Клиновоздушный двигатель

Огневые испытания плоского клиновоздушного двигателя XRS-2200 по программе X-33

«Кли́новоздушный ракетный двигатель» (англ. Aerospike engine, Aerospike, «КВРД») - тип ракетного двигателя, который поддерживает аэродинамическую эффективность в широком диапазоне высот над поверхностью Земли с разным давлением атмосферы путем использования клиновидного сопла. КВРД относится к классу компенсирующих высоту ракетных двигателей. Двигатель с таким типом сопла использует на 25-30% меньше топлива на низких высотах, где как правило требуется наибольшая тяга. Клиновоздушные двигатели изучались на протяжении длительного времени в качестве основного варианта для множества одноступенчатых космических систем (ОКС) и были серьезным претендентом на использование в качестве основных двигателей на МТКК Спейс Шаттл при его создании (см. SSME). Однако на 2009 год ни одного двигателя этого типа не используется и не производится.^[1] Наиболее удачные варианты находятся в стадии доводочных двигателей.

Обычный ракетный двигатель

Основным назначением любого сопла является эффективное направление потока отработавших газов ракетного двигателя в одном направлении. Выхлоп - высокотемпературная смесь газов - имеет случайное распределение момента в камере сгорания и если ему позволить выйти в данном виде, только малая часть потока будет направлена в нужном направлении для создания тяги. Колоколобразное сопло ракетного двигателя ограничивает по бокам движения газа, создавая область увеличенного давления с расположенной ниже областью пониженного давления, что нормализует поток в нужном направлении. Путем тщательной разработки достигается степень расширения сопла, которая позволяет практически полностью преобразовать движение струи в нужном направлении позади двигателя, максимизируя тягу. Проблема с обычным дизайном состоит в том, что давление воздуха снаружи также вносит свой вклад в ограничение потока газа. На любой высоте над поверхностью Земли с разным давлением атмосферы сопло может быть сконструировано практически идеально, но та же самая форма будет менее эффективна на другой высоте с другим давлением воздуха. Таким образом, по мере того, как ракета-носитель поднимается через атмосферу, ее эффективность вместе с тягой претерпевает значительные изменения вплоть до 30%. Например, двигатели RS-24 МТКК Спейс Шаттл могут генерировать тягу со скоростью газовой струи 4 400 м/с в вакууме и 3 500 м/с на уровне моря. Конструкция сопла двигателя является очень важной частью создания ракетных систем.

Принципы

Сравнение обычного ракетного двигателя (слева) с клиновоздушным двигателем (справа).

В конструкции клиновоздушного двигателя проблема эффективности на различной высоте решается следующим образом: вместо одной точки выхлопа в виде небольшого отверствия в центре сопла, используется клиновидный выступ, вокруг которого устанавливается ряд камер сгорания. Клин формирует одну сторону виртуального сопла, в то время как другая часть формируется окружающим воздухом. Этим объясняется его первоначальное название «двигатель Аэроспайк» (англ. Aerospike engine, «воздушно-клинный двигатель»).

Основная идея такой конструкции состоит в том, что на низкой высоте атмосферное давление прижимает отработанный газ к выступающему клину. Затем рециркуляция в основании клина поднимает давление до значения окружающей атмосферы. В силу такой конструкции, тяга не достигает предельно возможных значений, но также и не претерпевает значительного падения, которое происходит в нижней части традиционного сопла из-за частичного вакуума. По мере того, как аппарат достигает бо́льшей высоты, сдерживающее выхлоп окружающее давление уменьшается вместе с давлением на верхнюю часть двигателя, тем самым сохраняя его эффективность неизменной. Более того, несмотря на то, что окружающее давление падает практически до нуля, зона рециркуляции сораняет давление до долей давления атмосферы на поверхности у основания, в то время как верхняя часть клина находится практически в вакууме. Это создает дополнитедьную тягу с ростом высоты, компенсируя падение окружающего давления. В целом, эффект сравним с традиционным соплом, которое имеет способность расширяться с увеличением высоты. В теории клиновоздушный двигатель немного менее эффективен по сравнению с традиционным соплом, сконструированного для данной высоты, и по сравнению с ним, более эффективен для любой другой высоты.

Недостатком такой конструкции является большой вес центрального выступа и дополнительные требования по охлаждению из-за бо́льшей поверхности, подверженной нагреву. Также большая охлаждаемая площадь может уменьшить теоретические уровни давления на сопло. Дополнительным отрицательным фактором является относительно плохая производительность такой системы при скоростях 1-3 М. В данном случае воздушный поток сзади летательного аппарата имеет уменьшенное давление, что снижает тягу.^[2]

Модификации

Испытания кругового клиновоздушного двигателя J-2T-250K Рокетдайна.

