Главная страница >  Хронология 

3.1. ПОЯВЛЕНИЕ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ В ЖРД

3. ПОЯВЛЕНИЕ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ В ЖРД

Глава III. РАЗВИТИЕ РАБОТ ПО ОХЛАЖДЕНИЮ ЖРД В ПЕРИОД СЕРЕДИНА 40-Х — НАЧАЛО 60-Х ГГ.

Начавшиеся еще в 30-е гг. прикладные научные исследования в первые послевоенные годы закономерно расширились. К их проведению были привлечены ученые, специализирующиеся в отдельных областях науки.

С появлением ЖРД ракеты А-4 обнаружился существенный разрыв между конструктивным уровнем двигателей и уровнем научных знаний об особенностях процессов, характеризующих их работу. Для того чтобы обеспечить возможность стабильной реализации различных типов ЖРД, необходимо было в научном аспекте обобщить опыт их разработки. Кроме того, создание двигателя А-4 автоматически подняло уровень сложности задач, которые должны были решаться при его дальнейшем совершенствовании. Становилось все труднее, а в ряде случаев и невозможно находить пути улучшения двигателей на основе одного только здравого смысла и интуиции исследователей. Другими словами, независимый от научных исследований путь развития ЖРД практически себя исчерпал, и перед учеными в послевоенное время встала задача создания научной основы проектирования ракетных двигателей.

Конечно, нет возможности (да и необходимости) рассматривать здесь каждое проведенное в то время научное исследование. Вместе с тем следует хотя бы в общих чертах охарактеризовать существовавшее в науке положение дел, показать уровень и особенности научных исследований того времени. Для решения этой задачи остановимся более подробно на малоизвестных у нас в стране американских работах по теплопередаче в ЖРД. В 1947 г. появилась работа М. Цукрова [284], в которой приводились результаты анализа «механизма» пленочного охлаждения двигателей на углеводородном топливе. Автор, в частности, указывал, что тепловой поток в стенку ЖРД уменьшается, во-первых, за счет отложения на огневой стороне стенки слоя углерода толщиной 0,75 мм, во-вторых, в связи с поглощением тепла жидкостью, проходящей поверх слоя углерода, и паровым слоем, располагающимся поверх жидкости [284, с. 44].

Следует подчеркнуть, что перед исследователями и СССР и США стояли в то время одинаковые научные задачи.

В начале 60-х гг. эти исследования были распространены на другие топливные смеси: БДАК + JP-3 [288], LOX + JP-3 [249], LOX + RP-1 [250]. На графике (рис. 38) приведены результаты экспериментов по определению эффективности слоя углерода, откуда, в частности, следует, что с повышением давления в камере плотность теплового потока, поступающего в стенку двигателя, работающего на углеводородном топливе, растет с существенно меньшим градиентом, чем для других типов топлива. Это объясняется влиянием на величину потока слоя углерода, выпадающего на стенку при горении керосина и кислорода. Эффективность этого слоя остается достаточно заметной до давления примерно 70 кгс/см2 (7 МПа) [246, с. 135-136].

Интересным в этом выводе было то, что автор (по-видимому, впервые в США) отметил существование слоя углерода, оказывающего благотворное влияние на охлаждение стенки ЖРД. М. Цукров вскоре повторил свои эксперименты, проводя их при различных давлениях в камере сгорания, и вновь пришел к выводу, что при использовании топлива IP-3 на стенке появляются отложения, уменьшающие тепловой поток [286, с. 327, 330].

Сейчас, однако, неизвестно, применялся ли этот метод в то время на штатных ЖРД в США или нет. В следующей главе еще будет сказано о его дальнейшем развитии, а здесь отметим только, что в США он получил название заградительного охлаждения, а мы будем называть его теплозащитой отложением.

В 40-е гг. специалисты фирмы «Дженерал Электрик» при разработке проекта «Гермес» проводили исследования, направленные на реализацию аналогичного метода охлаждения при использовании спиртокислородного топлива. При этом в горючее добавлялись специальные вещества (главным образом силиконы), осаждавшиеся в процессе горения на стенке камеры сгорания и образовывавшие постоянно обновлявшийся теплозащитный слой. В ходе экспериментов удалось добиться более чем 30%-ного снижения величины тепловых потоков в стенку при вводе в горючее примерно 2% (по весу) силиконов [120, с. 493].

