Szórófej

A fúvóka ( hajtó fúvóka az Űrhajózási területen ) egy változó keresztmetszetű csatorna a motor hátsó részén, amely forró égési gázokat termel , amelyek hőenergiáját mozgási energiává alakítják . E cél elérése érdekében és a megvalósítás összefüggéseitől függően egy fúvóka lehet konvergens, divergens, vagy tartalmazhat konvergáló szakaszt és egy másik divergens ( Laval fúvóka ). Különösen vannak fúvókák a hátsó hajtóművek felszerelésére repülőgépek és rakétamotorokhoz hajtott rakéták és hordozórakéták .

Működés elve

A fúvóka célja, hogy növelje a rajta áthaladó folyadék mozgási energiáját, vagyis sebességét a belső energiájának, vagyis a hőmérsékletének átalakításával.

A fúvóka működési elve a gázok tulajdonságain alapul, amikor azok szubszonikus és szuperszonikus sebességgel keringenek. Amikor egy gáz szubszonikus sebességgel áramlik egy szűkülő átmérőjű csövön, annak sebessége növekszik. A gáz sebessége azonban nem haladhatja meg a hang sebességét (Mach 1). Valójában egy szuperszonikus áramlási üzemmódban (a hangsebességnél nagyobb sebességnél) a gáz viselkedése megfordul: a sebesség növekedéséhez a cső átmérőjének meg kell növekednie. Ez a gázviselkedés a Hugoniot-egyenlet által leírt gázgyorsulás elvén alapul  :

S a csatorna keresztmetszetének területe, v sebesség és M Mach szám

Egy fúvóka lehet konvergens, divergens vagy mind konvergens, mind divergens:

A Laval fúvóka tokja

A Laval fúvóka lehetővé teszi a gázok szubszonikus sebességről szuperszonikus sebességre történő felgyorsítását a fent leírt két hatás kombinálásával. A gázokat a Mach 1-re gyorsítják a fúvóka konvergáló szakaszában, majd a Mach 1 fölé gyorsítják a szétválasztó szakaszban. A Laval fúvókának ezért három részegysége van:

Kibocsátott gázok sebessége: rakétamotor esete

Minél nagyobb a kibocsátott gázok sebessége, annál hatékonyabban alakul át a belső energia mozgási energiává. Rakétamotor esetén a gázokat nagynyomású körülmények között hajtóanyagok elégetése adja. A kilépő gázok sebességét a következő egyenlet segítségével számítják ki:

val vel:  
= A gázok sebessége a fúvóka kimeneténél m / s-ban
Hőmérséklet a fúvóka bemeneténél
Az ideális gázok univerzális állandója
=  A gáz molekulatömege kg / kmol-ban
=  = Adiabatikus együttható
A gáz hőkapacitása állandó nyomáson
= Állandó térfogatú gáz hőkapacitása
=  Gáz nyomás a fúvóka kiömlőnyílásán
= Gáznyomás a fúvóka bemeneténél

Az így kapott sebesség három paraméter segítségével optimalizálható:

Példák

Ezen paraméterek közül csak a fúvóka jellemzőitől függ a nyomásarány. Illusztrálhatjuk annak hatását, ha egy motor oxigén / hidrogén keveréket éget 115 bar belső nyomással ( az Ariane 5 Vulcain 2 motorjának esete ): a = 1,2 esetén a gázsebesség körülbelül 14% -kal csökken, ha a a kimeneti nyomás 1 bar helyett 5 bar.

A gyakorlatban az égett gázok sebessége a következő tartományokba esik:

A kilökési sebesség különbségei kapcsolódnak a hajtóanyagok megválasztásához (többé-kevésbé exoterm kémiai reakciók és ezért többé-kevésbé magas hőmérsékletek), az égéstérben lévő nyomáshoz, a választott égési ciklushoz (kisebb-nagyobb veszteség) és a hosszhoz. a divergáló rész (optimális gázterjedés).

