Клиновоздушный ракетный двигатель

X-33

Клиновозду́шный ракетный двигатель (сокр. КВРД,

. Наиболее удачные варианты находятся в стадии доводочных работ.

Обычный ракетный двигатель

Основным назначением любого сопла является эффективное направление потока отработавших газов

МТКК «Спейс шаттл» могут генерировать тягу со скоростью газовой струи 4525 м/с в вакууме и 3630 м/с на уровне моря. Конструкция сопла двигателя является очень важной частью создания ракетных систем.

Принципы

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» (англ. aerospike engine, «воздушно-клинный двигатель»).

Основная идея такой конструкции состоит в том, что на малой 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 реактивную струю двигателя окружающее давление уменьшается, при этом падает давление на верхнюю часть двигателя, что сохраняет его эффективность неизменной. Более того, несмотря на то, что окружающее давление падает практически до нуля, зона рециркуляции сохраняет давление на основание клина до величин, сравнимых с давлением атмосферы у поверхности Земли, в то время как верхняя часть клина находится практически в вакууме. Это создаёт дополнительную 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 несколько менее эффективен по сравнению с традиционным соплом, сконструированным 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 площадь охлаждаемой поверхности 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].

Возможные варианты

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

В 1960-х годах

. После дальнейшего развития и программы испытаний, проект был отклонён по причине нерешённости проблем с композитными топливными баками X-33.

В ходе проекта X-33 были построены три двигателя XRS-2200, которые прошли программу испытаний в

339 с, в вакууме тяга составляет 120,8 тс (1,2 МН), удельный импульс — 436,5 с.

Более крупный вариант XRS-2200 — ЖРД

». Компанией Lockheed Martin было принято решение не продолжать развитие VentureStar 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 объединённая команда

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.^[3] 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.

Практическое использование

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)^[4][5].

Фотогалерея

• 
  Испытания линейного ЖРД RS-2200
• 
  Клиновоздушный двигатель

  Калифорнийского государственного университета

См. также

• Сопло Лаваля
• Сопловой насадок — альтернативный способ повышения эффективности сопла при изменении давления.
• НК-33

Примечания

Комментарии

Источники

Ссылки

• Aerospike Engine Архивная копия от 5 ноября 2015 на Wayback Machine
• 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 Архивная копия от 25 февраля 2010 на Wayback Machine
• Aerospike Engine Control System Features And Performance
• X-33 Attitude Control Using The XRS-2200 Linear Aerospike Engine
• Перспективные работы КБХА Архивная копия от 17 апреля 2008 на Wayback Machine Новости космонавтики, № 8, 1998 год