«Цикл с фазовым переходом» (ЦФП, англ. Expander cycle) — безгенераторная схема работы жидкостного ракетного двигателя (ЖРД), которая предназначена для увеличения эффективности топливного цикла. При схеме ЦФП топливо нагревается до его сжигания, обычно используя ту часть теряемого тепла главной камеры сжигания, которое идет на обогрев стенок камеры и претерпевает фазовый переход. Полученная за счет превращения топлива в газ разность давления используется для подачи топливных компонентов, сохранения давления в камере сгорания и создания тяги.
Содержание |
По мере того, как жидкое топливо проходит в охлаждающих трубках в стенах, оно претерпевает фазовый переход в газовое состояние с увеличением давления. Топливо в газообразном состоянии расширяется через турбину, используя разность давления между давлением его подачи и давлением после прохода охлаждающего контура для начала вращения турбонасоса. Это может обеспечить улучшенные стартовые характеристики, что использовано в ЖРД RL-10 (Пратт & Витни). Увеличенное давление из-за перехода топлива в газообразное состояние используется для привода турбины, которая в свою очередь приводит в действие топливный и окислительный насосы, увеличивая давления топлива и окислителя при поступлении в камеру сгорания. Топливо поступает в камеру после прохода турбины, где вместе с окислителем сгорает, порождая реактивную тягу для космического аппарата.
Некоторые двигатели с циклом фазового перехода могут использовать газогенератор для начала работы турбины двигателя до тех пор, пока поступление тепла из камеры сгорания и оболочки сопла не станет достаточным для поддержания работы двигателя.
В силу необходимости фазового перехода топлива, данный тип цикла работы ЖРД ограничен количеством «паразитного» тепла, выдяляемого двигателем во время работы, которое в общем случае ограничивает мощность двигателя, использующего данную схему в неизменном виде. При использовании сопла обычной формы, его поверхности недостаточно для прогрева достаточного количества топлива, которое бы могло привести в действие турбины и, как следствие, топливных насосов. Для двигателей с соплом в виде колокола, максимальная тяга, которую может обеспечить цикл фазового перехода, составляет 31 тс (300 кН). Более высокие уровни тяги могут быть достигнуты, используя данный цикл частично, в котором часть топлива проходит мимо системы фазового преобразования (охлаждения) с турбиной и направляется прямо к камере сгорания. Бо́льший диапазон использования этой схемы ЖРД позволяют альтернативные сопла конической формы. В данном случае выхлопная струя двигателя эффективно сжимается в более узкий поток вокруг центрального клинообразного выступа (англ. Aerospike), который может обеспечить бо́льшее количество паразитного тепла и поэтому бо́льшую тягу с использованием цикла фазового перехода в неизменном виде. Также должны использоваться криогенные виды топлива, такие как жидкий водород, метан или пропан, для которых могут быть легко достигнуты точка кипения и смена агрегатного состояния на газообразное.
В «открытом» цикле, или «продуваемом» цикле с фазовым переходом, только часть топлива нагревается для управления турбиной после чего сбрасывается для увеличения эффективности генератора. В данном случае увеличение мощности турбины приводит к уменьшению эффективности двигателя (ме́ньшему удельному импульсу). Закрытый цикл использует генераторный газ — в данном случае топливо — в камере сгорания (см. рисунок).
В этом модифицированном цикле, вместо того, чтобы использовать нагретое «генераторное» горючее в камере сгорания, оно сбрасывается, что позволяет максимизировать мощность топливных насосов, используя в турбине бо́льшую разницу в давлении. При этом используется небольшая часть топлива. Такая схема позволяет увеличить тягу двигателя путем уменьшения его эффективности. Однако в ряде случаев — так, как например в случае с японским ЖРД LE-5A/B — потери в эффективности не так значимы по сравнению с увеличением тяги.
Схема ЖРД с циклом фазового перехода имеет множество преимуществ по сравнению с другими:
Примерами ЖРД с циклом фазового перехода являются RL-10 и RL-60, Пратт & Витни[1] и планируемый ЖРД Винчи на РН «Ариан 5 ESC-B» [2]
Известные примеры использования схемы ЖРД с циклом фазового перехода:
ЖРД с циклом фазового перехода использовались или планируется использовать в:
