Wtryskiwacz to istotna część każdego silnika rakietowego. To od niego zależy optymalizacja przepływu paliwa, stabilność spalania oraz integralność struktury silnika. Znajduje się między komorą paliwową a spalania, co pozwala na odpowiedni przepływ materiałów pędnych.

Aby silnik na paliwo ciekłe działał, wymagana jest zamiana płynu na gaz wydostający się z dyszy. Łatwo można wyobrazić sobie, że bardziej rozdrobniona mieszanka wyparuje szybciej niż pojemnik wypełniony cieczą. I tu pojawiają się kluczowe pojęcia: atomizacja oraz mieszanie.

Atomizacja to rozbicie strumienia na małe kropelki, przy czym im mniejsze tym lepiej. Mieszanie natomiast polega na połączeniu cząstek paliwa i utleniacza.

Im lepiej wymieszana i zatomizowana mieszanka, tym większa efektywność silnika, ponieważ zostaje mniej niezużytego paliwa rakietowego. Zapewnia to również stabilność spalania, co ogranicza powstawanie problematycznych fluktuacji mogących prowadzić do wystąpienia zjawiska rezonansu.

Najprostszym rodzajem wtryskiwacza jest powierzchnia z prostopadle do niej wywierconymi otworami. Ten typ konstrukcji często nazywany jest słuchawką prysznicową (tzw. showerhead). Koncepcja polega na tym, że płyn o wysokim ciśnieniu przepływa przez niewielkie otwory, co skutkuje zwiększeniem jego prędkości i spadkiem ciśnienia. W końcu strumień zamienia się w kropelki i dochodzi do spalania materiałów pędnych w komorze. Ta prosta konstrukcja znajduje swoje zastosowanie w silnikach samolotu X-15 oraz kosmicznej sondy Pioneer.

Milena Nowak

Schemat poglądowy działania tzw. showerhead. Kolor czerwony przedstawia paliwo, a kolor czarny konstrukcję wtryskiwacza.

Lepszym rozwiązaniem jest wtryskiwacz z ustawionymi pod kątem ostrym otworami. Zwykle są one pogrupowane w pary, tzn. strumienie wylatujące z obu otworów zderzają się w pewnej odległości od powierzchni wtryskiwacza zwanej dystansem oddziaływania. Nie może on być zbyt duży ani też zbyt mały – jeśli będzie zbyt mały, niepotrzebnie ogrzeje powierzchnię wtryskiwacza; jeśli zbyt duży, będzie potrzebna proporcjonalnie większa komora spalania.

Z obu otworów może wylatywać tylko utleniacz albo tylko paliwo bądź z jednego utleniacz, a z drugiego paliwo. Pierwszy przypadek, nazywany jednoimiennym wtryskiwaczem zderzakowym, jest nieco mniej skomplikowany z dwóch głównych powodów. Po pierwsze, łatwiej jest zaprojektować kolektory doprowadzające materiały pędne do wtryskiwaczy. Po drugie, jeśli z symetrycznie względem siebie ułożonych otworów wypływa płyn o tych samych właściwościach, to kąt odchylenia strumienia po zderzeniu od pionu względem silnika będzie bliski zeru. Pozwala to na przekazanie zatomizowanych kropelek dokładnie do celu i zapewnia wysoką stabilność spalania.

W przypadku różnoimiennych wtryskiwaczy zderzakowych z powodu różnicy gęstości płynów tor ruchu kropelek powstałych w wyniku zderzenia strumieni będzie nieco odbiegał od zamierzonego kierunku. Przez ten czynnik spalanie staje się mniej stabilne, choć płyny są skuteczniej zmieszane.

Milena Nowak

Schemat działania wtryskiwacza uderzeniowego. Kolor czerwony przedstawia składniki mieszanki paliwowej, szary konstrukcję wtryskiwacza a czarny inne części silnika. Kąt ϴ to kąt nachylenia otworów względem powierzchni, a kąt α to kąt wyjściowy strumienia po zderzeniu. W przypadku jednoimiennego wtryskiwacza uderzeniowego α≈0.

Aby rozwiązać ten problem, zamiast par otworów można zastosować „trójki” bądź „czwórki”. Jeśli zastosuje się „trójki”, to ze środkowego otworu może wylatywać jeden ze składników mieszanki paliwowej, a z symetrycznie ułożonych względem środkowego bocznych drugi składnik. W przypadku „czwórek” można na przykład wywiercić otwory umiejscowione w rogach kwadratu, by z jednej pary otworów po przekątnej leciał utleniacz, a z drugiej paliwo.

Trudno znaleźć przykłady wtryskiwaczy z większą ilością otworów. W jednym z dokumentów NASA napisane jest, że przykłady wtryskiwacza-pentady, czyli takiego składającego się z grup po pięć otworów, nie jest znany. „Czwórki” występują na przykład w rakiecie Titan, a „trójki” w drugim stopniu Ageny. „Dwójki” znaleźć można już łatwiej – w silniku F-1 słynnej rakiety Saturn V występowały jednoimienne wtryskiwacze zderzakowe.

