Визуальные эффекты в вакууме у гидразиновых двигателей.

[Дима.]

Ещё один пример видимого "хвоста" выхлопа двигателей ориентации:

[Штуцер]

Где то уже обсуждали невозможность конденсации в вакууме продуктов сгорания ЖРД.

RadioactiveRainbow ... А может все таки газ?
У меня есть только документы по испытаниям R-4D...

Не силен в аглицком. А у Вас есть перевод, или текстовой файл?
В частности, испытания проводились в вакууме?

[Seerndv]

~~~

Недавно мне попался на глаза документ NASA, где говорится, что в выхлопе двигателя R-4D есть условия для образования негазообразных фракций H2O и CO2.

Но о каких именно фракциях идёт речь..

Что это - "снег" или "туман"

...

Двадцать лет назад молодым специалистом переводил текст по поводу налёта на оптику и иллюминаторы шаттла при работе двигателей коррекции, рассматривалось воздействие на покрытие.
как ни странно, там было написано что часть выхлопа именно кристализуется, при чём приводились диаграммы толщины "налёта" от времени работы оных, скорость испарения на солнечной стороне,
график роста плёнки после выключения движка "горбатый".

[Bell]

Фаза однозначно твердая, поскольку в вакууме жидкости существовать не могут (как вода на Марсе) и вообще вещества, образующие эту фазу скорее всего по природе твердые (те же упоминавшиеся нитраты). Можно посмотреть в ПРОПЕПе, что там подходящее будет в продуктах сгорания. Кроме того, на твердость указывает узкий разлет "выхлопа" - частицы летят по прямой, а газ разлетается широким веером, с углом раствора больше 180 гр.

[Дима.]

Фаза однозначно твердая, поскольку в вакууме жидкости существовать не могут (как вода на Марсе)

Не могут, только если рассматривать вопрос в принципе (т.е. состояние жидкости в вакууме через бесконечное время). На практике, если скорость испарения конкретной жидкости в конкретных условиях пренебрежимо мала ( например, меньше 1% за период наблюдения ) - вполне можно говорить и о жидкости в вакууме.

Вот, для примера - статья из журнала "НОВОСТИ КОСМОНАВТИКИ" №4, 2004 г.

Коварная кромка

В ходе проектирования МКС одна из задач заключалась в минимизации воздействия двигателей ориентации на внешние поверхности станции и стыкующихся с ней аппаратов. Актуальность этой проблемы стала очевидна по результатам наблюдения за внешними поверхностями комплекса «Мир», показавшими высокую степень загрязнения последних продуктами неполного сгорания (ПНС) от управляющих двигателей малой тяги.
 
   Для выяснения механизмов образования ПНС, их пространственной динамики распространения, химического состава, токсикологических свойств, а также в целях разработки методов ограничения загрязняющих воздействий, в 1994–2002 гг. был осуществлен комплекс экспериментальных, расчетных и проектных работ. В этих работах активное участие принимали сотрудники Центра Келдыша, РКК «Энергия» и ЦУПа.
 
   Поскольку полностью смоделировать рассматриваемое явление на наземных стендах было невозможно, был проведен космический эксперимент «Двикон» (двигательная контаминация, т.е. загрязнение от двигателей) на ОС «Мир». Во время выхода в открытый космос 10 ноября 1998 г. Г.Падалка и С.Авдеев установили на внешней поверхности станции (На агрегатном отсеке Базового блока, на штанге системы «Игла», примерно в 1 м от зоны размещения двигателей.) планшет с образцами экспонируемых материалов, а 23 июля 1999 г. С.Авдеев и В.Афанасьев сняли и возвратили его на Землю. В ходе эксперимента были получены уникальные данные, которые легли в основу дальнейших исследований по данной проблеме на МКС.
 
   В ходе первого из указанных выходов космонавты сняли образцы сразу после того, как двигателями управления было выдано 20 импульсов. Рамка планшета была оставлена на дальнейшее экспонирование. Кроме того, С.Авдеев специальной салфеткой протер поверхность агрегатного отсека во впадине, в которой находились двигатели. Земля попросила визуально оценить, что он там видит. «Что-то напоминающее лужи», – сообщил космонавт. И это в вакууме, где практически любые жидкости испаряются в течение короткого времени!