В 40-е гг. вновь появился интерес к транспирационному (или пористому) охлаждению. Как показано в работе [143], в 1942 г. специалистами США было получено несколько патентов на применение этого метода, который, в частности, предлагалось использовать в газовых турбинах. Однако наиболее широкие прикладные исследования проводились для потребностей жидкостного ракетного двигателестроения [122, 142, 151, '235, 277, 285]. Это было обусловлено тем, что, как будет показано в следующем разделе, в США в середине 40-х гг. начались работы по практической реализации этого вида охлаждения в ЖРД.

Топливо: 1 — жидкие водород и кислород [ТwГ = 860°С]; 2 — N2О4 + 50% N2Н4 и 50% НДМГ [TwГ = 860°С]; 3 — жидкий кислород и керосин RP-1 [TwГ =420°C]" Рис. 3 Зависимость максимальной плотности теплового потока от давления в камере Топливо: 1 — жидкие водород и кислород [ТwГ = 860°С]; 2 — N2О4 + 50% N2Н4 и 50% НДМГ [TwГ = 860°С]; 3 — жидкий кислород и керосин RP-1 [TwГ =420°C]

Одна из трудностей расчета коэффициента конвективной теплоотдачи от продуктов сгорания состояла в том, что в 40-е гг. не были известны свойства газов при температурах, характерных для ЖРД, и значения соответствующих параметров определялись путем их аппроксимации из области низких температур. Другая трудность заключалась в том, что расчеты велись по формулам, предназначенным для условий, резко отличавшихся от наблюдаемых в ЖРД.

Следующее направление прикладных исследований имело своей целью определение коэффициента теплоотдачи от продуктов сгорания в стенку ЖРД [137, 139, 152, 232,258, 289]. При этом, как правило, проводилось сравнение между собой результатов экспериментов и расчетов по различным методикам. Это сравнение показывало, что результаты опытов выше расчетных примерно в 3,5 раза по американским и в 3 раза по английским данным [137, с. 73].

В ходе первого опыта измерения проводились на двигателе, работавшем на азотной кислоте и гидразине и имевшем в камере сгорания сапфировое окошко, «пропускавшее» лучистый поток на чувствительный элемент. При этом давление в камере менялось в пределах 21—42 кгс/см2 (2,14—4,4 МПа), температура продуктов сгорания — в диапазоне 2400 —2900К. Так как в продуктах сгорания не содержался углекислый газ, исследователи провели расчет лучистого потока по существовавшим в то время формулам, предназначенным для промышленных установок, в предположении, что тепло излучает только водяной пар. Сравнения расчетных и экспериментальных значений показали, что соответствующие расхождения велики: вычисленное значение степени черноты продуктов сгорания оказалось примерно вдвое меньше полученного в ходе опыта [237].

Исследования второй, лучистой составляющей теплового потока в ЖРД проводились весьма робко: по данным [237], до середины 50-х гг. в США были предприняты всего две попытки измерения величины этого потока.

Следует отметить, что, как и в случае с конвективной составляющей теплового потока, при расчетах лучистого потока исследователи по-прежнему вынуждены были использовать эмпирическую информацию, предназначенную для аналогичных расчетов теплопередачи в промышленных установках, т.е. для температур и давлений, резко отличавшихся от имевших место в ЖРД. При этом специалисты, как правило, пользовались данными, приведенными для водяного пара и углекислого газа при температуре до 2000°С в работе Хоттеля и Эгберта [179].

Второй опыт заключался в определении суммарного удельного теплового потока, поступающего в стенку двигателя при сгорании водородно-кислородного топлива и последующего исключения конвективной составляющей. При этом по результатам эксперимента для разных давлений строилась зависимость удельного теплового потока от расходонапряженности камеры. Затем полученные кривые экстраполировались до пересечения с осью ординат (где расходонапряженность равна нулю). Точки пересечения указывали значения лучистого теплового потока при соответствующих давлениях в камере. В результате исследования оказалось, что при давлении в камере 10 кгс/см2 (1,02 МПа) экспериментальные значения удельного лучистого потока превышали расчетные в 1,7 раза, а при давлении 60 кгс/см2 (6,1 МПа) — в 2,1 раза.