A fúvókák alkalmazási területei

A fúvókák többféle alkalmazást találnak:

Rakétamotor fúvóka

A rakétamotor fúvókájának szerepe és működése

A rakétamotor az a meghajtórendszer, amelyet a rakéták hiperszonikus sebességre gyorsítanak fel, miközben vákuumban működhetnek, vagyis anélkül, hogy az oxidálószert ki kellene szívniuk a légkörből. A fedélzeten tárolt hajtóanyagok égéstérben égnek, és a keletkező gázokat egy Laval fúvóka gyorsítja fel . Olyan tolóerőt hoznak létre, amely a lendület megőrzésének törvényével összhangban növeli a rakéta sebességét . A fúvóka központi szerepet játszik ennek a meghajtásnak a hatékonyságában azáltal, hogy az égésből származó hőenergiát és gáznyomást mozgási energiává alakítja . A gázokat 2000–4000 m / s sebességgel dobják ki, miközben a hőmérséklet és a nyomás az égéstér és a fúvóka szétnyíló részének kimenete között hirtelen csökken.

Alkalmazott fúvóka: a kompromisszumok

Ahhoz, hogy egy rakétamotor fúvókája optimálisan hozzájáruljon a gázgyorsuláshoz ( megfelelő fúvóka ), hosszát hozzá kell igazítani a külső környezet nyomásához. Minél hosszabb a fúvóka, annál alacsonyabb a nyomás a kimeneten. A hordozórakéták felső szakaszait meghajtó motorok különálló részeinek különösen hosszúaknak kell lenniük, mivel a külső nyomás majdnem nulla, és a talaj szintjén a fúvókának rövidebbnek kell lennie, hogy ne kerüljön a gázok elégtelen tágulására. A fúvóka hossza az indítószerkezet megnyúlásához és ennélfogva nehezebb szerkezethez vezet, ami káros az általános teljesítményre. A külső környezet nyomása repülés közben gyorsan változik, ezért a fúvókák hossza kompromisszumot jelent a lehető legjobb hatékonyság elérése érdekében.

Divergens forma

A divergens alakjának olyannak kell lennie, hogy fala összeolvadjon a kilépő gázok áramlásának jelenlegi vonalával. Ezt a profilt általában Euler-egyenletek megoldásával számolják , különösen a jellegzetes módszer alkalmazásával . A plazmasugarak területén alkalmazott fúvókák esetében a hőmérséklet és ezért a nagyon magas viszkozitás megköveteli a Navier-Stokes egyenletek felbontását . Az optimális profil egy kúp profilja, amelynek félszöge a 15 ° tetején van. Az elválasztó rész hosszának lerövidítése és ezáltal az indítószerkezet hosszának és ezáltal tömegének csökkentése érdekében két megoldást valósítunk meg:

Az elválasztó rész hosszának csökkentésének másik módja az egyetlen égéstérhez tartozó fúvókák számának megszorozása. Számos szovjet / orosz folyékony hajtóanyagú rakétamotor használja ezt a technikát, köztük az RD-171, amely 4 fúvókával rendelkezik. Az egyes fúvókák áramlási sebessége a teljes áramlási sebesség egynegyede, a torok mérete csökken, következésképpen az elválasztó rész átmérője és hossza csökken. A hossznövekedést 30% -ban értékelik, cserébe nagyobb komplexitás és kétségtelenül nagyobb tömeg, mint egyetlen fúvóka konfiguráció.

A fúvóka hűtése

Az égési gázok elhagyó égéskamra van egy nagyon magas hőmérsékletű. A rakétamotor fúvókáinak esetében, amelyek nagyon magas hőmérsékleten ( 3000  ° C körül ) működnek, biztosítani kell a fúvóka falainak hűtésére szolgáló eljárást, mivel egyetlen ötvözet sem képes elviselni a magas hőmérsékletet, valamint a nagy hőterhelést. A fúvóka nyakánál a hőcserék a legintenzívebbek, míg az elválasztó rész végén a leghidegebb gázok keringenek. Számos hűtési technikát alkalmaznak:

