Расширяющее отклоняющее сопло

Сопло расширения-отклонения представляет собой сопло ракеты достигается , в котором компенсация высоты за счет взаимодействия выхлопных газов с атмосферой, так же, как сопла пробки и аэрошпиля .

Описание

Он очень похож на стандартное раструбное сопло , но в горловине находится «центральное тело» или «игла», которая отклоняет поток к стенкам. Выхлопные газы проходят мимо него в более широком направлении, чем в стандартных раструбных форсунках, расширяясь перед тем, как повернуть к выходу. Это позволяет использовать сопла короче стандартной конструкции, сохраняя при этом степень расширения сопла. Из-за границы с атмосферой атмосферное давление влияет на соотношение площадей выхода, так что атмосферная компенсация может быть получена до геометрического максимума, допускаемого конкретным соплом.

Форсунка работает в двух различных режимах: открытом и закрытом. В режиме закрытого следа выхлопные газы заполняют всю площадь среза сопла. Окружающее давление, при котором след переходит из открытого режима в закрытый, называется расчетным давлением. Если давление окружающей среды снизится еще больше, за пределами сопла произойдет дополнительное расширение, как в стандартном колоколообразном сопле, и эффекта компенсации высоты не будет. В режиме открытого следа площадь выхода зависит от давления окружающей среды, и выхлопной газ выходит из сопла в виде кольцевого пространства, поскольку он не заполняет все сопло. Поскольку давление окружающей среды контролирует площадь выхода, соотношение площадей должно идеально компенсировать высоту до расчетного давления.

Если цапфа спроектирована с возможностью перемещения вдоль оси вращения, площадь горловины можно варьировать. Это позволит обеспечить эффективное дросселирование при сохранении давления в камере. ^{[ 1 ]}

Как и в случае с аэроспайками и форсунками, если бы вместо единой камеры сгорания использовались модульные камеры сгорания, то управление вектором тяги было бы достижимо за счет дросселирования потока в различные камеры.

Разработанные модели

Сопло ED известно с 1960-х годов, и было предпринято несколько попыток его разработки, некоторые из которых достигли уровня статического горячего обжига. К ним относятся «Расширение-прогиб 50k». ^{[ 2 ]} (Rocketdyne), «Расширение-отклонение 10к» ^{[ 3 ]} ( Рокетдайн ) и РД-0126 ^{[ 4 ]} (КАДБ). Rocketdyne также разработала третье сопло ED меньшего размера. ^{[ 5 ]}^{[ нужна страница ]}

Rocketdyne выполнила свою работу во время первоначального всплеска интереса в 1960-х годах, первоначально разработав сопло ED 50k, которое имело давление в камере 20,7 бар (2,07 МПа), обеспечивало тягу 50 000 фунтов силы (220 кН) и было неохлаждаемым, что позволяло тестироваться в течение пары секунд за раз. ^{[ 5 ]}^{[ нужна страница ]} Сопло ED 10k имело давление в камере 15,5 бар (1,55 МПа), развивающее усилие 10 000 фунтов силы (44 кН), камеру с охлаждаемой тягой и было испытано на стенде для моделирования высот. ^{[ 5 ]}^{[ нужна страница ]} Меньшее сопло ED развивало усилие 9900 фунтов силы (44 кН) и также использовалось для проверки способности компенсации высоты. Эти испытания подтвердили преимущество в производительности по сравнению с эквивалентными колоколообразными форсунками. ^{[ 5 ]}^{[ нужна страница ]}

Сопло ED Конструкторского бюро химической автоматики было полностью охлаждено и использовано для испытаний горячим огнем в 1998 году. В его центральном корпусе расположена камера сгорания (во многом аналогично конструкции Astrium, упомянутой ниже), что позволило сократить длину, не считая улучшения контура.

Компания Wickman Spacecraft & Propulsion разработала и провела статические испытания твердотопливного двигателя в сочетании с ED. ^{[ 6 ]}

, Бристольский университет Великобритания, недавно ^{[ когда? ]} успешно испытала газообразное водородно-воздушное топливо в рамках проекта STERN . Они также участвуют в разработке знаний о поведении сопла ЭД в полете с использованием гибридного ракетного двигателя. ^{[ 7 ]}

Возможное использование

Хотя исследования этой насадки продолжаются, ее можно будет использовать до того, как будут раскрыты все ее преимущества. В качестве верхней ступени, где оно будет использоваться в среде с низким давлением/вакуумом окружающей среды, особенно в режиме закрытого следа, сопло ED обеспечит снижение веса, уменьшение длины и потенциальное увеличение удельного импульса по сравнению с колоколообразными соплами (в зависимости от цикла двигателя). ), позволяющий увеличить полезную нагрузку. Исследование предполагает, что он может добавить дополнительные 180 кг (400 фунтов) к полезной нагрузке Ariane 5 по сравнению с новым двигателем Vinci , при условии, что это также расширительный цикл. Такое сопло можно было бы ввести в эксплуатацию до того, как будут разработаны его возможности компенсации высоты. ^{[ 8 ]}