В процессе развития прикладных исследований перед специалистами «обнажалась» сущность задач, которые должны были решаться в ходе исследований фундаментальных. Еще в 1946 г. между Военным ведомством по аэронавтике и пятью американскими университетами был заключен контракт на осуществление научной программы «Скьюид», которая была первой в США программой, предусматривавшей проведение систематических фундаментальных исследований в области ракетной техники [269].

На рассматриваемом этапе проводились и другие исследования прикладного характера. Например, изучалось влияние конструкции форсуночной головки, а также процесса неустойчивого горения на теплоотдачу в ЖРД, анализировалось влияние на теплоотдачу перерасширения газов в сопле [122], определялось влияние расхода хладагента на эффективность пленочного охлаждения и на изменение при этом удельной тяги двигателей [164], проводилось сравнение пористого и пленочного охлаждения [92] и т.д. Аналогичные работы проводились, разумеется, и у нас в стране, но их уровень несколько превосходил уровень американских исследований. В правомочности такого утверждения нетрудно убедиться, сравнивая характеристики советских и американских ЖРД. В следующем разделе будет показано, в частности, что в первое послевоенное десятилетие двигатели, созданные в СССР, превосходили американские по величине удельного импульса, а это означает, что их охлаждение осуществлялось при более сложных условиях, что требовало от советских исследователей более высокого уровня знания особенностей тепловых процессов, протекающих в ЖРД.

В предыдущей главе уже рассматривался вопрос о способах расчета конвективной теплоотдачи в ЖРД, использовавшихся в 30-е гг. Следует отметить, что формулами, применяемыми Ф.А. Цандером и М.К. Тихонравовым, не ограничивались достижения естественнонаучных исследований процесса конвективной теплоотдачи в то время. В данный период общая теория конвективного теплообмена развивалась по двум основным направлениям. Во-первых, проводились теоретические исследования по теории пограничного слоя, которые не могли в то время дать конкретных практических результатов, пригодных для создания методики расчета коэффициента теплоотдачи в ЖРД. Действительно, даже понятие теплового пограничного слоя было введено только в 1936 г. советским ученым Г.Н. Кружилиным (см. [45]).

Однако результаты фундаментальных исследований в области теплопередачи в ЖРД начали сказываться наиболее широко лишь в середине 50-х гг. Так, например, в области исследований внутреннего охлаждения был сделан поворот от описания процессов к созданию их теории. Исследователи все больше начинали интересоваться не только внешним проявлением различных видов внутреннего охлаждения, но и пытаться теоретически описать этот процесс. В результате появились работы Кнута, Грутенхьюза, Крокко, Эккерта и Ливигуда и других исследователей (см. подробнее работы [94, 140, 143, 171, 182, 193, 194, 206]). Эти исследования логично привели к началу изучения пограничных слоев со вдувом [130, 151], что стало еще одним шагом на пути развития фундаментальных исследований указанного вопроса.

Nu = ARemPrn. (4)

Во-вторых, проводились работы, направленные на получение эмпирических формул в виде критериальных зависимостей типа

Полученные формулы не учитывали того обстоятельства, что в связи с большими перепадами температур в пограничном слое газа физические свойства последнего (особенно вязкость) изменяются весьма значительно. Примером такой формулы может служить, в частности, формула, предложенная МакАдамсом в 1933 г. [207, с. 169]:

В результате различными исследователями был получен ряд формул, предназначавшихся для расчета конвективной теплоотдачи в промышленных установках, т.е. для условий, резко отличавшихся от условий в ЖРД. Эти отличия в основном состояли в следующем.