A különböző rakétamotoroknál alkalmazott divergens hűtési technikák összehasonlítása
Rakétamotor típus Tolóerő Geometria Divergens szakasz Divergens anyag Hűtéstechnika
Vinci A felső szakasz hajtása Szakaszarány: 240
szétálló magasság 3,2  m
kimeneti átmérő: 2,2  m
Felső rész Réz és nikkelötvözet Folyékony hidrogén cirkuláció kettős falon
Alsó rész Szén kompozit Passzív sugárhűtés ( 1800  Kelvin)
Vulcan 2 Az első szakasz hajtása Szakaszarány: 58
eltérõ magasság 2,3  m
kimeneti átmérõ: 2,1  m
Felső rész Nikkelötvözet Hidrogén cirkuláció kettős falon
Alsó rész Nikkelötvözet Gázturbina kipufogógázaiból és a hűtőrendszerből származó hidrogénből álló gáznemű film

Szilárd hajtóanyagú rakétamotorok esete

A szilárd hajtóanyag tolóerő , a torok rész szabályozza az égés a „szilárd tüzelőanyag” blokk. A fúvóka nyakának elég szélesnek kell lennie ahhoz, hogy az égési gázok kiszabadulhassanak a tolóerőből, de elég keskenynek, hogy a hajtóanyag egyetlen robbanás során ne égjen el.

A tolóerő orientációs rendszere

Az orientálható fúvóka egy vagy két tengely körül csuklós fúvóka, amely lehetővé teszi a tolóerő irányának módosítását .

Fúvóka típusa

Kihúzható divergens fúvóka

A legfelső színvonalú rakétamotorok nagyon hosszú fúvókákat igényelnek, mivel vákuumban működnek. Annak a szerkezeti tömegnek a korlátozása érdekében, amelyet egy nagyon hosszú fúvóka jelentene, bizonyos motorok, például az RL-10 B-2, amely a Delta IV hordozórakéta második fokozatát hajtja, tartalmaznak egy nyújtható divergenst, amelyet csak akkor hajtanak végre teljesen, ha az alsó fokozat már be van állítva. csökkent.

Külső áramlási fúvóka / központi test (pl. Aerospike)

A külső áramlású vagy központi testű fúvóka automatikusan alkalmazkodik a repülés során tapasztalt nyomásváltozáshoz, miközben kis lábnyoma van. Különböző geometriákat teszteltek:

  • Nem csonka gyűrű alakú fúvóka
  • Többfordulatú fúvóka csonka központi testtel
  • Lineáris többfúvóka csonka központi testtel, mint az aerospike

A koncepciót prototípusokon tesztelték, de még soha nem alkalmazták operatív hordozórakétán, az aerospike fúvókákra jellemző sajátos problémák és különösen a hűtési problémák és azok összetettsége miatt (gyűrűs vagy elosztott égéstér).

Dupla ívű fúvóka

A kettős ívű fúvókának egymás után két különböző profilja van a nyaktól a szétnyíló rész kimenetéig. A második rész lemorzsolódással kezdődik. Ennek a fúvókatípusnak lehetővé kell tennie az első lépcsős rakétamotor működésének kezdete és vége közötti változásának alkalmazkodását. Kis magasságban csak a fúvóka felső részét használják, míg ha a külső nyomás nagymértékben csökken, akkor az összes eltérő rész hozzájárul a gázáramlás csatornázásához. Ez a konfiguráció lehetővé teszi az áramlás önadaptációját mechanizmus nélkül, de oldalirányú terheléseket okoz a két áramlási rendszer közötti átmenet során.

Turbojet fúvóka

A turbó fúvókákat különböző körülmények között használják. Kétféle fúvóka létezik: a hajtógáz fúvóka, amely az égési gázok kibővítésére szolgál, és a fúvóka, amely a konvergens vagy divergens légbemenetet irányítja. A sugárhajtóműnek a következő jellemzői is vannak, amelyek befolyásolják a fúvókáinak kialakítását:

  • Számos motorfordulatszám vagy anélkül utáni - égés
  • Viszonylag alacsony tágulási sebesség
  • Másodlagos áram kilökése (hideg áram)
  • Lopakodó vadászrepülőknél el kell takarni a hőszigetelést
  • Egyes harci repülőgépeknél a hajtózsugár jelentős eltérése (irányítható fúvóka, függőleges felszállás)
  • Nagyon változó levegő beáramlási sebesség. A szuperszonikus sebességgel repülő repülőgépeknél a levegőt szubszonikus sebességre kell lassítani, mielőtt belépnének a sűrítő kamrába.

Hajtóanyag fúvóka

Általános esetben a fúvóka egyszerűen divergens.

