Ракетный котел длительного горения: Ракетная печь своими руками из кирпича или газового баллона

Содержание

Ракетная печь — особенности конструкции и принцип работы —

Ракетная печь – компактный и функциональный прибор для простого приготовления еды и отопления небольших помещений. Лёгкость изделия позволяет брать его в поход, на рыбалку и дачу.

Устройство ракетной печи

Свое название прибор получил благодаря образованию реактивной тяги во время горения, сопровождающегося характерным гулом, напоминающим звучание взлетающей ракеты. Это изделие также напоминает и конусовидная конструкция печи.

Можно выделить два основных типа конструкции печки:

Простая конструкция

Состоит из пары труб, которые соединяются между собой отводом.

Нижняя трубка разделена пластиной из металла. Две трети её длины приходится на верхнюю часть, в которую загружается топливо. Нижний отсек выполняет функцию простейшего поддувала, способствующего обмен воздушных масс. В этом варианте печи топливные материалы закладываются горизонтально.

Тип агрегата с вертикальной загрузкой имеет в конструкции две различных по длине трубки, расположенные вертикально. Третья – соединяет их и играет роль топливного отсека.

Простейшая печка обычно размещается на улице и используется для готовки и нагрева воды.

Усовершенствованная конструкция

Больше подходит для монтажа в помещении. С её помощью можно обогреть комнату до 50 кв. м площадью.

Прибор имеет ряд улучшений в сравнении с простой моделью, повышающих характеристики и эффективность работы:

Имеется второй корпус, устанавливаемый снаружи. Трубка горения покрыта термоизоляционным материалом. Верх корпуса герметично закрыт, что обеспечивает стабильную повышенную температуру продолжительный период времени.
Независимое отверстие оптимизирует поддув воздуха, в облегчённой версии эту функцию менее эффективно выполняет открытый топливный отсек.
Модернизированный дымоход пропускает нагретый поток газа через печные каналы, способствуя его более эффективному догоранию. При этом нагревается варочная панель и тепло равномерно распределяется по помещению.

Принцип работы

В зависимости от строения принцип действия ракетной печи может различаться, но он состоит из двух основных процессов:

Происходит естественная циркуляция разогретого воздуха и газов по каналам устройства. Тяга внутри печи формируется дымоотводной системой, увеличиваясь с повышением расположения дымохода. Дополнительный поддув агрегату не нужен.
Осуществляется процесс пиролиза – оставшиеся газы дожигаются при небольшом поступлении кислорода в топку. При этом увеличивается КПД и повышается эффективность использования топлива.

Работа устройства включает следующие этапы:

В топку загружают дрова и поджигают.
Печь начинает работать в стандартном режиме, прогревая вертикальный элемент конструкции.
Разогретый корпус создаёт благоприятные условия для розжига летучих веществ в трубке дымохода и разряжению в верхней части воздушных масс.
Тяга увеличивается, повышается приток воздуха в топку и усиливается горение.

Для полного выжигания топлива в печке должен быть оборудован отсек для пиролизных газов.

Преимущества и недостатки

У ракетной печи есть ряд положительных качеств, благодаря которым она пользуется популярностью:

Функциональность – прибор подходит для приготовления еды, обогрева водопровода и помещений.
Простая конструкция и беспроблемная сборка. Элементарную печь можно сконструировать своими руками из подручных материалов.
Хорошая теплопроводность при работе с древесными видами топлива (щепой, стружкой, дровами, корой, ветками).
Полное выгорание топлива с выжиганием пиролизных газов. Это предупреждает выделение угарного газа и увеличивает КПД.
Отсутствие потребности в формировании принудительной тяги в дымоходе. Повышенная саморегуляция работы устройства.
Возможность дозаправки топлива без остановки процесса горения.

Мнение эксперта

Бородин Василий Платонович

Печник-каменьщик, специалист по каминам, печам и отопительным системам

Установить печь можно практически в любом помещении, благодаря небольшому весу она не требовательна к наличию крепкого фундамента.

Многофункциональный и простой в применении агрегат также имеет и некоторые недостатки:

Невозможно автоматизировать процесс топки. Приборы нуждаются в периодической ручной закладке расходного материала.
Печка не подходит для обогрева крупных помещений и бань.
Есть высокий риск получения ожогов при случайном контакте с металлическим корпусом.
Для закладки требуется использовать сухое топливо, избыток влаги в материале может вызвать обратную тягу.
Непривлекательный внешний вид.

Виды изделий

Агрегаты различаются по материалу конструкции:

Металлические – обычно конструируются из бочек, огнетушителей, труб, баллонов из под газа, листовой стали. Распространённость и доступность компонентов даёт возможность изготовить надёжный и производительный аппарат.
Глиняно-кирпичные – Шамотная глина и кирпичная кладка обладают высокой теплоёмкостью, хорошо набирают тепло и прогревают помещение. При горении в подобных устройствах температура возрастает до 1000 градусов. Этот материал также прост и неприхотлив в обслуживании.
На основе подручных средств – самые простые варианты ракетных печек собираются из всевозможных доступных и дешёвых ёмкостей – стальных вёдер, банок от консервов. Они хорошо подходят для полевого использования.

Особенности использования

Для эффективного и безопасного использования ракетной печки следует придерживаться следующих принципов:

Перед закладкой топлива устройство необходимо прогреть. Это особенно важно для крупных печей. В холодном состоянии они будут тратить накапливаемую тепловую энергию на обогрев корпуса.
Для разогрева в поддувало укладывают стружку, высушенную бумагу или солому. Оптимальную температуру определяют по появляющемуся гулу. В подготовленную печку заправляют топливо, розжиг которого происходит от разгонного материала.
До появления повторного гула после закладки основного топливного состава поддувал оставляют полностью открытым. В дальнейшем горение регулируется закрытием и открытием дверцы с ориентиром на шум от печи. Звук должен быть слабым, но не затихать полностью.

Для крупных печек требуется меньшее приточное отверстие. Лучше использовать в таких агрегатах автономный поддув.
Мощность действия прибора настраивается путём изменения объёма топлива, а не количеством поступающего воздуха.
В самодельных устройствах нужно предусмотреть бункер с уплотнённой крышкой, иначе часть энергии будет расходоваться впустую.
Ракетная печь не применима для отопления бани. Она не генерирует достаточные объёмы ИК-излучения, чтобы согреть помещение.

Правильно собранная печь совместима с любыми разновидностями твёрдого топлива (углём, древесиной и остатками от её обработки, шишками, стеблями кукурузы, ДСП).

Ракетная печь обладает простым строением и повышенной производительностью, благодаря чему может стать отличным дополнением для отдыха на природе, работ в гараже, на даче. Агрегат расходует мало ресурсов, хорошо и быстро прогревается. Разнообразие моделей позволяет выбрать оптимальный вариант для определённых целей использования.

Видео-обзор принципа работы ракетной печи

Принцип работы котла длительного горения простыми словами

Котел длительного горения стал отличной заменой для печей различных типов, которые требуют постоянной подпитки топливом. Его преимущество заключается в долговременной отдаче тепла в помещение, а значит, налицо экономия не только времени, но и топлива.

Внешний вид котла длительного горения

У такого котла существуют и другие полезные положительные качества, которые помогут решить некоторые домашние проблемы. В продаже представлено немало моделей котлов подобного класса, из которых можно выбрать устраивающий по характеристикам и цене, но есть еще один вариант — изготовить такой отопительный прибор самостоятельно.

Принцип работы

Одна их принципиальных схем котла

Длительное горение котлов достигнуто благодаря конструкции отопительного прибора, в которую включена дополнительная камера для сжигания выделенного в процессе горения древесного топлива газа.

Принцип таков — топливо, заложенное в печь, при почти полном отсутствии кислорода, не подвергается активному сжиганию открытым пламенем, а значит, происходит его долгое тление с отдачей тепла. Чтобы образовалось достаточное количество газа, при сжигании топлива, после закладки дров, растопки котла и появлении активного пламени, автоматически включаются вентиляционные насосы, которые отводят из топки излишний кислород и переводят горение в состояние тления.

Кроме тепла, исходящего от топлива, при медленном горении выделяется газ, который поступает в дополнительную камеру через керамические или металлические трубы или форсунки. В камере происходит дожиг газа, чему способствует система поддува воздуха. Здесь же происходит окончательное сжигание остальных продуктов сгорания топлива, например, сажных и других тяжелых соединений.

При обычной конструкции печи, топливо после сгорания оставляет немало продуктов (отходов), которые способны также при их сжигании давать тепло. Это и учли разработчики котлов длительного горения. Камера, где происходит вторичное сгорание, задерживает выделенное тепло внутри конструкции, не давая ему сразу же уходить в трубу.

Еще одно преимущество сгорания выделенных веществ заключается в экологической чистоте дыма, исходящего из печи, так как все токсичные продукты от горения уничтожаются в дополнительном отделении дожига.

Те поняли текстом? Посмотрите видео!

Кроме того, такой котел имеет одну особенность: если во всей печах горение топлива происходит снизу вверх, то в печах длительного горения, наоборот, сверху вниз. Этот фактор также замедляет процесс горения, не давая быстро нагреваться топливу, расположенному ниже огня.

В такой котел загружается сразу большое количество дров, т.е. топочная камера заполняется доверху. После розжига она герметично закрывается дверцей. Количество поступающего кислорода контролируется регулятором подачи воздуха.

Система дожига пиролизных газов

Камера сгорания отходов горения и выделенного газа может быть расположена в нижней, верхней или задней части котла — это зависит от конкретной модели.

В качестве топлива для этого агрегата может быть использованы: дрова и уголь, опилки и торф, а также другие материалы. Неважно, какой из видов твердого топлива будет использоваться для загрузки котла, но главное, чтобы оно было достаточно просушено. Излишняя влажность будет снижать мощность отопительной установки, которая будет уходить на просушку дров, и снижать выработку вторичного топлива — пиролизного газа.

Могут использоваться самые разные виды твердого топлива

После сгорания любого топлива в печи длительного горения остается небольшая кучка пепла, поэтому для его удаления предусмотрена совсем небольшая дверца.

Отличия двухконтурного котла

Котел длительного горения может иметь не один контур, а два. Таким образом, он не только может отапливать помещение, но и греть воду для хозяйственных нужд. Такие агрегаты оборудованы теплообменником или водяной рубашкой — в этом отделе происходит нагрев воды.

Котел может работать по двухконтурной схеме

Встроенный в систему теплообменник может иметь проточную систему воды или в виде аккумулирующего бойлера. Для отопительной системы, естественно, теплообменник должен работать по проточному ппринципу, а вот для ГВС он может быть как проточным, так и бойлерным.

Для ГВС удобнее выбрать бойлер косвенного нагрева большого объема. Он позволит всегда иметь горячую воду, так как она постоянно будет подогреваться, и сохранять температуру даже после завершения топки в течение длительного времени.

Кроме водяного контура, конструкция котла ничем не отличается от обычных котлов, работающих по этому принципу.

Комбинированные котлы

Котлы, работающие только на твердом топливе, устанавливают в основном, в строениях, расположенных в районах, где недоступны другие виды энергоресурсов. Если же есть возможность подключения к газовому трубопроводу, лучше воспользоваться комбинированным котлом. Он будет гораздо удобнее в применении и экономнее в финансовом плане.

Особое удобство в эксплуатации — комбинированные котлы

Конструкция комбинированных вариантов дополнена газовой горелкой и автоматикой. Начинают топить печь, например, дровами, а при их прогорании и остывании котла ниже установленной температуры, срабатывает автоматика, и включается газовый подогрев, который поддерживает теплоноситель в нужном температурном режиме. Такой котел может быть одноконтурным, но иметь в общей системе встроенный бойлер.

Котел можно встроить в универсальную систему отопления и горячего водоснабжения

Кроме того, есть модели котлов, которые работают на электричестве вместо газа.

Положительные характеристики котла

У любого из агрегатов, описанных выше, есть объединяющие и индивидуальные положительные качества, именно поэтому сегодня их устанавливают в загородных домах и заменяют ими старые кирпичные печи.

Котлы длительного горения имеют хорошие показатели и обладают очень высоким КПД, который доходит до 90—95%.
Если в котле встроена система автоматической подачи топлива, то он может долгое время работать без участия человека. Срок такой работы указан в паспорте агрегата.
Эффективность работы прибора объясняется способностью конструкции при нормальной эксплуатации достигать температуры до 600—650 градусов.
Котлы — экологически чистые приборы, так как сжигается не только заложенное топливо, но и угарный газ, образующийся при его работе.
Всегда есть возможность регулировать интенсивность горения.
Современные котлы оборудованы автоматикой, которая позволяет управлять ими через пульт, а также через него же получать сигнал о возникших при работе неполадках.
Удобство комбинированных котлов заключается в использовании разного вида топлива, что позволяет существенно на нем сэкономить.
В котлах с водяным контуром реализована возможность регулирования температуры воды, как для отопления, так и для ГВС.
При большом количестве положительных качеств агрегата, он имеет вполне доступную цену.
Простота в монтаже и эксплуатации, а также неприхотливость в уходе и возможность делать это самостоятельно, не привлекая специалистов.
Компактность, по сравнению с кирпичными строениями.

Объективные недостатки

К отрицательным моментам в использовании котла можно отнести:

Загрузка топлива в прибор производится вручную.
В некоторых моделях отсутствует регулировка температуры воды, поэтому при выборе котла на это нужно обратить особое внимание.
Требуется достаточно много места для хранения дров или другого твердого топлива.
Есть определённые требования к просушке топочного материала.
При использовании комбинированных моделей, нужно будет отвести для системы отдельное помещение — котельную.

Это достаточно существенные недостатки для тех, кто имеет небольшую площадь дома, но при необходимости установить отопление, всегда можно найти выход из положения.

Реально ли построить такой котел своими руками?

При желании и при наличии некоторых навыков, вполне возможно сделать котел длительного горения на твердом топливе самостоятельно. Для эффективности его работы совершенно не важно, какой формы будет котел — круглый, изготовленный из бочки или газового баллона, или сваренный из металлических листов. Главное — правильно устроенная внутренняя система.

Видео-пример постройки самодельного котла длительного горения «от Максима»

Простейшая конструкция котла длительного горения

Лабиринт из камер дожига и труб теплообменника

На предложенной схеме хорошо видно, каким совершенно несложным образом можно создать условия внутри котла для задержки горячего воздуха, что существенно продлит процесс остывания.

Из всех вариантов котлов, которые можно выполнить самостоятельно, имеющий прямоугольную форму будет самым компактным и эстетичным. Он отлично подойдет для отопления небольшого помещения, а если его несколько доработать, то согреет и большую площадь.

Примерная схема топочной части котла с размерами

Конструкция котла достаточно проста и для нее потребуется вполне доступные материалы, а их количество будет зависеть от размера задуманного агрегата.

Смысл конструкции состоит в том, чтобы не дать возможности нагретому воздуху напрямую уйти в трубу. Для этого и устраиваются внутри приспособления, состоящие из металлических пластин и труб, приваренных особым образом и создающих между собой своеобразный лабиринт, по которому и должен медленно уходить нагретый воздух. Верхние отсеки, при грамотной организации подачи дополнительного воздуха, будут играть функцию камер дожига. При желании, котел изнутри обложить шамотной плиткой или же кирпичом, установленным на ребро. Можно устроить кладку из кирпича и снаружи отопительного прибора.

Для того чтобы сделать такой котел нужно подготовить: металлический лист не менее трех миллиметров толщиной, стальной уголок 4×4 или 5×5 см, крышку для отверстия в варочной плите, дымоходную трубу требуемой конфигурации, длины и диаметра. Весь материал закупается, опираясь на заранее составленную схему.

Первым шагом идет раскройка всех деталей из металла после разметки по размерам согласно схемы. Детали необходимо вырезать аккуратно, затем выровнять края с помощью зачистки шлифмашинкой.

Вырезаются следующие детали: дно и стенки котла, панель колосника, варочная панель, две или три внутренние панели для создания лабиринтного выхода нагретых газов.

Далее, в варочной панели вырезаются отверстия для конфорки и дымохода. В передней панели устраиваются два прямоугольных отверстия для топки и поддувала. Вырезанные пластины обвариваются — они будут использованы для дверец, и должны плотно закрываться. Крепятся они на петли, которые привариваются к панели и дверцам. Затем на них закрепляются задвижки.
Продолжается работа с передней панелью — приваривается одна пластина с ее внутренней стороны. Она должна быть меньше размера боковой стенки на 7—8 сантиметров, т.е. она не должна доходить до задней стенки на указанное расстояние. От верхней панели ее располагают на расстоянии 10—12 сантиметров.
Далее, идет работа с задней стенкой — на нее с внутренней же стороны привариваются две металлические панели, такой же величины, как на передней. Одна из них закрепляется на расстоянии от верха 5—6 сантиметров, а вторая 15—17. При сборке котла, пластина с передней панели должна располагаться между пластинами задней стенки.
На боковые стенки, на всю их длину приваривают по одному уголку, на одной высоте — в дальнейшем они будут служить кронштейнами для колосника.
К нижней части привариваются ножки, выполненные из уголка. Для устойчивости котла, лучше приварить к их торцу металлические круглые или квадратные пластины.
Чтобы сделать колосниковую панель, в подготовленной металлической заготовке высверливают многочисленные отверстия или вырезают длинные полосы, идущие вдоль боковых стенок. Можно поступить и другим образом — сварить колосник из арматуры. Если удастся найти в продаже колосник чугунный, точно подходящий под нудный размер – это будет идеальным вариантом. При проектировании котла этот вопрос можно продумать заранее.
Решающим и завершающим шагом является сборка всех деталей вместе. Их можно соединить с помощью уголка, а можно сварить детали между собой встык, но это нужно делать очень аккуратно, швы должны быть ровными и герметичными.
К готовой конструкции с помощью сварки присоединяется патрубок дымоходной трубы.
Чтобы конструкция была аккуратной, нужно зачистить сварочные швы и покрыть весь котел полностью жаростойкой краской.

После высыхания краски, можно проводить испытания перед установкой. Испытывают котел на открытом воздухе.

Видео – оригинальный самодельный котел длительного горения

Ранее было рассказано о самой простейшей конструкции. Однако креативные идеи не имеют границ. Посмотрите на пошаговый процесс создания котла совершенно необычной конструкции.

Установка

Установку котла нужно проводить, соблюдая правила противопожарной безопасности.

