В критическом сечении скорость их истечения становится равной скорости звука и, наконец, в расширяющейся части сопла в несколько раз превосходит последнюю, при этом происходит сильное адиабатическое охлаждение. К сожалению, это охлаждение, как показал Буземан, происходит только в свободном, удаленном от стенок сопла, потоке. Пограничный слой у стенок сопла имеет температуру, близкую к температуре внутри камеры. Таким образом стенки сопла подвергаются воздействию высоких температур. Из-за незначительной толщины этого горячего пограничного слоя излучение газов в расширяющейся части сопла не играет уже существенной роли. Конвективные тепловые потоки здесь чрезвычайно велики вследствие больших скоростей истечения от 3000 до 5000 м/сек. Излучение и конвекция при этих необычных температурах и скоростях излучения недостаточны, поэтому для оценки соотношений мы можем привести только некоторые довольно примитивные рассуждения. Если рассматривать излучающий газ как абсолютно черное тело (самый неблагоприятный предельный случай), то количество тепла, поглощенное единицей поверхности холодной стенки камеры, составляет по Стефану—Вольцману. Согласно этому выражению, для различных температур в камере 7° получаются следующие количества энергии, отдаваемой стенке излучением: Вследствие прерывности спектра фактическое излучение составляет только часть излучения абсолютно черного тела Установление точных зависимостей при излучении является особой задачей исследований в ракетной технике. Если принять, что тепловая конвекция в сопле равна работе трения (предельный случай), т. е. равна произведению напряжения трения (между стенкой и текущими газами) на скорость истечения газов, то, вводя коэффициент трения плотность газов и скоростной напора получаем следующее выражение для конвекции на единицу поверхности сопла. Следовательно, в отличие от излучения, конвекция в сильной степени зависит от плотности газов. При полете у земли плотность в растворе сопла может быть принята р=0,03. При температурах в камере сгорания свыше 2640° К конвективный тепловой поток в растворе сопла оказывается меньше радиационного в соответствующей камере. Не следует, однако, забывать, что действительный конвективный поток также составляет только часть работы трения. Определение величины его может быть предметом специальных исследований. Кроме конвекции и излучения, происходит, также передача тепла от газа к стенкам камеры и сопла посредством теплопроводности, которая, однако, может не учитываться как незначительная по сравнению с излучением. Во всяком случае мы вправе ожидать, что абсолютные тепловые потоки (радиационный и конвективный) будут меньше величин, определенных по вышеприведенным формулам. Крайне интересны соотношения в критическом сечении сопла, где происходит одновременно излучение и конвекция. Здесь температура газов составляет 0,87, а излучение газов 0,57 от соответствующих величин в камере, в то время как конвекция достигает больших значений, которые, независимо от температуры в камере, увеличиваются также и с ростом давления. Подстановка этих величин дает удельную работу трения, т. е., несмотря на меньшую скорость истечения, величину большую, чем в растворе сопла, из-за значительно большей плотности газов. К этому предельному значению конвективного потока добавляется еще радиационный, так что предельная величина суммарного теплового потока в критическом сечении, что выше максимального теплового потока в камере. Вывод, согласно которому повреждения стенок должны быть наибольшими в зоне критического сечения, а не в камере или растворе сопла, хорошо согласуется с экспериментальными данными. Необходимо особо отметить то обстоятельство, что наблюдаемый износ в критическом сечении не может быть объяснен эрозионным воздействием газов, если только последние не содержат твердых или жидких частиц. Газообразный пограничный слой исключает возможность соприкосновения движущихся газовых частиц с неподвижными стенками, поэтому износ стенок происходит только вследствие чрезвычайно мощных тепловых потоков. Из вышесказанного следует, что термически наиболее нагруженное сечение не обязательно совпадает с критические сечением сопла, а находится в зоне, близкой к нему, именно там, где сумма излучения и конвекции достигает максимума. Так как в критическом сечении сопла достигает наибольшего значения, максимум величины (определяющей удельную работу трения и. вместе с тем, наибольшую конвекцию) находится за критическим сечением. Общий максимум, включая излучение, т. е. критическая зона, находится большей частью между конвективным максимумом и критическим сечением сопла и реже в пределах критического сечения. Это еще более точное