Форум С.Кара-Мурзы: Ветка : Немножко теории

От	Pokrovsky~stanislav
К	Pokrovsky~stanislav
Дата	24.09.2007 23:57:41
Рубрики	Крах СССР; Манипуляция;

Немножко теории

>В толстенном справочнике "Физические величины", который у меня сейчас перед носом, 72 при 1000 К~700 С - для чистого элемента

>А вот в разделе жаропрочных материалов для трех самых жаропрочных советских никелевых сплавов из таблички ХН60Ю, ХН70ВМТЮ, ХН80ТБЮ при температуре 1400 К~1100 С теплопроводности соответственно: 29,24,27 Вт/(м град).

Поскольку ведущая составляющая теплопроводности металлов и сплавов - электронная, теплопроводность и удельное сопротивление металлов связаны.

Электронная теория металлов говорит, что движению электронов под действием электрического поля препятствуют искажения решетки, дефекты. Но именно дефекты решетки, как я ранее говорил, - и препятствуют движению атомных плоскостей.

В нашем случае материалы с повышенной прочностью при высокой температуре - получаются за счет сохраняющихся длительное время искажений решетки в форме выделений интерметаллидных фаз. Вот они-то, эти искажения, и затрудняют движение электронов, переносящих тепло. Т.е. снижают теплопроводность.

Именно поэтому оценка по чистому элементу никелю с невозмущенной решеткой - некорректна. А вот уже технический никель с примесями, искажающими решетку, - ближе к истине.

От	7-40
К	Pokrovsky~stanislav (24.09.2007 23:57:41)
Дата	25.09.2007 00:34:20

Re: Немножко теории

Я не понял, в чём состоит очередное опровержение? Американцам что, не удалось создать КС нужной жаропрочности? До Ф-1 никаких проблем с жаропрочностью не возникало, создавались двигатели на том же топливе с гораздо более высокими удельными характеристиками, с более высокими давлениями в КС - и ничего, всё было ОК, а тут вдруг бац! и с жаропрочностью проблемы возникли? При более низком давлении в КС и вообще более умеренных характеристиках? Это надо объяснить. Как так удалось допрыгаться до таких проблем, которые до тех пор беспроблемно решались и в более сложных случаях?

От	А.Б.
К	7-40 (25.09.2007 00:34:20)
Дата	25.09.2007 09:15:11

Re: Именно.

>Американцам что, не удалось создать КС нужной жаропрочности?

Вплоть до того, что от проходящего потока тепла "дельта Т" на стенках сопла (у камеры сгорания - еще хуже ситуация) составляет несколько сот градусов. В итоге... сопло разрушается возникшими от теплового расширения напряжениями. Как стакан в который крутой кипяток плеснули - дзинь - и на куски. :)

От	Pokrovsky~stanislav
К	А.Б. (25.09.2007 09:15:11)
Дата	25.09.2007 19:21:54

Re: Именно.

>>Американцам что, не удалось создать КС нужной жаропрочности?
>
>Вплоть до того, что от проходящего потока тепла "дельта Т" на стенках сопла (у камеры сгорания - еще хуже ситуация) составляет несколько сот градусов. В итоге... сопло разрушается возникшими от теплового расширения напряжениями. Как стакан в который крутой кипяток плеснули - дзинь - и на куски. :)

Дзинь - и на куски. - Если бы и вправду попытались создать двигатель формата Ф-1 при имевшихся на тот момент материалах.
____________________________________
В одной из ушедших в подвал веток я поставил вопрос о жаропрочности следующим образом.

Если пламя КС не слишком оптически плотное, т.е. длина пробега излучения сопоставима с радиусом камеры, то излучающий объем нарастает как куб радиуса, а воспринимающая поток стенка - только как квадрат. Соответственно удельный поток тепла на стенку растет пропорционально радиусу камеры сгорания.

Другой предельный случай - это когда пробег излучения очень мал - типа одного санитиметра. И излучающая поверхность практически равна поверхности воспринимающей излучение. Удельный поток не зависит от радиуса.

