Газодинамика струй, охлаждаемых водой

Охлаждение высокотемпературных струй двигательной установки водой является эффективным способом снижения тепловых нагрузок на газоотводящие устройства. Так, при смешении единицы веса продуктов сгорания смеси топлива "керосин + кислород" с 1,5 единицами воды температура смеси будет ниже температуры плавления стали облицовки отражательного экрана.

Вначале этот способ применялся на огневых стендах, отражатели которых при испытаниях двигательной установки подвергаются интенсивному и длительному (несколько минут) тепловому и силовому воздействию струй двигательной установки.

На старте охлаждение газовых струй водой стало использоваться при увеличении длительности теплового воздействия за счет увеличения диаметра сопел (для "Сатурн-5" ), суммарной тяги двигательной установки и температуры сгорания топлив ("Спейс шаттл", "Сатурн-5", "Энергия", "Зенит"). Благодаря применению ввода воды в струи двигательной установки ракеты-носителя "Зенит" стало возможно создать пусковую установку с минимальными интервалами между пусками без проведения ремонтно-восстановительных работ.

Вода вводится в струи либо патрубками, размещаемыми в струе под срезом сопел (под углом к струе), либо направляется струйными жиклерами под давлением порядка перпендикулярно к газовой струе.

При смешении газов с водой происходит не только снижение их температуры, но и существенное изменение газодинамических параметров струи. В результате достигается снижение всего комплекса нагрузок на пусковую установку и ракету-носитель: ударно-волновых, газодинамических, тепловых и акустических.

Эффект изменения газодинамических параметров наиболее наглядно выявляется на основе методики расчета по осредненным параметрам, аналогично вышеизложенной для сухой струи. Ввод в струю патрубков вызывает волновые потери и потери импульса на сопротивление, которые зависят от места расположения патрубка, угла и относительной площади патрубка в сечении струи. Сила сопротивления будет наибольшей в узких сечениях струи и наименьшей в широких. Коэффициент потери импульса.

Струя после взаимодействия с патрубками увеличивается в сечении, интенсивность волновых процессов в струе падает. Эту струю в дальнейшем будем называть вторичной. При значительной площади патрубков () после них наблюдается безударное течение. Формирование вторичной (новой) струи происходит на длине примерно 0,4 "бочки" волновой структуры от среза патрубков. Принимается, что вводимая в струю вода перемешивается и испаряется на длине примерно ; течение считается одномерным.

При смешении с водой, помимо падения температуры, происходит падение полного давления и возрастание энтропии, статическое давление приближается к атмосферному. Уменьшается удельное силовое воздействие и снижается коэффициент теплопередачи.

Газовые постоянные смеси , определяются аддитивно, исходя из относительного расхода воды .

Кроме того, при составлении алгоритмов газодинамического расчета принимаются следующие допущения:

не учитывается подмешивание воздуха;

применяется уравнение состояния для идеального газа, диссоциация не учитывается ().