Аэроспайк двигатель
Аэродинамический двигатель — это тип ракетного двигателя , который сохраняет свою аэродинамическую эффективность в широком диапазоне высот . [1] Относится к классу высотно-компенсационных сопловых двигателей. [2] Двигатели Aerospike были предложены для многих одноступенчатых конструкций (SSTO). Они были претендентами на главный двигатель космического корабля "Шаттл" . Однако по состоянию на 2023 год ни один такой двигатель не находился в коммерческом производстве, хотя некоторые крупномасштабные аэроспайки находились на стадии испытаний. [3]
Термин «аэрошип» первоначально использовался для обозначения сопла усеченной пробки с грубым коническим конусом и некоторым впрыском газа, образующим «воздушный шип», чтобы компенсировать отсутствие хвостовой части заглушки. Однако полноразмерное пробковое сопло также можно назвать аэроспайком.
Принципы
[ редактировать ]Назначение любого колокола двигателя — направлять выхлоп ракетного двигателя в одном направлении, создавая тягу в противоположном направлении. Выхлопные газы, представляющие собой высокотемпературную смесь газов, имеют фактически случайное распределение импульса (т. е. выхлопные газы толкаются в любом направлении, в котором могут). Если выхлопу позволить выходить в такой форме, только небольшая часть потока будет двигаться в правильном направлении и, таким образом, способствовать тяге вперед. Раструб перенаправляет выхлопные газы в неправильном направлении, создавая тягу в правильном направлении. Давление окружающего воздуха также оказывает небольшое давление на выхлопные газы, помогая им двигаться в «правильном» направлении при выходе из двигателя. По мере движения автомобиля вверх по атмосфере давление окружающего воздуха снижается. Это приводит к тому, что выхлоп, создающий тягу, начинает расширяться за пределы края раструба. Поскольку этот выхлоп начинает двигаться в «неправильном» направлении (т. е. наружу от основного выхлопного шлейфа), эффективность двигателя снижается по мере движения ракеты, поскольку этот выхлопной газ больше не способствует тяге двигателя. Ракетный двигатель аэроспайка призван устранить эту потерю эффективности. [1]
Вместо того, чтобы выпускать выхлопные газы из небольшого отверстия в середине колокола, двигатель с аэроспайками избегает этого случайного распределения, выпуская выхлоп вдоль внешнего края клиновидного выступа, «шипа», который выполняет ту же функцию, что и традиционный двигатель. колокол двигателя. Шип образует одну сторону «виртуального» колокола, а другая сторона образована внешним воздухом. [1]
Идея конструкции аэроспайка заключается в том, что на малой высоте окружающее давление прижимает выхлопные газы к шипу. Рециркуляция выхлопных газов в базовой зоне шипа может поднять давление в этой зоне почти до атмосферного. Поскольку давление перед автомобилем является атмосферным, это означает, что выхлоп у основания шипа почти уравновешивается сопротивлением, испытываемым автомобилем. Он не дает общей тяги, но и эта часть сопла не теряет тягу, образуя частичный вакуум. Тягой в донной части сопла на малой высоте можно пренебречь. [1]
По мере того, как автомобиль поднимается на большую высоту, давление воздуха, удерживающее выхлопную систему на шипе, уменьшается, как и сопротивление перед автомобилем. Зона рециркуляции у основания шипа поддерживает давление в этой зоне на уровне 1 бар , что выше, чем почти вакуум перед транспортным средством, тем самым обеспечивая дополнительную тягу по мере увеличения высоты. Это эффективно действует как «компенсатор высоты», поскольку размер колокола автоматически компенсирует падение давления воздуха. [1]
Недостатком аэроспайков является дополнительный вес шипа. Кроме того, большая охлаждаемая площадь может снизить производительность ниже теоретического уровня из-за снижения давления на сопло. Аэрошипы работают относительно плохо при скорости 1–3 Маха , когда воздушный поток вокруг транспортного средства снижает давление, тем самым уменьшая тягу. [4]
Вариации
[ редактировать ]Существует несколько версий дизайна, различающихся формой. В тороидальном аэроспайке шип имеет чашеобразную форму, а выхлопная труба выходит кольцом вокруг внешнего края. Теоретически для достижения максимальной эффективности требуется бесконечно длинный шип, но, выдувая небольшое количество газа из центра более короткого усеченного шипа (например, кровотечение из основания артиллерийского снаряда), можно добиться чего-то подобного.
В линейном аэроспайке шип состоит из конической клиновидной пластины с выходом выхлопных газов с обеих сторон на «толстом» конце. Преимущество этой конструкции заключается в возможности штабелирования, что позволяет размещать несколько двигателей меньшего размера в ряд, образуя один двигатель большего размера, одновременно улучшая характеристики рулевого управления за счет использования управления дроссельной заслонкой отдельного двигателя.