и широко известная формула А. Колбурна, полученная также в 1933 г. [133, с. 180], в которой, однако, делалась попытка этого учета с помощью выбора определяющей температуры, что было недостаточным:

dг/ = 0,0225(dгG/ a)0,8 (Cp a/ ) 0,4, (5)

где tf = t + 1/2 (tw-ta).

dг/ = 0,023(dгG/ f)0,8 (Cp f/ ) 1/3, (6)

dг/ = 0,027(dгG/ a)0,8 (Cp a/ )0,33( a/ w)0,14 (7)

В 1936 г. была предложена так называемая формула Зидер— Тэйта [254, с. 1432] , в которой для учета изменения физических свойств по толщине пограничного слоя был введен дополнительный множитель:

m/ = 1,11Re0,055 (L/d)-0,22, (8)

Зависимость (7) (а также (5) и (6)) была получена для полностью развитого турбулентного течения в трубах, т. е. при L/d ? 4 Однако последнее условие в ЖРД не удовлетворяется. В результате этого толщина пограничного слоя (т.е. в случае неразвитого пограничного слоя) оказывалась меньше, чем в случае, для которого были получены формулы (5) — (7) , и поэтому тепловой поток в стенку двигателя, вычисленный по указанным формулам, оказывался меньше реального. Для учета этого явления в трубах использовалась формула, предложенная в 1921 г. X. Латцко [198, с. 273]:

Однако получать формулы типа (8) на основе экспериментальных данных для условий ЖРД было весьма сложно и, кроме того, трудоемко, так как теплоотдача в ЖРД зависела от большого количества факторов (например, от конфигурации камеры, давления продуктов сгорания).

где m — текущее значение коэффициента теплоотдачи; — значение коэффициента теплоотдачи для случая полностью развитого потока.

В первые послевоенные годы начались исследования, направленные на получение эмпирических формул, пригодных для использования при расчетах теплопередачи в ЖРД. Наряду с исследованиями теплообмена при околозвуковых скоростях течения газа в прямой цилиндрической нагреваемой трубе [29, 190] начали проводиться и эксперименты по исследованию теплообмена в ракетных соплах (см., например, [258]) .

Следует отметить, что все указанные выше формулы, по мнению исследователей того времени, имели еще целый ряд недостатков для расчета теплоотдачи в ЖРД. Например, эти формулы были получены при низких скоростях потока, не учитывали сжимаемость потока.

Если достаточно объективной оценкой уровня прикладных исследований может служить качественный уровень создаваемых на основе их результатов технических средств, то при оценке уровня развития фундаментальных исследований необходимо учитывать, что в той или иной науке лидируют те ученые, которые раньше решают ее узловые вопросы.

Недостатком указанных экспериментов являлось то, что они проводились для случая безградиентного течения даже при экспериментах с соплами (имевшими слабое расширение). Это обусловливало относительно низкую степень доверия к результатам расчета теплоотдачи в ЖРД по соответствующим формулам, и специалисты при проектировании ЖРД не могли в полной мере опираться на результаты расчетов и доверять им.

К 1952 г. В.М. Иевлев разработал весьма удачную методику [34] расчета конвективного теплового потока от продуктов сгорания в стенку ЖРД, основанную на решении уравнений пограничного слоя. Сейчас эта методика широко известна у нас в стране — она приводится в учебниках по ЖРД (см., например, [12]) . Только спустя три года в США появилась подобная методика, разработанная Д. Бартцем [114], а в следующем году была опубликована и вторая американская методика [253], предложенная М. Сибулкиным.

В развитии теории теплопередачи в ЖРД в первое послевоенное десятилетие такими узловыми вопросами было создание методов расчета конвективной и лучистой теплоотдачи от продуктов сгорания в стенку двигателя. Приоритет в их решении принадлежит советским ученым В.М. Иевлеву и Л.Ф. Фролову.

Сущность решения этой задачи состояла в следующем.

Появление методик В.М. Иевлева, Д. Бартца и М. Сибулкина было логичным итогом многолетних усилий ученых по разработке теории конвективной теплоотдачи в ЖРД.

