회생 냉각(로켓리)

Regenerative cooling (rocketry)

회생 냉각로켓 엔진 설계의 맥락에서 추진체의 일부 또는 전부를 관이나 채널 또는 연소실이나 노즐 주위의 재킷을 통해 통과시켜 엔진을 냉각시키는 구성이다.추진체가 극저온성을 띠는 경우가 많기 때문에 효과적이다.그런 다음 가열된 추진체를 특수 가스 발생기에 주입하거나 주 연소실로 직접 주입한다.

역사

1857년빌헬름 지멘스는 재생 냉각의 개념을 도입했다.[1]1898년 5월 10일, 제임스 드워는 수소를 정적으로 액화시킨 최초의 사람이 되기 위해 재생 냉각을 이용했다.[2]재생 냉각의 개념은 1903년 콘스탄틴 츠올코프스키의 글에서도 언급되었다.[3]로버트 고다드는 1923년에 최초의 재생 냉각 엔진을 만들었지만 그 계획이 너무 복잡하다고 거절했다.[4]재생 냉각된 엔진은 1930년 이탈리아의 연구원 가에타노 아르투로 크로코에 의해 만들어졌다.이 기술을 채택한 최초의 소련 엔진은 1933년 3월에 시험한 프리드리히 챈더의 OR-2와 발렌틴 글루시코가 1933년 11월에 시험한 벤치인 ORM-50이었다.이러한 유형의 최초의 독일 엔진도 1933년 3월 VfR에서 클라우스 리델에 의해 시험되었다.오스트리아의 과학자 외젠 생거는 특히 1933년부터 시작된 엔진 냉각 실험으로 유명했지만, 그의 실험 엔진의 대부분은 수냉식 또는 여분의 추진체에 의해 냉각되었다.

25톤(245 kN)의 추력으로 당대의 가장 강력한 V-2 로켓엔진월터 티엘의 설계로 연소실 외부를 연료로 펌프질하여 연소실 자체와 실내에 순응하고 몇 밀리미터씩 분리하여 재생 냉각되었다.이 설계는 연소실용 강철 사용으로 연소실을 냉각하기에 불충분한 것으로 확인되었으며, 연소실 쉘을 통한 연결로 외부에 연료관 시스템을 추가하여 내부 표면을 따라 각도로 연료를 직접 주입하여 냉각실을 더욱 냉각시켰다.필름 냉각이라는 시스템에서.이 비효율적인 설계에서는 엔진이 녹는 것을 피하기 위해 낮은 챔버 압력에서 희석 알코올을 연소시켜야 했다.미국의 Redstone 엔진은 같은 디자인을 사용했다.

V2 로켓 엔진의 이중 벽식 구조.

재생 냉방의 핵심 혁신은 1945년 알렉세이 미하일로비치 이사예프가 설계한 소련 U-1250 엔진이었다.그것의 연소실에는 얇은 구리 시트가 실의 골판지 철벽에 받쳐져 있었다.골판지 사이로 연료가 흘러나와 열을 매우 효율적으로 흡수했다.이것은 더 에너지 넘치는 연료와 더 높은 실내 압력을 허용했고, 그것은 그 이후 모든 러시아 엔진에서 사용되는 기본 계획이다.현대의 미국 엔진은 연소실에 브레이징 구리 또는 니켈 합금 튜브로 라이닝함으로써 이 문제를 해결한다(RS-68과 같은 최근 엔진은 건설 비용이 더 저렴한 러시아 기술을 사용하기 시작했다).구리 튜브로 엔진에 라이닝하는 미국식 스타일을 '스파게티 구조'라고 하는데, 이 개념은 에드워드 A에게 인정된다.Neu at Response Motors Inc. 1947.

열 흐름 및 온도

챔버 벽을 통과하는 열 유량은 매우 높으며, 1-20 MW/m은2 드문 일이 아니다.

냉각재로 유입될 수 있는 열량은 챔버와 냉각재 사이의 온도 차이, 열전달계수, 챔버 벽의 열전도율, 냉각재 채널의 속도 및 챔버 또는 노즐의 가스 유량 속도를 포함한 많은 요인에 의해 제어된다.

두 개의 경계 층이 형성된다. 하나는 챔버의 고온 가스에 있고 다른 하나는 채널 내의 냉각수에 있다.

