Клиновоздушные ракетные двигатели — будущее ракетостроения / Хабр

Современные ракетные двигатели подошли к пределу своих возможностей.

Всё чаще можно заметить этот тезис в статьях, докладах, мнениях о ракетостроении. И действительно, в глобальном плане это так, новые возможности, характеристики вжимать из реактивных двигателей становится всё сложнее, а те же тяги по большому счёту не увеличиваются уже давно, самые тяговитые монстры двигателестроения были созданы во 2 половине 20 века, и современные движки от них недалеко ушли, хоть и прокачали другие характеристики и возможности. Например, F1, настоящий монстр, поднимавший в небо лунную ракету Сатурн V имел тягу 6,77 меганьютон, а самый современный Raptor от корабля Starship и ускорителя Super Heavy имеет тягу всего…2000 килоньютон. И он считается мощным двигателем. Ситуация складывается печальная. Можно ли как то улучшить ситуацию, сделать двигатели мощнее, экономичнее? Можно, и об этом статья.

«Новый» тип двигателей

Сама по себе идея клиновоздушного реактивного двигателя не нова. В 1960-х годах Рокетдайн проводил обширные испытания с различными вариантами. Более поздние версии этих двигателей были основаны на крайне надёжных 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). Позже создавались и другие прототипы и проводились испытания, но до полноценной реализации так и не доходило. Клиновоздушные двигатели даже планировалось использовать на Шаттлах, но выбрали более консервативное решение. Но технологии не стоят на месте, а актуальность этого типа двигателей растет.

В июле 2014 года Firefly Space Systems объявила, что в своей новой ракете-носителе Firefly Alpha будет использовать клиновоздушный двигатель на первой ступени. Так как данная модель предназначается для рынка запуска малых спутников, ракета будет выводить спутники на низкую околоземную орбиту по цене 8-9 миллионов долларов за запуск. Firefly Alpha сконструирована так, чтобы поднимать на орбиту 400 кг полезного груза. В конструкции ракеты задействуются композитные материалы — в том числе углеродное волокно. Клиновоздушный двигатель, применяемый в ракете, имеет тягу в 40,8 тс(400 кН). Правда, На данный момент работа застопорилась, и будущее именно этой ракеты выглядит туманно.

Так как это работает?

Для начала разберем, как работает классический реактивный ракетный двигатель. Очень упрощая, в камере сгорания смешивается и сгорает смесь топлива и окислителя(в качестве последнего применяют как правило жидкий кислород). Раскаленная до нескольких тысяч градусов смесь газов, образовавшаяся в результате сгорания под давлением выбрасывается из двигателя через сопло на огромной скорости, создавая тягу(спасибо закону сохранения импульса 😉 ), и ракета красочно отправляется к звёздам(иногда не отправляется, это называют аварией)). В контексте статьи самый главный элемент этой технологической фантасмагории это сопло.

Тут дело вот в чем, если просто сделать дырку в камере сгорания и поджечь топливо, тяга, конечно, будет, но минимальная, раскаленные газы будут выходить во все стороны и лишь малая часть будет вырываться в направлении, необходимом для создания тяги, да и скорость выходящих газов будет так себе, вобщем, печаль — беда, так до космоса не долетишь, а долететь хочется. Для того, чтобы направлять выхлопные газы, а так же разгонять их побыстрее, желательно до нескольких чисел Маха умные люди придумали Сопло Лаваля. Сопло было предложено в 1890 году шведским изобретателем Густафом де Лавалем для паровых турбин, а позже нашло своё применение в ракетостроении.

Самое простое сопло Лаваля представляет из себя два усечённых конуса, соединённых в одну конструкцию. Реальные современные сопла профилируются на основе газодинамических расчетов и компьютерных симуляций.

Иллюстрация работы сопла Лаваля. По мере движения газа по соплу, его абсолютная температура Т и давление Р снижаются, а скорость V возрастает. М — число Маха.

Итак, на сужающемся, т.н. докритическом участке сопла движение газа происходит с дозвуковыми скоростями. В самой узкой,критической части сопла скорость газа достигает звуковой. На расширяющемся, закритическом участке, газ движется со сверхзвуковыми скоростями.

Выглядит просто идеально. Но всё не так гладко, свои коррективы, например, вносит атмосфера, а именно атмосферное давление, которое тоже действует на поток газа, и на разных высотах действует по разному, серьезно влияя на эффективность двигателя. 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 поднимается через атмосферу, эффективность её двигателей вместе с их тягой претерпевает значительные изменения, которые достигают 30 %. Например, двигатели RS-24 МТКК «Спейс шаттл» могут генерировать тягу со скоростью газовой струи 4525 м/с в вакууме и 3630 м/с на уровне моря. По сути двигатель работает «не на полную», куча драгоценного топлива, которое, кстати, составляет бОльшую часть массы ракеты, тратится впустую. Клиновоздушный реактивный двигатель решает эту проблему. Как? Расширяющейся частью сопла становится сама атмосфера! И такое «сопло» саморегулируется, сохраняя одинаковую эффективность на любой высоте.

В конструкции клиновоздушного двигателя проблема эффективности на различной высоте решается следующим образом: вместо одной точки выхлопа в виде небольшого отверстия 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 проходящим потоком воздуха в ходе полета. Этим объясняется его первоначальное название «двигатель аэроспайк» (aerospike engine, «воздушно-клинный двигатель»).

Вот так это выглядит. По сути, такой двигатель выступающим клином формирует сужающуюся(докритическую) часть сопла. Остальное формирует сама атмосфера. Гениальное решение.

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

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.

Практическое использование

Несмотря на очевидные преимущества, на данный момент клиновоздушные двигатели почти нигде не применяются, хотя планы по их применению есть и разработки ведутся.

20 сентября 2003 года объединённая команда Университета штата Калифорния в Лонг-Бич и компании Garvey Spacecraft Corporation успешно провела испытательный полет ракеты с КВРД в пустыне Мохаве. Студенты университета разработали ракету Prospector 2, используя двигатель с тягой 448,7 кгс (4,4 кН). Эта работа над клиновоздушными двигателями не прекращается — ракета Prospector 10 с 10-камерным КВРД была испытана 25 июня 2008 года. В марте 2004 года были проведены два успешных испытания в Лётном 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. У клиновоздушных двигателей есть проблемы и недостатки, в том числе высокая сложность и стоимость, но их преимущества делают их весьма перспективными. В обозримом будущем они будут активно применяться, хоть и не заменят полностью классические двигатели на сопле Лаваля.

Как устроен ракетный двигатель? О принципах работы и видах топлива

Ракетные двигатели — одна из наиболее обсуждаемых тем на канале. При этом, ещё не было публикации с кратким ликбезом по их устройству. Сегодня поговорим о жидкостных ракетных двигателях (ЖРД).

