«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 сгорания, 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 .

Принцип работы

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.

Применимость

В силу необходимости фазового перехода топлива, данный тип цикла работы ЖРД ограничен количеством «паразитного» тепла, выделяемого двигателем во время работы, которое в общем случае ограничивает мощность двигателя, использующего данную схему в неизменном виде. При использовании сопла обычной ^{[ какой? ]} формы, его поверхности недостаточно для прогрева достаточного количества топлива, которое бы могло привести в действие турбины и, как следствие, топливных насосов. Для двигателей с профилированным 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 .

Безгазогенераторная схема с фазовым переходом и схема с дожиганием генераторного газа имеют одинаковую эффективность при тяге около 9,1 тс, в случае меньшей тяги по энергомассовым характеристикам предпочтительнее первая схема, а большей — вторая .

Продуваемый цикл с фазовым переходом ( Открытый цикл )

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 путём уменьшения его эффективности. Однако в ряде случаев — так, как например в случае с японским ЖРД — потери в эффективности не так значимы по сравнению с увеличением тяги.

Преимущества

Схема ЖРД с циклом фазового перехода имеет множество преимуществ по сравнению с другими:

• Низкая температура. Преимущество в том, что после того как топливо стало газообразным, его температура находится вблизи обычных комнатных температур и наносит очень мало вреда турбине, позволяя повторное использование двигателя. В других схемах, таких как открытый цикл или закрытый цикл , турбина функционирует при высоких температурах.
• Живучесть. Во время разработки двигателя RL-10B-2 инженеры беспокоились, что отслоение изоляции внутри топливного бака может вызвать повреждение двигателя. Они проверили это, поместив куски изоляции в бак и пропустили через двигатель. Это не вызвало проблем при работе двигателя RL-10 и не вызвало уменьшения тяги. Обычные газовые генераторы представляют из себя миниатюрные ракетные двигатели, что подразумевает их сложное устройство. Даже незначительное блокирование газогенерирующей части посторонним предметом может привести к появлению горячей области, которая может быть причиной взрыва. Использованне данной схемы более терпимо к загрязнениям из-за более широких каналов циркулирования горючего.
• Системно-обусловленная безопасность. По причине того, что ЖРД с циклом фазового перехода обладают ограничением по тяге, режим максимальной тяги легко проектируется и реализуется. В других типах двигателей, проблема с заклиненным клапаном или любая похожая проблема могут привести к неуправляемому росту тяги и неконтролируемому развитию ситуации в целом. Для того чтобы этого избежать, требуется сложная механическая и электронная система управления. ЖРД с циклом фазового перехода не способны на неисправное функционирование такого рода.

Примерами ЖРД с циклом фазового перехода являются RL-10 и , Пратт & Витни и планируемый ЖРД на РН « Ариан 5 ESC-B »

Использование

Известные примеры использования схемы ЖРД с циклом фазового перехода:

• RL-10 , Пратт & Витни
• , Пратт & Витни
• , ЕКА
• A/B, JAXA
• РД-0146 , Конструкторское бюро химавтоматики

ЖРД с циклом фазового перехода использовались или планируется использовать в:

• разгонном блоке « Центавр » ;
• планируемой одноступенчатой (неопр.) . 29 марта 2012 года. ;
• планируется на второй ступени РН « Ариан 5 »;
• РН « Сатурн I »;
• РН « H-IIA ».

Сравнение с аналогами

	RL-10			РД-0146
Страна	США	Франция	Китай	Россия	Япония	Япония
Цикл	С фазовым переходом	С фазовым переходом	С фазовым переходом	С фазовым переходом	С фазовым переходом (в сопле), открытый	С фазовым переходом (в КС), открытый
Тяга в вакууме, кН	66,7	180	88,26	98,1	121,5	137,2
Соотношение компонентов		5.8:1	6:1	6:1	5:1	5:1
Расширение сопла	40		80		130	110
I sp (вак.)	433	465	442	463	452	447
Давление в КС, МПа	2,35	6,1		7,74	3,98	3,58
Скорость вращения насоса H 2 , об/мин.				125'000	51'000	52'000
Скорость вращения насоса O 2 , об/мин.					17'000	18'000
Высота, м	1,73	2,2–4,2		2,2	2,69	2,79
Масса, кг	135	280		242	248	285

См. также

• ЖРД открытого цикла
• ЖРД закрытого цикла
• Жидкостный ракетный двигатель

Примечания

Ссылки