Интегральное уравнение сохранение количества движения

Для нахождения коэффициента теплоотдачи от продуктов сгорания в стенку, ЖРД необходимо было совместно решать уравнение энергии и уравнение сохранения количества движения, которое после их интегрирования по толщине теплового и динамического пограничных слоев соответственно с учетом граничных условий и уравнения неразрывности приводятся к следующему известному виду:

где

(9)

(11)

(10)

(12)

Интегральное уравнение сохранения энергии

(13)

где

Во-вторых, последним уравнением являлась связь между коэффициентом трения и числом Стантона. Следует отметить, что для случая безградиентного течения и числа Pr=1 такая связь была установлена, как известно, О. Рейнольдсом [223] и имела вид

Эта система содержит пять неизвестных: , *, w, Ф, qw, очевидно, для ее решения необходимо задать дополнительные связи (уравнения). В качестве этих связей как М. Сибулкин, так и Д. Бартц использовали, во-первых, закон распределения скоростей и температур по толщине пограничных слоев «одной седьмой степени»:

Для случая, когда Pr# достаточно удачная коррекция была получена Т. Карманом в виде [189, с. 708]

St = Cf/2.

(14)

Более простое соотношение (но и для более узких условий) для указанного случая было предложено А. Колбурном [133, с. 180] и, как уже было сказано (см. формулу 6)), имело вид

(15)

Однако все указанные формулы были получены для случая безградиентного течения, и, следовательно, М. Сибулкин и Д. Бартц должны были применить какую-то их коррекцию. Выбрав в своей работе зависимость числа Стантона от коэффициента поверхностного трения в виде (14), ученые ввели коррекцию в виде множителя :

Cf/2 = 0,0225 (/U ) 1/4, (16)

Наконец, коэффициент поверхностного трения записывался в форме, предложенной Блазиусом:

Cf/2 = 0,0228  f (/U ) 1/4, (17)

или же

— параметр, учитывающий сжимаемость и изменение термодинамических свойств газа по толщине пограничного слоя.

(выражения, использованные соответственно М. Сибулкиным и Д. Бартцем), где

безразмерный коэффициент трения

Следует отметить, что В.М. Иевлиев в решении этой задачи шел своим путем, и использованнные им зависимости, характеризующие распределение скоростей и температур поперек пограничного слоя, имеют несколько другой вид. Он ввел в свои рассуждения дополнительные параметры:

вспомогательные функции Z и ZТ:

безразмерный коэффициент теплоотдачи

Для того, чтобы задать распределение скорости и температуры по толщине пограничного слоя, В.М. Иевлеву необходимо было установить зависимость между Т, и ZT,Z, т.е. найти Т = Т (ZT) и = (Z,ZT).

Величины Т и ZT были связаны между собой через распределение скорости в пограничном слое, а величины и Z - через распределение в этом слое как температуры, так и скорости.

где А=0,01352; n=0,15; m=0,58.

Для случая несжимаемой жидкости В.М. Иевлиев нашел, что эта зависимость имеет такой вид:

При этом параметры пограничного слоя находились из решения системы уравнений (9), (12), записанной в следующей форме:

Не останавливаясь подробно на изложении дальнейшего хода решения указанной задачи, отметим только одну наиболее важную для целей настоящей работы его особенность. Д. Бартц определял коэффициент теплоотдачи из выражения (15) следующим образом:

(19)

(18)

а также из уравнений (10), (11), (13).

где

при условии, что известны значения / и TW/T Нетрудно видеть, что рассматриваемая задача сравнительно легко решается с помощью метода интеграции: задавая начальные значения / и TW/T0, определив в первом приближении необходимые параметры пограничного слоя, можно решить уравнения (18) и (19) относительно 5/4 и ( / )9/7 и указанный процесс можно продолжать до полной сходимости. Однако во время появления методики Д. Бартца в США еще не получили широкого распространения быстродействующие вычислительные машины, что явилось основной причиной стремления исследователей к уменьшению трудоемкости вычислительных работ. При этом и Д. Бартц и М. Сибулкин, пытаясь уменьшить трудоемкость вычислений, принимали дополнительные допущения, ухудшавшие точность результатов расчета. Так, например, Д. Бартц предлагал ограничить итерационный процесс по всего лишь первым приближением, принимая при вычислении параметров пограничного слоя / = 1.

Уравнения (18) и (19) можно было решить относительно ( / ) 9/7 и 5/4 соответственно при условии, что известны значения параметров пограничного слоя / , */ , ; указанные параметры, в свою очередь, могли быть определены из выражений (10), (11), (13) и выражения

Определив таким образом параметры пограничного слоя, М. Сибулкин из уравнения (15) с учетом (16) находил коэффициент теплоотдачи. Однако при этом, принимая во внимание то обстоятельство, что в (15) входит в явном виде величина *, М. Сибулкин предполагал при вычислении использовать текущее значение плотности, т.е. получал решение для квазинесжимаемого потока.