Во-первых, следует сказать, что ракетные двигатели — это реактивные двигатели. Реактивное движение возникает за счёт отделения от ракеты-носителя части массы (горящего топлива) с определённой скоростью относительно неё в направлении, противоположном движению.

Далее перейдём к основным отличиям ракетных, скажем, от автомобильных, авиационных или судовых двигателей. В целом их довольно много, но наиболее заметным является то, что ракетным двигателям для работы нужно не только горючее, но и окислитель.

Дело в том, что все вышеперечисленные двигатели работают в условиях плотной кислородсодержащей атмосферы Земли, в которой кислород, поддерживающий горение, и является окислителем.

Ракета-носитель же слишком быстро выходит за пределы плотных слоёв атмосферы, поэтому ей и необходим окислитель в качестве дополнительного компонента топлива. Таким образом, запоминаем, что ракетное топливо является двухкомпонентным.

В качестве горючего, как правило, используются:

1. керосин;
2. сжиженный метан;
3. сжиженный водород.

Окислитель:

1. понятное дело, сжиженный кислород.

Для сжижения газ сильно охлаждают. Помимо прочего, существуют топливные пары и без кислорода. Так, к примеру, на взлётной ступени американского взлётно-посадочного аппарата серии «Аполлон» и для взлётного двигателя и для двигателей системы ориентации в качестве горючего использовался аэрозин-50 (несимметричный диметилгидразин (Ch4)2NNh3 (НДМГ, гептил) + гидразин (Nh3)2), а окислителя — тетраоксид диазота (N2O4). Собственно, самой распространённой бескислородной парой является «гептил (горючее) – тетраоксид диазота (окислитель)». На ней, к примеру, летают РН семейства «Протон», но постепенно представители ракетно-космической отрасли отказываются от этой пары, так как гептил очень токсичен.

Есть топливные пары без кислорода. Например, Такая пара используется в двигателях ракет семейства «Протон». Гептил очень токсичен.

Существует несколько типов ракетных двигателей.

В жидкостных (ЖРД) топливо и окислитель находятся в жидком состоянии в двух раздельных резервуарах, из которых по трубопроводам они и попадают в камеру сгорания, где они смешиваются и, сюрприз, сгорают, создавая поток горячих газов с высокой скоростью и давлением. Проходя через сопло, сконструированное так, чтобы ещё больше их ускорять, эти газы и создают реактивную тягу.

И это только звучит просто. Основная проблема, как вы понимаете, заключается в очень высокой температуре, которая способна разрушить двигатель. Решение очевидно — стенки камеры сгорания и сопло необходимо охлаждать. И проще всего это сделать, чтобы не увеличивать вес РН и не усложнять двигатель, как ни странно, горючим.

Для этого в стенке камеры сгорания и максимально нагреваемой верхней части сопла создают специальные полости («рубашка охлаждения»), через которые горючее проходит перед тем, как попасть в камеру сгорания. Помните, что для сжижения газ сильно охлаждают? Этим и пользуются.

Именно горючее в данном случае выбирают из-за того, что его, как правило, охлаждают до более низких температур, чем окислитель, чтобы повысить плотность для размещения бо́льшего количества в баках. Это касается даже керосина. Например, в Falcon 9 его охлаждают до −7 °C, что увеличивает его плотность на 2,5 %.

Вообще, в ракетных двигателях решено множество интереснейших инженерных задач, но в рамках этой публикации я расскажу ещё об одной.

Чтобы подавать компоненты топлива в камеру сгорания под высоким давлением, нужны, понятное дело, насосы. При этом создаваемое ими давление должно быть настолько высоким, чтобы преодолевать давление, создаваемое в камере сгорания от сжигания топлива. Опять же, наша задача сделать так, чтобы не утяжелять РН.

На этот раз мы непосредственно используем часть топлива, которое подаётся в газогенератор (скажем так, в камеру «предварительного» сгорания), в которой образуется горячий газ, приводящий в действие турбину, которая, в свою очередь, и запускает насосы (по два на валу турбины).

Но что делать с топливом из газогенератора?

Вариантов, собственно, два: сбрасывать наружу и дожигать в камере сгорания. Первая схема, называемая «открытой», не очень эффективна, хоть и достаточно проста, ведь топливо из газогенератора не участвует в создании тяги РН, изначально занимая место. Из современных, к примеру, кислородно-керосиновый Merlin компании Space X работает по открытой схеме.

А, скажем, кислородно-керосиновые РД-180 работают по закрытой схеме, в рамках которой горячий газ сначала вращает турбину турбонасосного агрегата, а затем подаётся в камеру сгорания, эффективно участвуя в создании тяги. Казалось бы, почему всё время не делать ракетные двигатели закрытого цикла? Дело в том, что такие двигатели дороже, сложнее в производстве, да и нагрузка на турбину значительно выше, что повышает риск отказов.

Есть и ещё одна очень эффективная схема работы ракетного двигателя — полнопроточная закрытая. В этом случае всё топливо проходит через газогенератор. В СССР ещё в середине 1960-х создавались такие двигатели — РД-270. Для их работы требуются по два газогенератора и турбонасосных агрегата, ведущих в одну камеру сгорания, и работающих параллельно. Собственно, проблема заключалась в том, что для синхронизации работы тогда не существовало быстродействующего бортового компьютера, из-за чего, при рассинхронизации работы турбонасосных агрегатов, возникали низкочастотные пульсации в газогенераторе и камере сгорания.

Почему-то, несмотря на развитие компьютерной техники, у нас не стали разрабатывать эти двигатели сегодня. Но нашёлся человек, который не дал пропасть заделу — всё тот же Илон Маск, в компании которого разработали кислородно-метановые двигатели полнопроточной закрытой схемы Raptor.

Открытая, закрытая, полнопоточная закрытая схема / © Википедия

Можно ли сделать более эффективный ракетный двигатель?

Пожалуй, наиболее интересным является создание трёхкомпонентного двигателя многократного использования. Тут речь о том, что на старте использовалась бы пара керосин-кислород, а на больших высотах первый заменялся бы на водород.

Дело в том, что керосин обладает высокой плотностью, а водород обеспечивает более высокие значения удельного импульса, что вполне может значительно расширить возможности РН. К примеру, можно было бы создать с таким двигателем одноступенчатую многоразовую РН, способную доставлять на околоземные орбиты ничуть не меньше полезной нагрузки, что значительно удешевит этот процесс.

Оценивайте публикацию, подписывайтесь и приходите в telegram-канал и чат для дискуссий на научные темы.

Ракетные двигатели — сложное, простыми словами

Читайте самое важное в Telegram

277

Atlas-5 и РД-180

Полеты в космос и ракеты тема широко обсуждаемая в наше время. Но большинство из нас не представляют как работают двигатели ракет. Читайте краткий разбор темы с примерами.

