Необыкновенная жизнь обыкновенной капли

Вспомним рациональный, поразительно простой и эффективный принцип действия ЖРД (см. рис. 5). Го­рючее и окислитель из баков подаются центробежны­ми насосами в камеру сгорания: окислитель — непо­средственно к своим форсункам, а горючее — к своим, но через узкую полость между двойными стенками камеры сгорания и сопла. Только так, используя боль­шой поток горючего в качестве охладителя, можно за­щитить камеру и сопло (конструктивно они представ­ляют одно целое) от чудовищного (выше вулканиче­ского) жара, развиваемого внутри этого химического двигателя. Горючее, подогреваемое между стенками, го­товится к процессу смесеобразования. В реальных дви­гателях вспомогательный насос подает его из отдельно­го бака в газогенератор — специальную меньшую каме­ру, работающую при более низкой температуре. Здесь оно газифицируется и идет как рабочее тело на колесо турбины. Турбина вращает соосно расположенные ос­новной и вспомогательный насосы — все в целом обра­зует ТНА (турбонасосный агрегат), компактный сгус­ток современной технической мысли; перед запуском ЖРД его раскручивает специальный стартовый дви­жок. Автоматика регулирует режим работы, поддержи­вает заданную пропорцию жидких компонентов.

Камера сгорания ЖРД — подлинное царство ка­пель, они владеют всем пространством на начальном ее участке — там нет никакой металлической начинки, как в ВРД (форкамеры, стабилизаторы). Здесь оба компонента реакции — и горючее, и окислитель — ис­пользуются в виде жидкости, например керосин и сжи­женный кислород (или спирт с азотной кислотой, отдающей кислород при разложении). В этом заключа­ется отличие от ВРД, для которого возят с собой толь­ко жидкое горючее, а окислитель даровой — из возду­ха атмосферы.

Все ВРД — проточные каналы, ЖРД — глухой гор­шок, дно его плотно усажено сотнями форсунок — фор­суночная головка должна за секунду пропускать мно­гие килограммы жидкости. В форсуночной головке распылители обоих компонентов расположены в опреде­ленном порядке, чтобы каждый факел горючего равно­мерно по возможности насытить окислителем. Часто используют сотовое расположение, подсказанное архи­тектурой пчелиного улья.

В адском горшке ЖРД приготовляется более кало­рийное варево, чем в камере ВРД. Температура газов на выходе из двигателя достигает 3500 К и более. Од­нако набор процессов смесеобразования здесь в прин­ципе тот же, что и в воздушных камерах: распыливание, движение и испарение капель, смешение паров до горючей концентрации, только организованы они слож­нее во времени и в пространстве. Все явления протека­ют почти рядом, бок о бок друг с другом и горением. Исследователи нарисовали картину рабочего процесса в ЖРД. Плотное облако капель в факелах форсунок увлекает за собой слои окружающего газа, на их место обратно засасываются встречные струи горячего газа — продукты полного и неполного сгорания из начальной зоны пламени. Образуются обратные токи — вблизи форсуночной головки крутятся колечки интенсивных вихрей. Только жидкие розетки, и густое облако капель спасают сами форсунки от выгорания.

Химическая реакция горения протекает бурно и идет преимущественно в газовой фазе; сквозь газ движутся горящие капли — давление в камере высокое: 50 и бо­лее атмосфер. Температура быстро нарастает от задней стенки к выходу камеры. Продукты сгорания поступа­ют в реактивное сопло, где поток разгоняется до высоких сверхзвуковых скоростей, и таким образом теп­ловая энергия преобразуется в кинетическую. Мы по­мним счетверенные слепящие блики на теле- или кино­экране, когда показывают запуск космического кораб­ля,— это огненные выхлопные струи из сопел связки двигателей, ими оснащена космическая ракета, идущая в зенит.

Мощность и тяга современных ЖРД очень велики. Пять двигателей первой ступени американской ракеты «Сатурн», забросившей «Аполлоны» на Луну, имели тягу около 600 тонн каждый.

Приведем некоторые цифры для характеристики таких мастодонтов современной ракетно-космической техники, как «Сатурн-V» (двигатель F-1). Мощность одного двигателя первой ступени оценим по парамет­рам реактивной струи. Массовый расход компонентов G (керосин и жидкий кислород) составляет примерно 2650 кг/с, а скорость истечения газов из сопла двига­теля w  достигает примерно 2400 м/с. Тогда мощ­ность газовой струи оказывается равной 7.6-103 МВт :

Таким образом, двигатель диаметром около метра развивает мощность примерно 10 Днепрогэсов!

Оценим число капель, вылетающих в секунду из форсунок такого двигателя. Секундный расход жид­кости равен произведению числа капель п на среднюю плотность жидкости _ср и объем капли:

Если принять средний диаметр капли в спектре распыливания равным 100 мкм, а среднюю плотность равной 1 г/см3, то получим, что

n= 5 х 10¹² капель в се­кунду. Такой невероятный рой капель рождается в се­кунду примерно из 6000 распылителей форсуночной го­ловки, питая бушующее пламя камеры.