Нещодавно в коментарях виникло невеличке обговорення теми підвищення ефективності рідинного ракетного двигуна шляхом введення в камеру згоряння “легких” речовин, таких як гелій.
Загалом перед прочитанням раджу ознайомитись з азами роботи рушійних установок на рідкому паливі, зокрема, адже цей матеріал містить багато термінів та спирається на принципи, що є ключовими в роботі РРД.
Ефективність — питомий імпульс двигуна. Він залежить від кількох основних факторів таких, як температура й тиск газів в камері згоряння, довершеності конструкції сопла та інших складових двигуна, та, зокрема, молекулярні маси продуктів згоряння. Це й не дивно, адже чим “легший” газ, тим до більшої швидкості його можна розігнати, використовуючи рівні кількості енергії від згоряння. Чим менша молярна маса цих продуктів, тим більший питомий імпульс двигуна можна отримати.
Проте не все так просто, як може здатись. По-перше, для того, щоб додавати третій компонент, його потрібно десь зберігати в ракеті, мати систему трубопроводів, клапанів тощо. Гелій — інертний газ. Це дозволяє йому не вступати в хімічні реакції з іншими речовинами, навіть за високих температур. Проте водночас він є дуже легким: за нормальних умов – це газ, що має густину близько 1.77 кг/м. куб. Щоб зберігати його за кімнатної температури, потрібно використовувати громіздкі баки-балони, що витримують більше 100 атмосфер. В світлі подальших викладок стане зрозуміло чому цей варіант не підходить.
Дещо іншою буде картина, якщо його перетворити на рідину: температура знизиться до 4.1 °К, що дозволить зберігати його у ємностях з тонкими стінками. Проте така низька температура вимагає потужної системи охолодження, щоб підтримувати речовину в рідкому стані, що значно збільшить масу конструкції! До того ж рідкий гелій має досить низьку густину – 125 кг/м. куб, для порівняння рідкий водень – найкрутіше ракетне паливо з точки зору питомого імпульсу – 70 кг/м. куб.
По-друге, виникає питання організації подачі такого компоненту в двигун: потрібно встановлювати додатковий насос (що при Full-flow staged combustion уже може бути деякою проблемою), клапани та головне – форсунки для вводу додаткового газу в камеру згоряння. Останнє, знову ж таки, в світлі наступних викладок буде проблематично реалізувати.
Суть експерименту зрозуміла: знайти оптимальні обсяги доданого до основного палива гелію, щоб максимізувати ефективність двигуна. Коли в камеру домішуються якісь речовини, вони нагріваються, на що витрачається енергія від згоряння палива. При збільшенні кількості таких домішок на їх нагрів витрачається все більше енергії, що також може безпосередньо впливати на ефективність.
По-третє, інертний газ, що додається в двигун, займає певний об’єм, тобто може заважати ефективному перемішуванню та згорянню палива в окиснику. Для певного «нівелювання» цієї проблеми потрібно змінювати геометрію сопла та самої камери згоряння, адже на хімічні процеси, що там відбуваються тепер потрібно більше часу, в порівнянні із ситуацією використання лише палива й окисника.
Перейдемо до результатів. Оскільки мова йшла про двигун Raptor, то експериментувати будемо з ним, а точніше з Raptor 2.
Надалі графіки тих чи інших параметрів будуть наводити їх залежності від кількості того самого гелію, що вводиться в двигун. Ця кількість – відсоткова надбавка по масі, від кількості компонентів суміші палива й окисника, адже така форма є досить зрозумілою для сприйняття.
Спершу роздивимось залежність температури суміші продуктів згоряння та доданого гелію всередині камери згоряння. Як вже зазначалося, вона знижується зі збільшенням частки доданого «наповнювача» (гелію). Коли частка становить 12%, температура знижується на цілих 15% — з 3490 до 2650 градусів Кельвіна. Зниження температури несе за собою й приємні наслідки: зменшується кількість тепла, що передається від розпечених газів до конструкції двигуна, тобто потенційно її можна зробити легшою!
Наступний графік демонструє температуру газів на зрізі сопла двигуна, тобто там, де воно закінчується і гази продовжують рух в навколишнє середовище. Подальші твердження стосуються таких конструкцій сопел, які забезпечують певні тиски цих самих газів на виході з них. Це є важливим показником, який впливає на роботу двигуна, зокрема в атмосфері Землі. Тут різні криві відповідають різним «вихідним» тискам продуктів згоряння, наприклад 0.8, 0.9, 1.0 Бар і т. д.
Як видно з графіка, для «вихідного» тиску 0.9 Бар, температура «на зрізі», як її називають, знизилась на третину! Цей параметр також вартий уваги, адже якщо річ буде йти про двигун, що оптимізований для роботи у вакуумі, наприклад «Raptor Vac», може настати ситуація, коли ця температура знизиться настільки, що водяна пара, яка є в складі продуктів згоряння метану в кисні, може почати конденсуватись. Такий процес є згубним для ефективності двигуна, тому є певні межі, які, зокрема, не дозволяють робити великі сопла для двигунів.
