двигателя.

В этом сравнении авиационного и ракетного двигателей видно соответствие разгона реактивной струи и степени расширения сопла. Чем больше степень расширения, тем больше скорость истечения. И это не случайное совпадение двух характеристик, а их закономерная газодинамическая связь.

Температура тоже разгоняет поток

Отметим, что чем выше температура на входе в сопло, тем сильнее разгон газа в нем. Падение температуры, как и давления, идëт на всем протяжении канала непрерывно, но с разной скоростью, быстрее всего меняясь в критическом сечении. Можно привести пример, как именно рост температуры увеличивает разгон при мало меняющемся давлении перед соплом. Это уже упомянутый форсаж у реактивных авиационных двигателей.

При форсаже на специальном участке двигателя между газовой турбиной и началом сопла сжигают керосин. Просто распыляя его форсажными форсунками в форсажной камере — отрезке железной трубы перед соплом. Это керосиновая горелка в чистом виде. Газ раскаляется до 2000°С, и от этого сильно выросло бы его давление. Но сопло сделано из множества подвижных стальных пластин, которые могут сдвигаться, меняя геометрию сопла. Пластины раздвигаются, расширяя критическое сечение и срез сопла. Расширившееся сопло «сливает» через себя прирост давления. Оно даже раскрывается заранее, с упреждением на полторы — две секунды до розжига форсажного пламени, дабы вдруг не опоздать. Это вызывает известный «форсажный провал тяги» на пару секунд при его включении. В итоге раскрытия сопла давление перед ним поднимается лишь на полторы атмосферы, с 3-3,5 атмосфер до 4,5-5,5 атмосфер.

Если этого не сделать, а давление в форсажной камере перед соплом вырастет сильно, оно ощутимо снизит перепад давлений на турбине, вращающей компрессор. «Поджатая» сзади сильно выросшим давлением и потеряв рабочий перепад давлений, турбина снизит мощность с обвалом оборотов. Ведь момент сопротивления сжимаемого на лопатках компрессора воздуха колоссальный, он мигом замедлит ослабевшую турбину. Обороты упадут, сжатие воздуха в компрессоре «обвалится», из-за этого на турбину придет мало килограммов воздуха, мощность турбины упадёт ещё сильнее, и двигатель встанет.

Поэтому значительный, почти на пять тонн силы, прирост форсажной тяги обязан главным образом не слабому росту давления перед реактивным соплом, а нагреву потока керосиновой горелкой форсажной камеры. А что давление перед соплом вырастает несильно, видно и из оборотов двигателя — ведь с включением форсажа они практически не меняются (часто оставаясь в пределах погрешности индикатора оборотов в кабине летчика).

Вообще говоря, разогнать газ до сверхзвукового течения можно и одним лишь тепловым воздействием, в ровной и прямой цилиндрической трубе. Для этого газ в дозвуковом начале трубы надо нагревать, а в сверхзвуковом продолжении трубы охлаждать. И если с нагревом нет проблем (это обычная форсажная камера), то быстро и сильно охладить сверхзвуковой поток в ровной трубе нечем. Управлять охлаждением технически гораздо труднее, чем управлять давлением потока (это делается через задаваемую форму канала). И хотя температура при этом тоже снижается, но уже как следствие падения давления, задаваемого каналом сопла.

Кромка сопла: встреча струи с атмосферой

Вернемся к ракетному соплу и давлению на его срезе. Там поток встречает атмосферу, давящую на струю со всех сторон, в том числе и навстречу. Если давление в струе ниже атмосферного, возникает перепад давления, направленный внутрь сопла. По идее, он противодействует истечению, давя в сопло навстречу потоку и тормозя его. Чем больше перепад — тем сильнее тормозящая сила и замедление струи. Так?

Так, да не так. Сверхзвуковой поток имеет характерную особенность: он не тормозится плавно. Напротив, в нем возникает поверхность разрыва параметров потока: скорости, а с ней давления, плотности и температуры. Это резкая, «вертикальная» ступенька на их графиках, которые разрываются в этом месте со смещением, «скачком» по вертикали всех этих величин. Скорость скачком уменьшается, а давление, плотность и температура скачком вырастают. Намного? Это зависит от особенностей этой поверхности, называемой скачком уплотнения.