Производительность
[ редактировать ]Rocketdyne провела в 1960-х годах длительную серию испытаний различных конструкций. Более поздние модели этих двигателей были основаны на их высоконадежном J-2 двигателе и обеспечивали тот же уровень 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 возобновлена для использования в НАСА проекте X-33 . В данном случае был использован слегка модернизированный двигатель J-2S с линейной иглой, создавший XRS-2200 . После дальнейших разработок и серьезных испытаний этот проект был отменен, поскольку композитные топливные баки X-33 неоднократно выходили из строя.
Три двигателя XRS-2200 были построены в ходе программы X-33 и прошли испытания в Космическом центре НАСА Стеннис . Испытания одного двигателя прошли успешно, но программа была остановлена до завершения испытаний двухдвигательной установки. XRS-2200 обеспечивает тягу 204 420 фунтов силы (909 300 Н) с I sp 339 секунд на уровне моря и тягу 266 230 фунтов силы (1 184 300 Н) с I sp 436,5 секунды в вакууме.
Линейный аэроспайковый двигатель RS-2200 [5] был создан на основе XRS-2200. RS-2200 должен был стать двигателем корабля VentureStar одноступенчатого орбитального . В последней конструкции семь RS-2200 мощностью 542 000 фунтов силы (2410 кН) каждый должны вывести VentureStar на низкую околоземную орбиту. Разработка RS-2200 была официально остановлена в начале 2001 года, когда программа X-33 не получила финансирования в рамках инициативы Space Launch Initiative . Lockheed Martin решила не продолжать программу VentureStar без финансовой поддержки со стороны НАСА. Двигатель этого типа выставлен на открытой выставке на территории Центра космических полетов имени Маршалла НАСА в Хантсвилле, штат Алабама.
Отмена Lockheed Martin X-33 федеральным правительством в 2001 году снизила доступность финансирования, но авиационные двигатели остаются областью активных исследований. Например, важная веха была достигнута, когда совместная научно-промышленная группа из Калифорнийского государственного университета в Лонг-Бич (CSULB) и корпорации Garvey Spacecraft Corporation успешно провела летные испытания жидкостного аэродинамического двигателя в пустыне Мохаве 20 сентября 2003 года. Студенты CSULB разработали свою ракету Prospector 2 (P-2), используя аэродинамический двигатель LOX/этанол мощностью 1000 фунтов силы (4,4 кН). Работа над аэроспайковыми двигателями продолжается; Десятикамерный аэроспайковый двигатель «Проспектор-10» прошел испытания 25 июня 2008 года. [6]
Дальнейший прогресс наступил в марте 2004 года, когда два успешных испытания, спонсируемые Центром летных исследований Драйдена НАСА, использовали мощные ракеты, произведенные компанией Blacksky Corporation , базирующейся в Карлсбаде, Калифорния . Сопла аэроспайков и твердотопливные ракетные двигатели были разработаны и изготовлены подразделением ракетных двигателей компании Cesaroni Technology Incorporated , к северу от Торонто, Онтарио. Две ракеты имели твердотопливный двигатель и были оснащены неусеченными тороидальными аэродинамическими соплами. Запущенные в Центре аэрокосмического развития округа Пекос в Форт-Стоктоне, штат Техас, ракеты достигли апогея 26 000 футов (7 900 м) и скорости около 1,5 Маха .
разработку маломасштабных аэродинамических двигателей с использованием гибридной конфигурации ракетного продолжают Члены Общества исследования реакций топлива .
В 2020 году TU Dresden и Fraunhofer IWS начали свой проект CFDμSAT по исследованию авиационных двигателей, изготовленных аддитивным способом. Прототип уже прошел испытания в испытательной камере Дрезденского института аэрокосмической техники.время горения 30 секунд. [7]
Реализации
[ редактировать ]Файрфлай Аэроспейс
[ редактировать ]В июле 2014 года Firefly Space Systems объявила о планируемой ракете-носителе Alpha, на первой ступени которой будет использоваться аэродинамический двигатель. 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 ракет-носителей. [8]
Firefly Alpha 1.0 был разработан для перевозки полезной нагрузки до 400 кг (880 фунтов). В нем используются углеродные композитные материалы и одна и та же базовая конструкция для обеих ступеней. Аэроспайковый двигатель с кластером свечей развивает тягу в 90 000 фунтов силы (400 кН). Двигатель имеет колоколообразную форсунку, которая была разрезана пополам, а затем растянута в кольцо, при этом полусопло теперь образует профиль заглушки. [8]
Эта конструкция ракеты 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. Тем не менее, компания предложила Firefly Gamma, частично многоразовый космический самолет с аэроспайковыми двигателями.