Также исследуется возможность использования космического самолета Reaction Engines Skylon . При использовании одноступенчатой ракеты на орбиту (SSTO) будут полностью использоваться способности сопла ED по компенсации высоты, что позволит существенно увеличить полезную нагрузку. Reaction Engines, Airborne Engineering и Бристольский университет в настоящее время участвуют в проекте STERN (ракетное сопло статического испытания с расширением и отклонением). ^{[ 9 ]} оценить возможности сопла ЭД и разработать технологию. ^{[ 10 ]}^{[ 11 ]}^{[ 12 ]}

Ссылки

^ Шорр, Чарльз Дж. (июль 1970 г.). «Дросселирование при постоянном давлении в камере расширительно-отклоняющего сопла» . Журнал космических кораблей и ракет . 7 (7): 843–847. дои : 10.2514/3.30051 . ISSN 0022-4650 - через Интернет-архив.
^ Astronautix Расширение-Отклонение 50 тыс.
^ Расширение-отклонение Astronautix 10k
^ Астронавтикс РД-0126
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д Саттон, Джордж П. (2006). История жидкостных ракетных двигателей . Рестон, Вирджиния: Американский институт аэронавтики и астронавтики. дои : 10.2514/4.868870 . ISBN 978-1-56347-649-5 .
^ «Малая ракета-носитель (SLV) — Wickman Spacecraft & Propulsion Company» . Архивировано из оригинала 6 сентября 2009 г. Проверено 10 июня 2010 г.
↑ Испытано первое в мире гибридное сопло ED.
^ Гетц, Андреас; Хагеманн, Джеральд; Кречмер, Иоахим; Шване, Ричард (10–13 июля 2005 г.). Усовершенствованная концепция двигательной установки верхней ступени — верхняя ступень расширения-отклонения . 41-я совместная конференция по двигательной активности. Тусон, Аризона: Американский институт аэронавтики и астронавтики. дои : 10.2514/6.2005-3752 . ISBN 978-1-62410-063-5 .
^ Веб-сайт проекта STERN. Архивировано 31 января 2009 г. на Wayback Machine.
^ Реакционные двигатели
^ Новости Бристольского университета
↑ Airborne Engineering. Архивировано 18 декабря 2008 г. в Wayback Machine.

Дальнейшее чтение

Элементы ракетной установки , 7-е изд., 2001 г., Wiley-Interscience. Sutton and Biblarz Эта книга представляет собой подробное введение во многие аспекты ракетной техники и краткое описание различных сопел, компенсирующих высоту (стр. 75–84).
Aerospaceweb.org На этом сайте обсуждаются различные типы сопел, включая конструкцию расширения-отклонения.
UKRocketman.com Отчет о проекте STERN и связанных с ним проектах.

[1] Шорр, Чарльз Дж. (июль 1970 г.). «Дросселирование при постоянном давлении в камере расширительно-отклоняющего сопла» . Журнал космических кораблей и ракет . 7 (7): 843–847. дои : 10.2514/3.30051 . ISSN 0022-4650 - через Интернет-архив.

[2] Astronautix Расширение-Отклонение 50 тыс.

[3] Расширение-отклонение Astronautix 10k

[4] Астронавтикс РД-0126

[Sutton-5] Jump up to: ^а ^б ^с ^д Саттон, Джордж П. (2006). История жидкостных ракетных двигателей . Рестон, Вирджиния: Американский институт аэронавтики и астронавтики. дои : 10.2514/4.868870 . ISBN 978-1-56347-649-5 .

[6] «Малая ракета-носитель (SLV) — Wickman Spacecraft & Propulsion Company» . Архивировано из оригинала 6 сентября 2009 г. Проверено 10 июня 2010 г.

[7] Испытано первое в мире гибридное сопло ED.

[8] Гетц, Андреас; Хагеманн, Джеральд; Кречмер, Иоахим; Шване, Ричард (10–13 июля 2005 г.). Усовершенствованная концепция двигательной установки верхней ступени — верхняя ступень расширения-отклонения . 41-я совместная конференция по двигательной активности. Тусон, Аризона: Американский институт аэронавтики и астронавтики. дои : 10.2514/6.2005-3752 . ISBN 978-1-62410-063-5 .

[9] Веб-сайт проекта STERN. Архивировано 31 января 2009 г. на Wayback Machine.

[10] Реакционные двигатели

[11] Новости Бристольского университета

[12] Airborne Engineering. Архивировано 18 декабря 2008 г. в Wayback Machine.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]