Есть интересная тема, о которой мало наслышаны
Сила, из учебника физики, величина векторная. Реактивная тяга является выражением сил. Собственно, по закону Ньютона, грубо говоря, реактивная тяга образуется отталкиванием истекающего потока от сопла, из которого она истекает. Истечение происходит не только по оси сопла, но и есть потери, связанные с истечением части "рабочего тела" по векторам, отклоняющимся от оси. Струя, грубо говоря, "расползается".
Многие видели, как на реактивных самолетах сопло двигателя сжимается и раздвигается. Сопло "сжимается", чтобы максимально уменьшить потери на боковые векторы силы истекающего газа.
Те, кто смотрел запуски ракет, наверняка обращали внимание, что при старте, на малых высотах, где атмосферное давление максимальное, реактивная струя из ракетного двигателя смотрится, как ровный столб огня. По мере набора высоты, со снижением атмосферного давления, этот поток постепенно расширяется и в конце концов превращается в красивый цветок.
С одной стороны, снижение внешнего давления увеличивает перепад давления и увеличивает скорость истечения рабочего тела, что приводит к увеличению тяги и удельного импульса.
С другой стороны, эффективная тяга снижается, поскольку всё меньший процент энергии остается на оси двигателя, всё больше рабочего тела уходит в стороны.
Чтобы с этим эффектом как-то бороться, надо увеличивать размер сопла, увеличивать площадь, на которую давит истекающий поток. Делались попытки строить выдвижное сопло. Попытки успехом не увенчались.
Можно делать разные двигатели для нижних и верхних слоёв атмосферы. Так фон Браун поступил с Сатурном-5. Классический пример: первая ступень с 5 двигателями F-1 и соответствующими соплами, вторая ступень с 5 водородными двигателями J2 с соплом для верхних слоёв атмосферы, и треться ступень - 1 двигатель J2 для вакуума, с огромным соплом. На Фальконах, например, ставят "атмосферную" и "вакуумную" версии одного и того же двигателя Мерлин-1Д. Версии отличаются размерами сопла.
Законный вопрос: а почему и для низких высот не делать сопло большего размера?
Размер сопла - это его вес и диаметр ракеты. Всем понятно, что конструкторы стараются минимизировать вес для повышения соотношения тяги к собственному весу (рекорд у Мерлин-1Д - 190:1), а также уменьшить по возможности диаметр ракеты для снижения аэродинамического сопротивления. Из чего следует, что оптимальным является использование разного размера сопла для атмосферы и вакуума.
Но есть и другой путь.
Появилась идея каким-то образом сформировать истекающую струю рабочего тела помимо стенок сопла. В начале 60-х годов фирма Рокетдайн начала экспериментировать в этом направлении.
Используя принципы газовой динамики, в Рокетдайн создали тороидальную камеру сгорания с центральным стержнем. Это формировало поток направленный от краев кольца к центру и формировало истекающую струю практически одинаково узконаправленную как в нижних слоях атмосферы, так и в вакууме. В середине 60-х они установили такое тороидальную камеру на двигатель J2.
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). На всех высотах и в вакууме, J2 с тороидальной камерой сгорания. См. фото. Но эти опыты так и остались невостребованными.
К идее клиновоздушного двигателя вернулись во второй половине 90-х в рамках проекта Х-33 (ракетоплана следующего после шаттла поколения). Был создан и прошел испытания двигатель XRS-2200. Особенностью этого двигателя было то, что он был линейным, а не круглым. Конструкция космоплана требовала создания двигателя определенной формы. И Рокетдайн сделали линейную V-образную конструкцию, в верхней части которой установили по обеим стрононам множество камер сгорания от J2. Получился линейный клиновоздушный двигатель, который развивал тягу около 250 тс. См. фото.
Но НАСА предпочло закрыть проект Х-33, когда первый летный прототип был готов на 90%, а стартовый комплекс был готов на 100%. Официальным поводом послужило то, что они хотели композитные баки, но технология их создания ещё не была готова и Локхид использовал алюминий-литиевый сплав. Очень скоро появились композитные материалы и можно было вернуться к Х-33, но НАСА отказалась.
В 2014 году частная компания Firefly (Техас) вернулась к идее клиновоздушного двигателя. Но не с троидальной камерой, а разместив неколько небольших камер сгорания под углом, направленным к оси тяги. Такое же решение, как у линейного XRS-2200, но камеры не по линейке, а по кругу. Получается такой вариант "многокамерного" клиновоздушного двигателя. См. фото.
На сколько я знаю, Firefly позднее отказались от использования этой схемы, поскольку многокамерность снижает надежность в круговой схеме.
Но идея остается в перспективах двигателестроения.
Первый в мире 3D-печатный клиновоздушный ракетный двигатель
Фотографии:
- Фалькон-9 стартует
- Фалькон-9 набирает высоту
- Фалькон-9 перед отключением первой ступени
- тороидальное клиновоздушное сопло
- линейный клиновоздушный двигатель XRS-2200 на испытаниях
- Х-33 Венчур Стар (рисунок)
- клиновоздушный двигатель Firefly
- стендовые испытания двигателя Firefly
| Связанные публикации на сайте: | ▲ |
Steven Lerner
Джефф Безос и компания «Blue Origin»
Цикл статей «Не Маском единым»
Steven Lerner
Воздушный старт компании «Stratolaunch Systems»
Цикл статей «Не Маском единым»
Steven Lerner
«Virgin Orbit» и «Virgin Galactic» Ричарда Бренсона
Цикл статей «Не Маском единым»
Steven Lerner
Ракета «Электрон» и компания «Rocket Lab»
Цикл статей «Не Маском единым»
Steven Lerner
| Прочитал статью? Прокомментируй! | ▲ |
| Поделиться статьёй: | ▲ |
<div align="center" width="400px" height="auto"
style="width: 410px; height: auto; margin: 8px; padding: 4px; border: 1px #808080 solid; text-align: center;">
<a href="https://neane.ru/rus/7/write/0238.htm" target="_blank">
<b>«Клиновоздушный ракетный двигатель»</b><br>
<img width="400px" height="225px" border="0"
src="https://neane.ru/rus/7/write/0238/000_400x225.jpg"><br>
NEANE Records</a></div>