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

Реактивная струя на малой высотеРеактивная струя двигателей в момент MaxQ

Реактивная струя на высоте ~50 км

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

CSULB aerospike engine

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.

XRS-2200 aerospike engine

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

новый аэроспайк от Светлячков

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.