АРКА Спейс
[ редактировать ]В марте 2017 года космическая корпорация ARCA объявила о своем намерении построить одноступенчатую ракету для вывода на орбиту (SSTO) под названием Haas 2CA с использованием линейного аэродинамического двигателя. Ракета рассчитана на отправку на низкую околоземную орбиту до 100 кг по цене 1 миллион долларов США за запуск. [9] Позже они объявили, что их двигатель Executor Aerospike будет производить тягу 50 500 фунтов силы (225 кН) на уровне моря и тягу 73 800 фунтов силы (328 кН) в вакууме. [10]
В июне 2017 года ARCA объявила, что отправит в космос свою ракету Demonstrator3, также используя линейный аэроспайковый двигатель. Эта ракета была разработана для испытаний нескольких компонентов Haas 2CA по более низкой цене. Объявили рейс на август 2017 года. [9] В сентябре 2017 года ARCA объявила, что после задержки их линейный аэроспайковый двигатель готов к проведению наземных и летных испытаний ракеты Демонстратор-3. [9]
20 декабря 2019 года ARCA испытала паровой ракетный двигатель LAS 25DA для системы помощи при запуске. [11]
KSF Space и межзвездное пространство
[ редактировать ]Еще одна концептуальная модель двигателя с шипами, 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. [12]
Рокетстар
[ редактировать ]Rocketstar планировала запустить свою ракету-аэроспайк, напечатанную на 3D-принтере, на высоту 50 миль в феврале 2019 года, но отменила миссию за три дня до старта, сославшись на соображения безопасности. Они работают над второй попыткой запуска. [13]
Пангея Аэроспейс
[ редактировать ]В ноябре 2021 года испанская компания Pangea Aerospace начала огневые испытания своего небольшого демонстрационного метано-кислородного аэроспайкового двигателя DemoP1. [14] [15]
После успешных испытаний демонстратора DemoP1 Pangea планирует перейти на двигатель ARCOS мощностью 300 кН. [16]
Сток Спейс
[ редактировать ]со штаб-квартирой в Кенте, штат Вашингтон, Компания Stoke Space создает и тестирует аэроспайковую систему LH2/LOX с распределенной архитектурой для своей многоразовой второй ступени. [17]
Космические самолеты Полярис
[ редактировать ]немецкий Базирующийся в Бремене стартап POLARIS Raumflugzeuge GmbH получил контракт с Бундесвером на разработку и летные испытания линейного аэродинамического двигателя в апреле 2023 года. В конце концов компания собирается испытать этот новый двигатель на борту своего четвертого демонстратора космического самолета DEMO-4 MIRA. 2023 год [18] [19] в Пенемюнде, [20] там же, где были разработаны баллистические ракеты Фау-2. В случае успеха MIRA станет первым аэрокосмическим аппаратом, оснащенным во время полета линейным аэрокосмическим ракетным двигателем. [21] [ нужен неосновной источник ]
Батская ракетная команда
[ редактировать ]Базирующаяся в Университете Бата команда Bath Rocket Team с 2020 года разрабатывает собственный гибридный ракетный двигатель с аэродинамическим соплом. Впервые двигатель был испытан на Национальном соревновании по двигательной активности в Великобритании в 2023 году. [22] Команда разрабатывает готовую к полету версию двигателя, которую они планируют впервые запустить на выставке EuRoC24 . [23]
См. также
[ редактировать ]- Расширяющаяся насадка
- LASRE - Эксперимент Linear Aerospike SR-71 1997/8 НАСА для X-33
- Rotary Rocket – страницы компаний
- Sabre - синергетический воздушно-реактивный ракетный двигатель - гибрид прямоточного воздушно-реактивного двигателя и ракетного двигателя.
- Расширяющее отклоняющее сопло
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б с д и «НАСА - Информационный бюллетень о линейном аэроспайковом двигателе (08/00)» . www.nasa.gov . Архивировано из оригинала 18 июля 2023 года . Проверено 21 января 2020 г.
- ^ Дефуска, Альберт; Крэддок, Кристофер (1 ноября 2017 г.). «Доступный доступ к низкой околоземной орбите» . Журналы DSIAC . 4 (4). Архивировано из оригинала 25 декабря 2021 года . Проверено 16 июня 2019 г.
- ^ «Домашняя страница двигателя Aerospike» . www.hq.nasa.gov . Архивировано из оригинала 23 мая 2022 года . Проверено 27 августа 2020 г.