Отличие ракетных двигателей от автомобильных, авиационных и других…

Различий много. Но самое важное то, что для работы ракетного двигателя по мимо горючего нужен и окислитель.

Залить горючее в бак и полететь не получиться по простой причине. Авиационные, автомобильные, судовые и другие двигатели функционируют в условиях плотной кислородсодержащей (окислитель) атмосферы.

Кислород, как известно, необходим для поддержания горения. Ракета плотные слои атмосферы преодолевает в течение короткой стадии полета, сразу же после старта. Поэтому, взять кислород для работы своих двигателей из атмосферы ракета она не может. И поэтому ее заправляют не только горючим, но и окислителем, как правило, кислородом.

Итак, ракетное топливо двухкомпонентное.

Само горючее, как правило это:

— керосин,

— метан (сжиженный),

— водород (сжиженный).

Окислитель:

— кислород (сжиженный).

Почему «окислитель»? Потому что горение, это и есть химическая реакция окисления, сопровождающаяся высокой скоростью реакций и выделением теплоты и света. (Кстати, образование ржавчины, тление и многие другие процессы также являются окислением, только не столь быстрым)

Есть топливные пары без кислорода. Например, гептил (горючее) – тетраоксид диазота (окислитель). Такая пара используется в двигателях ракет семейства «Протон». Гептил очень токсичен.

Виды движения в атмосфере

Чтобы добраться до космоса, «нужно пролететь атмосферу». Итак, есть несколько видов движения в атмосфере:

Баллистическое движение

Это движение тела в пространстве под действием внешних сил. Снаряды и пушечные ядра, боеголовки баллистических ракет и так далее – все это баллистическое движение. «Вагон-снаряд» отправленный на Луну французским писателем Жюлем Верном в научно-фантастическом романе «Из пушки на Луну», также.

Аэростатическое движение

Для создания подъемной силы используется заключенный в оболочке газ (или нагретый воздух) с плотностью меньшей, чем плотность окружающего воздуха.

Воздушные шары, аэростаты, дирижабли — все это летательные аппараты легче воздуха. Американская компания World View собиралась отправлять таким образом туристов в «ближний космос» (какой хороший маркетинговый термин), то есть на высоту 30 километров.

Аэродинамическое движение

Подъемная сила создается крылом самолета благодаря поступательному движению летательного аппарата, которое сообщает ему силовая установка — авиационный двигатель.

И наконец, Реактивное движение

Ракетные двигатели — это реактивные двигатели.

Под реактивным движением тела понимают такое движение, которое возникает при отделении от тела (ракеты) некоторой его части (горячие газы из сопла двигателя под высоким давлением) с определенной скоростью относительно него.

Таким образом, ракетный двигатель выбрасывает массу (горящее топливо) в одном направлении, а сам движется в противоположном. Процесс горения ускоряет массы топлива так, что они выходят из сопла ракеты на высокой скорости.

Это были принципы, теперь к устройству.

Начнем с простого

В жидкостных ракетных двигателях топливо и окислитель находятся в жидком состоянии в двух раздельных резервуарах. По трубопроводам они попадают в камеру сгорания. Здесь они перемешиваются и сгорают, создавая поток горячих газов с высокой скоростью и давлением. Эти газы проходят через сопло, которое еще больше их ускоряет, а после выходят, образуя реактивную тягу.

Кажется все просто? На самом деле нет!

Первая инженерная задача

Здесь и далее последовательность задач дана только для упрощения объяснения.

Ввиду высокой температуры горения, и значительного количества выделяемого тепла, даже малой его части достаточно для термического разрушения двигателя. Стенки камеры двигателя и сопло нужно охлаждать.

Но чем? Нужно максимально простое решение, чтобы не усложнять двигатель и не увеличивать его вес.

Самое распространенное: охлаждать одним из компонентов топлива, как правило, это горючее. В стенке камеры сгорания и верхней, наиболее нагреваемой части сопла создаются полости («рубашка охлаждения»), через которые перед поступлением в форсуночную головку камеры сгорания проходит горючее. Таким образом, холодная жидкость сначала циркулирует вокруг перегретых частей двигателя, чтобы охладить их, а затем попадает в камеру сгорания.

Компоненты топлива во многих случаях охлаждаются до более низких температур. Это позволяет повысить их плотность и поместить большее количество топлива в топливные баки. Даже керосин. Например, в Falcon 9 керосин охлаждается с 21 °C до −7 °C. Пр этом его плотность увеличивается на 2,5 %.

Вторая инженерная задача

Компоненты топлива сами в камеру сгорания не будут поступать. Нужны насосы. Они будут создавать высокое давление, чтобы преодолеть давление, которое создает в камере сгорания сжигаемое топливо.

Но нам снова, нужно чтобы двигатель и ракета были максимально простыми и легкими (насколько это можно). Решение нашлось. Часть топлива используется для работы насосов. Оно подается в небольшую камеру «предварительного» сгорания – газогенератор. Горячий газ из нее приводит в действие турбину, она – приводит в действие топливные насосы. Турбина одна. Насосов два – на одном валу.

Что дальше?

Что делать с топливом, которое прошло через газогенератор. Его после раскручивания турбины можно сбрасывать наружу. Именно так устроен двигатель Merlin (кислородно-керосиновый), используемый SpaceX на ракетах Falcon 9. Это, так называемая открытая схема.

Двигатель Merlin и его «выхлопная труба» – отводной патрубок для газов газогенератора / © SpaceX

Схема проста, но недостаточно эффективна. В создании тяги ракетного двигателя топливо, прошедшее через газогенератор, напрямую не участвует, а место в ракете занимает.

Можно его дожигать в камере сгорания. Как, например, в РД-180 (кислородно-керосиновый), который покупают у нас американцы для установки на первую ступень ракет семейства «Атлас» начиная с Atlas III.

Двигатель РД-180 это практически все самые известные космические миссии, которыми так гордится NASA: миссия к Плутону «Новые горизонты», миссия к Луне LRO и Марсу MRO, миссия к Юпитеру «Юнона», «Обсерватория солнечной динамики», «Марсианская научная лаборатория» (Curiosity), марсианский геолог и InSight, полет за грунтом астероида Бенну (OSIRIS-REx) аппарат для исследования атмосферы Марса MAVEN и многое другое.

Это схема называется закрытой. Горячий газ вначале вращает турбину турбонасосного агрегата, а затем подается в камеру сгорания, эффективно участвуя в создании тяги ракетного двигателя. Топливо не пропадает и полностью участвует в создании тяги. Такой двигатель гораздо сложнее. В двигателе закрытой схемы можно пропустить больше газа через турбонасосный агрегат, а значит, больше поднять давление в камере сгорания. Чем больше давление в камере сгорания, тем больше тяга. Высокое давление – большая эффективность двигателя.