      Салфетка со следами ПНС была доставлена на Землю для подробного химического анализа взятых в космосе проб. Хроматограф показал наличие целого букета веществ, содержащего промежуточные продукты распада и сгорания топлива «азотный тетроксид (АТ) – несимметричный диметилгидразин (НДМГ)». Последний, называемый у ракетчиков «гептилом», считается особо ядовитым (Среди испытателей ходят легенды: «Если ты вдохнул пары гептила и почувствовал его весьма характерный запах, значит, ты уже мертвец». Конечно, это не совсем так, но предельно допустимая концентрация (ПДК) этого вещества весьма мала.). Однако на салфетке оказались и вещества, на порядок более ядовитые, чем гептил, например нитрозадиметиламин (Американские специалисты устанавливают ПДК на это вещество, стремящуюся к «0», т.е. присутствие его во вдыхаемом человеком воздухе совершенно не допустимо даже в малейших концентрациях.).

   Проведенные исследования показали, что вся поверхность станции вокруг управляющих двигателей и даже далеко за зоной воздействия их струи покрыта ПНС – и это несмотря на то, что в теории основная масса продуктов сгорания должна быть сконцентрирована в «присевной» зоне факела и не должно оставаться никаких следов воздействия, кроме тепловых и газодинамических.
 
   Основная причина указанного выше явления следующая. Управляющие жидкостные ракетные двигатели малой тяги (ЖРД МТ) работают в импульсном режиме (длительность импульса ~100 мс, количество включений в серии 10–30). При этом они имеют пленочную систему охлаждения: периферийные форсунки подают на стенку мощную завесу компонентов, которые образуют жидкостно-паровую пленку, защищающую камеру сгорания от теплового воздействия. И, хотя в «ядре» пламени температура почти 3000°С, в «пристенке» – гораздо ниже. Пленка доходит до критического сечения сопла, где создаются наилучшие условия для ее срыва. При этом часть пленки, срываясь из зоны критического сечения, уходит в «ядро» потока, часть «высаживается» на стенку сопла и постепенно ползет к срезу. На оконечном участке сопла перед срезом стенка вообще холодная – если ее температура в камере может достигать 1000°С, то на срезе стенка сопла нагреется до температуры 150°С за 100 импульсов, чего в жизни практически никогда не бывают. В этой зоне происходит накопление пленки.

   После следующего (импульсного) включения ЖРД МТ все содержимое этой зоны вытягивается газом из сопла. Капли, обладающие вязкостью и поверхностным натяжением, ведут себя не как твердые частицы, а под действием комплекса сил на кромке сопла отрываются и летят в сторону из зоны газовой струи.

   Основная масса газа в области за срезом сопла в вакууме распространяется под углом 40–50° к оси двигателя. Капли же могут выноситься на значительно большие углы, вплоть до 90° и выше. Опытным путем был получен график распределения капельной фазы ПНС, имеющий две зоны движения капель – центральную (порядка 30°) и периферийную (от 50 до 90°).

   Большой вклад в образование ПНС вносит то, что при длительности одного импульса 100 мс номинальное давление в камере двигателя (а значит, и работа при номинальной тяге с образованием «чистых» продуктов полного сгорания – паров воды, углекислого и других газов) поддерживается в течение ~60 мс. А около 40 мс двигатель лишь выходит на режим, и в течение этого времени формируется основная масса ПНС. На снимках, сделанных на «Мире», даже на большом удалении от ЖРД МТ хорошо видны капли диаметром 2 и 3 мм, а также большая зона воздействия паровой фазы и капель меньшего размера. Все эти ПНС остаются на поверхности, и имеется риск загрязнения скафандров во время выходов экипажа в открытый космос, вследствие чего ПНС могут быть занесены в станцию через шлюзовой отсек. Кроме того, результаты всех экспериментов в области материаловедения, связанные с микрогравитацией и высоким вакуумом, которые проводятся на внешней поверхности станции, тоже могут быть искажены ПНС.

   Следующий вопрос: как долго ПНС остаются на внешних поверхностях? Насколько плотно «сидит» фаза, выпавшая на поверхность? Выпавшие вещества под воздействием внешних условий претерпевают фазовый обмен: сначала – медленно испаряющаяся жидкость, потом – твердое вещество.

   Результаты последних исследований, проведенных уже на МКС в 2002 г., говорят, что капли ПНС размером ~2 мм испаряются... за пять-шесть месяцев! И это при том, что сами чистые компоненты топлива вскипают в вакууме мгновенно в виде т.н. «парообразующего взрыва»!

   Необходимо отметить, что отечественные разработчики уже сталкивались с явлением выпадения ПНС на поверхностях автоматических КА. Это явление было особенно неприятно «наблюдать» на морских боевых ракетах, где даже на коротких участках полета включавшийся датчик вместо звезд видел рассеянный свет от капельной фазы ПНС...

