Двигатель Aerospike - Aerospike engine

XRS-2200 линейный аэрокосмический двигатель для Х-33 программа тестируется в Космический центр Стеннис

В аэрокосмический двигатель это тип ракетный двигатель который сохраняет свою аэродинамический эффективность в широком диапазоне высоты.[1] Он принадлежит к классу сопло компенсации высоты двигатели. Автомобиль с двигателем Aerospike расходует на 25–30% меньше[необходимо определение ] топливо на малых высотах,[2] где большинство миссий больше всего нуждаются в толчок. Двигатели Aerospike изучаются в течение ряда лет и являются базовыми двигателями для многих одноступенчатый на орбиту (SSTO), а также были сильным претендентом на Главный двигатель космического челнока. Однако в серийном производстве такой двигатель не производится, хотя некоторые крупномасштабные аэроциклы находятся на стадии испытаний.[3]

Терминология в литературе по этой теме несколько запутана - термин аэроспайк изначально использовался для усеченного заглушка сопла с очень грубым конусом и небольшим впрыском газа, образующим «воздушный шип», чтобы помочь восполнить отсутствие хвостовой части плунжера. Однако часто насадку с заглушкой во всю длину теперь называют аэродинамической шайбой.

Принципы

Цель любого колокола двигателя - направить выхлоп ракетного двигателя в одном направлении, создавая тягу в противоположном направлении. Выхлоп, высокотемпературная смесь газов, имеет эффективно случайное распределение импульса (то есть 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 при выходе из двигателя. Когда автомобиль движется вверх через атмосферу, давление окружающего воздуха снижается. Это приводит к тому, что выхлоп, создающий тягу, начинает расширяться за пределы края раструба. Поскольку эти выхлопные газы начинают двигаться в «неправильном» направлении (то есть наружу от основного выхлопного шлейфа), эффективность двигателя снижается по мере движения ракеты, потому что эти выхлопные газы больше не влияют на тягу двигателя. Ракетный двигатель для аэрокосмической техники призван устранить эту потерю эффективности.[1]

Сравнение дизайна колокольчик ракета (слева) и ракета-носитель (справа)

Вместо того, чтобы выпускать выхлоп из небольшого отверстия в середине колокола, 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.[1]

Идея конструкции Aerospike заключается в том, что на небольшой высоте атмосферное давление сжимает выхлопные газы относительно шипа. Рециркуляция выхлопных газов в основной зоне шипа может поднять давление в этой зоне почти до нормального. Поскольку давление перед автомобилем является окружающим, это означает, что выхлоп у основания шипа почти уравновешивается сопротивлением, которое испытывает автомобиль. Он не дает общей тяги, но и эта часть сопла не работает. терять тяги за счет создания частичного вакуума. Тягу в базовой части сопла на малой высоте можно не учитывать.[1]

По мере того, как автомобиль поднимается на большую высоту, давление воздуха, удерживающее выхлоп на шипе, уменьшается, как и сопротивление перед автомобилем. Зона рециркуляции у основания шипа поддерживает давление в этой зоне до долей 1 бар, выше, чем почти вакуум перед автомобилем, что дает дополнительную тягу с увеличением высоты. Это эффективно действует как «компенсатор высоты» в том смысле, что размер колокола автоматически компенсирует падение давления воздуха.[1]

К недостаткам шиповок можно отнести дополнительный вес шипа. Кроме того, большая охлаждаемая площадь может снизить производительность ниже теоретического уровня за счет снижения давления на сопло. Aerospikes относительно плохо работают между Мах 1–3, где воздушный поток вокруг транспортного средства снизил давление, тем самым уменьшив тягу.[4]

Вариации

Существует несколько вариантов дизайна, различающихся по форме. в тороидальный шип шип имеет форму чаши с выхлопом, выходящим в виде кольца вокруг внешнего обода. Теоретически это требует бесконечно длинного шипа для максимальной эффективности, но путем выдувания небольшого количества газа из центра более короткого усеченного шипа (например, базовое кровотечение в артиллерийском снаряде) чего-то подобного можно добиться.

в линейный аэроспайк шип состоит из клиновидной клиновидной пластины, выхлопной газ которой выходит 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 получения одного двигателя большего размера, одновременно повышая характеристики рулевого управления за счет использования индивидуального управления дроссельной заслонкой двигателя.

Спектакль

Rocketdyne в 1960-х годах провел длительную серию испытаний различных конструкций. Более поздние модели этих двигателей основывались на их высокой надежности. J-2 двигатели и обеспечивали те же уровни тяги, что и обычные двигатели, на которых они были основаны; 200 000 фунт-сила (890 кН ) в J-2T-200k, и 250 000 фунтов-силы (1,1 МН) в Дж-2Т-250к (T обозначает тороидальную камеру сгорания). Тридцать лет спустя их работы были возрождены для использования в НАСА с Х-33 проект. В этом случае использовалась несколько модернизированная машина двигателя J-2S с линейным шипом, создавая XRS-2200. После доработки и значительных испытаний этот проект был отменен, когда композитные топливные баки X-33 неоднократно выходили из строя.

CSULB аэрокосмический двигатель

Три двигателя XRS-2200 были построены в рамках программы X-33 и прошли испытания в НАСА. Космический центр Стеннис. Однодвигательные испытания прошли успешно, но программа была остановлена ​​до завершения испытаний двухмоторной установки. XRS-2200 производит тягу в 204 420 фунтов-силы (909 300 Н) с язр 339 секунд на уровне моря и тяги 266230 фунтов-силы (1184,300 Н) с Iзр 436,5 секунд в вакууме.