  • Ha a turbó sugárhajtású repülőgépet hajt, amely nem haladja meg a hangsebességet, akkor az elválasztó részt egy kiálló kúp alkotja. Ez a rendszer önadaptív.
  • Ha a repülőgép utóégőt használ, akkor az átfolyás szabályozásához változtatható átmérőjű nyakot használnak.

Légbevezető

A turbó motor megfelelő működése érdekében a légáram sebességének a kompresszor belépő nyílásánál kb. 600  km / h- nak kell lennie (0,5 Mach). Ha a repülőgép e sebesség alatt repül, akkor a levegőbemenetnek konvergáló fúvókának kell lennie, ezen a sebességen túl a levegőbemenetnek divergens fúvókának kell lennie.

  • E különböző igényeknek megfelelő geometria megszerzéséhez mobil elemeket használnak: rámpával vagy központi testtel (egérrel) ellátott változó szakaszok módosítják a levegő beömlő profilját.
  • Amikor a repülőgép szuperszonikus sebességgel halad, a levegőbemenet geometriáját a Laval fúvókához kell igazítani. A bejövő légáramlást először egy konvergáló szakaszban lassítják, amíg el nem éri az 1 Mach-ot a nyakon, majd a lassulás egy divergens szakaszon folytatódik, amíg sebessége 0,5 Mach-ra nem csökken.
  • Amikor a repülőgép álló helyzetben van, a motor fordulatszámának növekedése természetesen a légáramok szétválásához és ezáltal a beszívás hatékonyságának csökkenéséhez vezet. Ennek a jelenségnek a korlátozása érdekében nyílások nyílnak a beömlő fúvóka oldalán, hogy további levegő juthasson be.

Megjegyzések és hivatkozások

  1. Richard Nakka 12. egyenlete.
  2. Robert Braeuning 1.22. Egyenlete.
  3. (a) George P Sutton és Oscar Biblarz, rakétahajtóművekhez Elements: egy bevezetés a mérnöki rakéták , New York / Brisbane stb, Wiley-Interscience ,1992, 6 th  ed. , 636  p. ( ISBN  0-471-52938-9 )
  4. D. Marty p.  110
  5. D. Marty p.  71-72
  6. John Gary Landry, "Nozzle Flow with Vibrational Nonequilibrium", NASA-CR-199948, 1995 jelentés [1]
  7. Sutton és Biblarz o.  75-85
  8. Philippe Reijasse (ONERA), "  A szuperszonikus fúvókák aerodinamikája  " ,2007. november 28, P.  46-48
  9. Luca Boccaletto, A fúvókák elválasztásának ellenőrzése. A TOC típusú fúvókák viselkedésének elemzése és egy új koncepció meghatározása: a BOCCAJET (tézisjelentés) ,2011, 327  o. ( ISBN  978-0-387-98190-1 , online olvasás ) , p.  11.
  10. Philippe Reijasse (ONERA), "  A szuperszonikus fúvókák aerodinamikája  " ,2007. november 28, P.  61-66
  11. Philippe Reijasse (ONERA), "  A szuperszonikus fúvókák aerodinamikája  " ,2007. november 28, P.  9.

Bibliográfia

Rakétamotorokra összpontosító könyvek
  • (in) George P Sutton és Oscar Biblarz, rakétahajtóművekhez Elements 8 th kiadás , Hoboken, NJ, Wiley ,2010, 768  p. ( ISBN  978-0-470-08024-5 , online olvasás )
  • en) George P Sutton, folyékony hajtóanyagú rakétamotorok története , Amerikai Repüléstechnikai és Űrhajózási Intézet,2006( ISBN  1-56347-649-5 )
  • en) NASA, folyékony rakétamotor fúvókák , NASA,1976. július( online olvasás )
Általános dolgozik a hordozórakéták működésén
  • Philippe Couillard, hordozórakéták és műholdak , Toulouse, Cépaduès,2005, 246  p. ( ISBN  2-85428-662-6 )
  • Daniel Marty, Űrrendszerek: tervezés és technológia , Párizs / Milánó / Barcelona, ​​Masson,1994, 336  p. ( ISBN  2-225-84460-7 )

Lásd is

Kapcsolódó cikkek

Külső linkek