Для установки котла стационарно нужно подготовить для него поверхность. Она должна быть ровной и огнестойкой — это может быть бетонный пол, кирпичная кладка или кафельная плитка.
Стены около котла отделываются жаростойким гипсокартоном, плиткой, кирпичной или каменной кладкой. Можно выбрать и другой негорючий материал.
Помещение, где располагается котел должно иметь хорошую вентиляционную систему.

Если котел изготавливается своими руками, нужно постараться выбрать качественный материал, чтобы изделие прослужило долгий срок.

При выборе готового котла, необходимо внимательно ознакомиться с его характеристиками и функциями, чтобы он удовлетворял всем зависящим от него запросам. Если нет необходимости или возможности приобретать котел заводского производства, то можно сделать его самостоятельно или заказать у опытного мастера.

Ракетная печь длительного горения: принципы работы и изготовление

Ракетная печь использовалась многими народами мира задолго до появления современных домашних и бытовых печей. Она служила, прежде всего, для обогрева жилища и обеспечивала теплое спальное место в доме. Приготовление пищи также играло немаловажную роль. При разработке устройства печи, нужно было придумать систему, которая смогла бы работать с максимально возможным КПД при загрузке древесного топлива низкого качества (в сухом и влажном виде).

В наше время ее используют для обогрева, для приготовления еды, а также в качестве элемента интерьера. Сделать ракетную печь своими руками можно практически из подручных средств. Все зависит от ее назначения и места, где она будет использоваться.

Принцип работы ракетной печи

Видов и конструкций ракетной печи много — от самых простых до многофункциональных. Для эффективной работы необходимо соблюдать некоторые правила эксплуатации печной конструкции. Выделяют 2 основных принципа работы ракетной печи, в независимости от ее конфигурации:

свободная циркуляция выделенных газов из топлива по сформированным печным каналам, без ручного проведения тяги дымохода;
догорание пиролизных газов, высвобождающихся от прогорания топлива в условиях недостаточной подачи кислорода.

Конструкция, характеристика и применение

Печь-ракета своим уникальным названием обязана характерному печному гулу, который можно слышать на протяжении всего процесса горения. Он отдаленно похож на звук взлетающей ракеты. Сходство с ракетой еще и в том, что в ней, в процессе горения, создается реактивная тяга. Конусовидную форму печи также можно связать с названием, но это не основная характеристика.

Различают 2 вида печной конструкции (представлены на схемах):

Простейшая печь-ракета

Самая простая конструкция ракетной печи прямого горения представляет собой 2 трубы, соединенные отводом — печь русская ракета.

Нижняя труба разделяется металлической пластиной. Верхняя часть трубы составляет примерно 2/3 от общего пространства, куда непосредственно закладывается основное топливо. Нижняя часть служит примитивным поддувалом, которое обеспечивает воздухообмен в печи.

Закладка топлива в данном случае горизонтальная. При вертикальной закладке печь ракетного типа состоит из двух вертикальных, разных по длине, труб, и третьей горизонтальной, служащей соединительным каналом. Последняя выполняет функцию топки.

Устанавливается простейшая форма реактивной печи обычно на открытом воздухе — с целью приготовления еды и подогрева воды.

Для изготовления стационарной простейшей печи ракеты из кирпича, используется материал, который устанавливается на жаростойкую платформу.

С целью достижения более высокой производительности, в простейшую конструкцию печки были добавлены новые элементы.

На схеме представлена походная реактивная печь. Нижняя труба разделяется специальной перемычкой, на топливный отсек(2) и отсек для отвода воздуха в область горения(3). Верхняя часть печи состоит из трубы-райзера, вокруг которой уложен теплоизолирующий состав(4), поверх закрывающийся внешним металлическим корпусом(1).

Работа печи складывается следующим образом: в топливный отсек закладывается разогревающее печь топливо (солома, бумага), после прогорания которого добавляется основное топливо (щепки, прутья и пр.). В процессе активного горения образуются раскаленные газы, поднимающиеся по райзеру и выходящие наружу. На срезе трубы устанавливается подставка под посуду для варки, с учетом промежутка 7-10 мм. В противном случае, при не сохранении необходимого зазора будет перекрыт выход для тяги кислорода, который, в свою очередь, поднимает раскаленные газы вверх. Процесс горения прекратится.

При соблюдении условия создания воздушной тяги, даже при закрытой топочной дверце процесс горения не прекратится. Здесь частично срабатывает второй принцип работы ракетной печи длительного горения — дожигание пиролизных газов в условиях недостаточной подачи кислорода.

Чтобы этот принцип работал в полной мере, необходимо обеспечение ракетной печи качественной термоизоляцией камеры вторичного горения, ведь для процессов образования и сжигания газов нужно соблюдение температурных требований.

Усовершенствованная конструкция

Такой тип ракетной печи в усовершенствованной комплектации может использоваться в домашних условиях как для приготовления еды, так и для обогрева комнат. Помимо топливного отсека и трубы, в ней присутствует второй корпус, наверху которого установлена варочная поверхность, а дымоход проведен на улицу. Отопить такой печкой можно помещение, площадью до 50 кв.м.

В результате проведенной модернизации, полезные качества и эффективность увеличивается за счет того, что ракетная печь длительного горения приобретает несколько уникальных и важных свойств:

в отличие от простой конструкции ракетной печи, в усовершенствованной используется второй наружный корпус, термоизолирующий материал вокруг трубы горения, герметично закрытая верхняя часть корпуса, что создает условия для поддержания высокой температуры длительное время;
автономное отверстие для подачи вторичного воздуха в модернизированной печи выполняет оптимальный поддув, в то время как в простой конструкции для этого используется открытая топка;
система дымохода спроектирована таким образом, что нагретый газовый поток не устремляется наружу из трубы сразу, а проходит по печным каналам, обеспечивая качественное догорание вторичного топлива, нагрев варочной панели и равномерную теплоотдачу воздуха в помещении через нагретый корпус печи.

В усовершенствованной конструкции используются дополнительные элементы, ориентированные на создание высокой теплоотдачи и многофункциональности ракетной печи. Здесь активно задействованы два принципа работы печи. Вначале происходит предварительное горение твердого топлива, которое при сгорании выделяет пиролизные газы, использующиеся как вторичное топливо.

Принцип работы ракетной печи такой конструкции подробно изображен на схеме слева. В топливный отсек (1) загружается топливо для предварительного горения. В зоне самого активного теплообмена (2), в условиях недостаточной подачи первичного кислорода (А), регулируемого заслонкой (3), происходит выделение пиролизных газов. Они устремляются в конец огневого канала (5), где осуществляется их догорание. Благоприятные условия горения газов создаются благодаря высокой теплоизоляции конструкции и непрерывно поступающему потоку вторичного кислорода (Б).

Затем раскаленный газ поднимается вверх по внутреннему каналу трубы-райзера (7) под крышку корпуса, которую часто оборудуют под варочную поверхность (10), в связи с непрерывным высокотемпературным нагревом. Там скопление газа расходится по каналам, расположенным между райзером и внешним печным корпусом (6). В условиях постоянного нагрева корпуса, его стенки аккумулируют тепло, от чего воздух в помещении нагревается. После этого газовый поток опускается вниз по каналу, а затем выходит наверх, в трубу дымохода (11).

Процесс горения может продолжаться несколько часов. Для максимальной теплоотдачи печи и полного сжигания пиролизных газов, необходимо поддержание стабильно высокой температуры в райзере. Для этого его помещают в трубу чуть большего диаметра, которая называется обечайка (8). Образованное пространство между двумя трубами плотно заполняют жаростойким составом, например, просеянным песком, для обеспечения теплоизоляции в трубе.

Особенности эксплутации ракетной печи

Перед загрузкой основного топлива печь нужно прогреть. Это больше касается больших и многофункциональных ракетных печей. В них без предварительного прогрева тепловая энергия будет использоваться вхолостую.
Для разгона печи в открытое поддувало помещают сухую бумагу, древесную стружку, солому. Достаточный прогрев печи можно определить по гулу в печи, который в дальнейшем затихает. Затем в разогретую ракетную печку закладывается основное топливо, разжигающееся за счет разгонного.
В начале горения основного топлива дверцу поддувала открывают полностью. Спустя время, как появляется печной гул, поддувало прикрывают до тех пор, пока гул не заменится шепотом. В дальнейшем для оценки состояния горения печи нужно так же ориентироваться на «печной звук», приоткрывая дверцу поддувала при затихании и прикрывая при возникающем гуле.
Чем больше реактивная печь, тем меньшее отверстие для притока свежего воздуха необходимо. Целесообразно использование в такой печи отдельного поддувала.
Регулировка мощности работы печи может происходить только за счет объема закладываемого топлива, но не за счет подачи воздуха.
При самостоятельном изготовлении большой ракетной печи, ее бункер следует делать с плотно прилегающей крышкой, без просветов и щелей. В противном случае не будет обеспечиваться стабильный рабочий режим печи, что чревато расходом лишней топливной энергии.
Вопреки распространенному мнению, ракетная печь для бани не подходит для установки, так как печь не выделяет ИК-излучение в достаточном количестве, которое необходимо для отопления стен и отдачи конвекции в воздушные массы в условиях бани. Печь ракета для бани, теоретически, может быть установлена только с использованием печного типа Широкова-Храмцова, характеристика которого дана ниже.
Ракетная печь для гаража представляет мобильный вариант печной конструкции, способной быстро нагревать помещение. Основной элемент — нагревательный бак из трубы.

Виды топлива

При правильной сборке и эксплуатации, ракетную печь можно топить любым типом твердого топлива, древесиной и ее отходами. Например, ветками, листьями, дровами, углем, кукурузными стеблями, шишками, кусками ДСП, обломками мебели. Загружать топливо в печь можно как в сухом, так и в сыром виде. Это особенно актуально для ее эксплуатации в природных условиях, где не всегда можно отыскать сухое сырье.

Разновидности ракетных печей

Ракетную печь можно сделать самостоятельно или на заказ из различных материалов. Здесь необходимо ориентироваться на возможности и имеющиеся ресурсы.

Печь из газового баллона

Использованный газовый баллон — широко распространенный материал для изготовления печи. Удобство его использования заключается в том, что это, по сути, уже готовая заготовка корпуса печи вытянутой конусовидной формы. Топливные затраты минимальны, а выделяемое тепло обогреет помещение площадью до 50 кв.м. Материал баллона нужно выбирать не взрывоопасный и устойчивый к высоким температурам и нагреву. Лучший вариант — это пропановый баллон из цельного металла, емкостью 50 литров, диаметром 35 см и высотой 85 см. Этого объема хватит для горения любого типа топлива.

Также для изготовления переносной ракетной печи из газового баллона используются объемы 12 и 27 литров, но с меньшей теплоотдачей. Баллон можно приобрести на специальной газовой заправке.

Перед началом изготовления печи из баллона стравливается газ, путем открытия вентиля на некоторое время. Затем, изготавливается простая печка-буржуйка. Далее срезается верхняя часть баллона, отверстие для вентиля остается. Вверху вырезается круглое отверстие с приваренной стальной полоской, служащее основой для дымохода.

Печь из кирпича

Может быть как стационарной, так и походной. Сложенная наспех, за 15-20 минут, ракетная печь из кирпича, осколков кирпича или булыжников «на сухую», отлично справится с приготовлением еды и подогревом воды. Недостаток такой печи в низкой экономии закладываемого топлива и небольшой теплоотдачей. Разогрев кирпичей в дымоходе до 1000 градусов позволяет конструкции быстро войти в рабочий режим. При этом ракета не дымит благодаря тому, что в такой температуре все топливо сгорает без остатка.

Ракетная печь с водяной рубашкой

Чаще всего используется стационарный печной тип. Особенность такой печи состоит в том, что теплоотдача идет не только на подогрев воздуха в помещении, но и для воды. Для этого ракетная печь с водяным контуром соединяется с теплоаккумулирующим баком — для создания системы автономного водоснабжения. Идеальный вариант для применения на даче или в частном воде, ведь устройство помогает снизить расходы на отопление и подогрев воды, что очень экономично.

Печь из бочки

Распространенная модель для отопления дома. Малозатратная в изготовлении и энергоемкая в теплоотдаче. Часто обустраивают совместно с теплой лежанкой. Способна прогреть помещение более 50 кв. м. Для изготовления печки отлично подойдет стандартная 200-литровая бочка диаметром 607 мм. Этот диаметр можно сократить почти вдвое, что удобно для встраивания трубы-райзера, выполненной из газового баллона или жестяных ведер, диаметром 300-400 мм. Словом, печь можно поставить из подручных материалов.

Печь Широкова-Храмцова

Отечественная модернизация ракетной печи. Основной материал — жаростойкий бетон, который создает отличную термодинамику в конструкции. Благодаря стабильной работе печи и низкой теплопроводности материала, часть тепла выходит наружу в виде ИК-излучения, что невозможно при эксплуатации других печных типов. Если использовать жаропрочное стекло, то печь можно приспособить под камин. Недостаток установкитакой печи — в высокой стоимости материала, на заготовку которого понадобится бетономешалка.

Печь-плита

Для приготовления пищи и заготовок в домашних и уличных условиях, устанавливается усовершенствованная печная конструкция с широкой варочной поверхностью для установки нескольких емкостей. Вертикальная труба-райзер с приваренной к ней топкой находится прямо под варочной панелью, обеспечивая ее высокотемпературный нагрев. Скапливаясь под крышкой панели, газы выходят по горизонтальной трубе, равномерно нагревая всю площадь панели, и устремляются на выход по вертикальному дымоходному каналу.

Как сделать своими руками

Подробно рассмотрим изготовление печи-ракеты своими руками с лежанкой. Ее конструкция более громоздкая, сложнее установка, чем перечисленные выше типы печей, но благодаря пошаговой инструкции и схемам, построить ее самостоятельно не составит особого труда. Главное — соблюдение всех рекомендаций по установке.

Пошаговая инструкция, как сделать ракетную печь:

Вначале, выполнить углубление на 10 см для установки топливного отсека, выложив его кирпичом из шамотной глины. Затем нужно установить опалубку по линии конструкции. Для более прочного фундамента можно использовать строительную арматуру или сетку, выложив ее на кирпичное основание.
С помощью уровня выложить основу для камеры горения.
Затем нужно залить конструкцию бетоном, и в течение суток дать просохнуть. После того, как раствор схватится, можно продолжать возведение печи.

Выложить основание печи, укладывая кирпич сплошным порядком.
Сформировать боковые стенки путем укладывания нескольких рядов кладки.
Выполнить обустройство нижнего канала ракеты, учитывая порядовку.
Затем нужно уложить ряд поперечных кирпичей так, чтобы труба-райзер и топочный отсек остались открытыми, а камера сгорания — скрытой.

Нужно взять корпус старого бойлера и обрезать с двух сторон так, чтобы в итоге получилась широкая по диаметру труба.
В нижнюю часть корпуса из-под ГСМ устанавливается фланец, в который будет установлена труба горизонтального термообменника. Чтобы соблюсти герметичность и безопасность изделия, нужно предусмотреть использование в работе сплошных сварных швов.

После этого в бочку врезается выходной патрубок. Бочка проходит очистку от ржавчины, покрывается грунтовкой и несколькими слоями термостойкой краски.
К дымоходу, расположенному горизонтально, нужно приварить боковую отводку для формирования зольника. Для облегчения его прочистки, при эксплуатации печи канал нужно оборудовать герметичным фланцем.
Далее из огнеупорного кирпича выкладывается жаровая труба, с соблюдением размеров 18×18 см квадратной формы. При выкладке внутреннего канала, важно соблюдение строгой вертикальности для стабильной работы печи. Для этого можно использовать обвес или уровень.

На жаровую трубу необходимо одеть кожух, а в образовавшееся пространство поместить перлитовые шарики. Нижнюю часть райзера нужно герметично замазать глиняной смесью, чтобы предотвратить просыпания теплоизолята.
Затем изготавливается топливная крышка — с помощью ранее отрезанной части от бойлера. К крышке, для удобства, можно приварить ручку.
Смешать глиняный раствор с древесными опилками (не дают потрескаться изделию), до 50% от общего объема. В итоге получается так называемая «саманная смазка», которой нужно обмазать внешний вид получившейся конструкции для маскировки неприглядных деталей и увеличения термоизоляции.

Далее формируется внешний вид печи. Выкладывается печной контур. Для этого можно использовать разные материалы: камень, кирпич, мешки с песком. Внутренняя часть заполняется щебнем, а верхняя замазывается саманной смесью.
200-литровая бочка, служащая внешним печным корпусом, устанавливается на предварительно подготовленное основание. Обязательно, нужно установить бочку так, чтобы нижний патрубок был со стороны лежанки. Далее нижняя часть покрывается глиной для герметизации.
Затем из гофротрубы нужно сформировать канал для подачи воздуха с улицы, подвести его к топливному отсеку. Без установки такого канала, ракетная печь своими руками при работе будет потреблять теплый воздух из помещения.

После возведения основной части печной конструкции, проводится тренировочная растопка для проверки свободного выведения газов через горизонтальный дымоход.
К нижнему патрубку, установленному на основании из кирпича красного типа, подсоединяются трубы теплообменника.
Далее нужно выполнить монтаж дымоходной трубы своими руками, герметично уплотнив все соединения асбестовым шнуром или огнеупорной обмазкой.
В конце лежанке нужно придать форму таким же способом, что и ранее — при формировании основного корпуса. Если оставить бочку открытой, без маскировки саманом, то жар при горении будет моментально поступать в помещение. Если же бочку замазать саманом полностью, оставив нетронутым крышку, то тепло будет аккумулироваться в корпусе, что создаст отличные условия для приготовления пищи на варочной поверхности.

Вместо бочки можно использовать газовый баллон (печь-ракета из газового баллона), а вместо бойлера — подогнанные под форму трубы, жестяные ведра. Очень важно при создании ракетной печи своими руками соблюдать точность и пропорциональность в размерах, используя чертежи. Это даст гарантию долгой и эффективной эксплуатации печи длительного горения своими руками.

Преимущества от использования самодельных ракетных печей, в обиходе значительны. Возведение печи не требует больших экономических затрат (на материалы, отопление) и временных (на изготовление печи уходит максимум 3-4 дня).

Высокая производительность и теплоотдача при неприхотливой загрузке топлива идеальна. Оформить печь можно в каких угодно вариантах, тем самым добавив новый элемент интерьера в дом.