Добре, з температурами розібрались, тепер поговоримо про такі речі, як «AR», тобто співвідношення площі найвужчого місця сопла – «горла», або, більш правильно, «критичного січення», до найширшого, тобто кінець сопла, який ми бачимо, наприклад, під час транспортування ракети.
Цей параметр конструкції двигуна визначає тиск, що матимуть гази при покиданні двигуна, про який ми вже говорили. Якщо ми хочемо зробити цей тиск меншим, то потрібно збільшити відношення площ, тобто, якщо по простому, сопло двигуна потрібно зробити більшим. Наприклад, стандартний Raptor 2 має AR у 24 одиниці, а Raptor Vac – близько 107.
Варто також зазначити, що наведені тут цифри можуть дещо не збігатись із характеристиками «Раптору». Це й не дивно, адже експеримент не є абсолютно точним, а лише демонструє наближення й тенденції.
«Геометричне розширення сопла», як називається параметр AR, має вплив на те, як змінюватиметься питомий імпульс двигуна при збільшенні висоти польоту ракети в атмосфері Землі, наприклад, коли вона піднімається по траєкторії. Геометричне розширення визначає, яким буде тиск газів на виході з сопла, а той, в свою чергу, впливає на тягу та питомий імпульс.
Наступним графіком є залежність середньої молекулярної маси продуктів згоряння та домішок, які вони матимуть вилітаючи з сопла. Як видно, вона стрімко зменшується при додаванні більшої кількості гелію, що підвищує ефективність двигуна. Таке її «падіння» відбувається через те, що легкий гелій “розбавляє” собою більш важкі водяну пару й вуглекислий газ, які є набагато «важчими» за перший: у 4.5 і 11 разів відповідно!
Найнудніші аспекти подолано! Тепер розглянемо найцікавіше – як змінюється той міфічний питомий імпульс Раптора…?
Тут все простіше, проте цікавіше й відповідає на питання, що спонукало появу експерименту!
Зліва зображено, як змінюватиметься питомий імпульс залежно від кількості доданого гелію, коли двигун працює біля поверхні нашої планети, а конкретно на рівні моря: спочатку він зростатиме, а потім, коли зниження температури всередині двигуна буде настільки великим, що почне нівелювати користь від додавання гелію, ефективність почне знижуватись, проте не так різко, як вона росла до цього. Наприклад, для сопла, яке випускає гази при тиску 0.9 Бар та кількості доданого інертного газу у обсязі 12%, приріст ефективності складе всього… 1.5%…!
Поряд інший графік демонструє ту саму залежність, але якби Раптор працював у відкритому космосі, тобто практично це ситуація, коли перший ступінь системи Starship виконує маневри після розділення з кораблем. В такому разі за тих же ввідних приріст становитиме 0.9%!
Ці два графіки гарно демонструють, як змінюється питомий імпульс двигунів з різним геометричними розширеннями сопел: якщо для роботи двигуна біля поверхні землі варто не мати великих сопел, то для космосу це важливо. Двигуни, що мають більше сопла, хоча і є дещо менш ефективними на ранніх етапах польоту ракети, проте їх ефективність зростатиме все більше під час підйому ракети. Натомість двигуни з великими соплами, хоча і є більш ефективними на висоті, та вони програють біля стартового майданчика (також варто не забувати, що сильно велике зниження тиску на виході з сопла може бути небезпечним: потік продуктів згоряння може «зірватись» з його стінки, що може мати руйнівний вплив).
Це і є одне з важливих завдань інженерів – підібрати таке сопло, яке за весь політ ракети дасть якомога вищу продуктивність.
Підсумовуючи все вищесказане, можна розвести руками і констатувати, що така гарна, на перший погляд, ідея виявилась геть поганою; приріст ефективності вдалось отримати незначний, хоча 1-2 секунди питомого імпульсу для сучасних РРД – може вважатись, як щось непогане. Проте якою ціною далися ці цифри… Згадаймо, що гелій навіть в рідкому стані є доволі легким порівняно, наприклад, з рідким киснем чи тим же метаном, а його зберігання в такому стані і у величезних кількостях, нехай і кілька хвилин протягом польоту, вимагатиме громіздких рішень, які, вочевидь, можуть нівелювати всі вдосконалення. Додайте сюди вартість цієї речовини і Ви отримаєте очевидну відповідь на питання, чи вартий відсоток ефективності таких вкладень…
Також запрошую Вас на мій телеграм-канал “Інженер від бога“, адже там я викладу результати додавання гелію в Raptor Vac. Та й загалом там ще багато цікавого.