Поэтому сверхзвуковой поток тормозится сразу на некоторую ступеньку. Для ее возникновения торможение должно достичь некоторого уровня. Если встречное давление слишком слабое, сверхзвуковой поток легко сносит его действие за счет своей огромной скорости и инерции. При слабом противодавлении поток не отзовется на него и не изменит своей скорости. А когда вынужден будет среагировать, то создаст скачок уплотнения. На нём и за ним скорость снизится, а давление вырастет, приблизившись к давлению атмосферы и приведя картину течения в газодинамический порядок и уравновешенность.

Троянский скачок пробирается в сопло

Двигатель РД-107 стоит на первой ступени ракеты-носителя и работает с самого старта, при атмосферном давлении на земле. Скорость потока около М=3 позволяет снизить давление в струе до 0,4 атм. (И, в свою очередь, это снижение давления разгоняет поток до М=3).

Если давление на срезе снизить еще больше, ниже 0,2 — 0,3 атм., перепад с атмосферой усилится, и станет достаточным для возникновения на срезе сопла сверхзвукового скачка уплотнения. Он будет иметь коническую форму (с вариациями) и расположится в целом поперек течения. С ростом перепада давления скачок начнет продвигаться вверх по потоку, располагаясь все глубже в проточной части.

При этом скачок уплотнения остается локальным, «пристеночным», не перекрывая весь поток. Он растет недалеко от кромки сопла на его внутренней стенке, подобно внутренней кольцевой юбке. Как мы помним, скорость в скачке уплотнения падает, оставаясь уменьшенной и за ним. Замедляя эту часть потока, скачок снижает общее количество движения истекающей струи (импульс) и реактивную силу.

Картина «вползания» скачков в сопло может меняться по конфигурации и интенсивности, и зависит от параметров потока и атмосферы. Но их появление внутри сопла означает провал выполнения своей задачи двигателем, его отказ в виде недобора тяги. При полностью нормальной работе всех без исключения его агрегатов.

Поэтому сопла первых и вторых ступеней, работающие со старта, делают определенного расширения, ограниченного действием атмосферы. Давление в них падает не ниже допустимого уровня, например, до 0,4 атм. у РД-107 или еще меньше у двигателя Raptor первой ступени мегаракеты «Старшип».

Но двигатели верхних ступеней работают на высоте большого разрежения, атмосферного технического вакуума. Там поток можно расширить больше, «сняв» с этого добавочного расширения дополнительную тягу. Такие двигатели называют высотными или вакуумными, иногда космическими. Отражая в этих названиях близкую к вакууму внешнюю среду, в которой им предстоит работать. Давление на срезе у них меньше, чем у «наземных» двигателей (работающих со старта с земли) и составляет 0,2—0,1 атм. Хотя это добавочное падение невелико, но соотношение с давлением в камере меняет все же ощутимо для прироста скорости и тяги.

А если запустить вакуумный двигатель на уровне моря? Низкое давление на срезе сопла впустит скачок уплотнения внутрь с провалом тяги. Эту понятную и, надо сказать, классическую, из учебников, картину нарушает лишь одно: испытания RaptorVAC.

У высотника свои условия

Этот высотник с огромным раструбом своего вакуумного сопла показывает степень расширения 200 — больше, чем на порядок, по сравнению с РД-107. Он начинает работу на высоте 50 км, где давление воздуха всего 0,00079 атмосферы, или в 1266 раз меньше окружающего нас атмосферного давления. По классической картине, атмосфера на уровне моря должна загнать скачки в сопло с таким огромным расширением и низким давлением, провалив тягу двигателя.

Высотный двигатель можно теоретически запустить и прогазовать в вакуумной камере. Но где взять столь большую камеру, и что делать с поступающим в нее выхлопом — огромный расход мощного двигателя в несколько тонн в секунду вмиг заполнит любой вакуум. А откачивать такой выхлоп, поддерживая вакуум в камере, сегодня нереально.