Несколько по другому пути пошел М. Сибулкин, который решал систему уравнений (9), (12) с учетом (10), (11) и (13) при допущении, что = const, т.е. для случая несжимаемого потока. Это обстоятельство позволяло получить решение уравнения (9) независимо от уравнения (12) и определить таким образом . Далее из уравнения (12) достаточно просто находилось / .

В своей работе В.М. Иевлев предлагал принимать это отношение равным его максимальному значению для каждого конкретного двигателя, указав при этом способ его расчета для различных относительных температур стенки камеры. Это допущение и позволило решить уравнения пограничного слоя.

Совершенно очевидно, что В.М. Иевлев должен был также найти выход из указанного затруднения, так как в его выражение для коэффициента теплоотдачи входили неизвестные параметры Z и ZT. Эти параметры следовало найти из решения интегральных соотношений импульсов и энергии. Однако ученый заметил, что параметр Z/ZT слабо изменяется вдоль обтекаемого контура двигателя и, следовательно, при решении уравнений пограничного слоя можно считать Z/ZT = const, равной некоторому максимальному значению.

Свою методику В.М. Иевлев свел к достаточно простым расчетным соотношениям, необходимость в которых быстро поняли и американские специалисты. Расчеты, проведенные по их методикам, наглядно показали, что преобладающим фактором, влияющим на коэффициент теплоотдачи от продуктов сгорания в стенку ракетного двигателя, является массовая скорость, т.е. ~( U) m, и что изменение в некоторых пределах толщин теплового и динамического пограничных слоев оказывает более слабое влияние на теплоотдачу. Это обстоятельство навело ученых на мысль о возможности получения простой расчетной формулы в виде зависимости числа Нуссельта от чисел Рейнольдса и Прандтля в виде (4).

Условия течения потока: р0=2МПа; T0=2500°С; Ср=1,07 кДж/кг•град К; Pr=0,83; =64•10-6 Пас; k=0.5" Рис. 3 Конфигурация сопла, принятого Бартцем за эталон Условия течения потока: р0=2МПа; T0=2500°С; Ср=1,07 кДж/кг•град К; Pr=0,83; =64•10-6 Пас; k=0.5

Окончательное уравнение для определения коэффициента теплоотдачи имело вид [116, с. 51]

Коэффициент пропорциональности А в этой формуле находился из сравнения результатов расчетов по формуле (6) с результатами расчетов по методике Бартца, изложенной выше.

Нетрудно видеть, что коэффициент пропорциональности А=0,026 имеет близкое значение к тому, которое обычно использовалось для расчета коэффициента теплоотдачи для движущегося по трубе турбулентного потока (см., например, выражения (5), (6), (7)).

(20)

Кроме указанных на рассматриваемом этапе, была разработана также методика Майера, которая предназначалась для расчета коэффициента конвективной теплоотдачи для сопел сложной конфигурации [205]. Однако с методической точки зрения она не представляет интереса и поэтому здесь рассматриваться не будет. В 1963 г. в работе [153] была представлена усовершенствованная . Ее основные отличия от его предыдущей методики [114] заключались в следующем:

Следует отметить, что коэффициент пропорциональности А в формуле (20) был получен для конкретного двигателя и конкретных условий течения газа (рис. 39) и при отклонении расчетной схемы сопла от эталонной (т.е. от принятой Бартцем для нахождения А) величина этого коэффициента должна, вообще говоря, изменяться.

При вычислении значения коэффициента поверхностного трения в качестве характерного размера вместо толщины скоростного пограничного слоя бралась толщина потери импульса.

Формула Блазиуса для коэффициента поверхностного трения (17) была заменена соотношением, полученным Коулом, которое давало лучшее соответствие экспериментальным результатам при высоких числах Рейнольдса и Маха:

Число Маха на внешней границе пограничного слоя бралось в качестве дополнительного параметра, который задавался вместо степени расширения сопла, что облегчало анализ для случая колоколообразных сопел и сопел с центральным телом.

