Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Линейный аэрокосмический двигатель XRS-2200 для программы X-33 проходит испытания в Космическом центре Стеннис

Двигатель Aerospike - это тип ракетного двигателя, который сохраняет свою аэродинамическую эффективность в широком диапазоне высот . [1] Относится к классу высотно-компенсирующих сопловых двигателей. Транспортное средство с двигателем aerospike использует 25-30% меньше [ определение необходимости ] топлива на малых высотах, [2] , где большинство миссий имеют наибольшую потребность в тяге . Двигатели Aerospike изучались в течение ряда лет и являются базовыми двигателями для многих конструкций с одноступенчатым выводом на орбиту (SSTO), а также были сильным соперником для главного двигателя Space Shuttle.. Однако в серийном производстве такой двигатель не производится, хотя некоторые крупномасштабные аэроциклы находятся на стадии испытаний. [3]

Терминология в литературе по этому вопросу несколько сбита с толку - термин « аэродинамический шип» первоначально использовался для обозначения насадки с усеченной заглушкой с очень грубым конусом и небольшим впрыском газа, образующим «воздушный шип», чтобы компенсировать отсутствие заглушки хвост. Однако зачастую насадку-заглушку во всю длину теперь называют аэродинамической шайбой.

Принципы [ править ]

Назначение любого колокола двигателя - направить выхлоп ракетного двигателя в одном направлении, создавая тягу в противоположном направлении. Выхлоп, высокотемпературная смесь газов, имеет эффективно случайное распределение импульса (т. Е. Выхлоп толкается в любом направлении). Если выхлопу позволяют выходить в такой форме, только небольшая часть потока будет двигаться в правильном направлении и, таким образом, будет способствовать поступательной тяге. Колокол перенаправляет выхлоп, движущийся в неправильном направлении, чтобы он создавал тягу в правильном направлении. Давление окружающего воздуха также оказывает небольшое давление на выхлоп, помогая ему двигаться в «правильном» направлении на выходе из двигателя. По мере того, как автомобиль движется вверх через атмосферу, давление окружающего воздуха снижается.Это приводит к тому, что выхлоп, генерирующий тягу, начинает расширяться за пределы края раструба. Поскольку эти выхлопные газы начинают двигаться в «неправильном» направлении (т. Е. Наружу от основного выхлопного шлейфа), эффективность двигателя снижается по мере движения ракеты, поскольку эти выхлопные газы больше не влияют на тягу двигателя. Ракетный двигатель с аэрокосмическими ракетами призван устранить эту потерю эффективности.[1]

Сравнение конструкции ракеты - носителя с колоколом (слева) и ракеты-носителя (справа)

Вместо того, чтобы выпускать выхлоп из небольшого отверстия в середине раструба, двигатель с воздушным шипом избегает этого случайного распределения, стреляя вдоль внешнего края клиновидного выступа, «шипа», который выполняет ту же функцию, что и традиционный колокол двигателя. Шип образует одну сторону «виртуального» колокола, а другую сторону формирует наружный воздух. [1]

Идея конструкции Aerospike заключается в том, что на небольшой высоте давление окружающей среды сжимает выхлопные газы относительно шипа. Рециркуляция выхлопных газов в основной зоне шипа может поднять давление в этой зоне почти до атмосферного. Поскольку давление перед автомобилем является окружающим, это означает, что выхлоп у основания шипа почти уравновешивается сопротивлением, испытываемым транспортным средством. Он не дает общей тяги, но и эта часть сопла не теряет тягу из-за образования частичного вакуума. Тягу в базовой части сопла на малой высоте можно не учитывать. [1]

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

К недостаткам шипованных шипов можно отнести лишний вес шипа. Кроме того, большая охлаждаемая площадь может снизить производительность ниже теоретического уровня за счет снижения давления на сопло. Аэродинамические шипы относительно плохо работают в диапазоне от 1 до 3 Маха , когда воздушный поток вокруг транспортного средства снижает давление, тем самым уменьшая тягу. [4]

Варианты [ править ]

Существует несколько версий дизайна, различающихся по форме. В тороидальном аэродинамическом шипе шип имеет форму чаши с выхлопом, выходящим по кольцу вокруг внешнего обода. Теоретически это требует бесконечно длинного шипа для максимальной эффективности, но, выдув небольшое количество газа из центра более короткого усеченного шипа (как базовое кровотечение в артиллерийском снаряде), можно добиться чего-то подобного.