Пиролизный котел длительного горения с водяным контуром: принцип работы

В наше время у людей есть возможность выбора каким именно топливом отапливать свой дом.
Ни для кого не станет открытием, что самым первым топливом на земле был не газ, а твердое топливо.

Прошло много веков, а оно не теряет своей актуальности даже сегодня. Специально для твердого топлива руками человека было создано три категории котлов, а именно:

чугунные;
пеллетные;
пиролизные.

Если рассматривать все эти три категории котлов, то больше всего выделяются пиролизные.

Самым главным отличием можно назвать обособленный процесс горения, за основу которого взят принцип пиролиза.
Согласно принципу пиролиза вещество распадается на соединения органического и неорганического вида, а также дальнейшая их газификация. Агрегат насчитывает 2 основные камеры, поскольку продукты, которые образуются в результате горения, выводятся каждый по отдельности. Пиролизные котлы без сомнения можно с уверенностью назвать газогенераторным устройством, поскольку в результате сгорания продуктов образуется остаток, имеющий твердую структуру и вещество газообразного типа. КПД данного вида котлов достигает 92%.
Существует два типа котлов, а именно газогенераторные котлы энергозависимого и энергонезависимого плана. Энергозависимые имеют определенные требования к качеству используемого топлива, поскольку у него должен быть уровень влажности около 25%. В процессе использования данных котлов крайне не желательно поддавать процессу горения различные древесные отходы, имеется в виду хворост, щепу и так далее. В случае с энергонезависимыми газогенераторными котлами все с точностью наоборот, то есть можно использовать любой вид твердого топлива, а также разнообразные отходы. Их влажность может достигать до 50%.
Конструкция
Все пиролизные котлы делятся на 3 типа в зависимости от их функциональности.

Одноконтурные. Применяются для нагрева помещений за счет нагрева воды в отопительных трубах.
Двухконтурные. Предоставляют возможность отопления помещения и в то же время нагревают воду для различных целей.
Парогенераторы пиролизного типа.
Корпус имеет цельную структуру. Он выполняется из листовой стали. В структуру котла входит камера сгорания, которая оснащена двумя отсеками. Помимо этого в систему котла входят следующие устройства:
вентиляторное устройство;
контроллер;
теплообменник;
форсунка;
специальные трубки для подачи воды;
каналы подачи воздуха;
устройство отведения дымовых газов.
Камера сгорания поделена на два отсека:
газифицирующий отсек – для топлива;
для продуктов горения.
Между отсеками расположен колосник выполняющий функцию разделителя. На поверхности колосника располагается топливо. Если котел имеет небольшие параметры камеры, то за уровень тяги отвечает вентилятор. Когда камера большая, то данную функцию выполняет специальный дымосос.

Процесс в камере горения происходит с помощью кислорода, попадающего в середину через канал первичного воздуха. Во втором отсеке кислород соединяется с продуктами горениями. Он попадает сюда через вторичный канал.
Принцип работы
В основе работы этого вида котлов лежит процесс пиролиза. Протекание данной реакции происходит при температуре от 200 – 800 градусов. Процесс первоначального сгорания топлива протекает в области первого отсека. За счет недостаточного количества кислорода топливо медленно тлеет в результате этого, образуется газ. Продукты реакции горения путем перехода по форсунке попадают во второй отсек. Там они смешиваются с определенным количеством вторичного воздуха.
Далее происходит сгорание летучих веществ. Немного образовавшегося тепла попадает назад в область первого отделения. Это дает возможность постоянно поддерживать реакцию пиролиза.

Если в структуру входит водный аккумулятор тепла, то с помощью патрубка в теплообменник транспортируется вода. Там на нее оказывает влияние высокая температура, что приводит к образованию пара. Этот пар смешивается с теми продуктами, которые остались после горения, что в свою очередь препятствует перегреву котла.
Если сравнивать пиролизный котел с твердотопливным то здесь есть существенное отличие, которое заключается в подаче воздуха. В виду того что внутри агрегата наблюдается высокое сопротивление аэродинамического характера, то процесс нагнетания воздуха происходит с помощью вентилятора, а в больших котлах дымососа.
Как только цикл обработки будет полностью завершен, то образовавшиеся газы транспортируются через конвективный отсек теплообменника, а затем выводятся наружу через дымоход.
Типы топлива
В качестве топлива могут использоваться:

дрова, а также различные древесные остатки;
уголь;
брикеты торфа;
древесные отходы, содержащие целлюлозу.
Огромное значение имеет уровень влажности сжигаемого топлива. Лучше всего использовать сухое топливо иначе уровень мощности будет ниже нормы.
Если же влажность будет превышать рекомендуемый показатель, то котел перестанет вообще работать.
Защитный механизм
Любое устройство, особенно отопительное несет в себе опасность. Именно поэтому в пиролизных котлах предусмотрена защитная система. Тип системы зависит от модели котла. Самые распространенные:
контроль температуры в нужных пределах с помощью термостатического регулятора;
предотвращение процесса перегрева теплообменника с помощью специального датчика давления;
предохранительный клапан.
Контроль за работой данного вида котла проводится с помощью специального электронного блока управления. Этот блок дает возможность не только контролировать работу котла, но и задавать те параметры работы, которые считаются нужными. Отдельные виды моделей позволяют осуществлять контроль с помощью специального пульта управления.

Положительные и негативные стороны
К положительным особенностям относятся:
длительный процесс горения от 12 часов до двух суток;
полное сгорание топлива;
высокий уровень экономичности;
удобство и высокая степень безопасности;
минимальное количество выделяемых вредных веществ;
использование самых разнообразных видов твердого топлива.
Недостатки:
высокая цена;
энергозависимость;
наличие минимального показателя загрузки;
требовательность к влажности.
Не смотря на то, что у пиролизных котлов есть свои определенные преимущества и недостатки, они продолжают оставаться самыми эффективными и востребованными. Тот факт, что котлы имеют очень высокую стоимость не стоит считать существенным недостатком, поскольку в дальнейшем он себя полностью оправдывает.

Отзывы
Виктор Панкратов
Такой котел установил у себя почти два года назад. Решился на это не сразу. Долго изучал отзывы тех людей, которые уже имеют опыт использования. До сих пор никаких серьезных проблем не возникало. Главное вовремя делать чистку теплообменника. То количество материальных средств, которые удалось сэкономить, радует, при использовании газового котла этого сделать не удалось бы. В виду того что стоимость газа с каждым годом растет лучше потратится и купить пиролизный.
Сергей Нисмиян
К покупке пиролизного котла подтолкнуло то, что газ стал регулярно перемерзать. Конечно же, газ включил и забыл, а здесь необходимо время от времени ходить и делать закладку. Но, не смотря на это, порадовала экономичность котла. Конечно же, производитель указал, что одной закладки достаточно на 10 часов горения, но на практике это число уменьшилось до 7. В виду того что твердое топливо практически полностью сгорает, необходимость чистки возникает раз в 4- 5 дней, а иногда еще реже. Очень доволен.

Антон Семенов
Повелся на длительное горение больше 12 часов, а на самом деле одной закладки хватает не больше чем на 6 часов. Необходимо очень часто чистить. Как не бьюсь, не могу достигнуть заявленных производителем показателей.
Игорь Васильев
Пользуюсь таким котлом 3 года и за это время не разу не пожалел о его приобретении. Работает просто безотказно. После закладки твердого топлива 8 часов к нему вообще не подхожу.
Виталий Смирнов
Практически сразу после установки сломался вентилятор. Заменили его по гарантии сервисного центра. В дальнейшем никаких поломок не возникало. Регулярно провожу чистку, и все работает нормально. Очень радует экономичность.
Твердотопливные котлы длительного горения украинского производства
В настоящее время на рынке оборудования отопительного типа часто можно встретить продукцию компаний из соседних с Россией стран. При этом производители из Украины с каждым годом совершенствуют свою продукцию и начинают уверенно конкурировать с компаниями из дальнего зарубежья. Спрос на твердотопливные котлы украинского производства растет.
Конкуренты украинских производителей входят в элиту производства отопительного оборудования. В то же время производители из Украины не пытаются сделать модели «облегченного» типа, наоборот, они изготавливают продукцию с полноценным функционалом.
Особенность производства отопительного оборудования в Украине заключается в том, что производственные компании не занимаются слепым копированием западного опыта, а осознанно перенимают практики самых успешных западных компаний в этой отрасли. Вместе с тем украинские производители вносят в конструкции котлов усовершенствования, которые позволяют адаптировать западные технические решения к условиям климата Украины.

Далее рассмотрим отдельные виды котлов украинского производства.
Котлы пиролизного типа СЕТ
Средняя цена котла этого бренда 1,5 тысяч долларов США. Это оборудование выпускается с полным оснащением, в камере сгорания делается футеровка составами, устойчивыми к высоким температурам.
Как топливо для котла данной марки могут применяться дрова, влажность которых составляет до 50%. В то же время характеристики использования котла останутся по-прежнему высокими.
Основные преимущества украинских котлов рассматриваемой марки следующие:
Котлы универсальны. Производителями принимаются во внимание трудности, которые связаны с не самым высоким качеством топливных материалов и сложностями в доставке. По этой причине украинские котлы работают практически на всем.
Электроника работает без сбоев. Не является секретом то, что снабжение электричеством в наших странах далеко от совершенства. Данное условие также учитывается производителями, когда они разрабатывают электронные системы контроля и управления украинскими котлами. По этой причине оборудованию рассматриваемого типа не страшны колебания в электрических сетях.

Запчасти доступны для приобретения. В случае необходимости запасные части для украинских котлов можно приобрести, затратив меньше времени и денег, чем при покупке запчастей для котла западного производства.
Доступные цены. Украинские твердотопливные котлы производят сильное впечатление не только благодаря тому, что могут конкурировать с элитным оборудованием из западных стран, но и по причине того, что цены на украинские котлы гораздо меньше, чем на оборудование из дальнего зарубежья. В некоторой степени такая особенность обусловлена тем, что котлы от украинских производственных компаний зачастую продаются без посредников и, соответственно, без лишних наценок.
Принимая во внимание эти сильные стороны украинских котлов, а также то, что они снабжаются большими наборами функций, характеризуются долговечностью, то совсем не удивительно, что все большее количество потребителей отдает свое предпочтение именно этой технике.
Атон
Средняя цена на котел этой марки составляет 176 долларов США. Производственная компания — Лебединский мотостроительный завод. Котлы работают на основе пиролизной технологии, заключающейся в том что при нехватке кислорода и тлении топлива из древесины происходит образование газа, характеризующегося горючими качествами.
Эти котлы отличаются продолжительным горением и имеют второе название – «газогенераторные». Мощность оборудования рассматриваемой марки может быть самой разной и зависит от назначения:
котлы для использования в быту имеют мощность от 16 кВт,
оборудование для промышленности – до 36 кВт.
Благодаря конструкции котлы могут заправляться самыми разными типами топлива. В камеру сгорания можно направить и дрова, и брикеты из опилок и соломы, и брикеты из торфа, и брикеты из древесины, а также отходы от производств мебели и обработки дерева. Благодаря размерам топки в котел поместится полено размером до метра и диаметром до 0,41 метра. Итак, при использовании этого агрегата колоть дрова вовсе не обязательно.
Творческий подход создателей котлов «Атон» дал возможность снизить расход топлива в 6 раз. За год использования стоимость котла окупится полностью. Камера сгорания обрабатывается муллито-коррундовой смесью. Производитель электроники для котлов этой марки – Tatarek (Польша). Гарантийный срок котлов – 5 лет.
Буран
Средняя цена 1100 долл. США популярны на рынке благодаря тому, что способны долгое время функционировать без участия человека. Видно, что создатели котлов делали ставку именно на этот фактор.
Среди котлов марки «Буран» есть модели, в которых можно применять дрова, а также существуют модели для угольного топлива. Сильная сторона котлов угольного типа заключается в том, что они могут функционировать при низких температурах. Подобно многим моделям такого типа, низкотемпературные котлы способны функционировать до пяти суток без дополнительной заправки. Модели, которые функционируют на дровах, без дополнительной заправки способны работать до 30 часов.
При создании котлов марки «Буран» было предусмотрено оснащение агрегата особым образом сконструированным котлом, благодаря чему теплоотдача в среднем возросла на 40%.
Еще одна особенность марки «Буран» — это рассеиватель воздуха с необычной конструкцией, благодаря которой поток воздуха вращается и этим обеспечивается равномерность сгорания топлива.
В заключение можно отметить, что украинские производители делают ставку на качество котлов, часто превосходящее качество агрегатов западного производства. Вместе с тем украинские котлы обладают доступными ценами. Этим и объясняется спрос на твердотопливные котлы украинского производства.
Твердотопливный котел длительного горения.Преимущества котла
Отопительный твердотопливный котел длительного горения является хорошей альтернативой своим аналогам, работающим на природном газе, дизельном топливе или электричестве. Котлы особенно востребованы в негазифицированных районах а также где наблюдаются постоянные перебои в работе линий электропередач. Выпускаются как для промышленного, так и для бытового использования и обеспечивает автономную работу системы отопления. Одной закладки топлива хватает на 8 и больше часов, в зависимости от конструктивных особенностей аппарата и системы обогрева. Эксплуатация на одной закладке угля в среднем находиться в диапазоне 7 дней. Несмотря на распространенность газа как вида топлива, до сих пор широко применяются котлы на твердом топливе. Они бывают классического типа и длительного горения. Последние в свою очередь подразделяются на следующие виды: с пиролизным сжиганием твердого топлива, шахтного вида с верхним горением, классический твердотопливные с привычным способом сжигания.
Традиционный или классический принцип горения
Простая схема сжигания топлива. По принципу работы они напоминают обыкновенную печь со специальным окошком для подачи горючего
Основной элемент – теплообменник, обеспечивающий передачу температуры непосредственно к теплоносителю
Такие котлы отличаются небывалой надежностью и долговечностью, однако их КПД оставляет желать лучшего
Твердотопливный котел классического горения с варочной панелью
Принцип работы верхнего горения
Характеристики котла длительного горения
В качестве топлива используются дрова, торфяные брикеты, уголь. В отличии от классического пиролизного котла в нашем случаем нет такого жестко требования к сухости дров, а там это не больше 20% влажности, также нет необходимости в обязательном использовании электричества для обеспечения принудительной тяги. Уровень температуры возможно поддерживать с помощью установленного специального датчика-регулятора подачи воздуха. Используя регулятор на 30-40% увеличивается время сгорания топлива. В итоге это 12-13 часов сжигания одной закладки дров, поэтому ставить его целесообразно. Если температура превышает максимально возможную, датчик срабатывает и заслонка прикрывается, процесс замедляется и температура падает и наоборот.
Универсальные требования для котлов на твёрдом топливе
Все универсальных требованиях защиты твердотопливных котлов. Обязателен монтаж в системе группы безопасности.
Наличие клапана перегрева.
Шахтный твердотопливный котел BRAGMAN своими руками
Работа твердотопливного котла длительного горения Amica Time U
Котел длительного горения на дровах своими руками
Для его изготовления своими руками нужно уметь пользоваться сваркой и болгаркой. Металл для изготовления должен быть 4 мм толщиной, во внутреннем контуре, где идет непосредственное горение рекомендуется использовать металл потолще, 6 мм, это повысит время эксплуатации агрегата. Высота внешнего цилиндра 1 м, внутреннего 90 см.
Котёл на дровах горит 12 часов
Устройство котла и его эксплуатация
Рассмотрим конструкцию и принцип его работы на примере горючего материала – дров.
Он представляет собой конструкцию из двух цилиндров, один внешний, диаметром 50 см, второй находится внутри и имеет диаметр 40 см.
Пространство между ними шириной в 5 см заполняется водой, это называют водяной рубашкой.
Внутри малого цилиндра делается топочная камера.
Две дверцы, одна для закладки дров, нижняя для выбирания пепла.
Сзади сверху выводится дымоход для вывода остатков продуктов горения, диаметром 140 мм.
Вверху по центру ставится, так называемый поршень.
Если предполагается использовать датчик, то он должен работать по принципу телескопа.
На крышке поршневой трубы, которая имеет диаметр 13 см, делается заслонка, для регулировки подачи воздуха. Регулятор тяги, который использовался именно в этом проекте – Regulus RT3.
Длительное горение на дровах часть 2. Схема и детали
9. В закладочную дверцу накладывается максимальный объем дров, поджигаются они сверху при приоткрытой дверце. Когда огонь разгорится дверца плотно закрывается, чтобы не было подсоса воздуха и после этого опускается поршень, таким образом, чтобы он стал всем своим весом на дрова, на нем приоткрывается заслонка подачи воздуха – это позволяет проходить процессу горения или точнее тления.
10. При сгорании топлива он опускается вниз, над ним искусственно образуется вторая камера, в которой сгорают газы, выделяющиеся от тления дров – тем самым используя процесс пиролиз. Это все позволят максимально долго гореть горючему и равномерно отдавать тепло.
11. К поршню сверху прикреплен трос, на углу поршневой трубы крепится лебедка, что позволяет подымать его после того, как полностью перегорят дрова и он будет в своей нижней позиции.
Поршень твердотопливного котла
Рассмотрим как устроен поршень подробнее.
Внешний кожух, в котором он находится имеет высоту 45 см диаметром 96 мм, он вваривается в крышку котла по центру сверху.
На нем сверху крепятся заслонка и лебедка для троса. Он составляет монолитную конструкцию с баком.
Внутри него две трубы. По зазору между внешним монолитным кожухом и телескопом воздух попадает в камеру выше поршня, обеспечивая сжигание газов. Воздух к дровам поступает через телескоп поршня. Снизу он имеет следующий вид.
Диаметр круга на который навариваются изогнутые листы металла, 6 или 7 дуг или лопастей, равен 36-37 см.
Лопасти изготовляют из метала толщиной 3 мм, высота их составляет 5 см. Изогнутость дуг дает эффект завихрения, что обеспечивает прогорание дров. Поверх их по центру размещается шайба с отверстием внутри, ее размер около 15 см. Телескопический механизм поршня показан схематически ниже.
Точками показаны уступы посредством которых реализуется ее телескопические свойства. На внешней кожуховой трубе, внутри ее снизу делаются уступы, путем наваривания металлических дуг, которые не дают опуститься второй трубе, на которой сверху с внешней стороны делаются такие же уступы.
Аналогичный принцип реализован между второй и третьей трубами. Диаметры средней и внутренней труб соответственно 76 и 50 мм, высота у них одна – 40 см. Со средней отрезается кусок высотой 6 см, он приваривается к нижней части поршня с дугами. В этом маленьком отрезке делаются отверстия и с помощью прута делается зацеп самой тонкого внутреннего звена телескопа, который потом приваривает к нижней части тоже.
Доработка котла с 30 топкой новый поршень
По запросу Ракетный котел ?? (форум дровяных печей в перми)
Прилагаю изображение своего эскизного проекта. На нем показано поперечное сечение по средней линии сборки. Краткое описание, сначала то, что вы НЕ видите. Я еще не смоделировал изоляцию вокруг камеры сгорания и стояка тепла, но планирую использовать изоляционный литой огнеупор. Я еще не смоделировал герметичные крышки топливного магазина или очистку от золы, показанную в нижней левой части этого вида.В правом нижнем углу находится воздухозаборник. Я еще не смоделировал сборку «заглушка / решетка», которая будет поддерживать древесину на определенном расстоянии от пола камеры сгорания. Это также уменьшит входное отверстие для воздуха CSA до прорези в нижней части отверстия. Гребнеобразные пальцы решетки будут расположены на расстоянии около 1 дюйма друг от друга и будут находиться на одной линии с воздушным потоком. Там будет воздухонепроницаемая заслонка заслонки, управляемая биметаллическим устройством, которая закроется, как только будет достигнута желаемая температура в резервуаре. снова открыть при падении температуры на 20 градусов.
Что вы ДЕЛАЕТЕ …
Бак со встроенным топливным магазином находится на основании в сборе. Подающая трубка представляет собой 8-дюймовую трубку,
, окруженную водой. Это помогает гарантировать, что только нижние концы древесины горят, что сводит к минимуму дым. Резервуар, конечно, будет иметь множество отверстий для входа, выхода, клапанов термопары / давления, слива , соединения расширительной камеры и т. д. В соответствии с проектом емкость бака составляет около 80 галлонов. Диаметр стояка тепла составляет 4 дюйма. Я могу подумать об использовании турбулизатора в стиле спиральной ленты в стояке, чтобы придать вращение.Трубка, определяющая внешний диаметр нагревателя, составляет 9 дюймов. Внутренний диаметр цилиндра составляет 11,75 дюйма. У меня ок. Открытое пространство на 180 градусов между стволом и наружной трубой теплоносителя для прохода выхлопных газов в зону низкоскоростных капель золы. Затем газы будут выталкиваться вверх через теплообменник в форме штопора диаметром 4 дюйма, когда они выходят из котла наверху.
Я с нетерпением жду любых отзывов. Еще раз спасибо
5 лучших ракетных печей (и планов) на рынке сегодня [ С видеообзорами]
Ракетные печи — это готовый инструмент мечты выжившего — откройте для себя лучшее, что есть на сегодняшний день
Air.Вода. Еда. Тепло. Самооборона.
5 основных требований выживания. Если вы предоставите эти 5 элементов, вы выживете.
Может и не весело, может и не красиво, но с ими, вы живете.
Итак, сегодня давайте поговорим об одном инструменте для выживания, который поддерживает как приготовление пищи, так и тепло в одном устройстве — The Mighty Rocket Stove.
В частности, мы подробно рассмотрим следующие темы ракетных печей:
** Примечание: Если вам просто нужны наши главные рекомендации, не стесняйтесь ПРОПУСКАТЬ ЗДЕСЬ.