При вычислении числа Стантона вместо толщины скоростного пограничного слоя с поправкой на толщину теплового пограничного слоя бралась толщина потери импульса с поправкой на толщину потери энергии, т.е. вместо (15) принималось

Указанная методика Бартца [153] в настоящее время весьма широко применяется в США и в некоторых других странах для расчетов коэффициентов конвективной теплоотдачи в ЖРД.

Решение интегральных уравнений количества движения и сохранения энергии проводилось методом интеграции до полной сходимости, а не ограничивалось только первым приближением, как это было предусмотрено методикой [114].

Большой вклад в решение этого вопроса внесли советские ученые B.C. Авдуевский, В.М. Иевлев, Л.Е. Калихман, С.С. Кутателадзе, А.И. Леонтьев, М.Ф. Широков и др.; привлекает он пристальное внимание и американских ученых (см., например, [111, 129, 141, 144, 166, 199, 270]).

Исследования различных аспектов турбулентных пограничных слоев, типичных для ЖРД, в настоящее время выделились фактически в отдельное научное направление.

Первая методика расчета лучистого теплового потока с максимальным учетом особенностей процессов, протекающих в камерах ЖРД, была разработана советским ученым Л.Ф. Фроловым в 1955 г. Ученому удалось провести серию уникальных опытов по измерению лучистого потока газов, обобщить полученные результаты и предложить соответствующую графоаналитическую и теоретическую информацию, позволяющую производить соответствующие расчеты. Отличительной особенностью этой методики было то, что она учитывала особенности излучения газов при температурах и давлениях, характерных для продуктов сгорания ЖРД. Ученый, в частности, показал, что излучение водяного пара с увеличением плотности растет, но лишь до некоторого предела (до значения удельного веса, примерно равного 1 кг/м3), после которого дальнейшее увеличение плотности практически не сопровождается увеличением излучательной способности водяного пара (коэффициент излучения углекислого газа слабо зависит от плотности).

Появление обоснованных методов расчета конвективного теплового потока в ЖРД создало предпосылки для создания методик расчета лучистого потока. Действительно, точное значение величины конвективного теплового потока, поступающего в стенку камеры, позволяло по известной величине суммарного потока найти значение лучистого потока.

Еще в 1936 г. немецкий ученый М. Якоб прочитал в Калифорнийском технологическом институте цикл лекций о теплопередаче при кипении, которые в том же году были опубликованы в одном из американских журналов [185]. Однако, по-видимому, американские ученые не увидели в сообщении Якоба информации, ценной для практики, и изучение этого процесса почти не проводилось до тех пор, пока не появился «социальный заказ» со стороны разработчиков ракетных двигателей (а также специалистов по атомной энергетике).

В настоящее время методика Л.Ф. Фролова широко известна у нас в стране, она вошла в современные учебники по ЖРД (см., например, [12, с. 391]). В50-е гг. в США такой методики, по-видимому, вообще не было. Развитие указанных исследований процессов внутреннего охлаждения и передачи тепла от продуктов сгорания к стенке двигателя является типичным примером того, как под влиянием потребностей практики появляются сначала прикладные, а затем и фундаментальные научные исследования. Однако такая форма изменения связи науки и техники не единственная. Глубже понять сущность этой связи мы попытаемся на примере исследований в области внешнего регенеративного охлаждения.

Однако в ходе этих фундаментальных исследований не удавалось получить общие соотношения для теплообмена между кипящей жидкостью и поверхностью нагревателя. Кроме того, процесс кипения наряду с особенностями, общими для всех жидкостей, имел и некоторые частные особенности, присущие только одной или нескольким из них (появление осадков на стенке, разложение хладагента и т.д.). Поэтому в целях получения результатов, необходимых для проектирования регенеративной системы охлаждения ЖРД, проводились прикладные исследования, направленные на изучение процесса теплоотдачи при кипении отдельных компонентов топлив. Например, в работе [119] приводились эмпирические формулы для расчета теплового потока при пузырьковом кипении горючих JP-3 и JP- Изучение особенностей теплоотдачи при кипении в 50-е гг. стало неотъемлемой задачей при исследовании охлаждающих свойств различных компонентов и было проведено практически для всех видов известных в то время топлив [115, 246]. Вместе с тем практическое использование в ЖРД метода интенсификации теплоотдачи за счет доведения хладагента до пузырькового кипения натолкнулось на определенные трудности, и до сих пор не известно ни одного случая, когда этот метод использовался бы на двигателях США (или других стран), работавших на высококипящем топливе.