Промежуточный, наиболее реалистичный, вариант - длина пробега излучения несколько сантиметров. И моделью излучающего тела является поверхность меньшего на несколько сантиметров радиуса, чем воспринимающая излучение. Для двигателей малого радиуса отношение излучающей модельной поверхности к воспринимающей - мало. И мегаватты на метр квадратный излучения превращаются в сотни тысяч киловатт на стенке.
При росте радиуса отношение излучающей и воспринимающей поток поверхностей приближается к единице. При одной и той же температуре горящих газов удельный поток на стенку становится все больше по мере роста радиуса камеры сгорания.

Поскольку при равных температурах и давлениях тяга Ф-1 в несколько раз превосходит тягу любого созданного в те годы двигателя, я вправе предположить, что это связано в числе прочих причин еще и с проблемами стеночных материалов. По крайней мере я совершенно точно знаю, что вопрос о стеночных материалах очень остро встал при создании "Энергии".

И о ужас! - Вижу, что американцы в 60-х не решились применить в Ф-1 жаропрочную сталь, а воспользовались материалом, который только предстоит еще разработать. Дорогостоящий материал, который к моменту изготовления Ф-1 в остальном цивилизованном мире вел себя странным образом - не проявлял устойчивости прочностных характеристик при высоких температурах.
А вот прекрасно, надежно работающую сталь X10NiCrAlTi32.20(цитирую: "При температурах ~ 900 С сталь обладает еще относительно высокой длительной прочностью")... - похерили.
Похерили и другие стали с высокой жаропрочностью, известные даже с 1940-х(сталь X5NiCrTi26.15).

Я могу только чувствовать, что не могли американцы в отчете НАСА назвать эти стали - теплофизики моментально усомнились бы. Не поверили бы в столь низкие температуры на стенке. Пришлось писать, что такая-то фирма разработала особый жаропрочный сплав. Из групы тех сплавов, про которые уже с 1970 года идет слава, как о суперсплавах.

Еще раз. Я ни в коем случае не предлагаю проблему никелевых сплавов рассматривать как доказательство того, что американцы не летали.
Возвращаю Вас к исходному вопросу: мол, все проблемы были инженерными. В СССР и ФРГ к 1967 году, т.е. к моменту первого пробного полета на Ф-1, проблема указанных никелевых сплавов была глубоко научной. И требовала напряжения извилин и применения нового революционного подхода к работе с материалами.

И американские инженеры, которым еще совсем недавно их президент Кеннеди говорил: учите физику,- не только никелевые сплавы в момент разработали. Они в том же двигателе применили еще и новый жаропрочный кобальтовый сплав. По которым у всего цивилизованного мира были, судя по всему, аналогичные проблемы(положительные результаты появились вслед за результатами по никелевым - ну... чуточку позже - в 1972 причины упрочнения еще изучались).

Лунные экспедиции на двигателях Ф-1 - это как бы гимн воинствующей антинаучности, гимн большим мешкам денег - в решении больших технических проблем!

От	7-40
К	Pokrovsky~stanislav (25.09.2007 19:21:54)
Дата	25.09.2007 19:53:38

Re: Именно.

>В одной из ушедших в подвал веток я поставил вопрос о жаропрочности следующим образом.
>Если пламя КС не слишком оптически плотное, т.е. длина пробега излучения сопоставима с радиусом камеры, то излучающий объем нарастает как куб радиуса, а воспринимающая поток стенка - только как квадрат. Соответственно удельный поток тепла на стенку растет пропорционально радиусу камеры сгорания.

Вы тогда об оптической плотности вообще даже не вспомнили, так как даже не догадывались о её роли (если вообще знали, что это такое). Так что разоблачать Вы бросились, про оптическую плотность не вспоминая. Это я Вам напомнил про неё, это я у Вас спросил: а какая там оптическая толщина?

Ну так как, Станислав, какова оптическая толщина керосинового пламени? Подсказкой будет вид керосинового выхлопа из сопла. Или любое пламя свечки.