   При обсуждении полученных результатов с американской стороной (что делать на МКС?) российские разработчики наткнулись на стену непонимания: «Такого быть не может! Все продукты должны лететь в струе 15°...» Ни о каком финансировании и совместном углубленном изучении данного явления специалисты NASA не хотели и слышать. Хотя проблема затрагивает всех «обитателей» станции и должна была решаться совместно с американцами как основными интеграторами на МКС. В результате отечественные специалисты стали работать сами.
   Как же защитить станцию от воздействия ПНС?

   Полностью убрать капли и мелкодисперсную фазу, по-видимому, на современном этапе невозможно. Однако можно (исходя из конкретной компоновки станции) ограничить углы разлета. На самом деле в зоне воздействия ЖРД МТ, обычно ничего не ставят: проектанты всегда всесторонне рассматривают конфигурацию и стараются все элементы конструкции убрать «из струи», во избежание теплового, эрозионного и динамического воздействия. Но весь парадокс заключается в том, что загрязняющее воздействие струи оказывается не только по вектору работы двигателя, но и фактически вокруг струи и даже позади сопла!

   В ходе очередного этапа исследований, начатого на МКС в 2001 г., решалась задача не только фиксации загрязняющих воздействий ЖРД МТ, но и апробирования специально разработанных и запатентованных защитных устройств1, предназначенных для существенного ограничения зон воздействия ПНС на прилегающие поверхности и узлы станции. Данные исследования проводятся в рамках космического эксперимента «Кромка», ставшего одним из первых исследований, реализованных на МКС в рамках научной программы. Защитные устройства устанавливаются космонавтами вручную при выходах в открытый космос. В настоящее время рассматривается вопрос об оснащении защитными устройствами практически всех ЖРД МТ, применяемых и планируемых к использованию на МКС для целей ориентации, причаливания и стыковки, в т.ч. на новых модулях.

   Специалисты Центра Келдыша предложили усовершенствовать конструкцию защитных устройств, снабдив ее пористым поглотителем, который впитывает «осадки». Когда ЖРД МТ включается на длительное время, поглотитель прогревается и его содержимое разлагается на более простые составляющие и испаряется. В качестве пористых тел могут использоваться специальные абсорбенты, впитывающие вещества и способные их разлагать на более простые, приводя к регенерации поглотителя.

   Во время выхода в космос экипажа МКС-8 27 февраля космонавты М.Фоул и А.Калери должны были возвратить на станцию третий планшет по эксперименту «Кромка», который стоял в районе ЖРД МТ (каналы рысканья и тангажа), упаковать его и поставить новый планшет вблизи двигателей крена: как работают защитные экраны на двигателях первой группы, специалисты уже знают; для второй группы вопросы остаются. Однако, как мы знаем, выход пришлось прервать, и работа осталась невыполненной. Следующий выход намечен на лето 2004 г.

   Проблема защиты МКС от «выхлопов» двигателей управления актуальна не только для России и США: в ближайшем будущем к станции полетят грузовые корабли, созданные в Европе и Японии. Их двигатели тоже предполагается оснастить защитными устройствами, спроектированными на основе опыта, имеющегося у российских разработчиков.

   По согласованию с американской стороной, на внекорабельную деятельность экипажа МКС наложены определенные ограничения. В частности, выход может состояться не ранее чем через несколько часов после последнего включения ЖРД МТ. Для защиты экипажа и интерьеров станции от загрязнения ПНС после выходов в открытый космос в зону агрегатного отсека введена особая процедура: космонавты носят с собой специальные «полотенца», которыми тщательно вытирают скафандры в случае появления следов загрязнения, а для протирки оптических поверхностей (иллюминаторов, датчиков и т.п.) предлагается даже разработать некое устройство вроде пульверизатора.

   Если защититься полностью от ПНС нельзя, то возникает правомерный вопрос: а нельзя ли перейти, скажем, на другое, более «экологически чистое» топливо, о котором в последнее время очень часто говорят? Конечно, с уже созданной и запущенной в космос техникой это сделать невозможно, но если заглянуть подальше в будущее...

   К сожалению, эксплуатация ЖРД МТ на компонентах, дающих «чистый» выхлоп, в частности жидком кислороде и жидком водороде, сопряжена с излишними трудностями, а новые топлива, например на основе перекиси водорода, не удовлетворяют проектантов в связи с меньшим удельным импульсом или плохими характеристиками выхода двигателя на режим.