В линейном аэродинамическом шипе шип состоит из клиновидной клиновидной пластины, выхлопные газы которой выходят с обеих сторон на «толстом» конце. Преимущество этой конструкции состоит в том, что ее можно штабелировать, что позволяет размещать несколько двигателей меньшего размера в ряд для создания одного двигателя большего размера, одновременно повышая характеристики рулевого управления за счет использования индивидуального управления дроссельной заслонкой двигателя.

Производительность [ править ]

В 1960-х годах компания Rocketdyne провела длительную серию испытаний различных конструкций. Более поздние модели этих двигателей были основаны на их высоконадежных двигателях J-2 и обеспечивали те же уровни 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 восстановлена для использования в НАСА «s X-33 проект. В этом случае использовался слегка модернизированный двигатель J-2S с линейным шипом, создавая XRS-2200.. После доработки и значительных испытаний этот проект был отменен, когда композитные топливные баки X-33 неоднократно выходили из строя.

CSULB aerospike двигатель

Три двигателя XRS-2200 были построены в рамках программы X-33 и прошли испытания в космическом центре НАСА Стеннис . Одномоторные испытания прошли успешно, но программа была остановлена ​​до завершения испытаний двухмоторной установки. В РРСЕ-2200 производит 204,420 (909,300 Lbf N) тяг с I зр 339 секунд на уровне моря, и 266,230 Lbf (1,184,300 N) тяги с I зром в 436,5 секунд в вакууме.

Линейный аэрокосмический двигатель RS-2200 [5] был создан на основе XRS-2200. RS-2200 должен был приводить в действие одноступенчатый орбитальный аппарат VentureStar . Согласно последнему проекту, семь RS-2200 мощностью 542 000 фунтов силы (2410 кН) каждый выведут VentureStar на низкую околоземную орбиту. Разработка RS-2200 была официально остановлена ​​в начале 2001 года, когда программа X-33 не получила финансирования Space Launch Initiative . Lockheed Martin предпочла не продолжать программу VentureStar без какой-либо финансовой поддержки со стороны НАСА. Двигатель этого типа выставлен на открытом воздухе на территории Центра космических полетов имени Маршалла НАСА в Хантсвилле, штат Алабама.

Тороидальная аэрокосмическая насадка НАСА

Отмена Lockheed Martin X-33 федеральным правительством в 2001 году сократилось финансирование доступности, но клиновоздушный ракетный двигатель остается областью активных исследований. Например, важной вехой стало то, что совместная академическая и отраслевая группа из Калифорнийского государственного университета, Лонг-Бич (CSULB) и Garvey Spacecraft Corporation успешно провела летные испытания аэрокосмического двигателя с жидкостным ракетным топливом в пустыне Мохаве 20 сентября 2003 г. Студенты CSULB разработали свою ракету Prospector 2 (P-2) с использованием аэрокосмического двигателя LOX / этанола мощностью 1000 фунтов f (4,4 кН). Эта работа над авиационно-космическими двигателями продолжается; Десятикамерный аэрокосмический двигатель "Проспектор-10" прошел испытания 25 июня 2008 г. [6]

Сравнение характеристик сопла колокольчика и сопла Aerospike

Дальнейший прогресс был достигнут в марте 2004 года, когда под эгидой NASA Dryden Flight Research Center было проведено два успешных испытания с использованием ракет большой мощности производства Blacksky Corporation , базирующейся в Карлсбаде, Калифорния . Сопла и твердотопливные ракетные двигатели были разработаны и изготовлены подразделением ракетных двигателей компании Cesaroni Technology Incorporated , к северу от Торонто, Онтарио. Две ракеты работали на твердом топливе и оснащались тороидальными аэрокосмическими соплами без усеченной формы. Пролетая в Центре аэрокосмических разработок округа Пекос, Форт Стоктон, штат Техас, ракеты достигли апогея в 26 000 футов (7900 м) и скорости около 1,5 Маха .