Чтобы познакомить вас с навыками выживания, мы раздаем наш контрольный список Ultimate Survival Gear. Нажмите здесь, чтобы получить бесплатную копию .
ЧТО ЯВЛЯЕТСЯ РАКЕТНОЙ ПЕЧЬЮ?
Ракетная печь — это сверхэффективная маленькая печь для сжигания топлива. Его продуманная конструкция позволяет использовать любые небольшие источники топлива, такие как ветки, небольшие ветки, сосновые шишки и сухая трава.
Это означает, что источник топлива:
Более доступный
Легко собирать и перевозить
БЕСПЛАТНО ( кто не любит бесплатно? )
Эти небольшие источники топлива сжигаются при сгорании камера с вертикальным дымоходом.Конструкция обеспечивает практически полное сгорание.
Это означает, что вы получаете больше тепла ( для обогрева или приготовления пищи, ), чем традиционные кострища или даже дровяные печи.
Первые из них были построены на основе старых ламп, которые существовали по крайней мере с 1700-х годов. С тех пор он постепенно улучшался на протяжении веков.
Современная ракетная печь была официально спроектирована в 1980-х годах. Первоначально они были построены для поддержки улучшенной системы приготовления пищи для бедных стран.
Так простая конструкция ракетной печи покорила мир. Потому что их относительно легко и недорого построить. Даже с отходами из мусорного бака или небольшим количеством бетона!
Вот почему они стали такими популярными среди тех из нас, кто готовится к будущим чрезвычайным ситуациям…

В качестве способа познакомить вас с навыками выживания, мы раздаем наш контрольный список для подготовки предметов # 78. Нажмите здесь, чтобы получить бесплатную копию .
КАК РАБОТАЮТ РАКЕТНЫЕ ПЕЧИ — ЭТО НАЗЫВАЕТСЯ НАУКА
Истинную красоту ракетной печи можно оценить, пока вы не поймете, как она работает. Почему? Потому что конструкция ракетной печи настолько проста.
В отличие от традиционной дровяной печи, у ракетной печи нет движущихся частей. Это означает отсутствие заслонки дымохода и решетки на входе воздуха!
Базовая ракетная печь состоит всего из 4 компонентов:
«Колено» — огнестойкая L-образная труба с изгибом 90 градусов посередине.Горизонтальная часть колена — это топливная камера и воздухозаборник. Вертикальная часть — это камера сгорания и дымоход.
The Stove Body — Изолированная окантовка для локтя, способная противостоять сильному нагреву от локтя. Большие металлические бидоны для еды ( или металлические мусорные баки ) отлично подойдут, как и листовой металл, изогнутый по размеру локтя. Отверстие в верхней части позволяет дымоходу выходить вверх. А отверстие с одной стороны обеспечивает доступ к топливной камере и воздухозаборнику.
Топливная решетка — в идеале топливо должно располагаться на дне топливной камеры. Обычно металлическая решетка обеспечивает поток воздуха под топливом и вокруг него. Это позволяет золе просыпаться и удаляться.
Юбка для кастрюли — позволяет разместить кастрюлю наверху дымохода. Он поддерживает воздушный зазор, позволяющий горячим газам выходить из колена. Юбка горшка также защищает от ветра со дна горшка. Это помогает улучшить теплопередачу и ускорить приготовление.
Собрав ракетную печь и заправив ее топливом, легко понять, почему это такая эффективная конструкция!
Во-первых, топливо перекрывает большую часть входа воздуха, обеспечивая ограниченное количество воздуха для огня.
Это заставляет воздух плавным потоком под топливом и вокруг него.
Когда этот ток проходит вокруг наконечника горючего, он обеспечивает постоянный поток свежего воздуха к огню.
Во-вторых, огонь горит только на кончике горючего.
По мере того, как вы подаете больше топлива в камеру, он продвигает горящий материал в воздушный поток из впускного отверстия.
Это упрощает управление счетчиком горения и поддержание постоянной температуры.
В-третьих, установив кастрюлю над дымоходом, вы направляете как можно больше тепла в кастрюлю ( или руки для тепла ).
Это означает меньше отходов и меньше топлива, необходимого для того, чтобы обедать на столе!
То, что вы не можете так легко увидеть, — это изолированная конструкция корпуса плиты, которая повышает эффективность приготовления.
Он не дает ракетной плите терять много тепла в космос и далеко от кухонной посуды. Это также означает, что топливная камера предварительно нагревает свежий воздух до того, как достигнет топлива.

В качестве способа познакомить вас с навыками выживания, мы раздаем наш # 78 Item Complete Prepper Checklist. Нажмите здесь, чтобы получить бесплатную копию .
ПОЧЕМУ РАКЕТНЫЕ ПЕЧИ «КАМЕНЬ» ДЛЯ КЕМПИНГА И ВЫЖИВАНИЯ
Ракетные печи — это устройство мечты современных выживших ( или любителя кемпинга ).
Нет, они не выиграют конкурс «крутых гаджетов для выживания» (, как солнечное зарядное устройство, ) , но я считаю, что они даже более важны!
Я имею в виду, какое устройство может улучшить ваши походы. И спасти вашу жизнь во время масштабной катастрофы? Не много — , поэтому ракетная печь — это устройство, в которое устойчивые люди должны инвестировать.

Я считаю, что это настолько важное устройство для базовой подготовки, что оно входит в наш список 10 основных этапов подготовки.
Итак, вот 5 основных причин, по которым стоит инвестировать в ракетную печь сегодня.
1 — Дизайн работает в разных масштабах — малых или больших!
Ракетная печь может быть чрезвычайно портативной плитой для приготовления пищи ИЛИ массивным «обогревателем ракетной массы» для обогрева небольшой хижины или хижины.
Так что конструкция ракетной печи чрезвычайно универсальна. В идеале, если вы хотите быть чрезвычайно устойчивым к неопределенностям жизни — , вам следует также вложить средства в небольшую переносную ракетную печь и большой нагреватель ракетной массы!
2 — Они безумно эффективны — максимально расходуют топливо.
Они эффективно работают на очень небольшом количестве древесного топлива. Вы можете использовать дрова, ветки или сосновые шишки, чтобы эффективно генерировать много тепла.
Вы даже можете запустить множество ракетных печей на листьях, траве и кустах! Суть в том, что небольшие переносные ракетные печи могут использовать «бесплатные» горючие вещества, которые встречаются почти повсюду на земле.
А как насчет отопления дома? С хорошо продуманным обогревателем ракетной массы вы сможете продлить срок службы большой кучи дров.Как долго? На видео ниже они использовали только 0,6 деревянных шнуров на всю зиму в Монтане!
3 — Они выделяют очень мало дыма.
Если вы ненавидите дым так же сильно, как и я, то самое время что-то с этим сделать.
Вы можете поставить бездымную костровую яму для своего заднего двора, но вам также стоит приобрести ракетную печь для приготовления пищи на выживание. Почему они не выделяют много дыма? Это из-за эффективности ожога.
Чем эффективнее процесс сгорания, тем меньше дыма — вот и все! И если вы обратили внимание — е fficient горение — это Modus Operandi ракетной печи.
4 — Они являются резервным источником тепла по плану B в случае длительного кризиса, связанного с отключением сети.
Какой у вас план по теплоснабжению на длительный срок при отключении электроэнергии? Даже если у вас есть резервный генератор, в конечном итоге в нем закончится топливо. Итак, каковы ваши планы после этого?
Некоторым людям стоит попробовать обогреватель свечей, но он не подойдет для больших помещений. Таким образом, для других это инвестирование в керосиновый или пропановый обогреватель — но теперь вы храните большое количество жидкого топлива…
Вместо этого, если вы серьезно относитесь к подготовке и устойчивости, тогда вы должны смотреть на ракетную печь как на лучшее решение.Для безопасного обогрева дома вам потребуется масштабирование до нагревателя ракетной массы с дымоходом.
Хотя небольшие переносные ракетные печи производят гораздо меньше дыма, они не «бездымные». Так что если вы горите в доме или в помещении без дымохода — вы можете умереть от отравления угарным газом. НЕ ОБЯЗАТЕЛЬНО!
5 — Они лучше, чем костры / дровяные печи
Я всегда любил готовить на дровах. Но не всегда это самый удобный способ приготовить еду и согреться.
Иногда бывает трудно найти достаточно дров, чтобы поддерживать огонь достаточно горячим для приготовления пищи.
Найти сухую древесину труднее, особенно под дождем и снегом.
Даже если вы соберете много годной к употреблению дров, вы должны постоянно подкармливать поленья в огонь, чтобы поддерживать слой углей.
Каждый раз, когда вы добавляете новые поленья, вы должны убирать кастрюлю с дороги. Таким образом, часто мешает процессу приготовления, и вы дольше будете голодны!
Дровяная печь — это улучшение.Они помогают регулировать температуру и скорость сжигания топлива, обеспечивая более стабильную поверхность для приготовления пищи.
Хотя дровяные печи повышают эффективность, они по-прежнему требуют большого количества больших дров.
Колка бревен и распиловка веток требует времени и усилий! А традиционные дровяные печи не совсем портативны!
Итак, что вы можете сделать, если для топлива очень мало сбитой древесины? Что делать, если у вас нет времени искать сухие дрова под дождем?
Попробуйте ракетную печь!
Итог:
Мое любимое снаряжение для выживания — это снаряжение, которым я могу пользоваться и которым наслаждаюсь сегодня, но оно также является идеальным подспорьем, если дела пойдут плохо. Все эти причины в совокупности делают ракетную печь разумным вложением средств.

В качестве способа познакомить вас с навыками выживания, мы раздаем наш контрольный список Ultimate Survival Gear. Нажмите здесь, чтобы получить бесплатную копию .
ЛУЧШИЕ ПЛАНЫ РАКЕТНОЙ ПЕЧИ — СОЗДАЙТЕ РАКЕТНУЮ ПЕЧЬ своими руками
Если вы регулярно посещаете Skilled Survival — вы знаете, что мы большие поклонники создания собственного самодельного снаряжения для выживания.Ну, знаете ли, ракетная печь — отличный кандидат для самостоятельного проекта!
В зависимости от типа ракетной печи, которую вы хотите построить, она может быть простой или сложной.
Если вам не нужна портативность, вы можете построить ракетную печь из бетонных блоков!
Или, если требуется мобильность, вы можете сделать один из металлической банки для кофе и консервной банки обычного размера.
Если вам нужна несокрушимая прочность — создайте ракетную печь из углеродистой стали с гравитационным питанием.
Итак, приступим — мы собираемся охватить широкий спектр планов ракетных печей:
Составные кирпичные планы ракетных печей
Для этой супер простой ракетной печи все, что вам понадобится, — это небольшая груда кирпичей. Просто расположите их так, чтобы получились камеры ракетной печи, и готово!
Планы ракетных печей из бетонных блоков
Эта версия обеспечивает устойчивое место для кастрюли и может быть собрана за считанные минуты.Вам просто нужно найти несколько бетонных блоков и правильно их расположить. Просто, но эффективно.
Планы ведра на 5 галлонов и бетонной ракетной печи
Для этой версии ракетной печи вам понадобится ведро на 5 галлонов, немного бетона и несколько картонных труб.
Планы металлических ракетных печей
Существует множество простых конструкций ракетных печей. Но есть также конструкции, в которых для прочности используются сварные трубы.Если у вас есть навыки работы с металлом, это лучший вариант, поскольку они почти нерушимы!
И вы даже можете построить тот, у которого есть топливная камера с гравитационным питанием ( смотрите следующее видео )!
Ракетная печь без материалов — пожарное отверстие в Дакоте
Чертеж Дакотского костра
Теперь, когда вы взглянули на самодельные ракетные печи, представьте, что вы делаете то же самое с дырой в земля!
Dakota Fire Hole — давнее решение для эффективного приготовления пищи без бетона, кирпичей, ведер или металла.
Состоит из двух пересекающихся ям или туннелей. Он имеет такую же принципиальную конфигурацию, как колено ракетной печи.
По своей конструкции пожарное отверстие Dakota имеет многие из тех же преимуществ, что и ракетная печь. Очень дешевый, эффективный, высокотемпературный, экологически чистый.
Но добавляет элемент осмотрительности ( пламя скрыто под землей, ) и сопротивление ветру.