Линейный аэрокосмический двигатель RS-2200[5] был создан на основе XRS-2200. RS-2200 должен был питать VentureStar одноступенчатый на орбиту средство передвижения. Согласно последнему проекту, 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 Х-33 программа не получила Инициатива космического запуска финансирование. Локхид Мартин 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.

НАСА Тороидальное сопло Aerospike

В отмена Lockheed Martin X-33 Федеральное правительство в 2001 г. сократило доступность финансирования, но аэрокосмические двигатели остаются областью активных исследований. Например, веха была достигнута, когда совместная академическая / отраслевая команда из Калифорнийский государственный университет, Лонг-Бич (CSULB) и Garvey Spacecraft Corporation успешно провели летные испытания жидкостного ракетного двигателя в г. Пустыня Мохаве 20 сентября 2003 года. Студенты CSULB разработали свою ракету "Проспектор 2" (P-2), используя 1000-фунтовыйж (4,4 кН) Авиационно-ракетный двигатель LOX / этанол. Эта работа над авиашоу-двигателями продолжается; Десятикамерный аэрокосмический двигатель "Проспектор-10" прошел испытания 25 июня 2008 года.[6]

Сравнение производительности форсунок колокол и сопло Aerospike

Дальнейший прогресс был достигнут в марте 2004 г., когда два успешных испытания, спонсируемых Центром летных исследований НАСА Драйден, с использованием ракет большой мощности производства Blacksky Corporation, основанный в Карлсбад, Калифорния. Сопла и твердотопливные ракетные двигатели были разработаны и изготовлены подразделением ракетных двигателей г. 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 Мах 1.5.

Разработка маломасштабных аэрокосмических двигателей с использованием гибридная ракета конфигурация пороха продолжалась членами Общество исследования реакции.

Реализации

Firefly Aerospace

В июле 2014 г. Космические системы Firefly объявила о своей запланированной пусковой установке Alpha, на первой ступени которой используется двигатель Aerospike. 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.[7]

Светлячок Альфа 1.0 был разработан для перевозки полезной нагрузки до 400 кг (880 фунтов). Он использует углеродные композитные материалы и использует одинаковую базовую конструкцию для обеих ступеней. Штыревой аэродинамический двигатель 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.[7]

Ракета этой конструкции так и не была запущена. От проекта отказались после банкротства Firefly Space Systems. Новая компания, Firefly Aerospace, заменил двигатель Aerospike на обычный двигатель в конструкции Alpha 2.0.

ARCA Space

В марте 2017 г. ARCA Space Corporation объявили о своем намерении построить одноступенчатую орбитальную ракету под названием Haas 2CA с использованием линейного аэрокосмического двигателя. Ракета предназначена для отправки на низкую околоземную орбиту массой до 100 кг по цене 1 миллион долларов США за запуск.[8] 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.[9]

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 по более низкой цене. Объявили вылет на август 2017 года.[8] В сентябре 2017 года ARCA объявила, что после задержки их линейный аэрокосмический двигатель был готов к наземным испытаниям и летным испытаниям ракеты Demonstrator3.[8]

20 декабря 2019 года ARCA испытала паровой ракетный двигатель LAS 25DA для системы Launch Assist System.[10]

KSF Space и межзвездное пространство

Еще одна 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 все еще не разработана.[11]

Rocketstar

Rocketstar планировала запустить свою космическую ракету, напечатанную на 3D-принтере, на высоту 50 миль в феврале 2019 года.[12]

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ а б c d е «НАСА - Информационный бюллетень по линейному аэрокосмическому двигателю (08/00)». www.nasa.gov. Получено 21 января 2020.
  2. ^ Дефуска, Альберт; Крэддок, Кристофер (1 ноября 2017 г.). «Доступный выход на низкую околоземную орбиту». Журналы DSIAC. 4 (4). Получено 16 июн 2019.
  3. ^ "Домашняя страница двигателей Aerospike". www.hq.nasa.gov.
  4. ^ "Pwrengineering.com". ww17.pwrengineering.com. Архивировано из оригинал 2 апреля 2010 г.
  5. ^ «РС-2200». Astronautix.com. Получено 4 февраля 2018.
  6. ^ "Новости и события CSULB CALVEIN Rocket". Архивировано из оригинал 15 июня 2008 г.
  7. ^ а б «Firefly Space Systems представляет дизайн ракеты-носителя Alpha с двигателем Aerospike». Gizmag.com. 14 июля 2014 г.. Получено 14 июля 2014.
  8. ^ а б c "Новости ARCA". ARCA Space. ARCA Space. Получено 30 мая 2018.
  9. ^ «Характеристики Haas 2CA». ARCA Space. ARCA Space. Получено 30 мая 2018.
  10. ^ "Полет Aerospike: Эпизод 34 - Двигатель LAS 25DA Aerospike". YouTube. ARCA Space. Получено 5 августа 2020.
  11. ^ "Ракета космического корабля САТОРИ". KSF Space.
  12. ^ Ван, Брайан (24 января 2019 г.). «Rocketstar запустит в феврале ракету с 3D-печатным аэрокосмическим двигателем». NextBigFuture.com. Получено 25 января 2019.

внешние ссылки