Aerospike

Testul motorului liniar aerospike XRS-2200 pentru programul X-33

Motorul aerospike este un tip de motor rachetă care își menține eficiența aerodinamică pe o gamă largă de altitudine datorită utilizării unei duze aerospike, care este capabilă să compenseze efectele altitudinii. O aeronavă echipată cu acest motor folosește cu 25% -30% mai puțin combustibil la altitudini mici, unde majoritatea misiunilor au nevoie de un impuls maxim. Motoarele aerospike au fost cercetate de mulți ani și sunt alegerea principală pentru multe modele de aeronave cu o singură etapă pe orbită (SSTO); au fost principala alternativă pentru motorul principal al Navetei Spațiale . Cu toate acestea, în prezent nu sunt utilizate motoare aerospike sau produse comercial. Cele mai bune motoare aerospike sunt încă în faza de testare. ^[1]

Terminologia tehnică din acest domeniu este încă confuză: termenul aerospike a fost inițial folosit pentru a desemna o duză troncoconică în care a fost injectat un „dop de aer” pentru a compensa lipsa vârfului conului.

Proiecte convenționale

Conceptul de bază al oricărei duze tradiționale pentru rachete cu clopot este extinderea eficientă a gazelor arse prin accelerarea acestora într-o singură direcție. Masa gazelor de ardere după ardere are un impuls substanțial aleatoriu: dacă s-ar extinde fără ghidare, doar o mică parte ar contribui la împingerea rachetei. Duza clopotului limitează gazele lateral, permițându-le să se extindă până la o presiune egală cu cea externă (condiții de proiectare).

Problema cu această abordare este că funcționează bine doar pentru o anumită presiune atmosferică externă: dacă presiunea aerului la ieșirea duzei este mai mică decât cea proiectată, eficiența scade datorită componentelor radiale ale jetului la ieșire. , dacă presiunea externă este mai mare, se dezvoltă turbulențe în fluxul de gaze de eșapament și vibrații mecanice ale duzei în sine. Un vehicul rachetă la sol vede eficiența rachetei sale scăzând cu 30% pe măsură ce se ridică la altitudine.

Principii

Diferența dintre o duză cu clopot și o duză aerospike.

Un motor rachetă normal folosește o duză cu clopot pentru a conduce expansiunea gazelor arse, crescând forța utilă și, prin urmare, accelerația pe care o poate conferi vehiculului. Designul ideal al duzei este diferit în funcție de presiunea externă în care trebuie să funcționeze: la presiuni scăzute (în atmosfera superioară) este necesar un clopot destul de mare, în timp ce la presiuni mai mari, cum ar fi la sol, un clopot mult mai mic E deajuns. Pierderea de eficiență rezultată dintr-o duză incorectă poate fi semnificativă: de exemplu, motorul principal al navei spațiale are o viteză a gazelor de eșapament de 4.400 de metri pe secundă în spațiu, dar doar 3.500 la nivelul mării. Duza clopotului unui motor rachetă este proiectată ca o funcție a presiunii atmosferice medii în care va funcționa motorul și este o alegere foarte importantă în orice proiectare a motorului.

Aerospike încearcă să elimine această problemă la rădăcina sa. În loc să lase gazele de ardere să scape dintr-o mică gaură din partea superioară a clopotului, acestea sunt alunecate de-a lungul suprafeței exterioare a unei pene conice, „vârful”, care are aceeași curbură ca și suprafața interioară a unei duze tradiționale de clopot: gazele sunt comprimate între suprafața vârfului și aceeași presiune atmosferică externă, de unde și denumirea de aero-vârf .

Partea finală trunchiată a vârfului este umplută la mică altitudine de turbulența gazelor de eșapament (și, în unele modele, de eșapamentul turbopompelor motoarelor) care aduc presiunea din acea zonă aproape la nivelul celei externe; prin urmare, nu acționează ca o frână aerodinamică, așa cum ar fi dacă s-ar forma un vid parțial acolo, în timp ce la altitudini mai mari problema devine relevantă.

Pe măsură ce vehiculul crește, presiunea aerului scade, permițând gazelor arse să se extindă mai mult, dar și presiunea din partea de sus a motorului scade, astfel încât efectul general este puțin mai mic. Pe de altă parte, zona de recirculare sub partea trunchiată a vârfului menține o presiune de o fracțiune consistentă de 1 bar , care nu se opune aproape vidului în care se deplasează vehiculul și astfel crește forța generală a motorului la altitudini mari. În teorie, aerospike-ul este puțin mai puțin eficient decât o duză cu clopot concepută pentru o altitudine dată, dar se dovedește mai eficientă la orice altitudine. Modelele tipice de aerospike se laudă constant cu o eficiență mai mare de 90% la toate altitudinile.