>Другой предельный случай - это когда пробег излучения очень мал - типа одного санитиметра. И излучающая поверхность практически равна поверхности воспринимающей излучение. Удельный поток не зависит от радиуса.
>Промежуточный, наиболее реалистичный, вариант - длина пробега излучения несколько сантиметров. И моделью излучающего тела является поверхность меньшего на несколько сантиметров радиуса, чем воспринимающая излучение. Для двигателей малого радиуса отношение излучающей модельной поверхности к воспринимающей - мало. И мегаватты на метр квадратный излучения превращаются в сотни тысяч киловатт на стенке.

Посмотрите на пламя свечи. Оно прозрачно? На пламя костра. Прозрачно? Давление в КС 70 атмосфер.

>Поскольку при равных температурах и давлениях тяга Ф-1 в несколько раз превосходит тягу любого созданного в те годы двигателя, я вправе предположить, что это связано в числе прочих причин еще и с проблемами стеночных материалов.

Предположить? То есть никаких доказательств снова нет, опять одна игра разыгравшегося воображения?

>По крайней мере я совершенно точно знаю, что вопрос о стеночных материалах очень остро встал при создании "Энергии".

Правда? А ведь там размер КС такой же, как у некоторых других керосиновых ЖРД. НК-33, например.

>Я могу только чувствовать, что не могли американцы в отчете НАСА назвать эти стали - теплофизики моментально усомнились бы.

Чувствовать... То есть чувствуете, что "Аполлон" - афера, а доказать не можете?

>Лунные экспедиции на двигателях Ф-1 - это как бы гимн воинствующей антинаучности, гимн большим мешкам денег - в решении больших технических проблем!

Чтобы летать на Луну, нужно иметь много денег. Увы. Люди и в Зимбабве, и в Америке все одинаковые, у всех на плечах одинаковые головы. Но Зимбабве на Луну летать не может. Денег нет.

От	Pokrovsky~stanislav
К	7-40 (25.09.2007 19:53:38)
Дата	25.09.2007 22:16:59

Re: Именно.

>Ну так как, Станислав, какова оптическая толщина керосинового пламени? Подсказкой будет вид керосинового выхлопа из сопла. Или любое пламя свечки.

А Вы для начала произнесите открытым текстом: какова, на основании Ваших подсказок, должна бы быть длина пробега излучения в керосиновом ЖРД.

А там и я дам цифирьку для сопоставления. Со ссылочкой на журнальчик, такая-то страничка.

И посмотрим, не получится ли у Вас очередное снятие штанов и порча воздуха.

От	7-40
К	Pokrovsky~stanislav (25.09.2007 22:16:59)
Дата	25.09.2007 22:28:57

Re: Именно.

>>Ну так как, Станислав, какова оптическая толщина керосинового пламени? Подсказкой будет вид керосинового выхлопа из сопла. Или любое пламя свечки.
>
>А Вы для начала произнесите открытым текстом: какова, на основании Ваших подсказок, должна бы быть длина пробега излучения в керосиновом ЖРД.

Длина пробега излучения - это оптическую толщу теперь так называют? ;)

Станислав, излучение бывает разным. Бывает оптическим, бывает инфракрасным, бывает ультрафиолетовым, и так далее. Какова инфракрасная толща в КС - понятия не имею. Думаю, мала. Но как человек, для которого перенос излучения - профессия, подскажу Вам: чем выше толща - тем ничтожнее Ваши рассуждения. Потому что роль объёма быстро падает с ростом тау. И с другой стороны тоже так: чем меньше толща - тем ничтожнее Ваши рассуждения. Потому что доля излучённой радиационной энергии быстро падает с уменьшением тау.

>А там и я дам цифирьку для сопоставления. Со ссылочкой на журнальчик, такая-то страничка.

Даже любопытно.

От	Pokrovsky~stanislav
К	7-40 (25.09.2007 22:28:57)
Дата	26.09.2007 02:56:58

Оптическая толщина и длина пробега излучения.

>Длина пробега излучения - это оптическую толщу теперь так называют? ;)

Вообще говоря, оптическая толщина среды по определению есть отношение характерной толщины среды к средней(или спектральной - в зависимости от задачки) длине пробега излучения.