В качестве способа познакомить вас с навыками выживания, мы раздаем наш # 78 Item Complete Prepper Checklist. Нажмите здесь, чтобы получить бесплатную копию .
5 лучших ракетных печей на рынке сегодня
Если «сделай сам» не для вас — в Интернете доступно множество коммерческих версий. От простых трубчатых конструкций до чего-то со всеми наворотами современной дровяной печи.
1 — Ракетная печь EcoZoom Versa
Ракетная печь EcoZoom Versa — это хорошо построенная печь с высокой степенью теплоизоляции. Он включает в себя отдельные дверцы для впуска топлива и воздуха, а также встроенную варочную панель и юбку кастрюли.
EcoZoom Versa не требует много древесины или древесного угля для приготовления всей еды.
Превращаем ракетную печь в экологически чистый вариант приготовления пищи на открытом воздухе!
2 — Ракетная печь из нержавеющей стали для сжигания горячего пепла
Печь из нержавеющей стали — это ракетная печь весом 2 фунта из титана и алюминия, которая складывается для транспортировки и хранения.
У него даже есть топливная рампа, которая помогает подавать палочки в камеру сгорания под действием силы тяжести.
Сделано в США и имеет пожизненную гарантию ( и сейчас редкость)!
3 — Ракетная печь Bruntmor Camping Rocket Stove — Самокормящаяся печь, обогреватель палатки
Ракетная печь Bruntmor Camping Rocket Stove — это сверхмощная портативная печь для охотников, рыбаков, отдыхающих, поваров на заднем дворе или выживших.
Превращает коробку в полнофункциональную печь за минут. Просто добавьте сухое дерево и зажгите его.
В комплект также входит решетка для приготовления пищи, достаточно широкая, чтобы выдержать большие кастрюли.
4 — Marsh Kettles Camping Survivalist Prepper Flat Pack Мини-реактивная печь
Уникальная особенность Marsh Kettles Rocket Stove заключается в том, что она полностью плоская, что облегчает хранение или транспортировку. В нем используется система сборки с пазами для облегчения установки или поломки.
Он прост в сборке, легко воспламеняется, а имеет самоподающий вход под действием силы тяжести.
Она также производится в США.
5 — SHTFandGO Пуленепробиваемая ракетная печь Подогреватель палатки Гравитационная подача
Пуленепробиваемая ракетная печь SHTFandGO представляет собой сверхмощную реактивную печь с самоподачей гравитационного типа.
Имеет удобную ручку для переноски.
Plus, имеет специальную пепельницу и заслонку горелки.
И эту ракетную печь можно использовать в качестве палатки в крайнем случае ( IF вы обязательно используете дымоход для аспирации наружу ).
РАКЕТНАЯ ПЕЧЬ ОБОРУДОВАНИЕ И ПЛАН ДЕЙСТВИЙ
Благодаря сочетанию низкой стоимости, топливной эффективности и простоты использования ракетная печь является бесценным инструментом выживания.Независимо от того, создаете ли вы свою собственную или покупаете коммерческую версию, вы должны инвестировать в нее.
В конце дня —
Готовить ужин с помощью одних лишь веточек и шишек — настоящее удовольствие. Итак, если вы все еще читаете эту статью, ваш план действий прост:
Как можно скорее заполучите ракетную печь — построить или купить? — Вам решать.
Джейсон К.
P.s. Вы знаете, где находится ближайший ядерный бункер от вашего дома?
В США есть много абсолютно бесплатных природных ядерных убежищ.И один из них находится рядом с вашим домом.
Нажмите здесь, чтобы увидеть ближайший к вашему дому природный ядерный бункер?
Нажмите на изображение выше, чтобы узнать, где вам нужно укрыться.
Top Image Credit
Связанные
Основы космического полета: Ракетные двигатели
РАКЕТНАЯ ДВИГАТЕЛЬ
Исаак Ньютон утверждал в своем третьем законе движения, что «на каждое действие есть равное и противоположное противодействие.«Ракета работает на этом принципе. Топливо объединяется в камере сгорания, где оно химически реагирует с образованием горячих газов, которые затем ускоряются и выбрасываются с высокой скоростью через сопло, тем самым передавая импульс двигателю. Сила тяги Ракетный двигатель — это реакция, которую испытывает конструкция двигателя из-за выброса высокоскоростного вещества.Это то же самое явление, которое толкает садовый шланг назад, когда вода течет из сопла, или вызывает отдачу пистолета при выстреле.
Тяга
Тяга — это сила, приводящая в движение ракету или космический корабль, и измеряется в фунтах, килограммах или ньютонах. С физической точки зрения, это результат давления, оказываемого на стенку камеры сгорания.
На рис. 1.1 показана камера сгорания с отверстием, соплом, через которое может выходить газ. Распределение давления внутри камеры асимметричное; то есть внутри камеры давление меняется мало, а у сопла несколько снижается.Сила давления газа на дно камеры не компенсируется извне. Результирующая сила F из-за разницы внутреннего и внешнего давления, тяга, противоположна направлению газовой струи. Он толкает камеру вверх.
Для создания высокоскоростных выхлопных газов необходимые высокие температуры и давления сгорания достигаются за счет использования очень энергичного топлива и минимально возможной молекулярной массы выхлопных газов.Также необходимо максимально снизить давление газа внутри сопла за счет создания большого отношения сечения. Соотношение сечения или степень расширения определяется как площадь выхода A _e , деленная на площадь горловины A _t .
Тяга F является результатом сил, возникающих из-за давлений, оказываемых на внутренние и внешние стенки газами сгорания и окружающей атмосферой, при этом граница между внутренней и внешней поверхностями рассматривается как поперечное сечение выхода насадка.Как мы увидим в следующем разделе, применение принципа сохранения импульса дает
, где q — скорость выбрасываемого массового расхода, P _a — давление окружающей атмосферы, P _e — давление выхлопных газов и V _e их скорость выброса. Тяга указывается либо на уровне моря, либо в вакууме.
Сохранение импульса
Линейный импульс ( p ) или просто импульс частицы является произведением ее массы и скорости.То есть,
Ньютон выразил свой второй закон движения в единицах количества движения, которое можно сформулировать как «равнодействующая сил, действующих на частицу, равна скорости изменения количества движения частицы». В символической форме это становится
, что эквивалентно выражению F = ma .
Если у нас есть система частиц, полный импульс P системы является суммой импульсов отдельных частиц.Когда результирующая внешняя сила, действующая на систему, равна нулю, полный импульс системы остается постоянным. Это называется принципом сохранения количества движения . Давайте теперь посмотрим, как этот принцип применим к ракетной механике.
Представьте ракету, дрейфующую в свободном от гравитации пространстве. Двигатель ракеты работает на время t и в течение этого периода выбрасывает газы с постоянной скоростью и с постоянной скоростью относительно ракеты (скорость истечения).Предположим, что нет внешних сил, таких как сила тяжести или сопротивление воздуха.
На рисунке 1.2 (а) показана ситуация в момент времени t . Ракета и топливо имеют общую массу M , и комбинация движется со скоростью v , если смотреть из конкретной системы координат. В момент t позже конфигурация изменилась на показанную на рисунке 1.2 (b). Масса M выброшена из ракеты и движется со скоростью u , как это видно наблюдателю.Ракета уменьшена до массы M-M , а скорость v ракеты изменена на v + v .
Поскольку внешние силы отсутствуют, dP / dt = 0 . Можно написать, для интервала времени t
, где P ₂ — конечный импульс системы, рисунок 1.2 (b), а P ₁ — начальный импульс системы, рисунок 1.2 (а). Мы пишем
Если мы позволим t приблизиться к нулю, v / t приблизится к dv / dt , ускорению тела. Количество M — масса выброшенного в т ; это приводит к уменьшению массы M исходного корпуса. Поскольку dM / dt , изменение массы тела со временем в этом случае отрицательное, в пределе количество M / t заменяется на -dM / dt .Величина u- (v + v) — это V _rel , относительная скорость выброшенной массы относительно ракеты. С этими изменениями уравнение (1.4) можно записать в виде
Правый член зависит от характеристик ракеты и, как и левый член, имеет размеры силы. Эта сила называется тягой и представляет собой силу реакции, оказываемую на ракету массой, покидающей ее. Разработчик ракеты может сделать тягу как можно большей, сконструировав ракету так, чтобы выбрасывать массу как можно быстрее ( dM / dt большой) и с максимально возможной относительной скоростью ( V _rel large).
В ракетной технике основное уравнение тяги записывается как
, где q — скорость выбрасываемого массового потока, V _e — скорость выброса выхлопных газов, P _e — давление выхлопных газов на выходе из сопла, P _a — это давление окружающей атмосферы, а A _e — площадь выходного отверстия сопла. Произведение qV _e , которое мы вывели выше ( V _rel × dM / dt ), называется импульсом или скоростью тяги.Изделие (P _e -P _a) A _e , называемое усилием давления, является результатом неуравновешенных сил давления на выходе из сопла. Как мы увидим позже, максимальная тяга возникает, когда P _e = P _a .
Нажмите здесь, чтобы увидеть пример проблемы № 1.1.
(для возврата используйте функцию «назад» вашего браузера)
Уравнение (1.6) можно упростить, определив эффективную скорость выхлопных газов, C, , определяемую как
Уравнение (1.6) затем сводится к
Импульс и Импульс
В предыдущем разделе мы видели, что второй закон Ньютона может быть выражен в форме
Умножая обе стороны на dt и интегрируя от времени t ₁ до времени t ₂ , мы пишем
Интеграл — это вектор, известный как линейный импульс или просто импульс силы F в течение рассматриваемого интервала времени.Уравнение выражает, что, когда на частицу действует сила F в течение заданного интервала времени, конечный импульс частицы p ₂ может быть получен путем сложения ее начального импульса p ₁ и импульс силы F за промежуток времени.
Когда на частицу действует несколько сил, необходимо учитывать импульс каждой из сил. Когда проблема касается системы частиц, мы можем векторно сложить импульсы всех частиц и импульсы всех задействованных сил.Когда тогда можно писать
Для интервала времени t уравнение (1.10) можно записать в виде
Давайте теперь посмотрим, как мы можем применить принцип импульса и количества движения к ракетной механике.
Рассмотрим ракету с начальной массой M , которую она запустила вертикально в момент времени t = 0. Топливо расходуется с постоянной скоростью q и выбрасывается с постоянной скоростью V _e относительно ракеты.В момент времени t масса снаряда ракеты и оставшегося топлива составляет M-qt , а скорость составляет v . За интервал времени т выбрасывается масса топлива кварт . Обозначая и абсолютную скорость вытесненного топлива, мы применяем принцип импульса и количества движения между временем t и временем t + t . Обратите внимание, что этот вывод не учитывает влияние сопротивления воздуха.
Пишем
Делим на t и заменяем u- (v + v) на V _e , скорость выбрасываемой массы относительно ракеты.Когда t приближается к нулю, получаем
Разделив переменные и интегрировав от t = 0, v = 0 до t = t, v = v , получим
, что равно
Член -gt в уравнении (1.15) является результатом действия силы тяжести Земли на ракету. Для ракеты, дрейфующей в космосе, -GT не применяется и может быть опущен.Кроме того, более уместно выразить результирующую скорость как изменение скорости, или V. Таким образом, уравнение (1.15) принимает вид
Нажмите здесь, чтобы увидеть пример проблемы 1.2.
Обратите внимание, что M представляет собой начальную массу ракеты, а M-qt — конечную массу. Поэтому уравнение (1.16) часто записывают как
, где м _o / м _f называется отношением масс .Уравнение (1.17) также известно как ракетное уравнение Циолковского, названное в честь русского пионера ракетостроения Константина Е. Циолковского (1857-1935), который первым вывел его.
На практике переменная V _e обычно заменяется эффективной скоростью выхлопных газов C . Таким образом, уравнение (1.17) принимает вид
В качестве альтернативы можно написать
, где e — математическая константа, приблизительно равная 2.71828.
Щелкните здесь, чтобы увидеть пример проблемы № 1.3
Для многих маневров космических аппаратов необходимо рассчитать продолжительность работы двигателя, необходимую для достижения определенного изменения скорости. Переставляя переменные, мы имеем
Нажмите здесь, чтобы увидеть пример проблемы 1.4.
Скорость сгорания и выхлопа
Процесс сгорания включает окисление компонентов топлива, которые могут окисляться, и поэтому может быть представлен химическим уравнением.В процессе горения масса каждого элемента остается неизменной. Рассмотрим реакцию метана с кислородом.
Это уравнение утверждает, что один моль метана реагирует с двумя молями кислорода с образованием одного моля диоксида углерода и двух моль воды. Это также означает, что 16 г метана реагируют с 64 г кислорода с образованием 44 г диоксида углерода и 36 г воды. Все исходные вещества, которые подвергаются процессу горения, называются реагентами , а вещества, образующиеся в процессе горения, называются продуктами .
Вышеупомянутая реакция горения представляет собой пример стехиометрической смеси , то есть кислорода присутствует ровно столько, чтобы химически реагировать со всем топливом. В этих условиях достигается самая высокая температура пламени, однако часто бывает желательно эксплуатировать ракетный двигатель при «богатой топливом» соотношении смеси. Соотношение компонентов смеси определяется как массовый расход окислителя, деленный на массовый расход топлива.
Рассмотрим следующую реакцию керосина ⁽¹⁾ с кислородом,
Учитывая молекулярную массу C ₁₂ H ₂₆ 170, а O ₂ 32, мы имеем соотношение смеси
, что характерно для многих ракетных двигателей, использующих керосин, или РП-1, топливо.
Оптимальным соотношением компонентов смеси обычно является такое соотношение, которое обеспечивает наивысшие характеристики двигателя (измеряется удельным импульсом ), однако в некоторых ситуациях другое соотношение O / F приводит к лучшей системе в целом. Для транспортного средства с ограниченным объемом с топливом с низкой плотностью, таким как жидкий водород, можно добиться значительного уменьшения габаритов транспортного средства за счет перехода на более высокое соотношение O / F. В этом случае потери в производительности более чем компенсируются уменьшением требований к емкости топливного бака.Также рассмотрим пример двухкомпонентных топливных систем, использующих NTO / MMH, где соотношение смеси 1,67 приводит к получению баков для топлива и окислителя одинакового размера. Равный размер упрощает изготовление резервуаров, упаковку системы и интеграцию.
Как мы видели ранее, импульсная тяга равна произведению массового расхода топлива и скорости выброса выхлопных газов. Идеальная скорость истечения определяется выражением
, где k — коэффициент теплоемкости, R * — универсальная газовая постоянная (8,314.4621 Дж / кмоль-К в единицах СИ, или 49,720 фут-фунт / (порция-моль) — ^o R в единицах США), T _c — температура горения, M — средняя молекулярная масса выхлопных газов, P _c — давление в камере сгорания, а P _e — давление на выходе из сопла.
Коэффициент удельной теплоемкости ⁽²⁾ варьируется в зависимости от состава и температуры выхлопных газов, но обычно составляет около 1.2. Термодинамика, связанная с расчетом температур горения, довольно сложна, однако температуры пламени обычно находятся в диапазоне примерно от 2500 до 3600 ^o ° C (4500-6 500 ^o F). Давление в камере может составлять примерно от 7 до 250 атмосфер. P _e должно быть равно давлению окружающей среды, при котором двигатель будет работать, подробнее об этом позже.
Из уравнения (1.22) мы видим, что высокая температура и давление в камере, а также низкая молекулярная масса выхлопных газов приводят к высокой скорости выброса и, следовательно, большой тяги.Основываясь на этом критерии, мы можем понять, почему жидкий водород очень желателен в качестве ракетного топлива.
Щелкните здесь, чтобы увидеть пример проблемы № 1.5
Следует отметить, что в процессе горения будет происходить диссоциация молекул между продуктами. То есть высокая теплота сгорания вызывает разделение молекул на более простые составляющие, которые затем могут рекомбинировать. Рассмотрим реакцию керосина с кислородом. Истинными продуктами сгорания будет равновесная смесь атомов и молекул, состоящая из C, CO, CO ₂, H, H ₂, H ₂ O, HO, O и O ₂.Диссоциация оказывает значительное влияние на температуру пламени.
Если вы хотите узнать больше о термодинамике ракетных двигателей, пожалуйста, прочтите приложение «Термодинамика ракет».
Или вы можете пропустить всю науку и просто посмотреть нужные числа. См. Таблицы сгорания топлива, чтобы найти оптимальное соотношение смеси, температуру адиабатического пламени, молекулярную массу газа и удельную теплоемкость для некоторых распространенных ракетных топлив.
(1) При сжигании жидких углеводородных топлив удобно выражать состав в терминах одного углеводорода, даже если он представляет собой смесь многих углеводородов.Таким образом, бензин обычно считается октановым, C ₈ H ₁₈, а керосин считается додеканом, C ₁₂ H ₂₆.
(2) Удельная теплоемкость, или теплоемкость, представляет собой количество тепла, необходимое для повышения температуры одного грамма вещества на один градус C. Удельная теплоемкость измеряется при постоянном давлении, C _P, или при постоянном объеме. , С _В. Отношение C _P / C _V называется коэффициентом удельной теплоемкости и обозначается как k или.
Удельный импульс
Удельный импульс ракеты I _sp представляет собой отношение тяги к расходу выбрасываемой массы, т. Е.
, где F, — тяга, q — массовый расход, а g _o — стандартная сила тяжести (9,80665 м / с ²).
Удельный импульс выражается в секундах.Когда тяга и скорость потока остаются постоянными на протяжении всего сгорания топлива, удельный импульс — это время, в течение которого ракетный двигатель обеспечивает тягу, равную весу израсходованного топлива.
Для данного двигателя удельный импульс имеет разные значения на земле и в космическом вакууме, потому что давление окружающей среды участвует в выражении тяги. Поэтому важно указать, является ли удельный импульс значением на уровне моря или в вакууме.
В ракетном двигателе имеется ряд потерь, основные из которых связаны с неэффективностью процесса химической реакции (сгорания), потерями из-за сопла и потерями из-за насосов. В целом потери влияют на эффективность удельного импульса. Это отношение реального удельного импульса (на уровне моря или в вакууме) к теоретическому удельному импульсу, полученному с помощью идеального сопла от газов, возникающих в результате полной химической реакции. Расчетные значения удельного импульса на несколько процентов выше, чем достигаемые на практике.
Щелкните здесь, чтобы увидеть пример проблемы № 1.6
Из уравнения (1.8) мы можем заменить qC на F в уравнении (1.23), таким образом получив
Уравнение (1.24) очень полезно при решении уравнений (1.18) — (1.21). Редко нам дают значение C напрямую, однако удельный импульс ракетного двигателя — это обычно задаваемый параметр, из которого мы можем легко вычислить C .
Еще одним важным показателем для оценки характеристик ракеты является характеристическая скорость истечения , C * (произносится как «C-звезда»), которая является мерой энергии, доступной в процессе сгорания и определяется выражением
, где P _c — давление в камере сгорания, а A _t — площадь горловины сопла.Полученные значения C * варьируются от примерно 1333 м / с для гидразина с монотопливным топливом до примерно 2360 м / с для криогенного кислорода / водорода.
Ракетные двигатели
Типичный ракетный двигатель состоит из сопла, камеры сгорания и инжектора, как показано на рисунке 1.4. В камере сгорания происходит сжигание пороха под высоким давлением. Камера должна быть достаточно прочной, чтобы выдерживать высокое давление, создаваемое процессом горения, и высокую температуру, возникающую в результате этого процесса.Из-за высокой температуры и теплопередачи камера и сопло обычно охлаждаются. Камера также должна иметь достаточную длину, чтобы обеспечить полное сгорание до того, как газы попадут в сопло.
Сопло
Функция сопла заключается в преобразовании химико-тепловой энергии, генерируемой в камере сгорания, в кинетическую энергию. Сопло преобразует медленно движущийся газ под высоким давлением и высокой температурой в камере сгорания в высокоскоростной газ с более низким давлением и температурой.Поскольку тяга — это произведение массы и скорости, желательна очень высокая скорость газа. Сопла состоят из сходящейся и расходящейся секции. Минимальное проходное сечение между сходящейся и расширяющейся секциями называется горловиной сопла. Площадь проходного сечения в конце расширяющейся секции называется выходной площадью сопла. Форсунка обычно делается достаточно длинной (или достаточно большой выходной площадью), чтобы давление в камере сгорания снижалось на выходе из форсунки до давления, существующего вне форсунки.Именно при этом условии, P _e = P _a , где P _e — давление на выходе из сопла, а P _a — внешнее давление окружающей среды, это усилие максимальное и сопло называется приспособленным, также называемым оптимальным или правильным расширением. Когда P _e больше, чем P _a , сопло недостаточно выдвинуто. Когда верно обратное, он чрезмерно растянут.
Таким образом, мы видим, что сопло рассчитано на высоту, на которой оно должно работать.У поверхности Земли при атмосферном давлении на уровне моря (0,1 МПа или 14,7 фунта на квадратный дюйм) сброс выхлопных газов ограничивается отрывом струи от стенки сопла. В космическом вакууме этого физического ограничения не существует. Следовательно, должно быть два разных типа двигателей и сопел: те, которые приводят в движение первую ступень ракеты-носителя через атмосферу, и те, которые приводят в движение последующие ступени или управляют ориентацией космического корабля в космическом вакууме.
Площадь горловины сопла A _t может быть найдена, если известен общий расход топлива и выбраны топлива и условия эксплуатации. Предполагая теорию закона идеального газа, мы имеем
где q — массовый расход топлива, P _t — давление газа в горловине сопла, T _t — температура газа на горловине сопла, R * — универсальный газ постоянная, а k — удельная теплоемкость. P _t и T _t задаются
, где P _c — давление в камере сгорания, а T _c — температура пламени камеры сгорания.
Нажмите здесь, чтобы увидеть пример проблемы №1.7.
Горячие газы должны расширяться в расширяющейся части сопла для получения максимальной тяги. Давление этих газов будет уменьшаться, поскольку энергия используется для ускорения газа.Мы должны найти ту область сопла, где давление газа равно внешнему атмосферному давлению. Тогда эта область будет областью выхода сопла.
Число Маха N _м — это отношение скорости газа к локальной скорости звука. Число Маха на выходе из сопла дается выражением идеального расширения газа
, где P _a — давление окружающей атмосферы.
Площадь выходного отверстия сопла, A _e , соответствующая числу Маха на выходе, определяется как
Соотношение сечения или степень расширения определяется как площадь выхода A _e , деленная на площадь горловины A _t .
Щелкните здесь, чтобы увидеть пример проблемы № 1.8
Для ракет-носителей (особенно первых ступеней), где давление окружающей среды изменяется в течение периода горения, выполняются траектории расчета для определения оптимального давления на выходе. Однако дополнительным ограничением является максимально допустимый диаметр выходного конуса сопла, который в некоторых случаях является ограничивающим ограничением. Это особенно верно для ступеней, отличных от первой, где диаметр сопла не может быть больше внешнего диаметра ступени ниже.Для космических двигателей, где окружающее давление равно нулю, тяга всегда увеличивается с увеличением степени расширения сопла. На этих двигателях степень расширения сопла обычно увеличивается до тех пор, пока дополнительный вес более длинного сопла не будет стоить больше производительности, чем дополнительная тяга, которую оно создает.
(Дополнительную информацию см. В Приложении № 1: Оптимизация расширения для максимальной тяги.)
Поскольку скорость потока газов в сужающейся части сопла ракеты относительно мала, любая гладкая и хорошо закругленная сужающаяся часть сопла будет иметь очень низкие потери энергии.Напротив, контур расширяющейся секции сопла очень важен для рабочих характеристик из-за очень высоких скоростей потока. На выбор оптимальной формы сопла для данной степени расширения обычно влияют следующие конструктивные соображения и цели: (1) равномерный, параллельный, осевой поток газа на выходе из сопла для максимального вектора импульса, (2) минимальные потери на разделение и турбулентность. внутри сопла, (3) минимально возможная длина сопла для минимального габаритного пространства, веса, потерь на трение стенки и требований к охлаждению, и (4) простота изготовления.
Коническое сопло: На ранних этапах применения ракетных двигателей почти исключительно использовалось коническое сопло, которое оказалось удовлетворительным во многих отношениях. Коническое сопло обеспечивает простоту изготовления и гибкость при преобразовании существующей конструкции в более или менее высокую степень расширения без значительного изменения конструкции.
Конфигурация типичного конического сопла показана на рисунке 1.4. Горловина сопла имеет контур дуги окружности с радиусом R от 0.От 25 до 0,75 диаметра горловины, D _t . Половина угла сечения сужающегося конуса сопла может составлять от 20 до 45 градусов. Половина угла расходящегося конуса варьируется от 12 до 18 градусов. Коническое сопло с расходящимся на 15 градусов полууглом стало почти стандартом, потому что это хороший компромисс с точки зрения веса, длины и производительности.
Поскольку в коническом сопле возникают определенные потери производительности в результате неаксиальной составляющей скорости выхлопного газа, при вычислении количества движения выходящего газа применяется поправочный коэффициент.Этот фактор (эффективность тяги) представляет собой отношение количества движения газа на выходе из конического сопла и идеального сопла с равномерным параллельным осевым потоком газа. Значение можно выразить следующим уравнением:
Колоколообразное сопло: Для повышения производительности и меньшей длины инженеры разработали колоколообразное сопло. В нем используется участок быстрого расширения (радиального потока) в начальной расширяющейся области, что приводит к однородному, направленному в осевом направлении потоку на выходе из сопла.Контур стены меняют достаточно постепенно, чтобы не допустить косых ударов.
Эквивалентное коническое сопло с половинным углом наклона 15 градусов обычно используется в качестве стандарта для определения раструбных сопел. Например, длина 80% колпачкового сопла (расстояние между горловиной и выходной плоскостью) составляет 80% длины конического сопла с полууглом 15 градусов, имеющего ту же площадь горловины, радиус ниже горловины и коэффициент расширения площади. Длина сопла колокола, превышающая примерно 80%, не оказывает значительного влияния на производительность, особенно с учетом снижения веса.Однако длина раструбного сопла до 100% может быть оптимальной для приложений, требующих очень высокой производительности.
Один из удобных способов проектирования контура, близкого к оптимальному, заключается в использовании процедур параболической аппроксимации, предложенных G.V.R. Рао. Конструктивная конфигурация колоколообразного сопла параболического приближения показана на рисунке 1.5. Контур сопла непосредственно перед горловиной T представляет собой дугу окружности с радиусом 1,5 R _t .Контур сопла расширяющейся секции состоит из круглой входной секции с радиусом 0,382 R _t от горловины T до точки N и параболой оттуда до выхода E .
Конструкция конкретного сопла требует следующих данных: диаметр горловины D _t , осевая длина сопла от горловины до выходной плоскости L _n (или желаемая фракционная длина, L _f на основе конического сопла с углом 15 градусов), степень расширения, начальный угол стенки параболы _n и угол выходной стенки сопла _e .Углы стенок _n и _e показаны на Рисунке 1.6 как функция степени расширения. Оптимальные контуры форсунок можно очень точно определить, выбрав соответствующие входные данные. Хотя не делается поправки на различные комбинации топлива, опыт показал лишь небольшое влияние удельной теплоемкости на контур.
Камера сгорания
Камера сгорания служит оболочкой для удержания пороха в течение достаточного периода времени для обеспечения полного смешивания и сгорания.Требуемое время пребывания, или время пребывания при горении, зависит от многих параметров. Теоретически требуемый объем камеры сгорания зависит от массового расхода топлива, средней плотности продуктов сгорания и времени пребывания, необходимого для эффективного сгорания. Эта связь может быть выражена следующим уравнением:
, где V _c — объем камеры, q — массовый расход топлива, V — средний удельный объем и t _s — время пребывания пороха.
Полезным параметром, относящимся к объему камеры и времени пребывания, является характерная длина , L * (произносится как «L-звездочка»), объем камеры, деленный на площадь звукового горла сопла:
Концепцию L * гораздо легче визуализировать, чем более неуловимое «время пребывания при горении», выраженное в малых долях секунды. Поскольку значение A _t почти прямо пропорционально произведению q и V , L * по существу является функцией t _s .
Общепринятый метод установления L * новой конструкция тяга камеры в значительной степени опирается на прошлом опыте с аналогичным топливом и объемом двигателя. При заданном наборе рабочих условий, таких как тип топлива, соотношение смеси, давление в камере, конструкция форсунки и геометрия камеры, значение минимально необходимых л * может быть оценено только путем фактического срабатывания экспериментальных камер тяги. Типичные значения л * для различных компонентов топлива показаны в таблице ниже.При установленной площади горловины и минимальных требуемых л * объем камеры можно рассчитать по уравнению (1.33).
Таблица 1: Характеристическая длина камеры, L * RP-1 (включая слой катализатора)
Комбинация пропеллентов L *, см
Азотная кислота / топливо на основе гидразина 76-89
Тетроксид азота / топливо на основе гидразина 76-89
76-89
152-178
Жидкий кислород / RP-1 102-127
Жидкий кислород / аммиак 76-102
Жидкий кислород / жидкий водород (GH ₂ впрыск) 56-71
Жидкий кислород / жидкий водород (LH ₂ впрыск) 76-102
Жидкий фтор / жидкий водород (GH ₂ впрыск) 56-66
Жидкий фтор / жидкий водород (LH ₂ впрыск) 64-76
Жидкий фтор / гидразин 61-71
Хлор три топливо на основе фторида / гидразина 51-89
При проектировании камеры сгорания использовались три геометрические формы — сферическая, почти сферическая и цилиндрическая — причем цилиндрическая камера наиболее часто используется в Соединенных Штатах.По сравнению с цилиндрической камерой того же объема сферическая или почти сферическая камера предлагает преимущество в виде меньшей охлаждающей поверхности и меньшего веса; однако сферическую камеру сложнее изготовить, и в других отношениях она дает худшие характеристики.
Полный процесс сгорания, от введения реагентов до завершения химических реакций и превращения продуктов в горячие газы, требует конечного количества времени и объема, что выражается характеристической длиной L * .Значение этого коэффициента значительно больше линейной длины между лицевой стороной инжектора и плоскостью горловины. Коэффициент сжатия определяется как большая площадь поперечного сечения камеры сгорания, деленная на площадь горловины. Обычно большие двигатели конструируются с низким коэффициентом сжатия и сравнительно большой длиной; а камеры меньшего размера используют большую степень сжатия при меньшей длине, в то же время обеспечивая достаточное количество L * для адекватного времени испарения и горения.
Как хорошее место для начала, процесс определения размера новой камеры сгорания исследует размеры ранее успешных конструкций в том же классе размеров и строит такие данные рациональным образом. Размер горловины нового двигателя может быть определен с достаточной степенью уверенности, поэтому имеет смысл построить график данных из исторических источников в зависимости от диаметра горловины. На рис. 1.7 показана зависимость длины камеры от диаметра горловины (с аппроксимационным уравнением). Важно, чтобы выходные данные любой программы моделирования не применялись рабски, а считались логической отправной точкой для определения конкретных размеров двигателя.
Основные элементы цилиндрической нажимной-камеры обозначены на рисунке 1.4. В конструкторской практике было условно определено, что объем камеры сгорания включает пространство между лицевой стороной инжектора и плоскостью горловины сопла. Примерный объем камеры сгорания можно выразить следующим уравнением:
Преобразуя уравнение (1.34), мы получаем следующее, которое можно решить для диаметра камеры путем итерации:
Щелкните здесь, чтобы увидеть пример проблемы №1.9
Форсунка
Инжектор, как следует из названия, впрыскивает топливо в камеру сгорания в правильных пропорциях и в правильных условиях, чтобы обеспечить эффективный и стабильный процесс сгорания. Размещенный в переднем или верхнем конце камеры сгорания, инжектор также выполняет структурную задачу по закрытию верхней части камеры сгорания от высокого давления и температуры, которые она содержит. Инжектор сравнивали с карбюратором автомобильного двигателя, так как он обеспечивает подачу топлива и окислителя с надлежащей скоростью и в правильных пропорциях, это может быть подходящим сравнением.Однако инжектор, расположенный непосредственно над камерой сгорания под высоким давлением, выполняет множество других функций, связанных с процессами сгорания и охлаждения, и гораздо более важен для работы ракетного двигателя, чем карбюратор для автомобильного двигателя.
Никакой другой компонент ракетного двигателя не оказывает такого большого влияния на характеристики двигателя, как инжектор. В различных применениях хорошо спроектированные форсунки могут иметь довольно широкий разброс по эффективности сгорания, и нередко форсунки с эффективностью C * всего 92% считаются приемлемыми.Небольшие двигатели, разработанные для специальных целей, таких как управление ориентацией, могут быть оптимизированы для реакции и легкого веса за счет эффективности сгорания и могут считаться очень удовлетворительными, даже если эффективность падает ниже 90%. В целом, однако, недавно хорошо спроектированные системы нагнетания продемонстрировали эффективность C * , настолько близкую к 100% теоретической, что возможность измерения этого параметра является ограничивающим фактором при его определении. Высокий уровень полноты сгорания достигается за счет равномерного распределения желаемого соотношения компонентов смеси и тонкого распыления жидкого топлива.Локальное перемешивание в структуре распыления инжекционного элемента должно происходить практически на микроскопическом уровне, чтобы обеспечить эффективность сгорания, приближающуюся к 100%.
Стабильность горения также является очень важным требованием для удовлетворительной конструкции инжектора. При определенных условиях ударные и детонационные волны генерируются локальными возмущениями в камере, возможно, вызванными колебаниями смеси или потока пороха. Они могут вызвать колебания давления, которые усиливаются и поддерживаются процессами сгорания.Такие волны большой амплитуды — называемые нестабильностью горения — создают высокие уровни вибрации и теплового потока, которые могут быть очень разрушительными. Таким образом, основная часть усилий по проектированию и разработке касается стабильного горения. Высокая производительность может стать второстепенной, если форсунка легко переходит в деструктивную нестабильность, а многие параметры форсунки, обеспечивающие высокую производительность, по-видимому, уменьшают запас устойчивости.
Циклы питания
Жидкостные двухкомпонентные ракетные двигатели можно разделить на категории в зависимости от их энергетических циклов, то есть способа получения энергии для подачи топлива в главную камеру сгорания.Ниже описаны некоторые из наиболее распространенных типов.
Цикл газогенератора: Цикл газогенератора, также называемый открытым циклом , отводит небольшое количество топлива и окислителя из основного потока (обычно от 2 до 7 процентов) для подачи в горелку, называемую газогенератор. Горячий газ из этого генератора проходит через турбину для выработки энергии для насосов, которые отправляют топливо в камеру сгорания. Горячий газ затем либо сбрасывается за борт, либо направляется в основное сопло ниже по потоку.Увеличение потока топлива в газогенератор увеличивает скорость турбины, что увеличивает поток топлива в основную камеру сгорания и, следовательно, количество создаваемой тяги. Газогенератор должен сжигать топливо при неоптимальном соотношении компонентов смеси, чтобы поддерживать низкую температуру лопаток турбины. Таким образом, цикл подходит для умеренных требований к мощности, но не для систем с большой мощностью, которые должны будут отводить большую часть основного потока в менее эффективный поток газогенератора.
Как и в большинстве ракетных двигателей, часть топлива в цикле газогенератора используется для охлаждения сопла и камеры сгорания, повышая эффективность и обеспечивая более высокую температуру двигателя.
Ступенчатый цикл сгорания: В ступенчатом цикле сгорания, также называемом закрытым циклом , топливо сгорает поэтапно. Как и цикл газогенератора, в этом цикле также есть горелка, называемая предварительной горелкой, для выработки газа для турбины.Горелка отводит и сжигает небольшое количество одного топлива и большое количество другого, образуя обогащенную окислителем или топливом смесь горячего газа, которая в основном представляет собой несгоревший испарившийся пропеллент. Этот горячий газ затем проходит через турбину, впрыскивается в основную камеру и снова сжигается с оставшимся топливом. Преимущество перед газогенераторным циклом состоит в том, что все топливо сгорает при оптимальном соотношении компонентов смеси в основной камере и поток не сбрасывается за борт. Ступенчатый цикл сгорания часто используется для приложений с большой мощностью.Чем выше давление в камере, тем меньше и легче может быть двигатель для создания такой же тяги. Стоимость разработки для этого цикла выше, потому что высокое давление усложняет процесс разработки. Другими недостатками являются тяжелые условия работы турбины, необходимость в высокотемпературных трубопроводах для подачи горячих газов и очень сложная конструкция обратной связи и управления.
Ступенчатое сгорание было изобретено советскими инженерами и впервые появилось в 1960 году. На Западе первый лабораторный двигатель с постадийным сгоранием был построен в Германии в 1963 году.
Цикл детандера: Цикл детандера аналогичен циклу ступенчатого сгорания, но без предварительной горелки. Тепло в рубашке охлаждения основной камеры сгорания служит для испарения топлива. Затем пары топлива проходят через турбину и впрыскиваются в основную камеру для сжигания вместе с окислителем. Этот цикл работает с такими видами топлива, как водород или метан, которые имеют низкую температуру кипения и могут легко испаряться. Как и в случае ступенчатого цикла сгорания, все топливо сгорает при оптимальном соотношении компонентов смеси в основной камере, и обычно поток не сбрасывается за борт; однако передача тепла топливу ограничивает мощность, доступную для турбины, что делает этот цикл подходящим для двигателей малого и среднего размера.Разновидностью системы является цикл открытия или выпуска детандера, в котором для привода турбины используется только часть топлива. В этом варианте выхлоп турбины сбрасывается за борт до давления окружающей среды, чтобы увеличить степень сжатия турбины и выходную мощность. Это может обеспечить более высокое давление в камере, чем закрытый цикл детандера, хотя и с более низкой эффективностью из-за потока за борт.
Цикл подачи под давлением: Самая простая система, цикл с подачей под давлением, не имеет насосов или турбин, но вместо этого полагается на давление в баллоне для подачи топлива в главную камеру.На практике цикл ограничивается относительно низким давлением в камере, поскольку более высокое давление делает баки транспортного средства слишком тяжелыми. Цикл может быть надежным, учитывая меньшее количество деталей и сложность по сравнению с другими системами.
Охлаждение двигателя
Тепло, образующееся при сгорании в ракетном двигателе, содержится в выхлопных газах. Большая часть этого тепла удаляется вместе с содержащимся в нем газом; однако тепло передается стенкам камеры тяги в количествах, требующих внимания.
Конструкции упорных камер обычно классифицируются или идентифицируются по методу охлаждения стенок горячим газом или конфигурации каналов для охлаждающей жидкости, где давление охлаждающей жидкости внутри может достигать 500 атмосфер. Высокие температуры сгорания (от 2500 до 3600, ^o K) и высокие скорости теплопередачи (до 16 кДж / см ² с), встречающиеся в камере сгорания, представляют собой серьезную проблему для проектировщиков. Для решения этой задачи успешно использовались несколько методов охлаждения камеры.Выбор оптимального метода охлаждения для камеры сгорания зависит от многих факторов, таких как тип топлива, давление в камере, доступное давление охлаждающей жидкости, конфигурация камеры сгорания и материал камеры сгорания.
Регенеративного охлаждение является наиболее широко используемым методом охлаждения тяговой камеры и осуществляются путем пропускания высокой скорости охлаждающей жидкости на задней сторону стенки камеры горячего газа для конвекционного охлаждения лайнера горячего газа.Охлаждающая жидкость с теплом от охлаждения гильзы затем выгружается в форсунку и используется в качестве топлива.
Более ранние конструкции упорных камер, такие как V-2 и Redstone, имели низкое давление в камере, низкий тепловой поток и низкое давление охлаждающей жидкости, которые могли быть удовлетворены за счет упрощенной конструкции «камеры с двойными стенками» с регенеративным и пленочным охлаждением. Однако для последующих применений ракетных двигателей давление в камере увеличивалось, и требования к охлаждению становились все труднее удовлетворять.Возникла необходимость в разработке новых конфигураций теплоносителя, которые были бы более эффективными в конструктивном отношении и имели улучшенные характеристики теплопередачи.
Это привело к разработке упорных камер с «трубчатыми стенками», которые на сегодняшний день являются наиболее широко используемым подходом к проектированию для подавляющего большинства приложений с большими ракетными двигателями. Эти конструкции камер успешно использовались для двигателей Thor, Jupiter, Atlas, H-1, J-2, F-1, RS-27 и ряда других ракетных двигателей ВВС и НАСА. Основным преимуществом дизайна является его легкий вес и большой накопленный опыт.Но поскольку давление в камере и тепловые потоки стенок горячего газа продолжали расти (> 100 атм), потребовались еще более эффективные методы.
Одним из решений были упорные камеры с «стенкой канала», названные так потому, что охлаждение стенок горячего газа достигается за счет протекания хладагента через прямоугольные каналы, которые механически обрабатываются или формируются в облицовку горячего газа, изготовленную из материала с высокой проводимостью, такого как медь или медный сплав. Ярким примером камеры сгорания с канальной стенкой является SSME, которая работает при номинальном давлении в камере 204 атмосферы и температуре 3600 К в течение 520 секунд.Теплопередача и структурные характеристики отличные.
В дополнение к конструкциям с регенеративным охлаждением, упомянутым выше, для ракетных двигателей были изготовлены другие конструкции тяговых камер, использующие охлаждение отвала, пленочное охлаждение, транспирационное охлаждение, абляционные гильзы и радиационное охлаждение. Хотя камеры сгорания с регенеративным охлаждением оказались лучшим подходом для охлаждения больших жидкостных ракетных двигателей, для охлаждения узлов камеры тяги успешно использовались и другие методы охлаждения.Примеры включают:
самосвала охлаждения , которая подобна регенеративного охлаждения, поскольку хладагент протекает через небольшие проходы по задней стороне тяги стенки камеры. Однако отличие состоит в том, что после охлаждения камеры тяги охлаждающая жидкость выходит за борт через отверстия на заднем конце расширяющегося сопла. Этот метод имеет ограниченное применение из-за потери производительности в результате сброса охлаждающей жидкости за борт. На сегодняшний день охлаждение отвала на практике не применялось.
Пленочное охлаждение обеспечивает защиту от чрезмерного нагрева путем введения тонкой пленки охлаждающей жидкости или топлива через отверстия по периферии форсунки или через коллекторные отверстия в стенке камеры вблизи форсунки или горловины камеры. Этот метод обычно используется в областях с высоким тепловым потоком и в сочетании с регенеративным охлаждением.
Транспирация Охлаждение обеспечивает подачу хладагента (газообразного или жидкого топлива) через пористую стенку камеры со скоростью, достаточной для поддержания желаемой температуры стенки камеры горячего газа.Это действительно частный случай пленочного охлаждения.
При абляционном охлаждении материал стенок со стороны дымовых газов приносится в жертву плавлением, испарением и химическими изменениями для рассеивания тепла. В результате относительно холодные газы проходят по поверхности стенки, тем самым снижая температуру пограничного слоя и способствуя процессу охлаждения.
При радиационном охлаждении тепло излучается от внешней поверхности камеры сгорания или удлинительной стенки сопла.Радиационное охлаждение обычно используется для небольших осевых камер с высокотемпературным материалом стенок (огнеупор) и в областях с низким тепловым потоком, таких как удлинение сопла.
Твердотопливные ракетные двигатели
Твердотопливные ракетные двигатели хранят топливо в твердой форме. Топливо обычно представляет собой алюминиевый порошок, а окислитель — перхлорат аммония. Связующее из синтетического каучука, такое как полибутадиен, скрепляет порошки топлива и окислителя. Несмотря на более низкую производительность, чем у жидкостных ракет, простота эксплуатации твердотопливного ракетного двигателя часто делает его предпочтительной двигательной установкой.
Геометрия твердого топлива
Геометрия твердого топлива определяет площадь и контуры его открытых поверхностей и, таким образом, характер его горения. В космической отрасли используются два основных типа твердотопливных блоков. Это цилиндрические блоки с фронтальным или поверхностным сгоранием и цилиндрические блоки с внутренним сгоранием. В первом случае фронт пламени перемещается слоями от соплового конца блока к вершине кожуха.Эта так называемая торцевая горелка создает постоянную тягу на протяжении всего горения. Во втором, более обычном случае, поверхность горения развивается по длине центрального канала. Иногда канал имеет звездообразную или другую геометрию, чтобы сдерживать рост этой поверхности.
Форма топливного блока для ракеты выбирается для конкретного типа миссии, которую она будет выполнять. Поскольку горение блока происходит от его свободной поверхности, по мере роста этой поверхности геометрические соображения определяют, увеличивается ли тяга, уменьшается или остается постоянной.
Топливные блоки с цилиндрическим каналом (1) постепенно развивают тягу. Те, у которых есть канал, а также центральный топливный цилиндр (2), создают относительно постоянную тягу, которая очень быстро уменьшается до нуля, когда топливо израсходовано. Профиль пятиконечной звезды (3) развивает относительно постоянную тягу, которая медленно уменьшается до нуля по мере того, как израсходуется последнее топливо. «Крестообразный» профиль (4) создает постепенно меньшую тягу. Топливо в блоке с профилем «двойной якорь» (5) создает уменьшающуюся тягу, которая быстро спадает ближе к концу горения.«Зубчатый» профиль (6) создает сильную начальную тягу, за которой следует почти постоянная более низкая тяга.
Уровень сжигания
Горящая поверхность гранулы ракетного топлива отступает в направлении, перпендикулярном этой горящей поверхности. Скорость регрессии, обычно измеряемая в миллиметрах в секунду (или дюймах в секунду), называется скоростью горения . Эта скорость может значительно отличаться для разных ракетных топлив или одного конкретного ракетного топлива, в зависимости от различных рабочих условий, а также состава.Количественное знание скорости горения пороха и того, как она изменяется в различных условиях, имеет фундаментальное значение для успешного проектирования твердотопливного ракетного двигателя.
На скорость горения пороха влияют определенные факторы, наиболее важными из которых являются: давление в камере сгорания, начальная температура пороха, скорость дымовых газов, текущих параллельно поверхности горения, местное статическое давление, а также ускорение и вращение двигателя. Эти факторы обсуждаются ниже.
Скорость горения сильно зависит от давления в камере. Обычное представление зависимости давления от скорости горения — это закон Сен-Робер,
, где r — скорость горения, a — коэффициент скорости горения, n — показатель степени давления и P _c — давление в камере сгорания. Значения a и n определены эмпирически для конкретного состава топлива и не могут быть предсказаны теоретически.Важно понимать, что один набор значений a, n обычно действителен для определенного диапазона давлений. Для точного представления интересующего режима полного давления может потребоваться более одного набора.
Пример Значения a, n составляют 5,6059 * (давление в МПа, скорость горения в мм / с) и 0,35 соответственно для SRB Space Shuttle, что дает скорость горения 9,34 мм / с при среднем давлении в камере 4,3 МПа.
* Публикации НАСА дают коэффициент скорости горения, равный 0.0386625 (давление в фунтах на кв. Дюйм, скорость горения в дюймах / с).
Температура влияет на скорость химических реакций, и, таким образом, начальная температура пороха влияет на скорость горения. Если конкретное топливо проявляет значительную чувствительность к начальной температуре зерна, работа при экстремальных температурах повлияет на профиль тяги и времени двигателя. Это фактор, который следует учитывать при зимних запусках, например, когда температура зерна может быть ниже, чем «нормальные» условия запуска.
Для большинства ракетных топлив определенные уровни локальной скорости горючего газа (или массового потока), текущие параллельно поверхности горения, приводят к увеличению скорости горения. Это «увеличение» скорости горения упоминается как эрозионное горение , степень которого зависит от типа топлива и давления в камере. Для многих порохов существует пороговая скорость потока. Ниже этого уровня потока либо не происходит увеличения, либо наблюдается снижение скорости горения ( отрицательное эрозионное горение ).
Эффекты эрозионного горения можно свести к минимуму, сконструировав двигатель с достаточно большим соотношением площади порта к горлу (A _порт / A _t). Площадь порта — это площадь поперечного сечения проточного канала в двигателе. Для полого цилиндрического зерна это площадь поперечного сечения сердечника. Как показывает опыт, соотношение должно быть минимум 2 для отношения L / D зерна 6. Для зерна с большим отношением L / D следует использовать большее соотношение A _порт / A _т.
В работающем ракетном двигателе наблюдается перепад давления вдоль оси камеры сгорания, падение, которое физически необходимо для ускорения возрастающего массового потока продуктов сгорания к соплу. Статическое давление является наибольшим, когда поток газа равен нулю, то есть в передней части двигателя. Поскольку скорость горения зависит от местного давления, скорость должна быть наибольшей в этом месте. Однако этот эффект относительно невелик и обычно компенсируется противодействием эрозионного горения.
Скорость горения увеличивается за счет разгона мотора. Независимо от того, является ли ускорение результатом продольной силы (например, тяги) или вращения, горящие поверхности, которые образуют угол около 60-90 ^o с вектором ускорения, склонны к повышенной скорости горения.
Иногда желательно изменить скорость горения так, чтобы она больше соответствовала определенной конфигурации зерна. Например, если кто-то хочет спроектировать зерно торцевой горелки, которое имеет относительно небольшую площадь горения, необходимо иметь быстро горящее топливо.В других случаях может потребоваться пониженная скорость горения. Например, двигатель может иметь большое отношение L / D для создания достаточно высокой тяги, или для конкретной конструкции может потребоваться ограничить диаметр двигателя. Следовательно, полотно будет тонким, что приведет к короткой продолжительности горения. Было бы полезно снизить скорость горения.
Существует ряд способов изменения скорости горения: уменьшение размера частиц окислителя, увеличение или уменьшение процентного содержания окислителя, добавление катализатора скорости горения или подавителя и работа двигателя при более низком или более высоком давлении в камере.Эти факторы обсуждаются ниже.
Влияние размера частиц окислителя на скорость горения, по-видимому, зависит от типа окислителя. Пропелленты, в которых в качестве окислителя используется перхлорат аммония (ПХ), имеют скорость горения, на которую существенно влияет размер частиц ПХ. Скорее всего, это происходит из-за того, что разложение АР является этапом, определяющим скорость процесса горения.
На скорость горения большинства ракетных топлив сильно влияет соотношение окислитель / топливо.К сожалению, изменение скорости горения с помощью этого средства является весьма ограничительным, так как характеристики топлива, а также механические свойства также сильно зависят от отношения O / F.
Безусловно, лучшим и наиболее эффективным средством увеличения скорости горения является добавление катализатора к топливной смеси. Катализатор — это химическое соединение, которое добавляется в небольших количествах с единственной целью — регулировать скорость горения. Подавитель скорости горения — это добавка, которая имеет эффект, противоположный действию катализатора — она используется для уменьшения скорости горения.
Для топлива, которое следует закону скорости горения Сен-Робера, разработка ракетного двигателя для работы при более низком давлении в камере обеспечит более низкую скорость горения. Из-за нелинейности зависимости давления от скорости горения может потребоваться значительное снижение рабочего давления для получения желаемой скорости горения. Очевидным недостатком является снижение мощности двигателя, поскольку удельный импульс аналогичным образом затухает при уменьшении давления в камере.
Скорость создания продукта
Скорость образования продуктов сгорания выражается через скорость регрессии зерна.Скорость производства продукта, интегрированная по площади порта, составляет
, где q — скорость образования продуктов сгорания на поверхности пороха, _p — плотность твердого топлива, A _b — площадь поверхности горения, r — скорость горения пороха. .
Щелкните здесь, чтобы увидеть пример проблемы №1.10
Если плотность топлива неизвестна, она может быть получена из массовой доли и плотности отдельных компонентов следующим образом:
, где w — массовая доля, а нижний индекс i обозначает отдельные составляющие.Это идеальная плотность ; Фактическая плотность обычно составляет 94% -97% от идеальной плотности из-за крошечных пустот в зерне и зависит от технологии производства.
Щелкните здесь, чтобы увидеть пример проблемы №1.11
Масса конденсированной фазы
Важно отметить, что продукты сгорания могут состоять как из газообразной, так и из конденсированной массы. Конденсированная фаза, которая проявляется в виде дыма, может быть твердыми или жидкими частицами.Только газообразные продукты способствуют развитию давления. Конденсированная фаза, безусловно, вносит свой вклад в тягу ракетного двигателя из-за своей массы и скорости.
Наличие твердых или жидких частиц в выхлопе ракеты приводит к снижению производительности по ряду причин:
Эта часть массы сгорания не может выполнять никакой работы расширения и, следовательно, не способствует ускорению выхлопного потока.
Более высокая эффективная молекулярная масса этих продуктов снижает характеристическую скорость истечения C *.
Из-за тепловой инерции тепло конденсированных частиц частично выбрасывается из сопла перед передачей этого тепла окружающему газу и, следовательно, не преобразуется в кинетическую энергию. Это известно как тепловая задержка частиц .
Точно так же из-за относительно большой массы частиц (по сравнению с газами) они не могут ускоряться так же быстро, как окружающие газы, особенно в той части сопла, где ускорение потока чрезвычайно велико (горловина).Ускорение частиц зависит от сопротивления трения в потоке газа, что требует наличия дифференциальной скорости. В конечном итоге частицы конденсированной фазы выходят из сопла с меньшей скоростью, чем газы. Это называется запаздыванием скорости частиц .
Давление в камере
Кривая давления ракетного двигателя демонстрирует переходное и установившееся состояние. Переходные фазы — это когда давление существенно меняется со временем — во время фазы зажигания и запуска, а также после полного (или почти полного) потребления зерна, когда давление падает до уровня окружающей среды во время фазы спада.Изменение давления в камере во время фазы установившегося горения в основном связано с изменением геометрии зерен с соответствующим изменением скорости горения. Однако другие факторы могут играть роль, например, эрозия горловины сопла и увеличение скорости эрозионного ожога.
Монотопливные двигатели
На сегодняшний день наиболее широко используемым типом движителя для управления ориентацией и скоростью космических аппаратов является гидразин на монотопливе. Его превосходные характеристики обращения, относительная стабильность при нормальных условиях хранения и чистые продукты разложения сделали его стандартом.Общая последовательность операций в гидразиновом двигателе:
Когда система ориентации подает сигнал на работу подруливающего устройства, открывается электрический соленоидный клапан, позволяя течь гидразину. Действие может быть импульсным (всего 5 мс) или длительным (установившееся состояние).
Давление в топливном баке выталкивает жидкий гидразин в форсунку. Он входит в виде спрея в напорную камеру и контактирует со слоями катализатора.
Слой катализатора состоит из гранул оксида алюминия, пропитанных иридием.Поступающий гидразин нагревается до точки его испарения за счет контакта со слоем катализатора и с горячими газами, покидающими частицы катализатора. Температура гидразина повышается до точки, при которой скорость его разложения становится настолько высокой, что химические реакции являются самоподдерживающимися.
Управляя переменными потока и геометрией камеры катализатора, разработчик может адаптировать пропорцию химических продуктов, температуру выхлопных газов, молекулярную массу и, таким образом, энтальпию для данного применения.Для двигателя малой тяги, где удельный импульс имеет первостепенное значение, разработчик пытается обеспечить диссоциацию аммиака 30-40%, что является примерно самым низким процентом, который можно надежно поддерживать. Для применения в газогенераторах, где обычно требуются газы с более низкой температурой, разработчик предусматривает более высокие уровни диссоциации аммиака.
Наконец, в космическом двигателе, продукты разложения гидразина покидают слой катализатора и выходят из камеры через выхлопное сопло с высокой степенью расширения, создавая тягу.
Гидразиновые двигатели с одноразовым топливом обычно вырабатывают удельный импульс длительностью от 230 до 240 секунд.
Другими подходящими пропеллентами для двигателей каталитического разложения являются перекись водорода и закись азота, однако производительность значительно ниже, чем у гидразин-удельного импульса около 150 с с H ₂ O ₂ и около 170 с с N ₂ О.
Монотопливные системы успешно обеспечивают функции поддержания орбиты и управления ориентацией, но им не хватает производительности, чтобы обеспечить эффективные по весу большие маневры V , необходимые для вывода на орбиту.Двухкомпонентные системы привлекательны тем, что они могут обеспечить все три функции с помощью одной системы с более высокими характеристиками, но они более сложны, чем обычные комбинированные твердотопливные ракетные и монотопливные системы. Третьей альтернативой являются двухрежимные системы . Эти системы представляют собой гибридные конструкции, в которых гидразин используется как в качестве топлива для высокоэффективных двухкомпонентных двигателей, так и в качестве монотоплива для обычных каталитических двигателей малой тяги. Гидразин подается как в двухтопливные двигатели, так и в подруливающие устройства на монотопливе из общего топливного бака.
Привод холодного газа — это просто управляемый источник газа под давлением и сопло. Он представляет собой простейшую форму ракетного двигателя. Холодный газ имеет много применений, где простота и / или необходимость избегать горячих газов более важны, чем высокая производительность. Пилотируемый модуль маневрирования, используемый космонавтами, является примером такой системы.
Постановка
Многоступенчатые ракеты позволяют увеличить полезную нагрузку для транспортных средств с высокими требованиями к V, таких как ракеты-носители или межпланетные космические корабли.В многоступенчатой ракете топливо хранится в отдельных резервуарах меньшего размера, а не в отдельном резервуаре большего размера, как в одноступенчатой ракете. Поскольку каждый резервуар выбрасывается, когда он пустой, энергия не расходуется на ускорение пустого резервуара, поэтому получается более высокий общий V. В качестве альтернативы, большая масса полезного груза может быть разогнана до того же общего V. Для удобства отдельные баки обычно объединены с собственными двигателями, причем каждый сбрасываемый блок называется ступенью .
Характеристики многоступенчатой ракеты описываются тем же уравнением ракеты, что и одноступенчатые ракеты, но должны определяться поэтапно.Приращение скорости V _i для каждой ступени вычисляется, как и раньше,
, где m _oi представляет собой общую массу транспортного средства, когда ступень i зажжена, а m _fi — это общая масса транспортного средства, когда ступень i сгорела , но еще не выброшена . Важно понимать, что масса полезной нагрузки для любой ступени складывается из массы всех последующих ступеней плюс самой конечной полезной нагрузки.Тогда приращение скорости для транспортного средства является суммой для отдельных ступеней, где n — общее количество ступеней.
Нажмите здесь, чтобы увидеть пример проблемы №1.12.
Мы определяем фракцию полезной нагрузки как отношение массы полезной нагрузки к начальной массе или м _пл / м _o .
Для многоступенчатого транспортного средства с разными ступенями общая доля полезной нагрузки транспортного средства зависит от того, как требование V распределяется между ступенями.Доли полезной нагрузки будут уменьшены, если V разделен неоптимально. Оптимальное распределение можно определить методом проб и ошибок. Постулируется V-распределение и вычисляется результирующая доля полезной нагрузки. Распределение V изменяется до тех пор, пока доля полезной нагрузки не будет максимальной. После того, как V-распределение выбрано, размер транспортного средства выполняется, начиная с самой верхней или последней ступени (полезная нагрузка которой является фактической доставленной полезной нагрузкой) и рассчитывая начальную массу этой сборки. Затем эта сборка формирует полезную нагрузку для предыдущего этапа, и процесс повторяется до тех пор, пока не будут определены размеры всех этапов.Результаты показывают, что для максимизации доли полезной нагрузки для заданного требования V:
1. Ступени с более высоким I _sp должны быть выше ступеней с более низким I _sp.
2. Больше V должны обеспечивать ступени с более высоким I _sp.
3. Каждый последующий этап должен быть меньше предыдущего.
4. Подобные ступени должны обеспечивать одинаковый V.
Составлено, отредактировано и частично написано Робертом А.Брауниг, 1997, 2005, 2007, 2009, 2012.
Библиография
Сжигание пластика в ракетных печах — Обновление
Сжигание пластика в Гималаях — рассмотрение возможных вариантов
Сначала, когда я думаю о сжигании пластика… я думаю о извергающемся вонючем черном токсичном дыме, загрязняющем в остальном нетронутый воздух Гималаев . Это не тот образ, который мне хотелось бы видеть, когда я думаю о величественной красоте самых высоких гор мира.Однако, проведя 25 лет в путешествиях и руководя турами по Гималаям, я с сожалением могу сказать, что пластик является здесь такой же проблемой, как и в большинстве других частей развивающегося мира. И, в отличие от некоторых частей развитого мира, НИКАКОЙ возможности утилизировать их.
Каждая бутылка воды, пакет чипсов, 2-минутная обертка для лапши Maggi и сумка для покупок, которые используются в Гималаях, остаются там, вдоль некогда нетронутых рек, озер, ручьев, тропинок, кемпингов, городов, деревень и холмов.
Если с пластиком вообще иметь дело, его иногда сметают в кучу и сжигают вышеупомянутым черным дымным способом… Или бросают в одну из великих гималайских рек с приветствием «Челло Пакистан», когда она петляет по долинам через Индийский субконтинент на пути к океану … Или закопанный в небольшой яме, только для того, чтобы откопать когда-нибудь в ближайшем или отдаленном будущем.
Но, как правило, с этим вообще не разбираются … его случайно выбрасывают из окон бесчисленных автомобилей, автобусов и такси те же самые туристы, которые заплатили хорошие деньги, чтобы приехать и полюбоваться чудесной идиллической природой, которой славятся Гималаи.
Бесконечному количеству операторов еды, напитков и размещения, обслуживающих быстро растущее число туристов, негде избавиться от пластика, который они предлагают своим клиентам, кроме как бросить его в дыру или бочку и бросить спичку в вещи. . Часто ветер улавливает его раньше, чем случайное пламя, и тот же самый пластик теперь распространяется повсюду по горам, добавляя великолепия своим многоцветным цветам, которые не тускнеют даже в безжалостном солнечном свете.
Прогулка вдоль захватывающих берегов Пангонг озера трансзональных границу индо-тибетскую в 4500м теперь упражнение в принятии решения, стоит ли тратить время подбирая Bisleri бутылки, пакеты Maggi и кока-колы банки, или упорно держать один взгляд в на горизонте, пытаясь избежать неизбежного ужаса того, что лежит у ног.
Итак… есть ли альтернатива?
Что ж, очевидное решение глобальной проблемы неразлагаемых пластиков состоит в том, что их вообще не следует производить.Существуют различные биоразлагаемые альтернативы, которые можно использовать, если требуется пластиковая упаковка. К сожалению, они пока еще не получили широкого распространения.
Войдите в «Ракетную печь». Ракетные печи, широко используемые в регионах с холодным климатом Европы и Северной Америки благодаря эффективному использованию топлива, представляют собой простую концепцию сжигания, сочетающую продуманный воздушный поток с изолированной камерой сгорания для достижения высоких рабочих температур.
Интересны именно эти высокие температуры.В обычной ситуации с ракетной печью для сжигания частиц дыма используются высокие температуры, что делает печи эффективными и экологически чистыми. В большинстве других моих рассуждений о ракетных печах главная особенность — эффективность. Но в данном случае интересно отсутствие дыма. Сжигание без загрязнения окружающей среды — элегантная идея, которая может быть применена к пластику в низкотехнологичном сценарии.
Высокотемпературные печи для сжигания отходов используются во всем мире странами, которые уже много лет пытаются справиться с растущей проблемой отходов.Кажется, что если сжигать отходы достаточно горячо, они больше не «загрязняют». На практике это означает, что сложные молекулы, из которых состоят многие пластмассы, в процессе сгорания превращаются в более простые (и в большинстве своем) нетоксичные молекулы. Все, что нужно, — это достаточно высокие температуры. Температуры, используемые на государственных предприятиях по переработке отходов в США, находятся в диапазоне от 1800 до 2200F (от 940 до 1200C).
Хорошо спроектированная ракетная печь может довольно легко достичь 1100C + (у меня был небольшой блок на моем испытательном стенде, работающий при 1150C), поэтому с небольшой настройкой 1200C должно быть вполне достижимым.И это можно сделать из дешевых материалов, которые легко найти, это просто вопрос дизайна.
Даже если эти низкотехнологичные печи работают чуть ниже идеальной температуры 1200 ° C, следует рассмотреть альтернативу. В любом случае пластмассы сжигаются повсюду в низкотемпературных бочках, создавая бесконечный токсичный черный дым, который доносится через деревни, города и долины. Даже несовершенное высокотемпературное сгорание должно быть лучше.
В результате этого проект «Гималайская ракетная печь» теперь имеет 2 отдельные программы:
Ракета в металлическом корпусе социального предприятия, которая предназначена для согревания людей в их домах с минимальным количеством топлива, сжигаемого чисто (дрова и / или навоз)
Некоммерческий проект, направленный на обучение жителей Гималаев тому, как использовать глину для изготовления дешевых и надежных больших обогревателей и ракетных печей, разработанных специально для экологически чистого и безопасного сжигания пластика, а также обеспечения тепловой энергии для практического использования. (например: обогрев общественных пространств, таких как женские монастыри, монастыри, школы, сельские дома и т. д., а также подогрев воды для гостевых домов и т. д.).
Что касается чистого сжигания пластмасс, испытания в мастерской Ладакха в Лехе недавно продемонстрировали, что специализированная изолированная глиняная ракетная печь может сжигать пластик без заметного запаха или дыма. Дальнейшее тестирование покажет, достигнуты ли оптимальные 1200 градусов Цельсия. (Сгорел мой оригинальный высокотемпературный зонд, в настоящее время я жду прибытия новой партии.)
Между тем, поскольку испытания продолжаются, мы с нетерпением ждем возможности превратить бесполезные отходы в очень востребованный источник энергии. .
ОБНОВЛЕНИЕ:
Разместив несколько фотографий первоначального пробного ожога на Facebook, я был с тех пор уведомлен о возможности выделения токсичных химикатов, которые попадают в категории диоксинов и фуранов. Существует более 200 таких химикатов, которые широко считаются чрезвычайно ядовитыми и стойкими. Как правило, они выделяются при низкотемпературных пожарах, таких как те, которые обычно украшают заднюю часть домов по всему миру. Возникает вопрос, какой диапазон температур считается безопасным для сжигания этих химикатов.В результате я ищу подходящего партнера по исследованиям и испытаниям, возможно, университет или исследовательскую лабораторию, которые заинтересованы в участии в этом проекте, чтобы найти безопасные и доступные средства для решения проблемы пластиковых отходов в Гималаях. Любые контакты по этому поводу будут с благодарностью приняты.
Российская «Экокосмическая ракета А5 Ангара» впервые за 6 лет успешно выводит полезную нагрузку на орбиту — RT Россия и бывший Советский Союз
Космические силы России провели успешный второй испытательный пуск тяжелой космической ракеты-носителя Ангара А5 через шесть лет после первого испытательного полета в 2014 году.
Запущенная с космодрома Плесецк в Мирном, примерно в 800 км к северу от Москвы, ракета была запущена в небо в 8.50 утра по московскому времени.
Ракета пролетела немногим более 12 минут, прежде чем макет полезной нагрузки космического корабля отделился от третьей ступени ракеты-носителя и вышел на орбиту. Изначально запуск ракеты планировался на конец ноября, но по техническим причинам был перенесен на декабрь.
ПОДРОБНЕЕ: Россия запускает новую космическую эко-ракету «Ангара» прямо на геостационарную орбиту
В честь празднования Дмитрий Рогозин, глава Роскосмоса, написал в Twitter: «Он летит, черт возьми!».
Рекламируемые как экологическая ракета из-за использования керосина и кислорода в качестве топлива, семейство ракет «Ангара» является первым российским ракетным ускорителем, разработанным с нуля после распада Советского Союза.Первоначально разработка началась в 1990-х годах, и вариант Ангара А5 был впервые испытан почти двадцатью годами позже, в 2014 году.