Naomi Persephone Amethyst via Wikimedia Commons

Wtryskiwacz silnika F-1.

Ważną rolę pełni geometria otworów. Generalnie im mniejsze otwory i im więcej ich jest, tym lepiej przebiegają atomizacja i mieszanie. W praktyce jednak nie można wykonać dowolnie małych otworów ze względu na trudności z ich wytwarzaniem oraz wytrzymałość materiału, z którego zbudowany jest wtryskiwacz. Co więcej, relatywnie duża ich liczba sprawia, że powstają losowe fluktuacje, przez co maleje stabilność spalania. Co do kątów, ważny jest zarówno kąt wykonania samego otworu jak i kąt wyjściowy, o którym pisałam wcześniej. Jeśli kąt wyjściowy byłby za duży, oprócz wspomnianego problemu ze stabilnością spalania występuje również problem nadmiernego nagrzewania ścianek komory.

Aby nie doszło do separacji przepływu, otwory muszą być odpowiednio długie. Złota zasada głosi, że stosunek długości do średnicy powinien wynosić co najmniej 5. Z kolei jeśli chodzi o średnicę i liczbę otworów przeznaczonych dla danego składnika mieszanki paliwowej, zależy ona przede wszystkim od stosunku objętości paliwa do utleniacza. Ważnym czynnikiem, który należy wziąć pod uwagę przy projektowaniu wtryskiwacza jest też przepływ masy, który musi być bliski pewnej teoretycznej wartości przeznaczonej dla danego silnika.

W latach 40. i 50. XX wieku poza już wspomnianymi wtryskiwaczami często korzystano również z tak zwanej płyty odbojowej. Zasada działania jest prosta: strumienie paliwa i utleniacza po wyjściu z otworów napotykają na poprzecznie ułożoną do ich kierunku ruchu powierzchnię, od której się odbijają, jednocześnie atomizując się i mieszając.

Alternatywnym sposobem wtryskiwania paliwa jest skorzystanie z konstrukcji sworzeniowej. Polega na zderzeniu się mniej więcej prostopadłych względem siebie przepływów utleniacza oraz paliwa. Jeden z nich rozchodzi się radialnie, a drugi osiowo. Ten prosty w zamyśle i konstrukcji sposób pozwala na uzyskanie stabilnego spalania, skutecznego mieszania i dużo swobody jeśli chodzi o projektowanie. Istotną zaletą jest możliwość zmiany pola powierzchni otworów wylotowych, co umożliwia regulację siły ciągu. To rozwiązanie stosuje się na przykład w silniku Merlin rakiety Falcon 9. Dzięki konstrukcji sworzeniowej można wyłączyć silnik przy lądowaniu, bo wtedy sworzeń działa jak zawór i zamyka dopływ paliwa do silnika.

RedTomato via Wikimedia Commons

Schemat konstrukcji sworzeniowej. Kolory niebieski oraz czerwony przedstawiają dwa składniki mieszanki paliwowej.

Christopher Nilsen via Wikimedia Commons

Część rozchodząca się radialnie.

Christopher Nilsen via Wikimedia Commons

Część rozchodząca się osiowo.

Christopher Nilsen via Wikimedia Commons

Obie części uruchomione.

Innym pomysłem jest wykorzystanie zjawiska siły odśrodkowej. Na tej podstawie działają współosiowe wtryskiwacze wirowe. Ich koncepcja zwykle polega na przekierowaniu płynu tak, by obracał się wokół danego elementu i na końcu wyleciał, tworząc dwa stożkowe przepływy, które zderzą się ze sobą, rozpryskując się.

Rakietą, w której stosuje się podobne do opisanego rozwiązanie, jest niemiecka V2/A4. Jest to o tyle interesujący przypadek, że współosiowe wtryskiwacze wirowe występują jedynie po bokach komory, natomiast na górze umiejscowiony został klasyczny showerhead. Z każdego elementu wirowego wylatywało 47 gram materiałów pędnych na sekundę. Testy wykazały, że projekt ten nie okazał się tak dobry, jak przewidywano i dodanie współosiowych wtryskiwaczy wirowych nie sprawiło, że osiągi rakiety stały się znacząco lepsze.

Choć we wszystkich omówionych wyżej przypadkach do wtryskiwacza trafiają płyny, to możliwe jest stworzenie wtryskiwaczy dostosowanych do mieszania gazu z cieczą. Przykładem tego jest silnik RL10, w którym rozprężony wodór w stanie gazowym oraz ciekły tlen docierają do wtryskiwacza współosiowego wirowego, by połączyć się i zatomizować.