Двигатель Aerospike - Aerospike engine
Двигатель Aerospike - это тип ракетного двигателя, который сохраняет свою аэродинамическую эффективность в широком диапазоне высот . Относится к классу высотокомпенсирующих сопловых двигателей. Транспортное средство с аэродинамическим двигателем потребляет на 25–30% меньше топлива на малых высотах, где в большинстве миссий больше всего требуется тяга . Двигатели Aerospike изучались в течение нескольких лет и являются базовыми двигателями для многих конструкций с одноступенчатым выводом на орбиту (SSTO), а также были сильным соперником для главного двигателя космического корабля "Шаттл" . Однако в серийном производстве такой двигатель не производится, хотя некоторые крупномасштабные аэроциклы находятся на стадии испытаний.
Терминология в литературе, посвященной этой теме, несколько сбивает с толку - термин « аэродинамический шип» первоначально использовался для обозначения насадки с усеченной заглушкой с очень грубым конусом и небольшим впрыском газа, образующим «воздушный шип», чтобы помочь восполнить отсутствие заглушки. хвост. Однако зачастую насадку-заглушку во всю длину теперь называют аэродинамической шайбой.
Принципы
Назначение любого колокола двигателя - направить выхлоп ракетного двигателя в одном направлении, создавая тягу в противоположном направлении. Выхлоп, высокотемпературная смесь газов, имеет эффективно случайное распределение импульса (т. Е. Выхлоп толкается в любом направлении). Если выхлопу позволяют выходить в такой форме, только небольшая часть потока будет двигаться в правильном направлении и, таким образом, будет способствовать поступательной тяге. Колокол перенаправляет выхлоп, движущийся в неправильном направлении, чтобы он создавал тягу в правильном направлении. Давление окружающего воздуха также оказывает небольшое давление на выхлоп, помогая ему двигаться в «правильном» направлении на выходе из двигателя. По мере того, как автомобиль движется вверх через атмосферу, давление окружающего воздуха снижается. Это приводит к тому, что выхлоп, генерирующий тягу, начинает расширяться за пределы края раструба. Поскольку эти выхлопные газы начинают двигаться в «неправильном» направлении (то есть в направлении наружу от основного выхлопного шлейфа), эффективность двигателя снижается по мере движения ракеты, поскольку эти выхлопные газы больше не влияют на тягу двигателя. Ракетный двигатель с аэрокосмическими ракетами призван устранить эту потерю эффективности.
Вместо того, чтобы выпускать выхлоп из небольшого отверстия в середине раструба, двигатель с воздушным шипом избегает этого случайного распределения, стреляя по внешнему краю клиновидного выступа, «шипа», который выполняет ту же функцию, что и традиционный колокол двигателя. Шип образует одну сторону «виртуального» колокола, а другую сторону формирует наружный воздух.
Идея конструкции Aerospike заключается в том, что на небольшой высоте давление окружающей среды сжимает выхлопные газы относительно шипа. Рециркуляция выхлопных газов в основной зоне шипа может поднять давление в этой зоне почти до атмосферного. Поскольку давление перед автомобилем является окружающим, это означает, что выхлоп у основания шипа почти уравновешивается сопротивлением, испытываемым транспортным средством. Он не дает общей тяги, но и эта часть сопла не теряет тягу из-за образования частичного вакуума. Тягу в базовой части сопла на малой высоте можно не учитывать.
По мере того, как транспортное средство поднимается на большую высоту, давление воздуха, удерживающее выхлоп на шипе, уменьшается, как и сопротивление впереди транспортного средства. Зона рециркуляции у основания шипа поддерживает давление в этой зоне на долю 1 бар выше, чем почти вакуум перед транспортным средством, тем самым обеспечивая дополнительную тягу с увеличением высоты. Это эффективно действует как «компенсатор высоты» в том смысле, что размер колокола автоматически компенсирует падение давления воздуха.
К недостаткам шипованных шипов можно отнести лишний вес шипа. Кроме того, большая охлаждаемая площадь может снизить производительность ниже теоретического уровня за счет снижения давления на сопло. Аэродинамические шипы относительно плохо работают в диапазоне от 1 до 3 Маха , когда воздушный поток вокруг транспортного средства снижает давление, тем самым уменьшая тягу.
