«Завоевание межпланетных пространств»08

ГЛАВА IV

ПРОЦЕСС СГОРАНИЯ, КОНСТРУКЦИЯ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ И СОПЛА

Весьма существенным является вопрос о температурах в камере сгорания и сопле. Если бы полное соединение компонентов топлива могло произойти сразу, то в камере сгорания температура должна была подняться до

Т = 208 Qm, (5) где Q к кал/г — средняя теплотворная способность грамма соединения, а m — средний молекулярный вес продуктов сгорания, если считать их газообразными. При твердых или жидких продуктах температура должна была бы быть и еще выше. Происходящая при высоких температурах диссоциация молекул не даст, однако, пройти химической реакции сразу полностью; при некоторой температуре (выше 3000°) для всех реакций наступит химическое равновесие, после чего дальнейшее их течение возможно будет лишь по мере потери тепла газами при их расширении в сопле. Таким образом тепловая энергия реакций будет реализоваться первоначально не адиабатическим процессом, а процессом, более близким к изотермическому. Адиабатический процесс наступит, когда газы, расширяясь в сопле, потеряют столько тепла, что реакции смогут пройти до конца, не поднимая температуры смеси до температуры значительной диссоциации ее компонентов. Для конструкции ракеты эти явления имеют следующее значение: для реализации того же количества теплоты соединений при постепенном сгорании мы должны иметь большее отношение конечного объема газов к начальному, т. е. больших размеров сопло. С другой стороны, в камере сгорания и в начале сопла мы будем иметь меньшую температуру, чем та, какая была бы при полном сгорании в камере. Из формулы (5) видно, что, задавшись по конструктивным соображениям некоторой предельной температурой в камере сгорания, мы получим значительно более полное первоначальное сгорание и меньшую длину процесса догорания для соединений с меньшим молекулярным весом. С этой точки зрения наиболее удобными являются группы с Н₂, СН₄, C₂H₂, нефтью и Li, несколько менее SiH₄, BH₃ и наименее удобными чисто металлические группы Si, Mg, борная и особенно — алюминиевая.

Конструировать камеру сгорания и сопло придется следующим образом: те поверхности, которые будут подвержены действию температур более высоких, чем может выдержать самый огнеупорный материал, нужно сделать металлическими (медными или из одного из тугоплавких металлов, как хром или ванадий) и подвергнуть интенсивному охлаждению снаружи жидкими газами, подающимися в камеру сгорания. Произвести расчет этого охлаждения до соответствующих экспериментов относительно количества тепла, какое будут получать поверхности камеры лучеиспусканием и теплопроводностью горящей смеси, не представляется возможным. Остальные поверхности можно облицевать изнутри достаточно огнеупорными материалами, по возможности изолировав их от наружной конструкции, которой можно дать, в случае надобности, умеренное охлаждение. Если окажется неудобным или невозможным доводить температуру в камере сгорания и в начале сопла до той, при которой происходит уже значительная диссоциация компонентой продуктов сгорания, мы можем искусственно поддерживать ее на некотором заданном уровне, подавая один из компонентов топлива (металлы или кислород), не сразу все в камеру сгорания, а только часть, остальное же его количество подводить в разных местах сопла по мере потери тепла первоначально заданной смесью.