Ракеты с воздушным усилением используют сверхзвуковой выхлоп какого-то ракетного двигателя для дальнейшего сжатия воздуха, собираемого ударным эффектом во время полета, для использования в качестве дополнительной рабочей массы , что приводит к большей эффективной тяге для любого заданного количества топлива, чем у ракеты или ПВРД. . [1]
Он представляет собой гибридный класс ракетных / ПВРД, подобных ПВРД , но способных развивать полезную тягу с нулевой скорости, а также в некоторых случаях может работать за пределами атмосферы с топливной экономичностью не хуже, чем у сопоставимого ПВРД или ПВРД. ракета в каждой точке.
Существует множество вариаций базовой концепции и множество имен в результате. Те, которые сжигают дополнительное топливо после ракеты, обычно известны как прямоточные ракеты, ракетно-эжекторные, встроенные реактивные / прямоточные воздушно-реактивные двигатели или выталкивающие прямоточные воздушно-реактивные двигатели, в то время как те, которые не включают дополнительное сжигание, известны как ракеты в воздуховоде или закрытые ракеты, в зависимости от деталей расширителя. . [2]
Операция
В обычном химическом ракетном двигателе ракета несет в своем фюзеляже как топливо, так и окислитель . В результате химической реакции между топливом и окислителем образуются продукты-реагенты, которые обычно представляют собой газы при давлениях и температурах в камере сгорания ракеты. Реакция также является высокоэнергетической (экзотермической) с выделением огромной энергии в виде тепла; которая сообщается продуктам-реагентам в камере сгорания, давая этой массе огромную внутреннюю энергию, которая при расширении через сопло способна производить очень высокие скорости выхлопа. Выхлоп направляется назад через сопло, создавая таким образом тягу вперед.
В этой традиционной конструкции смесь топлива / окислителя является одновременно рабочей массой и источником энергии, который ее ускоряет. Легко продемонстрировать, что наилучшие характеристики достигаются, если рабочая масса имеет наименьшую возможную молекулярную массу. [3] Сам по себе водород является лучшим ракетным топливом в теории. Смешивание этого с кислородом с целью его сжигания снижает общую производительность системы из-за увеличения массы выхлопных газов, а также из-за значительного увеличения массы, которую необходимо переносить наверх - кислород намного тяжелее водорода.
Одним из возможных способов повышения общей производительности системы является сбор топлива или окислителя во время полета. Топливо трудно найти в атмосфере, но окислитель в виде газообразного кислорода составляет до 20% воздуха. Этот факт используется в ряде проектов. Подобные системы были исследованы в двигателе с жидкостным воздушным циклом (LACE).
Еще одна идея - собрать рабочую массу. В случае с ракетой с воздушным усилением обычный ракетный двигатель устанавливается в центре длинной трубы, открытой спереди. Когда ракета движется через атмосферу, воздух попадает в переднюю часть трубы, где он сжимается за счет эффекта поршня. По мере продвижения по трубе он сжимается и смешивается с богатым топливом выхлопом ракетного двигателя, который нагревает воздух так же, как камера сгорания в ПВРД . Таким образом, довольно небольшая ракета может использоваться для ускорения гораздо большей рабочей массы, чем обычно, что приводит к значительно большей тяге в атмосфере.
Преимущества
Эффективность этого простого метода может быть поразительной. Типичные твердотопливные ракеты имеют удельный импульс около 260 секунд (2,5 кН · с / кг), но использование того же топлива в конструкции с воздушным усилением может улучшить его до более чем 500 секунд (4,9 кН · с / кг), то есть даже лучшие водородно-кислородные двигатели не могут сравниться. Такая конструкция может быть даже немного более эффективной, чем ПВРД , поскольку выхлоп ракетного двигателя помогает сжимать воздух сильнее, чем обычно. это повышает эффективность сгорания, поскольку можно использовать более длинное и более эффективное сопло. Еще одно преимущество заключается в том, что ракета работает даже при нулевой скорости движения вперед, тогда как ПВРД требует поступательного движения для подачи воздуха в двигатель.
Недостатки
Можно было бы предвидеть, что такое повышение производительности будет широко распространено, но различные проблемы часто препятствуют этому. Воздухозаборники высокоскоростных двигателей сложно спроектировать и требуют тщательного размещения на планере для достижения разумных характеристик - в общем, весь планер должен быть построен вокруг конструкции воздухозаборника. Другая проблема заключается в том, что по мере подъема ракеты воздух становится разреженным. Следовательно, количество дополнительной тяги ограничено тем, насколько быстро ракета набирает высоту. Наконец, воздухопроводы весит около 5 × до 10 × более [ править ] чем аналогичная ракета , которая дает ту же направленность. Это значительно замедляет автомобиль к концу горения.
Вариации
Закрытая ракета
Самый простой вариант системы воздушного увеличения находится в закрытой ракете. Он состоит в основном из ракетного двигателя или двигателей, расположенных в воздуховоде. Выхлоп ракеты увлекает воздух, протягивая его через воздуховод, а также смешивается с ним и нагревает его, в результате чего давление на выходе из ракеты возрастает. Образующийся горячий газ затем расширяется через расширяющееся сопло. [2]
Ракета-носитель
Небольшая разновидность закрытой ракеты, ракета в обтекателе добавляет только сходящееся-расходящееся сопло . Это гарантирует, что горение происходит на дозвуковых скоростях, улучшая диапазон скоростей транспортного средства, при котором система остается полезной. [2]
Эжекторный ПВРД (и др.)
Эжекторный ПВРД - более сложная система с потенциально более высокими характеристиками. Подобно закрытой и закрытой ракете, система начинается с ракетного двигателя (ов) в воздухозаборнике. Он отличается тем, что смешанный выхлоп попадает в диффузор, снижая скорость воздушного потока до дозвуковых. Затем впрыскивается дополнительное топливо, которое сгорает в этой расширенной секции. Выхлоп от этого сгорания затем входит как сходящееся-расширяющееся сопло, как в обычном ПВРД, или в кожух ракеты-носителя. [2]
История
Первый [ править ] серьезная попытка сделать производство воздушно-дополненной ракета была советской Gnom ракетостроение, реализуемый постановлением 708-336 советских министров от 2 июля 1958.
Совсем недавно, примерно в 2002 году, НАСА пересмотрело аналогичную технологию для программы GTX в рамках усилий по разработке космического корабля SSTO . [4]
Ракеты с воздушным усилением наконец вошли в серийное производство в 2016 году, когда на вооружение была введена ракета Meteor Air to Air .
Смотрите также
- Двигатель с жидкостным воздушным циклом - собирает окислитель вместо рабочей массы
Рекомендации
Цитаты
- ^ "Расширенный воздух" . www.scientific.net . Проверено 21 января 2020 .
- ^ а б в г Бревиг 1968 , стр. 444.
- ^ «Общие характеристики ракетного топлива» . Справочник по космосу . НАСА. п. 42.
- ^ Разрабатывается технология ракет-носителей с воздушным дыханием