Однако у него есть недостатки — высокая нагрузка на турбину двигателя, относительно высокие сложность и стоимость.

Зато двигатели Merlin имеющие низкое давление в камере сгорания достаточно просты в производстве и дешевы. Именно на них Илон Маск потеснил «Роскосмос» на рынке космических запусков и запустил в космос родстер Tesla.

Усложняем дальше

А еще можно все топливо пропускать через газогенератор . Такая схема называется полнопоточная закрытая. Мы делали такой двигатель в 60-х (РД-270), но в таких двигателях нужно два газогенератора и два турбонасосных агрегата, которые ведут в одну камеру сгорания и работают параллельно.

Однако вРД-270наблюдались низкочастотные пульсации в газогенераторе и камере. Возникла проблема в синхронизации совместной работы двух турбонасосных агрегатов. Они пытались пересилить друг друга и стабилизировать их без помощи быстродействующего бортового компьютера не удалось. Но такого в то время еще не было.

В феврале этого года Илон Маск объявил результаты тестирования двигателя Raptor (кислородно-метановый). Его получат ракета Super Heavy и корабль Starship. По заявлениям Маска его характеристики лучше, чем у РД-180. Высокое давление в камере сгорания обеспечено именно полнопроточной закрытой схемой.

Открытая, закрытая, полнопоточная закрытая схема / © Википедия/Познавательная копилка

Можно ли лучше?

Если проект Маска будет успешен, нам нужно будет делать что-то еще лучшее. Возможно, развивать трехкомпонентные двигатели многократного использования. При запуске такой двигатель работал бы на паре кислород/керосин, а на больших высотах керосин заменялся бы водородом.

Использование в одном двигателе комбинации двух горючих – углеводородного, обладающего высокой плотностью, и водорода, обеспечивающего высокие значения удельного импульса, может расширить возможности ракет-носителей.

Такой подход, позволит создать одноступенчатую возвращаемую ракету-носитель и заметно удешевить космические запуски и в будущем.

Несколько пояснений

Здесь, как видно из примеров, раскрыта самая популярная классическая схема, которая массово используется для выведения в открытый космос космических аппаратов: жидкостный ракетный двигатель. Но это все, что можно рассказать за три минуты.

А в целом ракетные двигатели делятся на:

— химические,

— электрические,

— ядерные.

Химические ракетные двигатели бывают жидкостными и твердотопливными (ускорители космического челнока Space Shuttle, например).

Но есть еще и гибридные двигатели использующий компоненты ракетного топлива в разных агрегатных состояниях — жидком и твердом. Например, двигатель космического челнока SpaceShipOne работающий на полибутадиене (твердый) и закиси азота (жидкость).

Читайте в Google News

Читайте в Telegram

Пожалуйста лайк, репост

Это тоже интересно

РЕКОМЕНДУЕМ

Читайте в Google News

Читайте в Telegram

будущее космических полетов – Physics World

Взято из номера журнала Physics World за октябрь 2020 г., где оно появилось под заголовком «Устранение границы между небом и космосом». Члены Института физики могут ознакомиться с полным выпуском через приложение Physics World .

Многоразовые транспортные средства необходимы для того, чтобы сделать доступ в космос более доступным, но у обычных ракетных двигателей есть свои ограничения. Oliver Nailard описывает, как британская фирма Reaction Engines надеется произвести революцию в доступе в космос с помощью нового класса двигательной установки, синергетического ракетного двигателя с воздушным дыханием (SABRE)

(Предоставлено реактивными двигателями)

Преследование, исследование и использование космической среды могут быть ошибочно истолкованы как роскошь. История изображает космос как исключительное владение мировых держав, стремящихся продемонстрировать свое мастерство с помощью технологических чудес, или как сцену для далеких исследований и научных исследований, мало влияющих на повседневную жизнь. Тем не менее, преимущества космоса уже вплетены в нашу повседневную жизнь и обеспечивают коммунальные услуги и ресурсы, от которых зависит общество. Если бы они внезапно исчезли и мир пережил бы всего лишь «день без пространства», последствия были бы очевидны для всех.

Нашим самым большим космическим ресурсом являются спутники, которые мы вывели на орбиту вокруг Земли. Спутники связи обеспечивают глобальную связь и средства для прямой трансляции телевидения по всему миру. Благодаря этой космической инфраструктуре мы можем удаленно наблюдать за международными событиями и спортивными зрелищами в режиме реального времени. Наблюдение за Землей также приобретает все большее значение, позволяя нам отслеживать и оценивать нашу естественную среду обитания и климат, что, в свою очередь, позволяет нам оптимизировать использование сельскохозяйственных земель, прогнозировать национальные бедствия и вмешиваться в них, организовывать усилия по оказанию помощи и многое другое.

Спутники определения местоположения, навигации и времени (PNT) предоставляют ценные данные о местоположении для водителей и любителей активного отдыха, а их сигналы времени также используются для отметки времени и координации глобального снятия наличных и финансовых транзакций. Спутники обеспечивают платформу для науки и техники, и они могут дать университетам доступ к орбитальным экспериментам. Компании учатся быстро разрабатывать технологии с помощью прототипов, размещаемых на орбите, в то время как исследования космической погоды с использованием приборов на орбите обеспечивают лучшее понимание и прогнозирование для защиты наших земных электросетей от солнечных бурь.

Использование пространства станет еще более важным. Начинает формироваться новое видение будущего, в котором будут представлены еще более инновационные способы использования космоса, начиная от космического производства и производства энергии и заканчивая глобальным подключением к Интернету. Управлению космическим мусором также уделяется больше внимания наряду с исследованием Луны и Марса и даже космическим туризмом.

Хотя некоторые из этих инноваций могут показаться чем-то из области научной фантастики, уже есть компании, продвигающие технологии, чтобы воплотить их в жизнь.

SABRE выпустила Концептуальное изображение синергетического ракетного двигателя с воздушным дыханием (SABRE) реактивного двигателя. (Предоставлено Reaction Engines)

Доступный доступ в космос

Одна из фундаментальных проблем, связанных с исследованием и работой в космосе, заключается в том, что все, что находится там, начинается здесь. Выйти из-под земного притяжения и выйти на орбиту технически сложно, сложно с точки зрения эксплуатации и исключительно с финансовой точки зрения.