Компания, ответственная за ракету, Государственный космический научно-производственный центр им. убыточность, сообщив о долге в 84 миллиарда рублей (6 миллиардов долларов) в марте 2019 года. Позже в том же году, в июне, финансовый отчет центра показал, что стоимость производства ракеты составила семь миллиардов рублей (95 миллионов долларов).
Инновации Роскосмоса получили высокую оценку во всем мире, в том числе со стороны южноафриканского космического предпринимателя Илона Маска, который продвигал идею многоразовой ракеты «Ангара».
Россия имеет отличную ракетную технику и лучший двигатель на данный момент. Многоразовая версия их новой ракеты «Ангара» была бы отличной. https://t.co/6RLvf5R4ni
— Илон Маск (@elonmusk) 7 марта 2019 г.
В 2018 году Рогозин сообщил, что Россия планирует использовать ракету «Ангара» для регулярных полетов на Луну.
Если вам понравилась эта история, поделитесь ею с другом!
Хаки для усадьбы: лучистое тепло своими руками с котлом с ракетной печью — DIY
Мы с женой спроектировали наш дом для лучистого тепла своими руками. Я установил медные теплообменники в топку и дымовую трубу печи Fisher Grandpa Bear, в которой я вырос, и прокачал через нее воду, чтобы нагреть наши лучистые полы. После тяжелой зимы, потраченной на кормление печи, я понял, что ракетная печь лучше подходит для наших нужд.(Ракетные печи — это эффективные печи, работающие на конвекционном топливе, работающие на биомассе, которые горят сильнее, чем обычные печи.)
Мне потребовалось два-три дня, чтобы построить то, что я называю ракетным котлом «Дракон». Он состоит из трех основных компонентов: камеры сгорания, в которой начинается горение; стояк, являющийся конвекционным двигателем, разжигающим печь; и два теплообменника. Нагретая вода хранится в резервуаре емкостью 330 галлонов отдельно от плиты. Я разработал закрытую систему, то есть вода не попадает в систему и не выходит из нее.Чтобы построить своего собственного «Дракона», отправляйтесь в местный склад и оцените детали из металлолома, избегая алюминия.
Узнайте больше об этом проекте котла с ракетной печью.
Материалы
• Сталь толщиной от 1⁄4 до 3⁄8 дюйма для основания / решетки
• Сталь толщиной от 1⁄16 до 1⁄8 дюйма для внутренних и наружных стен камеры сгорания
• От 1⁄16 до 1⁄ Сталь толщиной 8 дюймов для основания стояка
• Сталь толщиной от 1⁄8 до 1⁄4 дюйма для стояка / соединительной трубы и внешней стенки стояка
• Две 50-футовые катушки с мягким слоем 1⁄2 дюйма медные трубки
• резиновый шланг 3⁄4 дюйма для горячей воды

