Расширяющееся сопло — это тип ракетного сопла , которое, в отличие от традиционных конструкций, сохраняет свою эффективность в широком диапазоне высот. Оно относится к классу сопел с компенсацией высоты , который также включает в себя сопло -заглушку и аэроспайк . Хотя расширяющееся сопло является наименее технически продвинутым и самым простым для понимания с точки зрения моделирования, оно также представляется наиболее сложной конструкцией для изготовления.
В традиционном сопле-колоколе юбка двигателя имеет форму, постепенно расширяющуюся от выхода малого диаметра из камеры сгорания, увеличиваясь по мере удаления от камеры. Основная идея заключается в снижении давления выхлопных газов путем их расширения в сопле до тех пор, пока они не достигнут давления окружающего воздуха на выходе. Для операций на уровне моря юбка, как правило, короткая и сильно наклонная, по крайней мере, по сравнению с юбкой, предназначенной для операций в космосе, которая длиннее и имеет более плавную форму. Это означает, что ракетный двигатель, который проводит значительное количество времени, поднимаясь в атмосфере, не может быть оптимально сформирован; по мере того, как он поднимается, давление окружающей среды меняется, поэтому точная форма и длина юбки должны будут измениться, чтобы поддерживать надлежащее давление. Конструкторы ракет должны выбрать золотую середину, которая наиболее соответствует их потребностям, понимая, что это снизит тягу на целых 30% на других высотах.
Расширяющееся сопло решает эту проблему в определенной степени, включая две юбки на одном двигателе, одну внутри другой. Первая юбка, прикрепленная непосредственно к камере сгорания , предназначена для использования на более низких высотах и является короткой и приземистой. Вторая, расположенная снаружи первой, надевается на нижний высотный колокол, чтобы расширить его в более длинный и узкий (измеренный по длине) колокол, используемый для более высоких высот. При взлете внешний колокол вытягивается вверх из внутреннего колокола, в сторону от выхлопа. По мере того, как космический корабль поднимается, внешний колокол опускается вниз над внутренним колоколом, чтобы увеличить эффективность тяги. Таким образом, расширяющееся сопло может иметь две зоны наилучшего восприятия, что может привести к значительному улучшению общей производительности.
В целом простая по концепции, расширяющаяся форсунка значительно сложнее в изготовлении, чем может показаться. Колокола двигателя должны охлаждаться, чтобы избежать повреждений от горячего ракетного выхлопа, и это создало проблемы в конструкциях расширяющихся сопел. Охлаждение обычно достигается путем подачи либо окислителя, либо топлива (в случае двигателей, работающих на топливе LH2 ) через трубки в колоколе. При движении колокола трубопровод, подающий охлаждающую жидкость к колоколу, должен быть гибким, и это увеличивает сложность до такой степени, что преимущества конструкции часто считаются слишком дорогими. В случае жидкого водорода жидкость также имеет недостаток в том, что она является высокореактивной в химическом отношении, что делает различные обычные гибкие материалы непригодными для использования в этой роли.
По вышеупомянутым причинам современные конструкции (например, NK- 33-1, RL-10 A-4 и RL-10B-2) оснащены сопловыми удлинителями из армированного углерод-углеродного сплава с радиационным охлаждением, не требующими вообще никакой подводки охлаждающей жидкости.
Первая конструкция двигателя, включающая расширяющееся сопло, по-видимому, Pratt & Whitney XLR-129 . XLR-129 предназначался для самолета McDonnell Aircraft с планирующим двигателем, который был представлен в рамках исследования проекта ISINGLASS (или RHEINBERRY), изучающего последующие конструкции для замены Lockheed A-12 , который только что поступил на вооружение. Это была конструкция с жидким кислородом / жидким водородом , которая использовала ступенчатое сгорание и создавала тягу около 250 000 фунтов силы (1100 кН). Увеличенная версия XLR-129 была предложена для конкурса на главный двигатель Space Shuttle , но его выиграл RS-25 , увеличенный Rocketdyne HG-3 . Поскольку эти двигатели запускаются с точки старта в космический полет за пределами атмосферы, любая компенсация высоты может значительно улучшить их общую производительность. Позднее от расширяющегося сопла отказались в целях сокращения расходов, в результате чего производительность RS-25 на малых высотах снизилась на 25%. [1]
Глушко использовал расширяющееся сопло в одной из разработок — трехкомпонентной ракете РД-701 . Финансирование прекратилось с падением советского государства , но конструкторы убеждены, что у двигателя есть потенциал, и обратились к нескольким сторонам за дополнительным финансированием.