Однако ситуация меняется, и мир переживает новую эру в истории космических полетов. Деятельность, которая когда-то ограничивалась правительствами и национальными космическими агентствами, теперь является свидетелем расцвета инноваций, возглавляемых предприимчивыми частными компаниями, такими как Rocket Lab, Virgin Orbit и SpaceX, последняя из которых была в центре внимания всего мира, наблюдая за запуском американской программы коммерческих экипажей. астронавтов на Международную космическую станцию, а затем благополучно вернуть их в начале этого года. Оптимизируя обычные ракетные технологии, эти фирмы быстро снижают стоимость доступа в космос и создают пусковые мощности. Это, в свою очередь, создает возможности для новых космических операторов и начинает инициировать благотворный круг, в котором снижение стоимости запуска и увеличение скорости полета создают дополнительные коммерческие возможности и растущий спрос на услуги по запуску. Действительно, по оценкам инвестиционного банка Morgan Stanley, к 2040 году мировой космический рынок будет стоить 1 трлн долларов в год9.0007

Глобальная индустрия доступа в космос будет ограничена, если она будет по-прежнему сосредоточена на оптимизации обычных ракетных технологий, которые впервые были использованы в середине 20-го века

Хотя этот цикл может еще больше снизить затраты на запуск, он будет ограничен, если глобальная космическая индустрия будет по-прежнему сосредоточена на оптимизации обычных ракетных технологий, которые впервые были использованы в середине 20-го века. Вот почему мы здесь, в компании Reaction Engines в Великобритании (см. вставку ниже), разрабатываем синергетический ракетный двигатель с воздушным дыханием (SABRE) — то, что, по нашему мнению, станет следующим поколением космических двигателей. Наша цель — создать многоразовые космические аппараты горизонтального запуска, доступные по цене, надежные и быстро реагирующие, которые можно запускать с высокой и регулярной частотой.

SABRE по сравнению с обычными ракетами

Обычные ракеты приводятся в движение топливом (жидким водородом, керосином или метаном) и окислителем (жидким кислородом), которые находятся внутри корпуса транспортного средства. Когда топливо и окислитель сгорают, масса выбрасывается из задней части ракеты, создавая тягу. Однако этот подход — и особенно использование тяжелого жидкого кислорода на борту — ограничивается ракетным уравнением Циолковского. По сути, это говорит нам о том, что все, что находится на борту транспортного средства, имеет штраф в виде дополнительного топлива и структурной массы транспортного средства, необходимого для отрыва его от земли. Другими словами, этот подход снижает производительность миссии, полезную нагрузку и время миссии.

SABRE, с другой стороны, представляет собой гибридный воздушно-реактивный двигатель. Во время атмосферного сегмента своего подъема он будет использовать кислород из атмосферы вместо того, чтобы нести его внутри транспортного средства, прежде чем переключиться на бортовой кислород при выходе из атмосферы. Таким образом, ракета-носитель с двигателем SABRE будет иметь меньшую массу для данной полезной нагрузки, чем обычная ракета-носитель. Это массовое преимущество можно обменять на системы, которые обеспечат возможность повторного использования и характеристики самолета, такие как крылья, шасси и системы тепловой защиты — все функции, необходимые для того, чтобы летать на одном и том же транспортном средстве снова и снова, выполняя сотни запусков.

Возможность повторного использования не только снизит стоимость запуска. Ракеты-носители с двигателем SABRE также будут взлетать как самолеты, а не вертикально, как обычные ракеты. В результате они приведут к более быстрому времени выполнения работ, более высокому коэффициенту использования транспортных средств и более оперативным запускам. Они смогут выполнять сценарии безопасного прерывания и возврата на базу. Конструкция ракет-носителей с двигателем SABRE также обеспечит более быструю настройку и более простые средства запуска по сравнению с существующими конструкциями ракет.

Мы в Reaction Engines считаем, что эти характеристики намного превосходят даже самые передовые расходуемые системы, доступные в настоящее время, и поэтому они откроют полный эффективный цикл для доступа в космос и большего потенциала космической экономики.

Предохладитель

Ключевым элементом SABRE является уникальная высокопроизводительная система управления температурным режимом, которая опирается на фундаментальную термодинамику для извлечения, перенаправления и использования энтальпии гиперзвукового (5 Маха) воздушного потока, когда он входит в двигатель. Одной из наиболее важных частей этой системы является предварительный охладитель, который, таким образом, был одним из первых разработанных элементов технологии SABRE.

Скорость существующих воздушно-реактивных двигателей ограничена их способностью обрабатывать и использовать энергию, содержащуюся в воздушных потоках с высокой скоростью Маха. Для создания тяги воздушно-реактивного двигателя необходимо увеличить скорость проходящего через него воздуха. Вопреки интуиции, вы также должны замедлять воздух, когда вы достигаете высоких скоростей, чтобы внутренний механизм мог применить работу к воздушному потоку, прежде чем ускорять его от задней части двигателя.

Однако, когда быстро движущийся воздух замедляется, он быстро нагревается, так как кинетическая энергия преобразуется в тепловую. Например, эти температуры могут достигать более 1000 °C при замедлении воздушного потока на 5 Маха. При таких высоких температурах невозможно сохранить целостность обычных компонентов двигателя — они попросту плавятся.

Быстрое охлаждение Горячие воздушные потоки могут быть охлаждены с температуры 1000 °C до температуры окружающей среды за 50 мс с помощью предохладителя SABRE. (Предоставлено: Reaction Engines)

Вместе система терморегулирования SABRE и предварительный охладитель обеспечивают решение этой проблемы. Когда воздух с высокой скоростью Маха входит в SABRE, он сначала замедляется всасыванием двигателя за счет серии ударных волн, создаваемых геометрией компонентов двигателя. При этом воздух быстро нагревается, но затем проходит в предварительный охладитель, где его температура снижается до приемлемого уровня. Предохладитель предназначен для создания теплообмена между воздушным потоком и внутренней текучей средой (криогенный гелий). Геометрия, свойства жидкости, а также тепловые и механические эффекты были учтены таким образом, чтобы максимизировать извлечение тепла из воздушного потока.

При соответствующем охлаждении воздушного потока он теперь может попасть в сердце двигателя, где он проходит цикл, включающий сжатие, сгорание, регенерацию и, в конечном счете, расширение через сопло двигателя, тем самым создавая движущую силу. Тепловая энергия воздушного потока, переданная жидкости предохладителя, также используется для приведения в действие внутренних компонентов двигателя.

Предохладитель может охлаждать потоки воздуха с большим массовым расходом от температуры выше 1000 °C до температуры окружающей среды менее чем за 50  миллисекунд в компактной и легкой конструкции. Он образован из более чем 42 км трубок, стенки которых тоньше человеческого волоса, что обеспечивает огромную площадь для теплообмена между воздухом и охлаждающей средой.

Испытание

В 2012 году компания Reaction Engines изготовила полностью рабочий предохладитель и провела более 700 испытаний, подтвердив его способность охлаждать окружающий воздух до криогенных температур. Этот прототип установки прошел больше времени испытаний, чем уже работающий предполагаемый предварительный охладитель SABRE, и показал безупречные результаты.