Вариации
Существует несколько версий дизайна, различающихся по форме. В тороидальном аэродинамическом шипе шип имеет форму чаши с выхлопом, выходящим по кольцу вокруг внешнего обода. Теоретически это требует бесконечно длинного шипа для максимальной эффективности, но если выдуть небольшое количество газа из центра более короткого усеченного шипа (как базовое кровотечение в артиллерийском снаряде), можно добиться чего-то подобного.
В линейном аэродинамическом шипе шип состоит из клиновидной клиновидной пластины, выхлопные газы которой выходят с обеих сторон на «толстом» конце. Преимущество этой конструкции состоит в том, что ее можно штабелировать, что позволяет размещать несколько двигателей меньшего размера в ряд для создания одного двигателя большего размера, одновременно повышая характеристики рулевого управления за счет использования индивидуального управления дроссельной заслонкой двигателя.
Представление
В 1960-х годах компания Rocketdyne провела длительную серию испытаний различных конструкций. Более поздние модели этих двигателей были основаны на их высоконадежном двигателе J-2 и обеспечивали те же уровни тяги, что и обычные двигатели, на которых они были основаны; 200 000 фунтов силы (890 кН ) в J-2T-200k и 250 000 фунтов силы (1,1 МН) в J-2T-250k (T относится к тороидальной камере сгорания). Тридцать лет спустя их работа была восстановлена для использования в НАСА «s X-33 проект. В этом случае был использован слегка модернизированный двигатель J-2S с линейным шипом, в результате чего был создан XRS-2200 . После доработки и значительных испытаний этот проект был отменен, когда композитные топливные баки X-33 неоднократно выходили из строя.
Три двигателя XRS-2200 были построены в рамках программы X-33 и прошли испытания в космическом центре НАСА Стеннис . Одномоторные испытания прошли успешно, но программа была остановлена до завершения испытаний двухмоторной установки. В РРСЕ-2200 производит 204,420 (909,300 Lbf N) тяг с I зр 339 секунд на уровне моря, и 266,230 Lbf (1,184,300 N) тяги с I зром в 436,5 секунд в вакууме.
Линейный аэрокосмический двигатель RS-2200 был создан на основе XRS-2200. RS-2200 должен был приводить в действие одноступенчатый орбитальный аппарат VentureStar . Согласно новейшей конструкции, семь RS-2200 мощностью 542 000 фунтов силы (2410 кН) каждый выведут VentureStar на низкую околоземную орбиту. Разработка RS-2200 была официально остановлена в начале 2001 года, когда программа X-33 не получила финансирования инициативы Space Launch Initiative . Lockheed Martin предпочла не продолжать программу VentureStar без какой-либо финансовой поддержки со стороны НАСА. Двигатель этого типа выставлен на открытом воздухе на территории Центра космических полетов имени Маршалла НАСА в Хантсвилле, штат Алабама.
Отмена Lockheed Martin X-33 федеральным правительством в 2001 году сократилось финансирование доступности, но клиновоздушный ракетный двигатель остается областью активных исследований. Например, важной вехой стало то, что совместная академическая / отраслевая группа из Калифорнийского государственного университета, Лонг-Бич (CSULB) и Garvey Spacecraft Corporation успешно провела летные испытания аэрокосмического двигателя с жидкостным ракетным топливом в пустыне Мохаве 20 сентября 2003 г. Студенты CSULB разработали свою ракету Prospector 2 (P-2) с использованием аэрокосмического двигателя LOX / этанола мощностью 1000 фунтов f (4,4 кН). Эта работа над авиашоу-двигателями продолжается; Десятикамерный аэрокосмический двигатель "Проспектор-10" прошел испытания 25 июня 2008 года.
Дальнейший прогресс был достигнут в марте 2004 года, когда под эгидой NASA Dryden Flight Research Center были проведены два успешных испытания с использованием ракет большой мощности производства Blacksky Corporation , базирующейся в Карлсбаде, Калифорния . Сопла и твердотопливные ракетные двигатели были разработаны и изготовлены подразделением ракетных двигателей компании Cesaroni Technology Incorporated , к северу от Торонто, Онтарио. Две ракеты работали на твердом топливе и оснащались тороидальными аэрокосмическими соплами без усеченной формы. Пролетая в Центре аэрокосмических разработок округа Пекос, Форт-Стоктон, штат Техас, ракеты достигли апогея в 26000 футов (7900 м) и скорости около 1,5 Маха .
