Двигатель аэроспайка — это тип ракетного двигателя , который сохраняет свою аэродинамическую эффективность в широком диапазоне высот . [1] Он относится к классу двигателей с компенсирующим соплом высоты . [2] Двигатели аэроспайка были предложены для многих конструкций одноступенчатых ракет-носителей (SSTO). Они были претендентом на главный двигатель Space Shuttle . Однако по состоянию на 2023 год ни один такой двигатель не находился в коммерческом производстве, хотя некоторые крупномасштабные аэроспайки находились на стадии испытаний. [3]
Термин «аэроспайк» изначально использовался для обозначения усеченного сопла-заглушки с грубым коническим сужением и некоторым впрыском газа, образующим «воздушный шип», чтобы компенсировать отсутствие хвоста заглушки. Однако полноразмерное сопло-заглушку также может называться аэроспайком.
Целью любого раструба двигателя является направление выхлопа ракетного двигателя в одном направлении, создавая тягу в противоположном направлении. Выхлоп, высокотемпературная смесь газов, имеет фактически случайное распределение импульса (т. е. выхлоп толкает в любом направлении, в котором может). Если выхлопу позволить выходить в таком виде, только небольшая часть потока будет двигаться в правильном направлении и, таким образом, способствовать прямой тяге. Раструб перенаправляет выхлоп, движущийся в неправильном направлении, так что он создает тягу в правильном направлении. Давление окружающего воздуха также оказывает небольшое давление на выхлоп, помогая ему двигаться в «правильном» направлении, когда он выходит из двигателя. По мере того, как транспортное средство движется вверх через атмосферу, давление окружающего воздуха уменьшается. Это заставляет выхлоп, создающий тягу, расширяться за пределами края раструба. Поскольку этот выхлоп начинает двигаться в «неправильном» направлении (т. е. наружу от основного выхлопного шлейфа), эффективность двигателя снижается по мере движения ракеты, потому что этот выходящий выхлоп больше не способствует тяге двигателя. Аэрокосмический ракетный двигатель стремится устранить эту потерю эффективности. [1]
Вместо того, чтобы выпускать выхлопные газы из небольшого отверстия в середине колокола, двигатель Aerospike избегает этого случайного распределения, выпуская газ вдоль внешнего края клиновидного выступа, «шипа», который выполняет ту же функцию, что и традиционный колокол двигателя. Шип образует одну сторону «виртуального» колокола, а другая сторона образована наружным воздухом. [1]
Идея конструкции аэроспайка заключается в том, что на малой высоте давление окружающей среды сжимает выхлопные газы против шипа. Рециркуляция выхлопных газов в базовой зоне шипа может повысить давление в этой зоне почти до атмосферного. Поскольку давление перед транспортным средством равно атмосферному, это означает, что выхлопные газы у основания шипа почти уравновешиваются сопротивлением, испытываемым транспортным средством. Он не создает общей тяги, но эта часть сопла также не теряет тягу, образуя частичный вакуум. Тягу в базовой части сопла можно игнорировать на малой высоте. [1]
По мере того, как транспортное средство поднимается на большую высоту, давление воздуха, удерживающее выхлопные газы против шипа, уменьшается, как и сопротивление перед транспортным средством. Зона рециркуляции у основания шипа поддерживает давление в этой зоне на уровне доли 1 бара , что выше, чем почти вакуум перед транспортным средством, тем самым давая дополнительную тягу по мере увеличения высоты. Это фактически ведет себя как «компенсатор высоты», поскольку размер колокола автоматически компенсирует падение давления воздуха. [1]
Недостатками аэроспайков, по-видимому, являются дополнительный вес для шипа. Кроме того, большая охлаждаемая площадь может снизить производительность ниже теоретического уровня за счет снижения давления на сопло. Аэроспайки работают относительно плохо между Маха 1–3, где поток воздуха вокруг транспортного средства снижает давление, тем самым уменьшая тягу. [4]
Существует несколько версий конструкции, различающихся по форме. В тороидальном аэроспайке шип имеет форму чаши, а выхлоп выходит по кольцу вокруг внешнего обода. Теоретически для лучшей эффективности требуется бесконечно длинный шип, но, выдувая небольшое количество газа из центра более короткого усеченного шипа (как донцеобразный выброс в артиллерийском снаряде), можно добиться чего-то похожего.
В линейном аэроспайке шип состоит из конической клиновидной пластины с выхлопом, выходящим с обеих сторон на «толстом» конце. Преимущество этой конструкции в том, что она штабелируемая, что позволяет размещать несколько меньших двигателей в ряд, чтобы создать один более крупный двигатель, одновременно увеличивая производительность рулевого управления с использованием индивидуального управления дроссельной заслонкой двигателя.