Разработка маломасштабных аэрокосмических двигателей с использованием гибридной конфигурации ракетного топлива продолжалась членами Общества исследования реакции .

Реализации [ править ]

Firefly Aerospace [ править ]

В июле 2014 года Firefly Space Systems объявила о планируемой ракете-носителе Alpha, на первой ступени которой используется двигатель с аэрокосмическим двигателем. Предназначенный для рынка запуска малых спутников, он предназначен для запуска спутников на низкую околоземную орбиту (НОО) по цене 8–9 миллионов долларов США, что намного ниже, чем у обычных пусковых установок. [7]

Firefly Alpha 1.0 был разработан, чтобы нести полезную нагрузку до 400 кг (880 фунтов). Он использует углеродные композитные материалы и использует одинаковую базовую конструкцию для обоих этапов. Аэродвигатель со вставной кассетой развивает тягу в 400 кН. Двигатель имеет колоколообразное сопло, которое было разрезано пополам, а затем растянуто, образуя кольцо, при этом половинное сопло теперь формирует профиль пробки. [7]

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

ARCA Space [ править ]

В марте 2017 года космическая корпорация ARCA объявила о своем намерении построить одноступенчатую орбитальную ракету (SSTO) под названием Haas 2CA с использованием линейного аэрокосмического двигателя. Ракета предназначена для отправки на низкую околоземную орбиту массой до 100 кг по цене 1 миллион долларов США за запуск. [8] Позже они объявили, что их двигатель Executor Aerospike будет производить 50 500 фунтов силы (225 кН) тяги на уровне моря и 73 800 фунтов силы (328 кН) тяги в вакууме. [9]

В июне 2017 года ARCA объявила, что запустит в космос свою ракету Demonstrator3, также используя линейный аэрокосмический двигатель. Эта ракета была разработана для тестирования нескольких компонентов Haas 2CA с меньшими затратами. Они объявили о полете на август 2017 года. [8] В сентябре 2017 года ARCA объявила, что после задержки их линейный аэрокосмический двигатель был готов к наземным испытаниям и летным испытаниям на ракете Demonstrator3. [8]

20 декабря 2019 года компания ARCA провела испытания парового ракетного двигателя LAS 25DA для системы Launch Assist System. [10]

KSF Space и межзвездное пространство [ править ]

Другая концептуальная модель шипованного двигателя, разработанная KSF Space и Interstellar Space в Лос-Анджелесе, была разработана для орбитального корабля под названием SATORI. Из-за отсутствия финансирования концепция до сих пор не разработана. [11]

Rocketstar [ править ]

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

См. Также [ править ]

  • Расширительное сопло
  • LASRE  - Linear Aerospike SR-71, эксперимент 1997/8 НАСА для X-33
  • Роторная ракета  - Компания
  • Sabre  - Synergetic Air Breathing Rocket Engine - гибридный прямоточный воздушно-реактивный двигатель и ракетный двигатель

Ссылки [ править ]

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

Внешние ссылки [ править ]

  • Двигатель Aerospike
  • Усовершенствованные двигатели, запланированные для улучшенных ускорителей Saturn и Nova, включая J-2T
  • Линейный двигатель Aerospike - движущая сила для корабля X-33
  • Центр летных исследований Драйдена
  • Характеристики и производительность системы управления двигателем Aerospike
  • X-33 Контроль ориентации с помощью линейного двигателя XRS-2200
  • Буй, Тронг; Мюррей, Джеймс; Роджерс, Чарльз; Бартель, Скотт; Чезарони, Энтони; Деннет, Майк (2005). «Летные исследования аэрокосмического сопла с использованием твердотопливных ракет большой мощности». 41-я совместная конференция и выставка по двигательным установкам AIAA / ASME / SAE / ASEE . DOI : 10.2514 / 6.2005-3797 . ISBN 978-1-62410-063-5.

https://www.youtube.com/watch?v=D4SaofKCYwo