Dezavantajele aerospicelor sunt greutatea crescută a motorului, atât pentru vârf, cât și pentru sistemul de răcire care împiedică topirea suprafeței în contact cu fluxul gazos. Mai mult, răcirea suprafeței elimină căldura (și, prin urmare, viteza) din gaze, reducând presiunea. În plus, motoarele aerospike au performanțe mai slabe în gama de viteze Mach 1 până la Mach 3, unde fluxul aerodinamic tinde să se detașeze de vehicul, reducând eficiența. ^[2]

Variante

Există multe variante ale designului original, care constau în cea mai mare parte din vârfuri de formă diferită. În aerospike toroidal, vârful are forma unui bol, în timp ce gazele de eșapament ies dintr-un inel în jurul marginii exterioare. În teorie, acest design ar necesita un vârf infinit de lung, dar eficiența acceptabilă poate fi obținută prin pomparea gazului din centrul unui vârf mai scurt și trunchiat.

Aerospike liniar normal, în care vârful este o pană conică în care gazele ies din partea sa groasă și curg de-a lungul suprafețelor laterale curbate, are avantajul de a putea fi utilizat în baterie: este posibil să motorul aerospike montând pe rând multe aerospike liniare mici. În acest fel, girația aeronavei poate fi controlată prin variația individuală a puterii motoarelor componente individuale.

Performanţă

Rocketdyne a efectuat o serie lungă de teste pe diferite modele în anii 1960. Proiectele ulterioare s-au bazat pe mecanica fiabilă și dovedită a motorului lor J-2 și au produs aceeași tracțiune ca și motorul convențional pe care se bazau: 890 kN pentru J-2T-200K și 1,1 MN pentru j-2T- 250K (T se referă la camera de ardere, care era toroidală). Treizeci de ani mai târziu, opera lui Rocketdyne a fost eliminată de NASA pentru a fi utilizată în programul X-33 . În această versiune s-a folosit mecanica J-2S, ușor îmbunătățită, dând viață prototipului XRS-2200 . După multe testări și dezvoltare ulterioară, programul X-33 a fost anulat din cauza eșecului continuu al rezervorului compozit.

Trei motoare XRS-2200 au fost construite în timpul programului X-33, toate testate la Centrul Spațial Stennis al NASA. Testele individuale ale motorului au avut succes, dar programul a fost întrerupt înainte ca prototipul cu două motoare să fie gata. XRS-2200 produce 910 kN de forță cu I _sp de 339 secunde la nivelul mării și 1.184 MN cu I _sp de 436,5 secunde în vid.

Motorul RS-2200 mai mare provine, de asemenea, de la XRS-2200 și trebuia să echipeze vehiculul SSTO VentureStar . În cel mai recent proiect, șapte motoare RS-2200 trebuiau să dezvolte fiecare 2,4 MN și să permită VentureStar să pătrundă pe orbita scăzută a Pământului. Dezvoltarea RS-2200 a fost oprită oficial la începutul anului 2001, când programul X-33 nu a primit fonduri pentru Inițiativa de lansare spațială : Lockheed Martin a decis să nu continue dezvoltarea VentureStar fără sprijin financiar de la NASA.

Deși anularea modelului X-33 a fost o lovitură pentru tehnologia aerospike, nu a oprit dezvoltarea sa. S-a atins un moment important în 2003, când o echipă comună de cercetare academică și industrială de la Universitatea de Stat din California, Long Beach (CSULB) și Garvey Spacecraft Corporation au finalizat cu succes zborul de testare a unui motor aerospike cu propulsor lichid, 20 septembrie în deșertul Mojave . Studenții CSULB își construiseră racheta P-2 (Prospector 2) cu un motor aerospike de 4,4 kN LOX / etanol. Lucrările la acest motor continuă până în prezent: Prospector 10, o versiune cu 10 camere, a fost testat cu succes pe 25 iunie 2008. ^[3]

Duză aerospike toroidală NASA

Au fost înregistrate progrese suplimentare în martie 2004, când două teste au fost finalizate cu succes la centrul de cercetare Dryden Flight al NASA folosind rachete la scară mică fabricate de Blacksky Corporation din Carlsbad . Cele două rachete au fost trase cu combustibil solid și echipate cu duze aerospike toroidale non-trunchiate la capăt. Rachetele au atins o altitudine de 26.000 de picioare și viteze de aproximativ Mach 1,5.

Dezvoltarea motoarelor aerospike la scară mică folosind o rachetă hibridă a fost realizată de membrii Societății de cercetare a reacției . Un nou grup de cercetare și dezvoltare numit StoffelCorp Aerospace (Sasquatch Aerospace Research & development) a dezvoltat recent și a efectuat cu succes teste statice ale unei rachete hibride echipate cu o duză aerospike în iulie 2006. Au continuat testele statice și de zbor ale motoarelor rachete hibride cu aerospike. din 2008.