   Для того чтобы снизить риск заражения обслуживающего персонала, для верхних ступеней боевых ракет, а также других систем, оснащаемых ЖРД МТ, американцы рассматривают новые нетоксичные и неканцерогенные топлива, основанные на азидах. По энергетике они примерно равны АТ-НДМГ, но по динамике выхода на режим уступают; к тому же пока нет данных о том, какие промежуточные продукты образуются при неполном сгорании этих топлив.

   Кроме того, от начала работ до внедрения топлива в жизнь может пройти очень много времени. И вообще, если речь идет не о десятках килограммов вещества для лабораторных опытов, а о сотнях и тысячах тонн для промышленного использования, вопрос усложняется во много раз...

[dan14444]

А чего, собсно, обсуждать? Если есть светорассеивание - значит есть частицы. "Жидкое оно или твёрдое" - вопрос возможно не вполне корректный, сначала надо с размером разобраццо (Лоренц-Ми и угловые спектры в помощь), мож там вообще один Релей (но это вряд ли). Потом и степень "кристалличности" частиц можно пытаться поймать через поляризацию, например...

[Monoceros]

http://www.youtube.com/watch?v=Obd_jTO66-0&feature=related
http://www.youtube.com/watch?feature=player_detailpage&v=BMBcLg0DkLA#t=49s

- а тут почему все чисто?

ЗЫ у _гидразиновых_ двигателей в выхлопе никаких H2O и CO2 нету

[Monoceros]

Можно посмотреть в ПРОПЕПе, что там подходящее будет в продуктах сгорания.

В пропепе точно нитраты нельзя увидеть в продуктах сгорания Там больше чистые в-ва, оксиды, нитриды, радикалы, электроны и тд.
Вообще зуб даю что это или тупо горячий газ светится, или несгоревшее топливо (в том числе и выброшенное до момента воспламенения).
Какая там степень расширения сопла? Щас посчитаем что там за 19.0М  :lol:

[Штуцер]

В продуктах сгорания АТ+НДМГ на установившемся режиме в основном вода, азот, углекислый газ. Но почти 1% углерода! Возможно он и дает видимую картинку.

[Monoceros]

В продуктах сгорания АТ+НДМГ на установившемся режиме в основном вода, азот, углекислый газ. Но почти 1% углерода! Возможно он и дает видимую картинку.

Пока в выхлопе есть вода и тем более углекислый газ никакого углерода там быть не может.

[Suzeren]

А вот жаль что не проводили исследования на то, как эти самые выхлопы влияют на работу оптических приборов системы ориентации и стабилизации... Все эти газопылевые облака могут отражать солнечные лучи и существенно влиять на шумовые составляющие которым подвергается работа астродатчиков.

[Штуцер]

В продуктах сгорания АТ+НДМГ на установившемся режиме в основном вода, азот, углекислый газ. Но почти 1% углерода! Возможно он и дает видимую картинку.

Пока в выхлопе есть вода и тем более углекислый газ никакого углерода там быть не может.

А это как?

не токсичные   
Н2   1,49   
Н2О   28,01   
N2   34,92   
CO2   32,75   
C   0,93   
NH3   0,02   
CH4   0,1
Прочие   0,1   
Итого   97,32   
токсичные   СО   2,68   

http://www.ineca.ru/?dr=bulletin/arhiv/0105&pg=010

[Bell]

http://www.ineca.ru/?dr=bulletin/arhiv/0105&pg=010

Ух ты! Да там у керосина/ЖК меньше углерода в выхлопе!  :shock:

[Monoceros]

А это как?

не токсичные   
Н2   1,49   
Н2О   28,01   
N2   34,92   
CO2   32,75   
C   0,93   
NH3   0,02   
CH4   0,1
Прочие   0,1   
Итого   97,32   
токсичные   СО   2,68   

http://www.ineca.ru/?dr=bulletin/arhiv/0105&pg=010

Я думаю это опечатка. 0.1% еще ладно, недогорает где-то что-то, но целый процент точно сгорел бы в углекислом газе.
