Dysza, która doleciała na księżyc

Bicze wodne, hydromasażery, water jety, pistolety do węży ogrodowych, wtrysk paliwa do komory spalania, palniki, dezodoranty, kurtyny wodne i wiele innych. To tylko niektóre z naprawdę tysięcy o ile nie milionów zastosowań różnego rodzaju dysz, czyli urządzeń służących do kształtowania parametrów lub postaci wypływającej cieczy. Jednak dzisiaj powiemy sobie o dyszy nie byle jakiej, bo o królowej wszystkich dysz. Wielkiej i niezastąpionej dyszy de Lavala.

Dysza Gustaf’a de Lavala, dzieło jego życia

Gustaf de Laval. Naukowiec. Przedsiębiorca. Człowiek mogący poszczycić się niesamowicie ciekawym CV, na którym zaraz obok opracowania szeregu urządzeń na potrzeby przemysłu mleczarskiego widnieje stworzenie pierwszej na świecie dyszy do silników rakietowych, dyszy de Lavala. Urządzenie to do dzisiaj wykorzystywane jest jako dysza w silnikach rakietowych zarówno przez laików oraz profesjonalistów i miało ogromny wkład w wyniesienie ludzi w kosmos oraz w lądowaniu na księżycu (niedawno obchodziliśmy 50 rocznice tego wydarzenia, które miało miejsca 20 lipca 1969 roku). Jednak po kolei.

Dysza de Lavala to dysza zbieżno rozbieżna. Oznacza to, że powstaje poprzez połączenie dyfuzora i konfuzora. Mówiąc po ludzku najpierw się zwęża, a później rozszerza. Czemu jest to tak kluczowe? Dopóki mówimy o przepływach poddźwiękowych (poniżej 1 Macha, czyli prędkość przepływu jest mniejsza nisz prędkość rozchodzenia się dźwięku) wszystko wydaje się w proste, a dysza nie zaskakuje i działa jak każda inna dysza. Parametry jej przepływu możemy natomiast obliczyć z wykorzystaniem podstawnego równania Bernoullego. Co jednak jeżeli zamontujemy ją za komorą spalania silnika rakietowego, którego spaliny osiągają ogromne temperatury i ciśnienia?

Dysza de Lavala i parametry przepływu
[źródło Wikipedia]

Początkowo wszystko przebiega normalnie. Skoro przekrój się zmniejsza to zwiększa się prędkość przepływu. Logiczne. Jednak jeżeli dysza została zaprojektowania poprawnie, a parametry gazu na wejściu są prawidłowe to w najwęższym miejscu w dyszy przepływ powinien osiągnąć prędkość 1 Macha (prędkość przepływu jest równa prędkości rozchodzenia się dźwięku). No i teraz zaczyna się magia. W normalnych warunkach podczas rozszerzania się kanału prędkość przepływu maleje, jednak nie w przypadku przepływów naddźwiękowych (powyżej 1 Macha, prędkość przepływu jest większa niż prędkość dźwięku). Ponieważ w takim przypadku prędkość przepływu nadal rośnie, aż do osiągnięcia maksymalnej prędkości na wyjściu. Oczywiście nie ma nic za darmo. Tak gwałtowny wzrost prędkości przepływu kosztuje sporo energii więc temperatura oraz ciśnienie gazu przepływającego przez dyszę gwałtownie spadają. Jednakże duża prędkość cząsteczek wylatujących z dyszy pozwala unieść rakietę do góry, aż w końcu opuści ona naszą planetę.

Pierwszą moją reakcją po przeczytaniu rozdziału w książce o dyszach de Lavala było wielkie WOW!! Czy można powtórzyć coś takiego w domowym zaciszu? Niestety nie mam dobrych wieści. O ile laicy konstruujący rakiety napędzane prawdziwymi silnikami odrzutowymi (co chyba wymaga specjalnych pozwoleń na odpowiednie paliwo) mogą coś takiego odtworzyć to my niekoniecznie. Ostatecznie musimy zadowolić się rakietą na sprężone powietrze…

Ciekawe linki:

1. Projektowanie dyszy de Lavala - NASA
2. Rakieta na sprężone powietrze

3. Strona na Facebooku poświęcona dyszy de Lavala  

4. Przeżyj misję Apollo w czasie rzeczywistym