- ^ «Pwrengineering.com» . www17.pwrengineering.com . Архивировано из оригинала 2 апреля 2010 года.
- ^ «РС-2200» . Astronautix.com . Архивировано из оригинала 28 декабря 2016 года . Проверено 4 февраля 2018 г.
- ^ «Новости и события CSULB CALVEIN Rocket» . Архивировано из оригинала 15 июня 2008 года.
- ^ «Домашняя страница ТУ-Дрезден» . tu-dresden.de . Проверено 23 апреля 2021 г.
- ^ Перейти обратно: а б «Firefly Space Systems представляет конструкцию ракеты-носителя «Альфа» с аэроспайковым двигателем» . Gizmag.com. 14 июля 2014 года . Проверено 14 июля 2014 г.
- ^ Перейти обратно: а б с «Новости АРКА» . АРКА Спейс . Архивировано из оригинала 23 ноября 2022 года . Проверено 30 мая 2018 г.
- ^ «Спецификации Haas 2CA» . АРКА Спейс . Архивировано из оригинала 30 мая 2018 года . Проверено 30 мая 2018 г.
- ^ «Полет аэроспайка: Эпизод 34 — Двигатель LAS 25DA Aerospike» . Ютуб . АРКА Спейс. Архивировано из оригинала 11 декабря 2021 года . Проверено 5 августа 2020 г.
- ^ «Космический аппарат-ракета САТОРИ» . КСФ Космос .
- ^ «RocketStar готова ко второй попытке суборбитального полета» . Космические новости . 27 сентября 2021 г. Проверено 14 декабря 2021 г.
- ^ «Pangea Aerospace испытывает аэрокосмический двигатель» . Космические новости . 20 ноября 2021 г. Проверено 2 января 2022 г.
- ^ «Исследовательская деятельность по разработке DemoP1: демонстратор двигателя LOX/LNG Aerospike» . Исследовательские ворота . Март 2021 года . Проверено 22 декабря 2022 г.
- ^ «Движение Аэроспайка» . Пангея Аэроспейс . Проверено 22 декабря 2022 г.
- ^ «Stoke Space стремится создать быстродействующую многоразовую ракету с совершенно новой конструкцией» . Арстехника . 10 октября 2022 г. Проверено 13 февраля 2023 г.
- ^ «POLARIS Raumflugzeuge - POLARIS получает контракт с Бундесвером на исследование по проектированию и летным испытаниям линейного ракетного двигателя Aerospike» . Polaris-raumflugzeuge.de (на немецком языке) . Проверено 25 июля 2023 г.
- ^ Эндрю Парсонсон (25 августа 2023 г.). «Космические самолеты POLARIS начинают испытания своего корабля MIRA-Light» . Европейский космический полет .
- ^ «Из «АФИНА» становится «НОВА» — испытанный беспилотный космический самолет» . 13 марта 2023 г.
- ^ «Космические самолеты POLARIS на LinkedIn: 𝐄𝐱𝐜𝐢𝐭𝐢𝐧𝐠 𝐝𝐚𝐲 𝐚𝐭 𝐏𝐎𝐋𝐀𝐑𝐈𝐒 ✨: Первичная структура нашего...» www.linkedin.com . Проверено 25 июля 2023 г.
- ^ «Национальные соревнования по движению» . Великобритания: Гонка в космос . Проверено 21 марта 2024 г.
- ^ «Команда Bath Rocket на LinkedIn: #ukrace2space #rocketscience #rockets #propulsion #team #engineering…» . www.linkedin.com . Проверено 21 марта 2024 г.
Внешние ссылки
[ редактировать ]
- Аэроспайк Двигатель
- Усовершенствованные двигатели запланированы для модернизированных ускорителей Сатурн и Нова , включая J-2T.
- Линейный двигатель Aerospike — силовая установка для автомобиля X-33
- Центр летных исследований Драйдена. Архивировано 25 февраля 2010 года в Wayback Machine.
- Особенности и характеристики системы управления двигателем Aerospike
- Управление ориентацией X-33 с использованием линейного двигателя Aerospike XRS-2200
- Буи, Тронг; Мюррей, Джеймс; Роджерс, Чарльз; Бартель, Скотт; Чезарони, Энтони; Деннетт, Майк (2005). «Летные исследования сопла аэроспайка с использованием твердотопливных ракет большой мощности». 41-я совместная конференция и выставка AIAA/ASME/SAE/ASEE по двигательным установкам . дои : 10.2514/6.2005-3797 . ISBN 978-1-62410-063-5 .
- Аэроспайки лучше колоколообразных сопел?