Вот данные и пропепа:

 Case  1 of  1     26 May 2011 at 10:39:52.47 pm

  CODE                                   WEIGHT    D-H  DENS      COMPOSITION
   690 NITROGEN TETROXIDE (LIQ.)        700.000      0  0.05170    2N   4O
  1022 UNSYM-DIMETHYLHYDRAZINE (UDMH)   300.000    198  0.02830    2C   8H   2N

THE PROPELLANT DENSITY IS 0.04142 LB/CU-IN OR  1.1466 GM/CC
THE TOTAL PROPELLANT WEIGHT IS 1000.0000 GRAMS

NUMBER OF GRAM ATOMS OF EACH ELEMENT PRESENT IN INGREDIENTS

  39.932117 H     9.983029 C    25.197775 N    30.429491 O

****************************CHAMBER RESULTS FOLLOW    *****************************

 T(K)  T(F)  P(ATM)   P(PSI) ENTHALPY  ENTROPY   CP/CV     GAS   RT/V
3496. 5833.  150.00  2205.10    59.40  2637.17  1.2209 43.866    3.419

SPECIFIC HEAT (MOLAR) OF GAS AND TOTAL=   10.979   10.982
NUMBER MOLS GAS AND CONDENSED=  43.8663   0.0000

 15.23895 H2O       12.44968 N2         6.68735 CO         3.83176 H2      
  3.29436 CO2        1.16463 HO         0.62013 H          0.29561 NO      
  0.16968 O2         0.10879 O          0.00189 HO2        0.00070 CHO    
 5.13E-04 NHO       4.85E-04 NH3       4.14E-04 N         2.82E-04 NH2    
 1.82E-04 NH        1.81E-04 NO2       1.13E-04 N2O       7.07E-05 CNH    
 4.90E-05 CNHO      4.88E-05 CH2O      3.94E-05 NHO2      3.54E-05 NHO2    

THE MOLECULAR WEIGHT OF THE MIXTURE IS   22.797

****************************EXHAUST RESULTS FOLLOW    *****************************

 T(K)  T(F)  P(ATM)   P(PSI) ENTHALPY  ENTROPY   CP/CV     GAS   RT/V
1580. 2384.    1.00    14.70 -1009.59  2637.17  1.2443 42.548    0.024

SPECIFIC HEAT (MOLAR) OF GAS AND TOTAL=   10.120   10.121
NUMBER MOLS GAS AND CONDENSED=  42.5478   0.0000

 15.21678 H2O       12.59864 N2         5.22956 CO2        4.75298 CO      
  4.74863 H2         0.00062 H          0.00008 HO         0.00004 NH3    

THE MOLECULAR WEIGHT OF THE MIXTURE IS   23.503

**********PERFORMANCE:  FROZEN ON FIRST LINE, SHIFTING ON SECOND LINE**********

IMPULSE   IS EX      T*      P*      C*    ISP*  OPT-EX  D-ISP      A*M   EX-T
  293.5  1.2395   3122.   83.54  5613.2           14.75  336.5  0.07914  1328.
  305.0  1.1713   3242.   85.52  5745.6   221.8   16.00  349.7  0.08100  1580.

[Nikola]

Частицы там есть. Ма-а-аленькие такие кластеры, поймать размер можно только дифракцией электронов (>20000ат/кл) или масс-спектрометрией. Доля конденсата маленькая, пусть 1%, естественно сие надо считать/мерять. Кластеры могут быть жидкие, кристаллические или аморфные, соотношение зависит от параметров истечения, но в любом случае присутствуют все. Часто бывают с безумной кристаллической структурой (пятая ось симметрии). Кстати вообще возможны и слоеные кластеры, вода-СО2-азот, например.
Белый цвет сильно удивляет. После сопла в/на/возле таких кластеров идет релаксация всяких возбужденных молекул, коих в выхлопе предостаточно. Соответственно эти струи при возбуждении всегда светятся очень красивыми многослойными цветами. Тут возможно дефект оптики либо сильная внешняя подсветка или что-то вообще непонятное.

[Штуцер]

Частицы там есть. Ма-а-аленькие такие кластеры, поймать размер можно только дифракцией электронов (>20000ат/кл) или масс-спектрометрией... Кластеры могут быть жидкие, кристаллические или аморфные...пятая ось симметрии... возможны и слоеные кластеры, вода-СО2-азот... или что-то вообще непонятное.

Круто!... Наблюдая в голубом небе Байконура, как, пророкотав, ушел очередной Протон, своим невооруженным глазом, я видел очень очень слабую копоть в небе на траектории, что говорит о том, что углерод чсе таки есть.

[Штуцер]

Нашел, откуда авторы сайта http://www.ineca.ru/?dr=bulletin/arhiv/0105&pg=010 взяли свою табличку.
Первоисточник - Кулага  Е.С.
http://eskulaga.narod.ru/since3.html
Таблица 3.5.1Т
Действительно, углерода - 0,08%  :oops: