Второе рождения ЖРД типа Aerospike (клинновоздушных)
Немного теории.
Одна из причин, почему ракеты делают многоступенчатыми, это то, что ракетные двигатели приходится делать с разным соплом для вакуума и для работы в атмосфере. Дело в том, что падение атмосферного давления с высотой полета, снижает эффективность ЖРД. Реактивная струя из сопла начинает "расползаться", что наглядно видно во время запусков ракет



На фотографиях прекрасно видно, как концентрированный столб реактивной струи превращается в распустившийся цветок. Конечно, с падением внешнего атмосферного давления, перепад между ним и давлением в камере сгорания растет, растет тяга и удельный импульс, но используется всё это значительно менее эффективно. Поэтому на один и тот же двигатель цепляют разные сопла, разного удлинения. Были попытки использовать "выдвижные" сопла, но это оказалось ненадежным.
Первый подход к решению проблемы.
В середине 60-х годов ХХ века в компании Рокетдайн был создан один из величайших ракетных двигателей J-2, водородно-кислородный ЖРД, который использовался на верхних ступенях Сатурн-5. Но двигатель бул специализирован именно для работы в верхних слоях стратосферы и в вакууме. При тяге 105 тс, в вакууме J-2 имел удельный импульс 425 с. Этот двигатель в разных модификациях используется и по сей день. Сейчас в разработке версия J-2X с тягой 145 тс и УИ 448 с. Но Рокетдайн призадумался, а нельзя ли сделать так, чтобы реактивная струя не расползалась... И они придумали направить струю по направляющему стержню, который заставляет струю не разбрасываться в стороны, а сжиматься в центр.
Выглядело это примерно так

Но возникла проблема с охлаждением. И тогда решили сделать "линейный аэроспайк". Двигатель получил название XRS-2200. По сути, они взяли несколько прекрасных двигателей J-2S, закрепили их на раме, под наклоном к центру и поставили разделительные поверхности, направляющие струи так, чтобы реактивная струя от левого двигателя сходится посредине со струёй из правого двигателя и более не расходятся.

https://youtu.be/EWf4iOMSPNc
Испытания на стенде подтвердили, что эффективность, при изменении атмосферного давления от уровня моря до вакуума, практически не изменяется.
Тяга, с падением внешнего давления, растет, растет и удельный импульс, при этом вся прибавка расходуется с такой же эффективностью при любом внешнем давлении, как и при его отсутствии в вакууме.
Это решение позволяет осуществить схему SSTO (single stage to orbit) - на орбиту одной ступенью. И это решение идеально уложилось в проект замены space shuttle супер-шаттлом Венчур Стар, который разрабатывался в Локхиде по заказу НАСА. Это действительно мог быть колоссальный прорыв. В отличие от двигателей шаттла RS-25, XRS-2200 не требовал межполетного обслуживания и позволял многократное включение в полете.
Но всё уперлось в очередного барана во главе государственного космического агентства НАСА. В проекте изначально предусматривалось делать из композитов. Но композитные технологии были ещё недостаточно развиты и Локхид сделал баки для масштабированного прототипа Х-33 из алюминий-литиевого сплава. Изготовление прототипа шло быстро, процесс сборки прошел 80% уровень и тут новый глава НАСА уперся рогом: композитные баки или проект закрывается. Ему объясняли, что для прототипа это неактуально, что пока дело дойдет до строительства первого Венчур Стар, технологии композита будут отработаны (через 3 года Нортроп сделал такую технологию композита) и баки сделают композитными, но... Долбодобы-бюрократы встали в позу и проект Венчур Стар был закрыт.
Впрочем, сейчас Локхид предпринимает попытки его возрождения в рамках частного проекта, а НАСА ставит им палки в колеса, угрожая судебным преследованием - оригинальная разработка была сделана под финансированием НАСА.
Возрождение Аэроспайка
Мы тут недавно обсуждали новости про частную компанию из Остина, штат Техас, FireFly Space Systems, которая разместила исследовательскую базу в Украине и одновременно отъела стартовый комплекс на базе Ванденберг от Дельта-2. Одна из версий двигателя для их ракет легкого класса выглядит вот так

Работы по ароспайкам ведутся и в других частных компаниях. Вопрос о такой схеме был задан и Маску, который сказал, что СпейсХ ПОКА не занимается этим в виду высокой степени новизы, непроработанности систем управления вектором тяги, дросселирования и зажигания в условиях ретротяги (при пропульсивной посадке в атмосфере). Но в принципе, заметил Маск, это могло бы решить много вопросов, например для корабля BFR, который оборудуется и вакуумными, и атмосферными двигателями. Аэроспайк мог бы сократить число двигателей на 40%, увеличить свободный полезный объём и общую эффективность корабля.
Слышал я, что у Безоса, в Блю Ориджин идут исследовательские работы по созданию ЖРД типа аэроспайк с дросселированием до 40% тяги и зажиганием под ретротягой.
Не знаю, как вы, а я большой поклонник возрождения клинновоздушных ЖРД.
Комментарии
https://riafan.ru/549340-vzryvnoi-uspeh-zachem-rossii-detonacionnyi-raketnyi-dvigatel
Если эффективность будет на уровне напряженных закрытых движков типа глушковских или будущего раптора Мюллера, при простоте изготовления как РД 107/108 - это будет весьма перспективное направление. Возможно и весовое совершенство (TWR на который вы молитесь забывая что основной выигрыш в сухой массе у Масковских аппаратах не в движках, а в корпусах)
Непонятно, зачем хвастаться давлением, которое создает детонация? Тяга РД обусловлена скоростью истечения рабочего тела, а вовсе не давлением в камере сгорания. Сгорание же при детонации (при постоянном объеме и росте давления) говорит о нулевой скорости истечения рабочего тела.
Термодинамика говорит о том, что выделившаяся при химической реакции энергия зависит только от начальных и конечных продуктов реакции и не зависит от пути этой реакции. То есть энергии в разных двигателях выделяется поровну, а КПД зависит только от потерь. Убрать потери - это значит уменьшить температуру истекающего газа и снизить шумность двигателя. Ни того, ни другого в детонационном двигателе не предвидится. Так за счет чего вырастет КПД?
"То есть энергии в разных двигателях выделяется поровну, а КПД зависит только от потерь. " - полностью согласен.. А вот удельный импульс (характеристика, для ракетного двигателя более важная, чем мощность) как раз и зависит, в первую очередь от скорости вытекания рабочего тела. Именно поэтому сейчас рассматриваются как перспективные различные электроракетные двигатели.
Температура при детонации гораздо ниже, чам при классическом горении.. А шум - проблема для конструкторов...
Шум - это потеря энергии не связанная с передачей импульса. При детонации значительная часть энергии тратится именно на увеличение шума. Это проблема КПД.
Температура истекающего газа различная в разных зонах двигателя. Организация движения газа как потока, снижает температуру струи, так как хаотическое движение молекул (которое и характеризует температуру) переходит в организованное. В идеале все молекулы должны лететь в одну сторону и постоянной скоростью - это будет говорить о том, что температура струи равна абсолютному нулю, то есть вся энергия пойдет на полезное ускорение.
Умные конструкторы делают многоразовые ракеты и повышают эффективность ЖРД.
Детонационный двигатель.... Ну как вам сказать...
Сделать-то его, наверное, можно. Но никакой выгоды в эффективности он не дает. Наоборот - он будет тяжелее и дороже при той же тяге.
И не решает проблему, которую решает аэроспайк.
Проблема в том, что на медленной реакции не полетишь. Тем не менее, чем плавнее и ровнее сгорает топливо, тем больше энергии можно употребить с пользой.
"чем плавнее и ровнее сгорает топливо," "Плавно" и "ровно" - это не технические термины. Инженеры оперируют скоростью горения и температурой.
Я вам писал об энтропии химической реакции, а не о преобразовании теплоты в работу.
Температуры и скорости инженеру мало. Инженер должен знать о ламинарном и турбулентном режимах течения.
Идея детонационного двигателя давно исследована. Ничего хорошего она не дает. Выигрыш в тяге почти неизмерим, потери по весу очень значительные.
Ребятки, флаг вам в руки - делайте такой двигатель, сделайте ракету и докажите, что её весовая эффективность лучше, чем у Фалькон-9! Все вопросы будут сняты.
Но как это касается проблемы, которую решает аэроспайк????
Вы ъоть понимаете, что на высоте 45-55 км атмосферные ЖРД теряют до трети эффективности по сравнению с эффективностью на уровне моря? Тяга растет, удельный импульс растет, а эффективность падает!
Вектор тяги расползается! 2/3 реактивной тяги продолжает работать по оси, а треть уходит вникуда. Хреначит в стороны.
Один путь известен - удлинение сопла. Это значит, сбрасывай ступень, включай вторую, с соплами большего удлинения. Сейчас так и делают. На высоте примерно 70-80 км отделяется первая ступень, включается вторая.
Другой - аэроспайк. Одной ступенью - на орбиту. Эффективность ЖРД остается практически неизменной от стартового стола до открытого космоса!
Детонационный двигатель позволяет решить одну из "коренных" проблем - конечную скорость горения.. А удельный импульс двигателя в первую очередь зависит от скорости проистекания рабочего тела из сопла.
Идея использовать в сопле двигетеля "центральное тело" родилась еще на заре ракетостроения. Но не прижилась. Может объясните: Почему?
Нет ничего хорошего в детонационном двигателе. С ним экспериментировали, но не для ракет, а в качестве альтернативы турбинным воздушно-реактивным двигателям. Первый известный опыт применения детонационного реактивного дваигателя - это Фау-1.
Pulse detonation engine рассматривается, как альтернативный прямоточному двигатель для гиперзвуковых аппаратов. Но и этот вариант не очень катит. Двигатели имеют крайне низкую тяговооруженность, на уровне, примерно, 10:1. Ракетный двигатель с такими параметрами может делать либо дебил, либо хитрожоп для распила бюджетных денег.
" ПУВРД детонационным двигателем не является. В нем происходит обычный процесс горения топлива.
Детонация иногда происходит в обычных ДВС (например в автомобиле). Обычно это ведет к разрушения двигателя. Сделать детонацию упрваляемой до сих пор никому не удавалось..
Детонационный ЖРД просто нахрен никому не нужен.
Но вам так хоцца - делайте. Флаг в руки.
Постройте двигатель, сделайте ракету и докажите свою правоту. А пока, нечего пальцы вейером и сопли пузырями гонять.
В чем проблема? Сделайте двигатель, постройте ракету и докажите свою правоту.
Весовая эффективность Фалькона 4,15%
Весовая эффективность Фалькон Хэви 4,55%
Весовая эффективность Сатурн-5 4,71%
Сделайте лучше!
Работы ведутся, но результат далеко не очевиден. Значит, его надо доказывать практикой.
Технически, сделать такой двигатель можно. Вопрос - зачем. Что он даст. В цифрах, конкретно. На что рассчитывают разработчики. Даст ли детонационный метод прирост тяги? На сколько? Даст ли прирост в УИ? На сколько? Улучшит ли детонация соотношение тяги к сухой массе? На сколько? Позволит ли новая технология добиться высокой многоразовости?
Чего конкретно они хотят добиться?
Вот конкретный пример.
ЖРД закрытого цикла позволяют увеличить удельный импульс. Вроде бы хорошо.
Но они дорогие и тяжелые. Тяговооруженность РД-180 всего 78,44:1.