определение зоны наибольшей термической нагрузки также подтверждается экспериментальными данными. В идеальном случае давление и температура в камере могут быть подобраны так, чтобы тепловые потоки (а следовательно, и термическая стойкость) через омываемые газами стенки камеры и сопла были бы везде парными и не превосходили по величине радиационные потоки в камере. В данном случае можно было бы ограничиться только определением предельных значений тепловых потоков через пенки камеры. Эти тепловые потоки от газов к омываемым ими стенкам не должны (по конструктивным соображениям) превосходить определенных пределов как по величине на единицу площади, так и по суммарной величине. Общий тепловой поток ограничен тепловосприятием горючего, применяемого в качестве охлаждающего средства. Общая, омываемая горючими газами поверхность ракетного двигателя заданной тяги тем меньше, чем больше принятое давление в камере сгорания. Поэтому применение высоких давлений в камере является мощным средством для снижения общего теплового потока двигателя заданной тяги при постоянном отношении. Следующий, весьма своеобразный метод уменьшения общего теплового потока,— это применение сопла с большим углом раствора. Так как отношение постоянно, то с увеличением размеров двигателей отношение поверхности камеры к площади критического сечения сопла уменьшается, и омываемая газами поверхность длинного сопла Лаваля с малым углом раствора превосходит поверхность камеры сгорания. Применением больших углов раствора сопла (например 90°) поверхность сопла резко уменьшается. Это не только сильно уменьшает общий тепловой поток, но и почти исключает ту часть его, которая не зависит от давления. Таким образом применение больших углов раствора сопла делает более эффективным и другой способ уменьшения теплового потока — увеличение давления. Ухудшение к; п. д. сопла в связи с увеличением угла раствора весьма незначительно и связанные с этим потери с избытком покрываются ростом к. п. д. камеры (так как может быть теперь увеличено). Соединением двух способов — повышения давления и увеличения угла раствора сопла — можно ограничить тепловоспринимающую поверхность до необходимого предела, не ухудшая к.п.д. двигателя (т. е. не уменьшая). Увеличение тяги двигателя автоматически уменьшает эти затруднения. Более сложным является освоение больших тепловых потоков на единицу поверхности стенки камеры, которые должны передаваться через нее охлаждающему веществу. Предельная величина теплового потока через стенку камеры определяется произведением температурного перепада между обеими поверхностями стенки и теплопроводности ее материала. Толщина стенки, исходя из требований прочности, принята равной 1 мм. Температура охлаждаемой поверхности стенки не должна превосходить наибольшей допустимой охлаждающим веществом температуры (~+300°C). Температура нагреваемой поверхности стенки ограничена размягчением материала и не должна превышать для меди +700° С, для специальной стали +1500° С и для молибдена + 2000 С. Не исключена возможность нахождения в процессе систематических исследований и более выгодных материалов. Сопоставляя величины допустимых тепловых потоков в камере (со стенками, удовлетворяющими требованиям прочности) с Предельными значениями излучения, можно сделать вывод, что тепловые потоки, а следовательно, и температуры в камере, почт не ограничены. Это возможно также потому, что толщина стенки между огневым пространством и охлаждающей рубашкой может быть выбрана весьма незначительной (вследствие механической разгрузки стенок давлением охлаждающей жидкости). Значительно сложнее обстоит дело в отношении передачи тепла от стенки к охлаждающей жидкости. Для воды при скорости течения 10 м/сек и перепада температур между стенкой и водой в 100°С конвекция составляет примерно 0,42 л. С изменением скорости протекания конвекция меняется примерно в 0,87 степени. Для существенного увеличения конвекции необходимо весьма большое повышение скорости охлаждающей жидкости и, в связи с этим, повышение давления и мощности подачи. Расчетная скорость охлаждающей жидкости должна быть строго постоянной по времени, так как в противном случае п тех зонах, где скорость охлаждающей жидкости уменьшится, нарушится стационарный теплообмен, и стенка, и без того сильно нагруженная термически, будет моментально повреждена. Для того чтобы поддержать постоянство течения и предотвратить образование застоев, охлаждающая жидкость должна направляться через длинные каналы, распространенные по всей рабочей поверхности стенки. В случае применения другой жидкости вместо воды конвекция меняется. Для масла она снижается по сравнению с водой на одну четверть, а для ртути увеличивается