Rocketdyne провела длительную серию испытаний в 1960-х годах на различных конструкциях. Более поздние модели этих двигателей были основаны на их высоконадежном двигателе J-2 и обеспечивали тот же уровень тяги, что и обычные двигатели, на которых они были основаны; 200 000 фунтов силы (890 кН ) в J-2T-200k и 250 000 фунтов силы (1,1 МН) в J-2T-250k (T относится к тороидальной камере сгорания). Тридцать лет спустя их работа была возрождена для использования в проекте NASA X -33 . В этом случае слегка модернизированный двигатель J-2S использовался с линейным шипом, создавая XRS-2200 . После дополнительных разработок и значительных испытаний этот проект был отменен, когда композитные топливные баки X-33 неоднократно выходили из строя.
Три двигателя XRS-2200 были построены в ходе программы X-33 и прошли испытания в Космическом центре имени Стенниса НАСА . Испытания одного двигателя прошли успешно, но программа была остановлена до завершения испытаний двухдвигательной установки. XRS-2200 выдает тягу 204 420 фунтов силы (909 300 Н) с I sp 339 секунд на уровне моря и тягу 266 230 фунтов силы (1 184 300 Н) с I sp 436,5 секунд в вакууме.
Двигатель RS-2200 Linear Aerospike [5] был создан на основе XRS-2200. RS-2200 должен был стать двигателем одноступенчатого орбитального аппарата VentureStar . В последней конструкции семь двигателей RS-2200, каждый из которых развивал тягу в 542 000 фунтов силы (2410 кН), должны были вывести VentureStar на низкую околоземную орбиту. Разработка RS-2200 была официально прекращена в начале 2001 года, когда программа X-33 не получила финансирования от Space Launch Initiative . Lockheed Martin решила не продолжать программу VentureStar без какой-либо финансовой поддержки от NASA. Двигатель этого типа выставлен на открытом воздухе на территории Центра космических полетов имени Маршалла NASA в Хантсвилле, штат Алабама.
Отмена Lockheed Martin X-33 федеральным правительством в 2001 году снизила доступность финансирования, но двигатели аэроспайка остаются областью активных исследований. Например, важный этап был достигнут, когда совместная академическая/промышленная группа из Калифорнийского государственного университета в Лонг-Бич (CSULB) и Garvey Spacecraft Corporation успешно провела летные испытания жидкостного ракетного двигателя аэроспайка в пустыне Мохаве 20 сентября 2003 года. Студенты CSULB разработали свою ракету Prospector 2 (P-2) с использованием 1000-фунтового ( 4,4 кН) жидкостно-этанольного двигателя аэроспайка. Эта работа над двигателями аэроспайка продолжается; Prospector-10, десятикамерный двигатель аэроспайка, был испытан 25 июня 2008 года. [6]
Дальнейший прогресс наступил в марте 2004 года, когда два успешных испытания, спонсируемых Исследовательским центром NASA Dryden Flight Research Center, с использованием мощных ракет, произведенных Blacksky Corporation, базирующейся в Карлсбаде, Калифорния . Аэродинамические сопла и твердотопливные ракетные двигатели были разработаны и построены подразделением ракетных двигателей Cesaroni Technology Incorporated, к северу от Торонто, Онтарио. Две ракеты работали на твердом топливе и были оснащены неусеченными тороидальными аэродинамическими соплами. Запущенные в Центре аэрокосмических разработок округа Пекос, Форт-Стоктон, Техас, ракеты достигли апогея 26 000 футов (7 900 м) и скорости около 1,5 Маха .
Члены Общества по исследованию реакций продолжают разработку малогабаритного аэродинамического двигателя с использованием гибридной конфигурации ракетного топлива .
В 2020 году Технический университет Дрездена и Институт Фраунгофера IWS начали свой проект CFDμSAT для исследования аддитивно изготовленных аэроспайковых двигателей. Прототип уже был испытан в испытательной камере в Институте аэрокосмической техники Технического университета Дрездена, достигнув времени горения 30 секунд. [7]
В июле 2014 года Firefly Space Systems объявила о своем запланированном пусковом устройстве Alpha, которое использует двигатель Aerospike для своей первой ступени. Предназначенный для рынка запуска малых спутников, он предназначен для запуска спутников на низкую околоземную орбиту (LEO) по цене 8–9 миллионов долларов США, что намного ниже, чем у обычных пусковых установок. [8]
Firefly Alpha 1.0 был разработан для перевозки полезных грузов весом до 400 килограммов (880 фунтов). Он использует углеродные композитные материалы и использует одну и ту же базовую конструкцию для обеих ступеней. Двигатель с вилкой-кластером Aerospike выдает 90 000 фунтов силы (400 кН) тяги. Двигатель имеет сопло в форме колокола, которое было разрезано пополам, затем растянуто, чтобы сформировать кольцо, при этом половина сопла теперь образует профиль вилки. [8]
Эта конструкция ракеты так и не была запущена. От конструкции отказались после банкротства Firefly Space Systems. Новая компания Firefly Aerospace заменила двигатель Aerospike на обычный двигатель в конструкции Alpha 2.0. Однако компания предложила Firefly Gamma — частично многоразовый космический самолет с двигателями Aerospike.