Высокий УИ важен на верхних ступенях, где гравитационные потери почти нулевые, а вот на нижней ступени высокий УИ заставляет тащить больше топлива на большую высоту, с большими гравитационными потерями.
Сатурн-5 - идеальный пример конструкции. Первая ступень с 5 сверхмощными двигателями, с низким УИ. Верхние ступени - с двигателями J-2, не очень "тяговитыми", но с огромным УИ.
Применение детонации позволяет в 5-6 раз поднять скорость истечения рабочего тела, а следовательно и тягу двигателя при той же массе топлива..
Вот вроде адекватная статейка с цитатами. https://javax-slr.livejournal.com/756112.html
Только конкретно.
Двигатель Мерлин?
Сварку FSW?
Технологию зажигания в условиях ретротяги?
Технологию пропульсивной посадки ступени?
Технологию многоразовых малообслуживаемых ЖРД?
Во-первых, у НАСА была такая возможность в середине «нулевых», но насайцы этим шансом не воспользовались.
Во-вторых, Венчур Стар - это проект для околоземной орбиты, а новое направление, заданное НАСА исключает разработки ракетно-космических систем доя околоземной орбиты.
В третьих, НАСА тянет бабло на SLS/Orion, что исключает параллельную разработку.
Но допустить, чтобы Локхид довел до эксплуатации проект Венчур Стар - расписаться в собственной, по меньшей мере, некомпетентности. Если не в умышленном саботаже.
Есть пример другой.
Когда-то НАСА задумали сделать мини-шаттлы. Scaled Composites, Orbital и Boeing сделали X-34, Х-37, Х-38 и Х-40А. Как водится, НАСА проект закрыла.
Но Пентагон забрал себе Х-37 и теперь летает Х-37В.
А могли быть и пилотируемый Х-38 (орбитальный образец был готов на 90%), и пара автоматических кораблей.
А вот с Х-33 облом.
Construction of the prototype was some 85% assembled with 96% of the parts and the launch facility 100% complete when the program was canceled by NASA in 2001. NASA had invested $922 million in the project before cancellation, and Lockheed Martin a further $357 million.
Локхид пытался реанимировать проект, но НАСА пригрозила неприятностями. А ведь это реально SSTO. Single Stage To Orbit.
В этом смысле НАСА тоже является субподрядчиком правительства, как и любое государственное предприятие. Впрочем, в каждом случае условия могут быть определены индивидуально.
Наверняка в загашниках любого предприятия есть нереализованные или частично реализованные интересные проекты, на которые не хватило денег, времени, возможностей, готовности рынка... У меня тоже есть инструменты, которыми я пользуюсь раз в несколько лет. :)
NASA had invested $922 million in the project before cancellation, and Lockheed Martin a further $357 million.
Локхид хотел бы закончить проект, ввести в эксплуатацию корабль. НАСА не дает!
Есть надежда, что Трамп разгонит Юнайтед Альянс. У Локхида фактически не останется болевых точек, на которые НАСА могло бы надавить. Может быть тогда они и вернутся к Венчур Стар. Да с современными материалами, да с новейшими технологиями... Они были бы весьма конкурентоспособны на околоземной орбите.
А НАСА может только дурить правительству голову тем, что перспективный проект может уплыть из-под госконтроля в частные руки.
Вам больше нравятся частные, но ваше мнение может не совпадать с мнением чиновников.
Мое мнение точно не совпадает с мнением чиновников. НАСА давно превратилась в бюрократическую кормушку. Но похоже, что сейчас начинаются перемены. Очень надеюсь, что новая доктрина Трампа начнет отбирать у НАСА рычаги управления. В конце-концов, НАСА должно быть агентством для осуществления научных программ, которые оплачиваются государством, а не регулятором космической отрасли. Частные компании выросли из детских штанишек. Они быстрее и гибче, они доводят проекты до эксплуатации, не бросают их на стадии 90% сборки орбитального аппарата.
НАСА стала тормозом на пути развития технологий. И в этом ключ