Существует несколько модификаций этого дизайна, которые отличаются по их форме. В тороидальном клине центральная часть имеет форму сужающегося конуса, по краям которого осуществляется концентрический выход реактивных газов. В теории такая конструкция требует бесконечно длинного центрального выступа для наилучшей эффективности, но использование части выхлопа в радиально-боковых направлениях позволяет достичь приемлемых результатов.

В конструкции плоского клина центральный выступ состоит из центральной пластины, которая имеет сужение в конце, с двумя реактивными струями, которые распространяются по внешним поверхностям пластины. Этот вариант может наращиваться вместе с длиной центрального клина. Также в данном случае существует расширенная возможность управления, используя изменение тяги любого из установленных в линию двигателей.

История и текущее состояние

Тороидальное клиновоздушное сопло НАСА.

В шестидесятых годах XX-го века Рокетдайн проводил обширные испытания с различными вариантами. Более поздние версии этих двигателей были основаны на крайне надежных ЖРД J-2 (Рокетдайн) и обеспечивали приблизительно тот же уровень тяги, что могли обеспечить те двигатели, на которых они были основаны: ЖРД J-2T-200k обладал тягой 90.8 тс (890 кН) и ЖРД J-2T-250k обладал тягой 112.2 тс (1.1 мН) (буква «T» в наименовании двигателя указывает на тороидальную камеру сгорания). Тридцатью годами позже, их работа была использована снова в проекте НАСА X-33. В данном случае немного модифицированный ЖРД J-2S был использован для плоского варианта КВРД, который получил название «XRS-2200». После дальнейшего развития и программы испытаний, проект был отклонен по причине нерешенности проблем с композитными топливными баками X-33.

В ходе проекта «X-33» были построены три двигателя XRS-2200, которые прошли программу испытаний в Космическом центре им.Стенниса НАСА. Испытания одного двигателя были успешными, но программа была остановлена до завершения строительства испытательного стенда для второго двигателя. ЖРД XRS-2200 на уровне моря производит тягу 92.7 тс (909.3 кН) и обладает удельным импульсом 339 с, в вакууме тяга составляет 120.8 тс (1.2 мН), удельный импульс - 436.5 с.

Более крупный вариант XRS-2200, ЖРД RS-2200 был предназначен для одноступенчатого космоплана «Венчур Стар» (англ. Venture Star) (Локхид Мартин). В своем последнем варианте, семь RS-2200, каждый с тягой 245.8 тс (2.4 мН), должны бли доставлять «Венчур Стар» на низкую опорную орбиту (НОО). Развитие этого проекта было формально прекращено в начале 2001 года, когда программа X-33 не получила финансирования в рамках программы «Инициатива Космического Запуска». В Локхид Мартин было принято решение не продолжать развитие «Венчур Стар» без финансовой поддержки НАСА.

Хотя с отменой программы «X-33» был сделан шаг назад в разработке клиновоздушных двигателей, их история на этом не заканчивается. 20 сентября 2003 года объединенная команда от науки и промышленности из Калифорнийского Государственного Университета (КГУ) США и из Корпорации Гарвея космических аппаратов (en). успешно провела испытательный полет ракеты с КВРД в пустыне Мохаве. Студенты из КГУ разработали ракету «Проспектор 2» (англ. Prospector 2, P-2, Разведчик 2), используя двигатель с тягой 448.7 кс (4.4 кН). Эта работа над клиновоздушными двигателями не прекращается - ракета «Проспектор 10» с 10-камерным КВРД была испытана 25 июня 2008 года.^[3] В марте 2004 года были проведены два успешных испытания в Летном Исследовательском Центре НАСА им.Драйдена (база Эдвардс, США) с малоразмерными твердотопливными ракетами с тороидальными двигателями, которые достигли скорости 1.1 М и высоты 7.5 км. Другие модели малоразмерных клиновоздушных ракетных двигателей находятся в стадии разработок и испытаний.^[4]

Дополнительные фотографии

Гибридный КВРД АИР Саскуотча (англ. Sasquatch Aerospace Research & Development), 2006 год

Полная тяга гибридного КВРД АИР Саскуотча, 2006 год

Испытания линейного ЖРД RS-2200

Клиновоздушный двигатель Калифорнийского Государственного Университета США

Смотри также

• Сопло Лаваля
• НК-33 - одна из модификаций имела расширение сопла для работы в вакууме.
• X-33

Ссылки

1. ↑ НАСА: Клиновоздушный двигатель
2. ↑ PWR Nozzle Design
3. ↑ CSULB CALVEIN Rocket News and Events
4. ↑ Клиновоздушный двигатель (en-wiki)

Внешние ссылки

• Aerospike Engine
• Advanced Engines planned for uprated Saturn and Nova boosters — включая J-2T
• Linear Aerospike Engine — Propulsion for the X-33 Vehicle
• Dryden Flight Research Centre
• Aerospike Engine Control System Features And Performance
• X-33 Attitude Control Using The XRS-2200 Linear Aerospike Engine