Затем последовала кампания по испытанию горячего теплообменника (HTX), которая была разработана для того, чтобы подвергнуть предварительный охладитель воздействию ряда высокотемпературных условий, характерных для полетов с высокой скоростью Маха. Проведено в 2019 году, испытания проходили на специально построенном объекте в Колорадском воздушно-космическом порту недалеко от Денвера в США. Испытательная установка включала обычный двигатель истребителя, работающий на полном форсаже, чтобы создать поток воздуха большой массы и высокотемпературные условия, которые предохладитель SABRE будет испытывать в полете после стагнации (или замедления) воздушного потока 5 Маха.

Было проведено три кампании горячих испытаний, каждая из которых достигла более высокого эквивалентного числа Маха. В финальном раунде испытаний как предварительный охладитель, так и тестовое оборудование были доведены до предела, и они успешно выполнили конечную цель теста Mach 5 — он продемонстрировал, что предварительный охладитель может подавлять температуру воздушного потока, превышающую 1000 °C, менее чем за 50  миллисекунд.

Испытания показали способность предохладителя успешно охлаждать поток воздуха на скоростях, намного превышающих эксплуатационный предел любого реактивного самолета в истории. Он работал более чем в два раза быстрее, чем Concorde, и более чем в полтора раза быстрее, чем SR71 Blackbird. Таким образом, эта замечательная технология предварительного охлаждения является не только ключом к двигателю SABRE, но также предлагает решения для двигателей с высокой скоростью Маха и гиперзвуковых самолетов, которые остаются в атмосфере.

Испытания, испытания Предохладитель прошел серию высокотемпературных испытаний с использованием двигателя обычного истребителя. (Предоставлено: Reaction Engines)

Что будет дальше?

После успешной тестовой кампании HTX в настоящее время проводится следующий этап испытаний SABRE в рамках «кампании основного двигателя», целью которой является проверка характеристик воздушно-реактивного ядра. Эта часть SABRE отвечает за рециркуляцию тепловой энергии, извлекаемой через предварительный охладитель, во внутренние компоненты двигателя. Здесь же поступающий воздух сжимается, смешивается с водородным топливом, а затем сжигается в системе сгорания двигателя перед расширением через его сопло. Этот этап докажет жизнеспособность всего термодинамического цикла SABRE и станет знаковым моментом, когда он будет продемонстрирован впервые.

Хотя точные сроки этой последней фазы испытательной кампании были нарушены ограничениями COVID-19, введенными в Великобритании, обширный процесс проектирования уже был проведен совместно с британскими и европейскими космическими агентствами, что позволит программа для быстрого прогресса после снятия ограничений. И хотя пандемия COVID-19, несомненно, повлияла как на глобальный аэрокосмический сектор, так и на работу производственных и научно-исследовательских центров в Великобритании, в секторе коммерческих космических запусков сохраняется устойчивый спрос. Reaction Engines уже видит ряд возможностей, где приложения двигателей класса SABRE могут быть использованы в архитектуре ракет-носителей, и мы работаем с партнерами в космической отрасли, чтобы понять, как эти возможности можно вывести на передний план.

Развитие технологии

Несмотря на то, что изначально она задумывалась как двигатель для обеспечения недорогого доступа в космос, теперь ясно, что технология SABRE может принести пользу не только космической отрасли. Вот почему Reaction Engines также разрабатывает дополнительные приложения этой технологии вместе с другими отраслевыми партнерами.

В аэрокосмической отрасли возможности SABRE по управлению тепловым режимом и технология теплообменников могут повысить эффективность двигателей и систем коммерческих самолетов нового поколения, а также самолетов с высокой скоростью вращения и гиперзвуковых самолетов. В то время, когда аэрокосмическая отрасль должна продемонстрировать устойчивость перед лицом COVID-19, сдвиги в технологической парадигме и сложные цели обезуглероживания, технология SABRE может помочь, обеспечивая ряд улучшений эффективности и экономии средств для текущих и будущих концепций самолетов.

Reaction Engines исследует, как технология SABRE может принести пользу и другим секторам. Автоспорт, промышленные процессы и энергетика — все это области, в которых интеллектуальное управление температурным режимом, такое как в основе SABRE, может привести к значительным изменениям. Reaction Engines стремится адаптировать и внедрять свои технологии в эти отрасли, чтобы сделать их более эффективными, устойчивыми и безопасными для окружающей среды.

Очевидно, что космическая отрасль переживает период значительных инноваций и быстрого развития. Инновационные новые коммерческие участники снизили стоимость доступа в космос, что, в свою очередь, открыло дополнительные коммерческие возможности в космосе.

По мере развития отрасли и увеличения спроса на сверхдешевый доступ в космос, мы считаем, что возникнет необходимость в революционном скачке вперед в области двигателей, который представляет собой SABRE и ее системы управления тепловым режимом.

Reaction Engines

Reaction Engines — британская компания, основанная в 1989 году инженерами-двигателями Аланом Бондом, Ричардом Варвиллом и Джоном Скоттом Скоттом. Ранее они вместе работали над двигателем RB545, который предназначался для использования в системе горизонтального взлета и посадки (HOTOL) — концепции космического самолета, разработанной British Aerospace и Rolls-Royce — в конце 1980-х годов. После отмены HOTOL команда сформировала Reaction Engines для развития концепций HOTOL и RB545 в класс двигателей SABRE, который компания продолжает развивать.

После многих лет разработки фундаментальных технологий грант правительства Великобритании в размере 60 млн фунтов стерлингов в 2015 году в сочетании с инвестициями от BAE Systems, Rolls-Royce и Boeing HorizonX позволил компании Reaction Engines вырасти и перейти от исследований к проектированию и демонстрации. Основанная в Калхемском научном центре в Оксфордшире, компания работает вместе с Космическим агентством Великобритании, Европейским космическим агентством и другими организациями в Великобритании и Европе над разработкой SABRE.

Простой экономичный ракетный двигатель позволит создать более дешевый и легкий космический корабль

Инжиниринг  | Пресс-релизы  | Исследования  | Наука  | Технологии

18 февраля 2020 г.

Запуск космического корабля «Союз» с космодрома Байконур в Казахстане в 2017 году с использованием обычного топливоемкого двигателя. Исследователи UW разработали математическую модель, которая описывает, как работает двигатель нового типа, который обещает сделать ракеты более экономичными, легкими и менее сложными в конструкции. NASA/Bill Ingalls/Flickr

Требуется много топлива. запустить что-либо в космос. Для отправки космического корабля НАСА на орбиту потребовалось более 3,5 миллионов фунтов топлива, что примерно в 15 раз тяжелее синего кита.

Но новый тип двигателя — вращающийся детонационный двигатель — обещает сделать ракеты не только более экономичными, но и более легкими и менее сложными в конструкции. Есть только одна проблема: сейчас этот двигатель слишком непредсказуем, чтобы его можно было использовать в реальной ракете.