Члены Общества исследования реакции продолжают разработку маломасштабных аэрокосмических двигателей с использованием гибридной конфигурации ракетного топлива .
В 2020 году Технический университет Дрездена и Fraunhofer IWS начали свой проект CFDμSAT по исследованию авиационных космических двигателей аддитивного производства. Прототип уже прошел испытания в испытательной камере в Дрезденском институте аэрокосмической техники Технического университета Дрездена, время работы которого составляет 30 секунд.
Реализации
Firefly Aerospace
В июле 2014 года Firefly Space Systems объявила о планируемой ракете-носителе Alpha, на первой ступени которой используется двигатель с аэрокосмическим двигателем. Предназначенный для рынка запуска малых спутников, он предназначен для запуска спутников на низкую околоземную орбиту (НОО) по цене 8–9 миллионов долларов США, что намного ниже, чем у обычных пусковых установок.
Firefly Alpha 1.0 был разработан, чтобы нести полезную нагрузку до 400 кг (880 фунтов). Он использует углеродные композитные материалы и использует одинаковую базовую конструкцию для обоих этапов. Аэродвигатель со вставной кассетой развивает тягу в 400 кН. Двигатель имеет колоколообразное сопло, которое было разрезано пополам, а затем растянуто, образуя кольцо, при этом половинное сопло теперь формирует профиль пробки.
Ракета этой конструкции так и не была запущена. От проекта отказались после банкротства Firefly Space Systems. Новая компания Firefly Aerospace заменила двигатель Aerospike на обычный двигатель конструкции Alpha 2.0. Однако компания предложила Firefly Gamma, частично многоразовый космический самолет с аэрокосмическими двигателями.
ARCA Space
В марте 2017 года космическая корпорация ARCA объявила о своем намерении построить одноступенчатую орбитальную ракету (SSTO) под названием Haas 2CA с использованием линейного аэрокосмического двигателя. Ракета рассчитана на отправку до 100 кг на низкую околоземную орбиту по цене 1 миллион долларов США за запуск. Позже они объявили, что их двигатель Executor Aerospike будет производить 50 500 фунтов силы (225 кН) тяги на уровне моря и 73 800 фунтов силы (328 кН) тяги в вакууме.
В июне 2017 года ARCA объявила, что запустит в космос свою ракету Demonstrator3, также используя линейный аэрокосмический двигатель. Эта ракета была разработана для тестирования нескольких компонентов Haas 2CA с меньшими затратами. Они объявили о полете на август 2017 года. В сентябре 2017 года ARCA объявила, что после задержки их линейный аэрокосмический двигатель был готов к наземным испытаниям и летным испытаниям на ракете Demonstrator3.
20 декабря 2019 года компания ARCA провела испытания парового ракетного двигателя LAS 25DA для системы Launch Assist System.
KSF Space и межзвездное пространство
Другая концептуальная модель шипованного двигателя, разработанная KSF Space и Interstellar Space в Лос-Анджелесе, была разработана для орбитального корабля под названием SATORI. Из-за отсутствия финансирования концепция до сих пор не разработана.
Rocketstar
Rocketstar планировала запустить свою космическую ракету, напечатанную на 3D-принтере, на высоту 50 миль в феврале 2019 года.
Смотрите также
- Расширительное сопло
- LASRE - Linear Aerospike SR-71, эксперимент 1997/8 НАСА для X-33
- Роторная ракета - Компания
- Sabre - Synergetic Air Breathing Rocket Engine - гибридный прямоточный воздушно-реактивный двигатель и ракетный двигатель
использованная литература
внешние ссылки
- Двигатель Aerospike
- Усовершенствованные двигатели, запланированные для модернизированных ускорителей Saturn и Nova, включая J-2T.
- Линейный двигатель Aerospike - движущая сила для корабля X-33
- Центр летных исследований Драйдена
- Характеристики и производительность системы управления двигателем Aerospike
- X-33 Контроль ориентации с помощью линейного двигателя XRS-2200
- Буй, Тронг; Мюррей, Джеймс; Роджерс, Чарльз; Бартель, Скотт; Чезарони, Энтони; Деннет, Майк (2005). «Летные исследования аэрокосмического сопла с использованием твердотопливных ракет большой мощности». 41-я совместная конференция и выставка по двигательным установкам AIAA / ASME / SAE / ASEE . DOI : 10.2514 / 6.2005-3797 . ISBN 978-1-62410-063-5.