в 7,2 раза. Хорошая теплоотдача при ртути наталкивает на мысль, чтобы охлаждение стенок производить ртутью и воспринятое ею тепло передать горючему в специальном промежуточном холодильнике. При этом способе могут быть устранены некоторые затруднения, связанные с пуском и остановкой двигателя или применением кипящих охлаждающих веществ. Однако в действительности ртуть превосходит воду не в 7,2 раза, так как требуемые для поддержания циркуляции давление и мощность подачи должны быть больше, чем для воды примерно в отношении плотностей. Увеличение мощности в 13,6 раза для случая воды дает увеличение скорости циркуляции а 13,6=2,38 раза и конвекции в 2,380, 2,13 раза. Таким образом при одинаковой мощности подачи превосходство ртути по сравнению с водой выражается величиной 3,4. Кроме того, для определения потребной мощности важно отношение тепловосприимчивостей на единицу объема для Hg и Н2О, которое составляет примерно 0,45. С учетом этого обстоятельства ртуть превосходит воду (при равной мощности подачи) только в 1,63 раза. В ракетном двигателе в некоторых случаях лимитирующим обстоятельством является давление, а не мощность подачи. Если для воды увеличить давление подачи в 13,6 раза, то скорость течения повысится в 13,6=3,7 раза и конвекция в 3,7°'8Т-3,12 раза. Наконец, еще одним средством для повышения теплоотдачи может Сыть увеличение температурного перепада между стенкой и охлаждающей жидкостью либо за счет температуры, а следовательно, и тепловосприимчивости охлаждающей жидкости, либо за счет температурного перепада в самой стенке. Комбинируя все эти способы, можно передать от стенки к охлаждающей жидкости столько тепла, сколько воспринимается и передается стенкой. Резюмируя, можно сказать, что технические средства изготовления стенок делают возможным освоение температур газов вплоть до 10 000° К. Таким образом с этой стороны нет существенных препятствий для увеличения скорости истечения. Несколько слов о конструктивных пределах повышения давления газов в камере. Существенно ограничивает повышение давления связанный с этим рост удельной конвекции в сопле, так как сумма излучения и конвекции в критическом сечении сопла не должны значительно превышать удельного излучения в камере. Следовательно, давление косвенно ограничивается теми же факторами, что я температура. Можно несколько сдвинуть верхний предел давления, если подводить еще не нагретую охлаждающую жидкость в зону критического сечения сопла. Благодаря этому здесь увеличится температурный перепад между стенкой и охлаждающей жидкостью. Вел шина предельного давления в сильной степени зависит от соотношений радиации и конвекции, которые еще недостаточно изучены. Поэтому эта величина должна определяться опытным путем. Впрочем, можно сказать, что она должна быть близка к 100 аг. Требования прочности также ограничивают повышение давления в камере. Если при заданных тяге и отношении увеличить давление в камере в К раз, то для сохранения прежних величин механических напряжений в рабочей стенку необходимо увеличить ее толщину в 3 раза. С другой стороны, выгодно уменьшение толщины стенки, разделяющей газы и охлаждающую жидкость. Противоречие утих требований может быть устранено расположением несущей стенки камеры сверх охлаждающей рубашки. Этим легко удовлетворяются требования прочности. Связанное с утолщением стенки увеличение веса двигателя несущественно, так как доля двигателя в общем весе самолета невелика. Обеспечение прочности каналов охлаждающей жидкости при увеличении давления в камере не встречает препятствий. Размер каналов в свету может быть выбран насколько угодно малым и давление охлаждающей жидкости может быть выбрано, исходя из требований прочности, независимо от давления в камере (особенно при применении схемы промежуточного охлаждения). Наибольшее достижимое давление насосов, подающих горючее, также является пределом (правда, довольно высоко лежащим) повышения давления в камере. В наличии имеются центробежные насосы на 250 ат и поршневые на 1000. Эти величины лежат выше пределов, определяемых конвекцией в сопле. Наконец, при некоторых обстоятельствах может лимитировать и затрата мощности на подачу горючего, хотя даже при давлении подачи в 1000 ат и удельном весе горючего, равном единице. Работа подачи составляет в этом случае 10 000 кем/кг или 23,5 Кал/кг, т. е. даже при весьма низком к. п. д. насосной установки всего лишь несколько процентов теплотворной способности горючего. Следовательно, вес турбонасосного агрегата может скорее достичь недопустимых пределов, чем его мощность. Таким образом давление в камере сгорания ограничено прежде всего тепло напряженностью стенки двигателя в критической зоне сопла.