Геометрия огня

Одна из моих любимых фотографий при пуске ракеты — крупный план двигателей в первые секунды после старта. На нём можно рассмотреть детали, которые человеческий глаз просто не способен уловить из-за огромного расстояния и слепящего пламени.

Тёмные фильтры, закрытая диафрагма и сверхкороткая выдержка позволяют сфотографировать детали происходящего. Из двигателей ракеты жёлтыми нитями вырывается огонь. Но почему пламя такое неравномерное, и что это за огненные кольца? Чтобы ответить на этот вопрос на пальцах, разберём устройство и принцип работы камеры сгорания жидкостного ракетного двигателя.

Камера РД-107 состоит из форсуночной головки, средней части и сопла. Через 227 двухкомпонентных форсунок в нее одновременно поступают горючее (керосин) и окислитель (жидкий кислород). Компоненты топлива перемешиваются и сгорают, превращаясь в раскаленный сжатый газ с температурой около 3250 °С и давлением 60 атм. Двигаясь дальше от форсуночной головки в сужающееся реактивное сопло, газ разгоняется, и в критическом сечении сопла его скорость достигает местной скорости звука. Затем в расширяющейся части поток становится сверхзвуковым и продолжает разгоняться до самого среза сопла. На выходе температура падает до 1700 °С, давление до 0.385 атм, а скорость газа достигает примерно 3 км/с.

Чтобы камера не прогорала, конструкцией предусмотрено охлаждение. Львиную долю теплового потока от раскалённого газа забирает керосин, циркулирующий между двойными стенками камеры. Для защиты внутренней поверхности сопла, дополнительно предусмотрено завесное охлаждение. В форсуночной головке (фото №3) по периферии установлены однокомпонентные форсунки (под номером 9). Через них в камеру подаётся керосин. Часть его смешивается с кислородом и сгорает, но часть попадает на стенку и создаёт жидкостную плёнку. Плёнка испаряется и поглощает часть тепла, создавая защитный барьер, препятствующий теплопередаче стенкам сопла. Этот пристеночный слой работает как тепловой и химический щит: испаряясь, он поглощает пиковый жар ядра и не подпускает агрессивный кислород к металлу. В результате керосин сгорает не полностью: часть его от высокой температуры окружающих газов разлагается на более простые углеводороды и чистый углерод (сажу). Этот поток течёт вдоль стенки камеры и, увлекаясь остальными газами, выбрасывается наружу.

На самом срезе сопла температура вылетающих газов всё ещё достигает 1700 °С. Из-за колоссальной скорости реактивная струя захватывает и увлекает за собой окружающий воздух — при контакте с атмосферным кислородом раскалённые пары газов и сажа ярко вспыхивают. Именно поэтому те яркие языки пламени, которые мы видим на фотографиях — это вовсе не основной выхлоп двигателя, а догорающая во внешней атмосфере пристеночная завеса. Обратите внимание на фото №4, на срезе сопла отчётливо видны «тёмные пятна» — это несгоревшая сажа, которая ещё не успела разгореться.

Но что же с огненными кольцами?

На срезе сопла перерасширенный газ сталкивается с атмосферным давлением в 1 атм. Оно обжимает поток со всех сторон, сужая его и повышая температуру и давление. Места этих сужений мы и видим на фотографиях как яркие жёлтые кольца, их называют диски или кольца Маха. Затем поток снова расширяется, и цикл повторяется, при этом часть энергии рассеивается, из-за чего кольца становятся меньше и тусклее, пока совсем не пропадают.