Исследователи из Вашингтонского университета разработали математическую модель, описывающую работу этих двигателей. С помощью этой информации инженеры могут впервые разработать тесты для улучшения этих двигателей и сделать их более стабильными. Команда опубликовала эти выводы 10 января в журнале Physical Review E. 9.0007

«Поле вращающегося детонационного двигателя все еще находится в зачаточном состоянии. У нас есть тонны данных об этих двигателях, но мы не понимаем, что происходит», — сказал ведущий автор Джеймс Кох, докторант Университета Вашингтона в области аэронавтики и астронавтики. «Я попытался переработать наши результаты, изучив закономерности вместо того, чтобы задавать инженерные вопросы, например, как получить двигатель с самой высокой производительностью, а затем, бум, оказалось, что это работает».

Обычный ракетный двигатель работает, сжигая топливо, а затем выталкивая его из задней части двигателя для создания тяги.

«Двигатель с вращающимся детонатором использует другой подход к сжиганию топлива», — сказал Кох. «Он сделан из концентрических цилиндров. Топливо течет в зазоре между цилиндрами, и после воспламенения быстрое тепловыделение образует ударную волну, сильный импульс газа со значительно более высоким давлением и температурой, который движется быстрее скорости звука.

«Этот процесс горения буквально представляет собой детонацию — взрыв — но за этой начальной фазой запуска мы видим ряд стабильных импульсов горения, которые продолжают потреблять доступное топливо. Это создает высокое давление и температуру, которые выталкивают выхлопные газы из задней части двигателя на высоких оборотах, что может создавать тягу».

Для запуска реакции топливо поступает в зазор между цилиндрами, и после воспламенения быстрое тепловыделение образует ударную волну (начало 11 секунд). После этой фазы запуска формируется ряд стабильных импульсов горения, которые продолжают потреблять доступное топливо. Авторы и права: Джеймс Кох/Вашингтонский университет

В обычных двигателях используется множество механизмов для направления и управления реакцией сгорания, которая производит работу, необходимую для приведения двигателя в движение. Но во вращающемся детонационном двигателе ударная волна, естественно, все делает, не нуждаясь в дополнительной помощи деталей двигателя.

«Удары, вызванные сгоранием, естественным образом сжимают поток, когда он движется вокруг камеры сгорания», — сказал Кох. «Обратной стороной этого является то, что у этих взрывов есть собственный разум. Как только вы что-то взрываете, оно просто исчезает. Это так жестоко».

Чтобы попытаться описать, как работают эти двигатели, исследователи сначала разработали экспериментальный двигатель с вращающейся детонацией, в котором они могли контролировать различные параметры, такие как размер зазора между цилиндрами. Затем они зафиксировали процессы горения высокоскоростной камерой. Каждый эксперимент занимал всего 0,5 секунды, но исследователи записывали эти эксперименты со скоростью 240 000 кадров в секунду, чтобы они могли видеть, что происходит в замедленном режиме.

Исследователи разработали экспериментальный вращающийся детонационный двигатель (показан здесь), в котором они могли контролировать различные параметры, такие как размер зазора между цилиндрами. Линии подачи (справа) направляют поток топлива в двигатель. Внутри есть еще один цилиндр, концентричный внешней части. Датчики, торчащие из верхней части двигателя (слева), измеряют давление по длине цилиндра. Камера будет с левой стороны, если смотреть с задней части двигателя. Джеймс Кох/Вашингтонский университет

Исследователи разработали математическую модель, имитирующую то, что они видели в видеороликах.

«В настоящее время это единственная модель в литературе, способная описать разнообразную и сложную динамику этих вращающихся детонационных двигателей, которую мы наблюдаем в экспериментах», — сказал соавтор Дж. Натан Куц, профессор прикладной математики Университета Вашингтона.

Модель позволила исследователям впервые определить, будет ли двигатель этого типа стабильным или нестабильным. Это также позволило им оценить, насколько хорошо работает конкретный двигатель.

«Этот новый подход отличается от общепринятых представлений в этой области, а его широкие возможности применения и новые идеи стали для меня полной неожиданностью», — сказал соавтор Карл Ноулен, доцент-исследователь UW в области аэронавтики и астронавтики.

После начальной ударной волны устойчивые импульсы горения продолжают потреблять доступное топливо. Ранее исследователи не понимали, как формируется определенное количество импульсов и почему иногда они могут сливаться в один импульс, но эта математическая модель может помочь объяснить лежащую в основе физику. Авторы и права: Koch et al./Physical Review E

Прямо сейчас модель не совсем готова для использования инженерами.

«Моя цель состояла исключительно в том, чтобы воспроизвести поведение импульсов, которые мы видели, чтобы убедиться, что выходные данные модели аналогичны нашим экспериментальным результатам», — сказал Кох. «Я определил доминирующую физику и то, как они взаимодействуют. Теперь я могу взять то, что я сделал здесь, и сделать это количественным. Оттуда мы можем говорить о том, как сделать двигатель лучше».

Мицуру Куросака, профессор аэронавтики и астронавтики UW, также является соавтором этой статьи. Это исследование финансировалось Управлением научных исследований ВВС США и Управлением военно-морских исследований.

За дополнительной информацией обращайтесь к Коху по адресу [email protected].

Номера грантов: FA 9550-18-1-9-007, N0001417MP00398, FA 9550-17-1-0329

Теги: Карл Ноулен • Колледж искусств и наук • Инженерный колледж • Факультет аэронавтики & Астронавтика • Факультет прикладной математики • Дж. Натан Куц

Как работают ракетные двигатели — ШОН ВИКТОР

Прежде чем приступить к проектированию ракетных двигателей, важно понять, как работают ракетные двигатели, особенно в гибридных и жидкостных двигателях. . Эти знания будут неотъемлемыми в дальнейшем при принятии решений о том, как разрабатывать/производить двигатель.

Все ракетные двигатели производят тягу в результате двух входов, которые составляют Топливо : Окислитель и Топливо. Топливо говорит само за себя, оно обеспечивает источник горения, способный ускорять газ. Окислитель также является очень важным компонентом, когда речь идет о любой реакции горения, как указано в уравнении, определяющем реакцию горения. Для того, чтобы произошло горение, необходимо, чтобы исходные материалы представляли собой некоторое количество углеводорода и кислорода, в результате чего будет производиться углекислый газ и вода.

В Гибридной Ракете Топливо существует в виде твердого тела и может быть чем угодно, что горит. Окислителем должен быть какой-то концентрат кислорода, это может быть закись азота, газообразный кислород или даже жидкий кислород. Но это расположение твердого топлива (известное как « Топливное зерно ») расположено на внутренних стенках камеры сгорания в виде трубки и пропускает окислитель через пластину инжектора (которая распыляет кислород) и течет по трубе, сжигая ее, еще больше ускоряя газы до высоких выходных скоростей, которые в конечном итоге создают тягу, чтобы поднять ракету над землей.