Говорить об оптической толще газов керосинового ЖРД как о чем-то, не связанном с размерами, как-то и неприлично. А вот длина пробега излучения - это как бы характеристика среды.
Впрочем, Вы же профессионально этим занимаетесь... Т.е. по идее, должны бы все неплохо знать. Будем считать, что Вы просто пошутили. - Идет?
_________________________________________________
Итак, для оценки длины пробега излучения воспользуемся результатами расчетов из метода, предложенного в ТВТ, 1971, т.9, № 4, с. 708-716.

Для "стандартного"(использованное автором слово) воздушно-керосинового ЖРД в условиях стехиометрического горения для длины пути луча рассчитывалась степень черноты основных отвечающих за излучение и поглощение компонент - СО2 и Н2О. Задавались размером камеры 86 см(я так понимаю, что при таком размере удобно было пересчитывать полное давление в удобные оптические плотности. При полном давлении 8 атм оптическая плотность паров составляла красивую величину 80 см х атм).

При 2000 градусов и общем давлении смеси газов 8 атм степень черноты паров воды составляла 0.3(для сопоставления для СО2 0.14). Отсюда с легкостью рассчитывается длина пробега излучения - около 2.5 метров(из условий термодинамического равновесия поглощения и излучения - С.П.).
При 2173 К степень черноты снижалась до 0.15, соответственно длина пробега излучения возрастала до 5.3 метра(С.П.).

Поскольку при стехиометрическом горении в воздухе 3/4 объема составляет азот, то длина свободного пробега излучения в кислород-керосиновом двигателе будет раза в 4 меньше. Около 60 см при 2000 К и около 130 см при 2200 К.
С тенденцией к дальнейшему росту с температурой. - С.П.

Пересчет на случай в 7.5 раз большего давления уже для 2200 К длина свободного пробега излучения составляет что-то около 17 см. - С.П.

Что касается самой статьи, то там же указано, что при температурах выше 800 К полоса 15 мкм не существенна. Рассчитывается вклад полос в ближней ИК области - основная составляющая около 2.7 мкм.(А оно и вправду - закон смещения Вина - помните его?- прямо и указывает на ближний ИК - С.П.)

Расчеты степени черноты, полученные по предложенному в работе методу - при повышенных давлениях прекрасно сходились с аппроксимациями экспериментальных графиков и диаграмм.
Метод работоспособен при 2000 К до парциальных давлений водяного пара до 400 атм. С тенденцией роста при росте температуры.

Ну и последнее. Уже по "Теплопередаче"(Исаченко, Осипова, Сукомел) - при высоких оптических плотностях роль СО2 резко снижается. И работает в основном излучение и поглощение излучения водяным паром. Некоторая добавка от СО2 - мало что меняет.
_______________________________________

Таким образом, длина свободного пробега излучения уже при 2200 К составляет половину радиуса камеры сгорания Ф-1. А при 3000 К, с учетом дальнейшего явного снижения степени черноты с ростом температуры) представляется вполне сопоставимой с радиусом.
___________________________________

Учитывая хорошую сходимость расчетов авторов со следствиями из экспериментальных графиков и диаграмм именно для керосиновых двигателей, мы можем нормально предполагать, что несгоревший углерод, составляющий дым на выходе сопла, в камере присутствует еще в неконденсированном, атомном состоянии. И потому не особо влияет на оптическую плотность среды.

Следовательно, модель Покровского, по которой рост размеров камеры при прочих равных условиях(давление, температура газов) приводит к пропорциональному росту энергонапряженности стенок, - близка к реальному положению дел.

Американцы в середине 70-х как бы не зря всполошились и начали придумывать, какой был жаропрочный материал для стенок камеры сгорания Ф-1, - развитие расчетных методов теплофизики вкупе с вполне подтверждающими расчеты экспериментальными работами(напр. ТВТ, 1971, т.9, № 4, с. 703-707) показало, что пора бы и об отмазках задуматься...
________________________________

В заключение хочу поблагодарить внимательно следящего за дискуссией старого товарища, который прислал мне сканы статей из "Теплофизики высоких температур"(ТВТ). - Фонд ГПНТБ, в котором располагается нужный номер, - так и остается закрытым на ремонт.

От	7-40
К	А.Б. (25.09.2007 09:15:11)
Дата	25.09.2007 12:07:28