가스는 상대적으로 전도체가 열악하기 때문에 매우 전형적으로 가스 경계층에서 온도 강하의 대부분이 발생한다.그러나 이 경계층은 연소 불능에 의해 파괴될 수 있고, 벽의 붕괴는 곧 뒤따를 수 있다.

냉각수가 임계 이하의 압력과 필름이 끓으면 냉각재 채널 내의 경계층도 파괴될 수 있다. 그러면 가스가 절연층을 형성하고 벽 온도가 매우 빠르게 상승하여 곧 고장난다.그러나 냉각수가 핵 비등과 관련되어 있지만 필름을 형성하지 않는다면, 이는 냉각재 경계층을 파괴하고 형성된 기포가 급속히 붕괴하는 데 도움이 된다. 이는 최대 열 흐름을 3배 증가시킬 수 있다.그러나 터보펌프를 장착한 많은 현대식 엔진은 초임계 냉각제를 사용하며, 이러한 기술은 거의 사용할 수 없다.

재생 냉각은 거의 분리해서 사용되지 않는다; 필름 냉각,[5] 커튼 냉각,[6] 트랜스미션 냉각, 방사선 냉각도 자주 사용된다.

기계적 고려사항

회생 냉각의 경우 냉각 채널의 압력이 챔버 압력보다 크다.내측 라이너는 압축된 상태에서 엔진의 외벽은 상당한 후프 응력을 받는다.

내부 라이너의 금속은 고온으로 인해 크게 약해지고 내부 표면에서도 상당한 열팽창을 겪으며, 라이너의 냉측벽은 확장을 억제한다.이것은 특히 목에서 여러 번 발사된 후 내부 표면이 갈라지거나 열풍을 일으킬 수 있는 상당한 열적 스트레스를 설정한다.

또한 얇은 내부 라이너는 추진체의 압력으로 인한 압축 하중을 견딜 수 있는 기계적 지지대가 필요하다. 이 지지대는 보통 냉각 채널과 배킹 플레이트의 측면 벽에 의해 제공된다.

내측 라이너는 보통 상대적으로 고온, 고열 전도성 물질로 구성된다. 전통적으로 구리 또는 니켈 기반 합금이 사용되어 왔다.

재생 냉각에 필요한 복잡한 형상을 만들기 위해 몇 가지 다른 제조 기법을 사용할 수 있다.여기에는 내측 라이너와 외측 라이너 사이에 브레이징된 골판지 금속 시트가 포함된다.[7]이 기하학은 또한 SpaceX SuperDraco 로켓 엔진과 같은 몇몇 새로운 디자인에서 볼 수 있듯이 직접 금속 3D 프린팅을 통해 만들어질 수도 있다.

참고 항목

참조

  1. ^ 참조:
    • 찰스 윌리엄 지멘스(Charles William Siemens, "냉장고 및 얼음 생산, 그리고 그러한 목적을 위한 기구 또는 기계에서의 개선") 영국 특허 번호 2064(Filed:1857년 7월 29일).
    • 지멘스 사이클
  2. ^ 참조:
    • 제임스 드워 (1898) "수소와 헬륨 액화성에 관한 예리 노트," 런던 왕립 협회의 의사록 63 : 256-258.
    • "Liquid Hydrogen as a Propulsion Fuel, 1945-1959". NASA History program Office. History.nasa.gov. Retrieved 9 August 2014.
  3. ^ Tsiolkovsky, Konstantin E. (1903) "Исследование мировых пространств реактивными приборами" (The exploration of cosmic space by means of reaction devices), Научное обозрение (Scientific Review) 5 : 44-75. (in Russian)
  4. ^ Frank H. Winter (1990). Rockets Into Space. Cambridge, Massachusetts: Harvard University Press. p. 30. ISBN 978-0-674-77660-9.
  5. ^ "What is Film Cooling?". Me.umn.edu. Retrieved 2015-02-24.
  6. ^ Andrew Nowicki (2005-01-07). "sci.space.tech: Curtain cooling with molten salt". Sci.tech-archive.net. Retrieved 2015-02-24.
  7. ^ George P. Sutton (November–December 2003). "History of Liquid-Propellant Rocket Engines in Russia, Formerly the Soviet Union" (PDF). Journal of Propulsion and Power. Pdf.aiaa.org. 19 (6).[영구적 데드링크]