Система охолодження

Зважаючи стрімкості процесів, що відбуваються в камері згоряння РРД, лише незначна частина (частки відсотка) всієї теплоти, що виробляється в камері, передається конструкції двигуна, однак, зважаючи на високу температуру горіння (іноді — понад 3000 ° К), та значної кількості тепла, що виділяється, навіть малої його частини досить для термічного руйнування двигуна, тому проблема охолодження РРД дуже актуальна. Для РРД з насосною подачею палива в основному застосовуються два методи охолодження стінок камери РРД: регенеративне охолодження і пристінний шар, які часто використовуються спільно. Для невеликих двигунів з витіснювальний паливною системою часто застосовується абляційних метод охолодження.

Регенеративне охолодження полягає в тому, що в стінці камери згорання і верхньої, що найбільше нагрівається, частини сопла тим чи іншим способом створюється порожнина (іноді звана «сорочкою охолодження»), через яку перед надходженням у змішувальну голівку проходить один з компонентів палива (зазвичай — пальне), охолоджуючи, таким чином, стінку камери. Тепло, поглинене охолоджуючим компонентом, повертається в камеру разом з самим теплоносієм, що і виправдовує назву системи — «регенеративна». Розроблено різні технологічні прийоми для створення сорочки охолодження. Камера РРД ракети Фау-2, наприклад, складалася з двох сталевих оболонок, внутрішньої і зовнішньої, що повторювали форму один одного. В проміжку між цими оболонками проходив охолоджуючий компонент (етанол). Через технологічні відхилення товщини зазору виникали нерівномірності течії рідини, в результаті створювалися локальні зони перегріву внутрішньої оболонки, яка часто «прогорала» у цих зонах, з катастрофічними наслідками. У сучасних двигунах внутрішня частина стінки камери виготовляється з високотеплопровідних бронзових сплавів. У ній створюються вузькі тонкостінні канали методом фрезерування (15Д520 РН 11К77 Зеніт , РН 11К25 Енергія), або травлення кислотою (SSME Space Shuttle). Зовні ця конструкція щільно охоплена несучою листовою оболонкою зі сталі або титану, яка сприймає силове навантаження внутрішнього тиску камери. Каналами циркулює охолоджуючий компонент. Іноді сорочка охолодження складається з тонких теплопровідних трубок, що для герметичності пропаяні бронзовим сплавом, але такі камери розраховані на нижчий тиск. Пристінний шар — це газова куля у камері згоряння, що знаходиться в безпосередній близькості від стінки камери, і складається, переважно, з парів пального. Для організації такого шару на периферії змішувальної головки встановлюються тільки форсунки пального. Зважаючи надлишку пального та нестачі окислювача хімічна реакція горіння в пристінному шарі відбувається набагато менш інтенсивно, ніж у центральній зоні камери. У результаті температура пристінного шару виявляється значно нижче, ніж температура в центральній зоні камери, і він ізолює стінку камери від безпосереднього контакту з найгарячішими продуктами горіння. Іноді, на додаток до цього, на бічних стінках камери встановлюються форсунки, що виводять частину пального в камеру прямо з сорочки охолодження, також з метою створення пристінного шару. Абляційних метод охолодження полягає в спеціальному теплозахисне покриття стінок камери і сопла. Таке покриття зазвичай буває багатошаровим. Внутрішні шари складаються з теплоізолюючих матеріалів, на які наноситься абляційних шар, що складається з речовини, здатного переходити при нагріванні з твердої фази безпосередньо в газоподібну, і при цьому поглинати велику кількість теплоти в цьому фазовому перетворенні. Абляційних шар поступово випаровується, забезпечуючи тепловий захист камери. Цей метод практикується в невеликих РРД, з тягою до 10 т. У таких двигунах витрата пального складає всього лише кілька кілограмів на секунду, і цього виявляється недостатньо, щоб забезпечити інтенсивне регенеративне охолодження. Абляционное охолодження застосовувалося в рухових установках місячного корабля Аполлон.