Mówi się o komorze spalania jako o istotnym i niezbędnym elemencie dobrze pracującego zespołu napędowego, każdy kto myśli o silniku kojarzy go przede wszystkim z ciepłem i hałasem. W tym rozumowaniu znajduje się co najmniej ziarno prawdy. Dzięki komorze spalania nauczyliśmy się wykorzystywać kontrolowane wybuchy do wytwarzania energii, która przemieszcza nas z miejsca na miejsce już od blisko 200 lat. W ciągu tych lat cały czas ulepszając konstrukcje udało nam się dojść niemal do perfekcji. Bez niej nie moglibyśmy wykonywać lotów kosmicznych w sposób, jaki robi się to dzisiaj.
Schematyczny wygląd komory spalania (fot. Jakub Mielczarek)
Ale tak naprawdę czym właściwie jest komora spalania? Na chłopski rozum możemy pomyśleć, że mamy zbitkę dwóch słów, która układa się w niewątpliwie proste rozwiązanie, po pierwsze komora czyli zamknięte pomieszczenie, po drugie spalanie nic innego jak prosta reakcja chemiczna. Czy ta korelacja będzie błędna? Nie, ale wypadałoby połączyć te dwie rzeczy i otrzymać coś bardziej skomplikowanego, dającego nam większe pole do zabłyśnięcia w towarzystwie. Definicyjnie słownik podpowiada nam, że jest to przestrzeń we wnętrzu cylindra tłokowego, w której dokonuje się spalanie. Dobra, to tyle? Odpowiedź niestety po raz kolejny musi być przecząca. Bo czy mamy tylko i wyłącznie silniki tłokowe? A co z silnikami turbinowymi, rakietowymi? Niestety prawda jest brutalna, ile naukowców tyle rozwiązań technologicznych. Wynika to z zapotrzebowania całego przemysłu na cięcie kosztów (halo lądujący Falcon 9) przy wzroście jakości i metodologii wykonywania części. Nikt przecież nie chce płacić pieniędzy za gotowy projekt, jak może zrobić podobny, ulepszony i dostosowany do konkretnego podzespołu. Dzisiaj chciałbym natomiast skupić się na komorze spalania w silniku rakietowym, a dokładniej mówiąc w Merlin 1D.
Krótko o silniku. Jest to wersja rozwojowa poprzednika o końcówce C, który jest w stanie wycisnąć jeszcze więcej z tego samego projektu bazowego. Głównymi założeniami tego dzieła sztuki współczesnej było wykonanie ostatecznego szlifu w postaci ulepszenia osiągów, niezawodności i technologiczności konstrukcji. Wszystko to składa się na to, że jest jednym z najbardziej wydajnych silników rakietowych jakie kiedykolwiek powstały. Jeżeli brałby udział w konkursie piękności myślę, że zająłby wysoką lokatę co najmniej na podium. Cudo techniki.
Merlin 1D (fot. Teslarati)
Kończąc przydługawy wstęp zadajmy sobie ostatnie, acz nadal bardzo ważne pytanie. Jakie przemiany fizyczne, procesy termodynamiczne, a przede wszystkim związki chemiczne determinują o prawidłowości działania naszej komory spalania w silniku rakietowym? Po kolei. Dla ogólnego rozrachunku, tak wygląda spalanie: https://www.youtube.com/watch?v=KVB5Fwue4Q8. Możemy sobie, więc wyobrazić, że w środku jest przyjemnie ciepło, a może i nawet delikatnie za ciepło, bo około 3750K (po ludzku 3500°C). Z teoretycznego punktu widzenia, komora spalania silnika rakietowego (dokładniej mówiąc chemicznego) powinna opierać się na spalaniu materiału pędnego w postaci paliwa ciekłego (np. ciekły wodór), stałego (np. nitrogliceryna) lub hybrydowego (połączenie dwóch wcześniejszych) i wytwarzać energię potrzebną (zaplanowaną) do wyniesienia rakiety tam gdzie chcemy. Za komorą spalania powinna znajdować się dysza wylotowa, która powoduje zmniejszenie średnicy przekroju poprzecznego, co jest inherentnie związane ze wzrostem prędkości gazów wylotowych w kierunku ukierunkowania strug wylotowych z silnika. Dlaczego tak się dzieje? Miało nie być już więcej pytań, ale sami rozumiecie. Tak jest łatwiej. Wynika to z równania Bernoulliego. Mówiąc łopatologicznie, taka sama ilość naszego gazu na sekundę chce przepłynąć przez taką samą długość naszego przekroju dyszy, zmniejszenie powierzchni powoduje więc zwiększenie prędkości, aby zaszła równość.
Równanie Bernoulliego (fot. AGH)
Bardzo dobrze obrazuje to rysunek powyżej. Tylko musimy sobie wyobrazić w tym wszystkim naszą dyszę. Czyli ciśnienie dynamiczne i statyczne musi być równe ciśnieniu całkowitemu.
Sam zapłon jest zjawiskiem do którego musi niewątpliwie dojść, aby zainicjować cały proces (w końcu element ten nazywany jest komorą spalania). W przypadku Merlina 1D zapłon następuje dzięki substancji TEA (“triethylaluminum”) + TEB („triethylboron”). Nazwa może być początkowo ciężka do przeczytania, a co dopiero do zrozumienia jej działania. Przyjęło się mówić skrótowo TEA-TEB. Jest to związek chemiczny, który wykazuje właściwości piroforyczne. Wybrano to połączenie ze względu na dwie kluczowe zalety. Po pierwsze takie połączenie substancji powoduje, że wchodzi ona w samozapłon po zetknięciu z tlenem. Po drugie spala się w wysokiej temperaturze jak dla człowieka (zapewnia nam to ciągłość spalania). Sama pirofoniczność nie jest cechą stałą substancji, zależy ona m.in. od temperatury, stanu skupienia materii czy też wilgotności powietrza. O ile z zapłonem pierwszego stopnia rakiety nie ma problemu, bo przecież wszędzie dookoła znajdują się całkiem duże ilości powietrza, a w nim tlenu. To z drugim stopniem mogą być delikatne problemy. Przecież jego zapłon następuje w próżni. Po to jest nam właśnie LOX (liquid oxygen) w zbiornikach (chociaż oczywiście nie tylko po to). Na dodatek systemów inicjujących pracę zapłonu Merlin 1D Vacuum ma aż dwa. Jeden jest dodany dodatkowo na wypadek braku zainteresowania pracą tego pierwszego. Efektem zainicjowania pracy w ten sposób jest charakterystyczny zielony płomień bezpośrednio przed prawidłową pracą silnika, jest to wynik spalania TEA-TAB. Zjawisko to trwa ułamek sekundy, ale robi niesamowite wrażenie.
Zielona poświata (fot. YouTube Iridium-4 Webcast)
O samej komorze spalania można by pisać książki i takowe powstają. Aby Was za bardzo nie zanudzić chciałbym podzielić ten cykl na kilka części i skupiać się w nim na poszczególnych częściach i niuansach rakiet, które nas otaczają. Przy okazji coraz głębiej wchodząc w temat.
Źródła:
Popular Science – How It Works: The Most Powerful Space Rocket
SpaceX Falcon 9 rocket facts – Spaceflight Now
Mjr mgr inż. Zbigniew Przęzak Proces spalania w silnikach rakietowych na paliwo ciekłe