Инструменты
• Молот
• Сварщик
• Лобзик
• Сабельная пила
• Резак
• Шлифовальный или плазменный резак для резки металла
Камера сгорания. Камера сгорания состоит из основания, решетки, внутренней стенки, теплообменника из мягких медных трубок и внешней стенки с крышкой. Диаметр вашей внешней стены должен быть примерно на 1 1⁄2 дюйма больше диаметра вашей внутренней стены.
Я построил основу, приварив часть старого водонагревателя к нижнему краю проставки с двумя колесами полуприцепа или тормозного барабана. Вы можете использовать все, что сделано из стали толщиной не менее 1⁄4 дюйма и имеет какую-то решетчатую / спицевую структуру, чтобы пропускать воздух и пепел.
Установите внутреннюю стенку камеры на основание для хранения дров. Я отрезал нижнюю и верхнюю часть старого 100-фунтового пропанового баллона.
Оберните 1⁄2-дюймовую медную трубку вокруг камеры сгорания, чтобы создать первоначальный теплообменник. Оставьте примерно 10 дюймов, выступающих за верхнюю и нижнюю часть внутренней стенки камеры. (См. «Теплообменники» ниже.)
Сделайте выемку в нижней части внешней стенки камеры, чтобы медная катушка могла выйти через нее. Сдвиньте внешнюю стенку камеры вниз по медной трубке.Убедитесь, что крышка закрывает внешнюю камеру.
После того, как вы собрали печь, вам нужно разметить и вырезать отверстие в базовой юбке / решетке и вставить 2-дюймовую стальную трубу, которая будет служить воздухозаборником. Установите впускной патрубок под углом 45 градусов где-нибудь рядом с центром решетки. Часть мусора, падающего из печи, может быть горячим углем, поэтому важно, чтобы входное отверстие выходило вниз в огнеупорный контейнер.
Трубка стояка. Это вертикальная труба, в которой горячий газ и пламя поднимаются вверх, создавая сильную конвекционную силу, которая создает тягу.В то время как внешняя стенка камеры не требуется на стояке, если вы планируете выпускать воздух прямо из стояка прямо в дымоход, это добавит некоторую изоляцию, чтобы помочь более эффективно переносить тепло из стояка во вторичный теплообменник. Это также повысит безопасность сборки стояка и колена, которые могут раскалиться докрасна.
Подсоедините стояк к камере сгорания с помощью колена на 90 градусов (или сделайте колено на 90 градусов, отрезав трубу под углом 45 градусов).Сделайте опору и внешнюю стенку камеры для размещения стояка. Оберните 1⁄2-дюймовую медную трубку вокруг стояка в качестве теплообменника. Поместите дымоход прямо внутрь стояка, а вентиляцию — за пределы здания.
Теплообменники. Используйте медную трубку 1⁄2 дюйма. Если вы будете использовать развальцовку для подключения к водопроводу, не имеет значения, какой размер у вас медной (CTS) или размер хладагента. Оставьте трубку свернутой. Снимите все защитные резиновые колпачки с обоих концов и отложите их в сторону.Поверните катушку и отрегулируйте петли так, чтобы, когда катушка стоит вертикально, оба конца трубки были направлены вверх. Поместите один конец шланга в садовый шланг и включите его примерно на половину потока, пока из другого конца не потечет вода. Это вытеснит все пузырьки воздуха из трубки. Снимите шланг, стараясь удержать воду внутри шланга, и закройте колпачки с обоих концов. Поместите трубку в морозильную камеру примерно на 12 часов. Лед оттолкнет колпачки и выступит на пару дюймов с обоих концов.Этот шаг необходим для предотвращения перегиба трубки при ее сгибании вокруг стояка. Чтобы создать змеевик теплообменника для стояка, аккуратно распрямите примерно 20 футов трубки и прикрепите его липкой лентой к стояку.