В жидкостной ракете топливо может принимать форму газа или жидкости. Окислитель также может быть получен из газообразного или жидкого концентрата кислорода. Однако в этой конструкции топливо не выходит из трубки, а вместо этого газы распыляются через пластину форсунки, где они тщательно смешиваются, воспламеняются и ускоряют газ для создания тяги. Жидкостные двигатели экспоненциально сложнее. Причина этого в том, что чем больше Окислителя или Топлива вы решите иметь в виде газа или жидкости, тем сложнее станет ваша жидкостная система. К сожалению, вы обнаружите, что это не так просто, как просто соединить две трубы в пластину инжектора и зажечь ее. Чтобы ракетный двигатель не взорвался после воспламенения, жидкость должна регулироваться таким образом, чтобы давление в камерах сгорания не становилось чрезмерно высоким и не приводило к разрыву корпуса двигателя.

Выше показаны основные части ракетного двигателя: инжектор, камера сгорания и сопло.

 сделаноФорсунка отвечает за распыление либо окислителя, либо окислителя и топлива перед сжиганием в камере сгорания. Причина, по которой это так важно, заключается в том, что инжектор состоит из ряда очень маленьких отверстий, также известных как « отверстий », что он будет делать, это принимать большие шарики газа и рассеивать их дальше друг от друга. Позвольте мне привести вам пример того, что произойдет, если у вас нет пластины инжектора. Если бы вы подали, скажем, жидкий кислород непосредственно в камеру сгорания, это почти наверняка привело бы к взрыву всего двигателя, причина этого в том, что сгорает огромное количество окислителя, и в результате может возникнуть желание сгореть. газа, чтобы вернуться в маршрут входного трубопровода, это известно как « жесткий запуск «и мой вывод о возможной необходимости повторного запуска двигателя или даже взрыва бака окислителя, если он не отрегулирован. Это не только угроза безопасности, поскольку пластина форсунки функционирует как перепад давления, который предотвращает обратный поток газа обратно в пластина форсунки один раз, но также и пластина форсунки делают двигатели намного более эффективными Причина этого повышения эффективности заключается в том, что когда большой шар окислителя или даже топлива проходит в камеру сгорания, наиболее оптимальным является то, что все окислитель и горючее сгорают, также известные как « полное сгорание «. Но во многих случаях то, что на самом деле произойдет с большими каплями жидкости, если они пройдут только через внешнюю поверхность жидкости, будет гореть, а внутренняя не успеет сгореть до выхода из сопла ракеты, что приведет к потере окислитель или топливо. Так что пластина инжектора будет действовать как средство для распыления / диспергирования жидких капель на мелкие частицы, которые могут привести к полному сгоранию, тем самым повышая эффективность вашего ракетного двигателя. 

Камера сгорания — важная часть ракетного двигателя. Чем длиннее вы сделаете эту часть ракеты, тем больше у газов будет достаточно времени для полного сгорания перед выходом из сопла. Тем не менее, недостатком очень длинной камеры сгорания является то, что ваш сгораемый газ будет терять импульс (из-за уменьшения скорости газа) и, таким образом, сделает ваш двигатель менее эффективным. Поэтому важно определить оптимальную длину этой секции ракеты, чтобы топливо и кислород поддерживали полное сгорание и не теряли слишком большой импульс перед входом в сопло. Вероятно, сейчас самое время объяснить, что такое топливная крошка в гибридных ракетных двигателях. Теперь мы знаем, что топливная крупа представляет собой трубку из твердого материала, которая горит (в идеале очень медленно) и находится внутри камеры сгорания. Однако большинство не понимает, что 9Круглая трубка 0200 не является самой идеальной Геометрия топливного зерна из-за того, что по мере того, как материал горит изнутри наружу, открытая площадь поверхности круглой трубы будет увеличиваться по мере выгорания топлива (т.е. окружность поперечного сечения топлива увеличивается), что приводит к непостоянной выходной тяге. В идеале мы хотели бы, чтобы выходная тяга нашего двигателя была постоянной как можно дольше, прежде чем у нас закончится топливо / окислитель, поэтому вместо этого нам нужно найти геометрию, которая будет по мере того, как открытая площадь поверхности топливной гранулы сгорает. вдали площадь поверхности сильно не меняется. Тактика, чтобы обойти это, заключалась в том, чтобы сделать круглую трубу снаружи с вырезанным внутренним экструдером в форме звезды, и, таким образом, поскольку некоторые длины звезды будут увеличиваться, а другие стороны уменьшаться, общий периметр открытой площади поверхности остается относительно постоянным.

Сопло — самая волшебная часть всей этой сборки. По своей сути он преобразует химическую тепловую энергию (сгорание высокотемпературного газа) в кинетическую энергию (тягу), поскольку она отвечает за дальнейшее ускорение сгоревшего газа и, таким образом, создание тяги нашего двигателя.

Сопло будет принимать входы камеры сгорания: газ высокого давления, высокой температуры и медленно движущегося газа. И преобразуйте это в: Низкое давление, Низкая температура, Быстро движущийся газ. объяснить эту часть двигателя, я буду ссылаться на несколько иллюстраций ниже: ​

До сих пор я дал вам много информации о характеристиках сопла ракеты и о том, как оно работает с газами высокого давления в камере сгорания, которые движутся с относительно низкой скоростью, и преобразуют их в газы низкого давления, которые должны соответствовать внешнему давлению окружающей среды около 1 атм, и эти газы должны иметь чрезвычайно высокую скорость на выходе. Более высокие скорости выхода газа дают более высокую тягу. Так как же сопло может выполнять эту задачу по ускорению газа за счет снижения давления?

В потоке сжимаемой жидкости одним из наиболее важных понятий является понятие жидкости Массовый расход , и это мера того, сколько массы жидкости проходит через площадь поперечного сечения за 1 секунду, и ее единицей измерения является [ кг/с].

Теперь, зная эту концепцию массового расхода, мы можем проанализировать, что происходит в сопле. Выше мы обсуждали, что наиболее распространенный тип сопла, который будут использовать ракеты, известен как сопло Делаваль . В форсунках Делаваль существует 2 секции: Сходящийся участок , в котором диаметр трубы уменьшается, Расходящийся участок , где диаметр увеличивается, а точка, где встречаются эти два участка, известна как T горловина .

Самая основная функция сужающейся секции сопла заключается в создании дросселирующего потока , это концепция сжимаемых жидкостей, в которой при заданной площади поперечного сечения трубы/среды, через которую может проходить газ, существует максимальное величина массового расхода, которая может проходить через эту площадь поперечного сечения, а максимальная скорость, которую сжимаемая жидкость может достичь в дроссельном потоке, составляет 1 Маха.