Однако при контрольных испытаниях на открытом наземном стенде RVAC прекрасно работает, показывая устойчивую и ничем не нарушенную голубую струю сразу за соплом. Наглядно видно, как быстро она сужается за срезом, мощно обжимаемая большим перепадом атмосферного давления. А после первого сверхзвукового скачка в струе, при выросшем за ним давлении и потому с меньшим перепадом с атмосферой, струя сжимается атмосферным давлением уже более полого.

Но как возможно такое целостное, не тронутое скачками уплотнения истечение из сопла? У РД-107 при столь низком давлении скачки зашли бы в сопло уверенно и гарантированно. А у RVAC этого не происходит. Как будто законы газодинамики для него отключили в области среза сопла.

На такую крамолу мы, однако, не будем покупаться; газодинамика и ее законы работают исправно в любых ситуациях. Просто параметры RVAC были искусно выбраны такими, чтобы решить сразу две задачи: эффективность на высоте и работа на уровне моря в проверочных включениях, столь необходимых в сегодняшних технологиях полетов.

Решение RaptorVac: скорость задает границы возможного

Большое расширение газа в RVAC обеспечено огромным давлением в камере сгорания — 350 атмосфер. Это почти в пять раз больше, чем в камере РД-107. Столь высокое давление позволило достичь скорости на срезе сопла в 3700 — 3750 м/с. Поскольку расширение газа у такого сопла больше, то температура на срезе ниже (ведь она тоже расходуется в разгоне). Значит, ниже и скорость звука в струе, которую интуитивно можно оценить в 800 м/с. Для скорости истечения 3700 м/с это даст значение числа Маха 4,63 — 4,11. То есть существенно больше М = 4.

Вот эта скорость и приходит на помощь, выдувая скачок уплотнения за сопло. Чем выше скорость потока, тем ему проще сопротивляться появлению скачка на периферии сопла. Там, где РД-107 уже пропустит его внутрь при своих трех единицах числа Маха, RVAC уверенно сдует их за срез сопла своими четырьмя с лишним единицами М. Его «добавочная» скорость в единицу с лишним М отодвигает условия возникновения скачка. И тем самым понижает границу допустимого давления на срезе сопла до 0,2 — 0,1 атм., при которых он нормально работает.

Становится понятно, что предел низкого давления потока на выходе из сопла, при котором сохраняется нормальная работа сопла — не абсолютная константа. Важно сочетание на срезе сопла низкого давления и высокой скорости потока. Именно их комбинация определяет, может ли пустотное сопло работать на уровне моря. А дальнейшее уменьшение и так уже очень низкого давления не даст реального прироста эффективности. Ее уже обеспечило огромные давление в камере и падение давления на протяжении сопла.

Так решается загадка работы вакуумного сопла при испытаниях на земле. Огромная скорость истечения на срезе сопла RVAC не только повышает показатели его эффективности, но и позволяет работать в атмосферном давлении наземного испытательного стенда. А мы понимаем, что рост скорости истечения не просто прирост тяги, но механизм, дающий добавочные опции: например, возможность стендовой прогазовки на открытом воздухе.

Чем эти опции пополнятся при достижении гиперзвуковых скоростей истечения, когда М>5? Ведь до них остается уже не так далеко, меньше единички числа Маха. Если поднять давление в камере еще на 50 — 70 атмосфер, то за раструбом сопла может появиться ранее не виданное зрелище — гиперзвуковая реактивная струя. Какой будет ее грохот, вид, действие на стартовое сооружение и реактивная эффективность, покажет будущее. И, по всей видимости, не столь уж далекое.

Николай Цыгикало

31 статей

Пишет про разные области движения, баллистики, аэрогазодинамики, и работающие в них конструкции и технические системы. Стремится пояснить суть и понятийный аппарат, процессы и детали. Иногда про геологию, палеонтологию и другое.

Показать больше

Закладка

Скопировать ссылку

Email

Печать

Twitter

VK

Telegram