Лента будет удерживать трубку на месте, когда вы быстро намотаете медь на стояк. В результате получится хитрая катушка, напоминающая самогонный аппарат. Повторите процесс аналогичным образом для камеры сгорания, поместив большую часть змеевика в нижнюю треть камеры, где будет концентрироваться большая часть тепла.Используйте проволоку вместо ленты, чтобы удерживать медь при намотке этой катушки.
Используйте хомуты для шлангов из нержавеющей стали, чтобы подсоединить 3⁄4-дюймовый резиновый шланг к обоим теплообменникам котла ракетной печи. Резиновый шланг должен выдерживать температуру до 212 градусов по Фаренгейту. Я использую стальной бак емкостью 330 галлонов для хранения горячей воды. Вода, безусловно, является наиболее эффективной средой для хранения тепла, поэтому у нас есть примерно восемь часов буферного времени после того, как пожар погаснет, прежде чем наш дом начнет охлаждаться.Вода подается из дома в печь, из печи в резервуар и из резервуара обратно в дом.

Комбинация пропеллентов	L *, см
Азотная кислота / топливо на основе гидразина	76-89
Тетроксид азота / топливо на основе гидразина	76-89
76-89
152-178
Жидкий кислород / RP-1	102-127
Жидкий кислород / аммиак	76-102
Жидкий кислород / жидкий водород (GH ₂ впрыск)	56-71
Жидкий кислород / жидкий водород (LH ₂ впрыск)	76-102
Жидкий фтор / жидкий водород (GH ₂ впрыск)	56-66
Жидкий фтор / жидкий водород (LH ₂ впрыск)	64-76
Жидкий фтор / гидразин	61-71
Хлор три топливо на основе фторида / гидразина	51-89