В марте 2017 года ARCA Space Corporation объявила о своем намерении построить одноступенчатую орбитальную (SSTO) ракету под названием Haas 2CA , использующую линейный аэроспайковый двигатель. Ракета предназначена для отправки до 100 кг на низкую околоземную орбиту по цене 1 миллион долларов США за запуск. [9] Позже они объявили, что их двигатель Executor Aerospike будет производить 50 500 фунтов силы (225 кН) тяги на уровне моря и 73 800 фунтов силы (328 кН) тяги в вакууме. [10]
В июне 2017 года ARCA объявила, что они запустят в космос свою ракету Demonstrator3, также используя линейный аэроспайковый двигатель. Эта ракета была разработана для испытания нескольких компонентов их Haas 2CA по более низкой цене. Они объявили о полете в августе 2017 года. [9] В сентябре 2017 года ARCA объявила, что после задержки их линейный аэроспайковый двигатель готов к проведению наземных испытаний и летных испытаний на ракете Demonstrator3. [9]
20 декабря 2019 года ARCA провела испытания парового ракетного двигателя LAS 25DA для системы помощи при запуске. [11]
Другая модель концепта двигателя-шипа, разработанная KSF Space и Interstellar Space в Лос-Анджелесе, была разработана для орбитального корабля под названием SATORI. Из-за отсутствия финансирования концепция до сих пор не разработана. [12]
Rocketstar планировала запустить свою 3D-печатную ракету Aerospike на высоту 50 миль в феврале 2019 года, но отменила миссию за три дня до старта, сославшись на проблемы безопасности. Они работают над второй попыткой запуска. [13]
В ноябре 2021 года испанская компания Pangea Aerospace начала огневые испытания своего малогабаритного демонстрационного метан-кислородного двигателя DemoP1. [14] [15]
После успешного тестирования демонстрационного образца DemoP1 компания Pangea планирует масштабировать его до двигателя ARCOS мощностью 300 кН. [16]
Компания Stoke Space, головной офис которой находится в Кенте, штат Вашингтон, занимается созданием и тестированием распределенной архитектуры системы аэродинамических спайков LH2/LOX для своей многоразовой второй ступени. [17]
Базирующийся в Бремене немецкий стартап POLARIS Raumflugzeuge GmbH получил контракт Бундесвера на разработку и летные испытания линейного аэродинамического двигателя в апреле 2023 года. Компания собирается испытать этот новый двигатель на борту своего четвертого демонстратора космического самолета DEMO-4 MIRA в конце 2023 года [18] [19] в Пенемюнде [20] , где были разработаны ракеты V-2 .
Первоначальный демонстрационный образец MIRA был катастрофически поврежден в результате аварии на взлетно-посадочной полосе в феврале 2024 года. [21]
29 октября 2024 года компания первой в истории запустила двигатель аэроспайка в полете над Балтийским морем, приведя в действие четырехмоторный, работающий на керосине, турбореактивный демонстратор MIRA-II. Испытание включало трехсекундное горение для сбора данных с минимальной нагрузкой на двигатель. Аппарат достиг ускорения 4 м/с², создав 900 ньютонов тяги. [22] [23]
Команда Bath Rocket Team, базирующаяся в Университете Бата , разрабатывает собственный гибридный ракетный двигатель с аэродинамическим соплом с 2020 года. Впервые двигатель был испытан на национальном конкурсе двигателей UK Race to Space в 2023 году. [24] Команда разрабатывает готовую к полету версию двигателя, которую они планируют впервые запустить на EuRoC24 . [25]
SpaceFields, инкубатор IISc, успешно испытал первый индийский ракетный двигатель AeroSpike на своем объекте в Чаллакере 11 сентября 2024 года. Двигатель достиг пиковой тяги 2000 Н и имел функцию компенсации высоты для оптимальной эффективности. [26]