По свидетельству Г. Саттона, в 40-е гг. в США появился интерес к использованию в ЖРД метода интенсификации теплоотдачи от стенки к хладагенту путем доведения последнего до пузырькового кипения [266, с. 305]. Это обстоятельство закономерно привело к необходимости проведения соответствующих научных исследований. В результате появилось весьма много работ, посвященных анализу различных аспектов этого процесса. Так, например, делалась попытка понять особенности зарождения и роста пузырьков пара [155, 217, 239, 241], причины увеличения теплоотдачи при пузырьковом кипении, особенности теплоотдачи при кипении при повышенном давлении [158], анализировался вопрос об изменении коэффициента поверхностного трения при доведении жидкости до пузырькового кипения [242] и т.д.

Однако наиболее интенсивные исследования теплоотдачи (и трения) в шероховатых трубах начались со второй половины 50-х гг. (и широко проводились в 60-е гг.), когда все четче вырисовывается «социальный заказ» со стороны специалистов по ЖРД на изучение этого вопроса. В результате появились работы [119, 148, 173, 222, 257] и др., создававшие предпосылки для практического использования метода интенсификации теплоотдачи за счет создания на стенках охлаждающего тракта определенной степени шероховатости.

Еще в начале 30-х гг. в работе [218] были опубликованы результаты экспериментов Никурадзе по изучению влияния шероховатости на распределение скоростей в пограничном слое. Этот вопрос в дальнейшем исследовался и другими учеными, но лишь постольку, поскольку это явление необходимо было учитывать для получения корректных результатов по исследованию динамических пограничных слоев в гладких трубах. В 1945 г. в работе [136] появилось сообщение о результатах (по-видимому, первых) экспериментальных исследований влияния шероховатости на теплоообмен.

Приведенные примеры наглядно показывают существование второй формы связи между наукой и техникой, характеризующейся появлением сначала фундаментальных исследований, развивавшихся первоначально независимо от потребностей ракетного двигателе строения, а затем прикладных исследований, появлявшихся под влиянием прямых запросов со стороны разработчиков двигателей.

В начале 60-х гг. были проведены исследования процесса теплоотдачи в криволинейных охлаждающих трактах. В работе [248] было, в частности, показано, что коэффициент теплоотдачи может увеличиться примерно на 50% при наличии соответствующей кривизны тракта по сравнению с коэффициентом теплоотдачи в прямом тракте. В дальнейшем были проведены и прикладные исследования указанного вопроса, направленные на практическую реализацию этого эффекта в ЖРД.

Таким образом, в середине 50-х гг. специалистами по теплопередаче в ЖРД были разработаны основы расчетов охлаждения камер двигателей, причем в решении этого вопроса советские ученые занимали лидирующее положение в мире.

Следует отметить, что появившиеся прикладные исследования, «обнажая» сущность задач, решение которых должно было проводиться в ходе исследований фундаментальных, в свою очередь оказывали тем самым заметное влияние на развитие последних. Другими словами, связь естественной науки (в данном случае — теплопередачи) с техникой (в данном случае — ЖРД) на рассматриваемом этапе начала носить тесный двухсторонний характер: с одной стороны, наука влияла на развитие техники, а с другой стороны, техника влияла на развитие науки, причем в обоих случаях это влияние осуществлялось через прикладные исследования.





Далее:
Полёты собак на геофизических ракетах.
Глава II. Метательные машины, действующие благодаря упругости.
Оберт Г. «Пути осуществления космических полетов».
ПРИДЕТСЯ СТРОИТЬ В КОСМОСЕ.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.
Полёты собак на геофизических ракетах.
АЭРОПЛАН.
ВИБРАЦИИ И ШУМ.
Ю.Кондратюк «Завоевание межпланетных пространств».


Главная страница >  Хронология