Почему двигатель Aerospike — это будущее ракет и космических полетов

Инновационный ракетный двигатель может произвести революцию в космическом полете в том виде, в котором мы его знаем.

Ракеты практически не изменились с момента их появления в 20 веке. От «Аполлона-11» в 1969 году до миссий SpaceX Falcon Heavy, начавшихся в 2018 году, оба приводились в движение ракетами с колоколообразными соплами. Таким образом, эта конструкция не только проверена и надежна, но и достаточно надежна, чтобы вывести космический корабль за пределы орбиты Земли. Но что, если бы существовал способ получше?

Те, кто стоит за созданием ракетного двигателя «аэроспайк», безусловно, верят в это. Эта относительно инновационная концепция обещает извлечь выгоду из недостатков первых ракет с колоколообразным соплом, которые были неэффективными, дорогими и тяжелыми. Инженеры экспериментировали с концепцией аэроспайкового двигателя с 1950-х годов, но интерес снова возобновился в начале 2000-х годов, когда НАСА представило проект X-33. Фактически, только в этом году немецкие военные недавно заключили контракт с Polaris, небольшим стартапом, испытывающим новый линейный ракетный двигатель.

Прежде чем мы начнем, давайте поговорим о том, как работают обычные ракеты и как аэроспайк может вывести нас на новый уровень. Если это еще не было очевидно, все ракеты должны использовать сопло того или иного типа для ускорения горячего выхлопа для создания тяги. Само сопло представляет собой не что иное, как трубку особой формы, через которую могут проходить горячие газы.

Вся ракетная техника действует согласно третьему закону движения Ньютона:

На фото выше обычные колоколообразные сопла ракеты, также известные как сужающиеся-расходящиеся сопла, на космическом корабле «Дискавери». Как следует из названия, сопло сходится к точке защемления и продолжает расходиться и расширяться к выходу. Размер точки схождения (также известной как горловина сопла) можно изменить, чтобы настроить величину тяги, создаваемой ракетой; этот процесс критически важен, поскольку такая конструкция обеспечивает разные уровни производительности на разных высотах.

Это означает, что размер горловины сопла необходимо выбирать так, чтобы обеспечить оптимальную производительность во время цикла горения по мере набора высоты космического корабля. «По сути, вы выбираете лучшую рабочую высоту… а затем понимаете, что когда вы доберетесь до большой высоты, ваша эффективность снизится, поскольку вы не наберете всю возможную скорость», — говорит Стивен Уитмор, профессор машиностроения и аэрокосмической техники. в Университете штата Юта. Это заметный недостаток конструкции колоколообразного сопла, который вынуждает инженеров идти на компромисс с размером горловины сопла.

Колпаковое сопло на самом деле более эффективно в космосе, чем у поверхности Земли. Это связано с тем, что давление воздуха в нашей атмосфере подавляет тягу, создаваемую любой конкретной ракетой, то есть они производят большую тягу в космосе, чем на Земле.

Узнайте больше в этом видео:

Двигатель аэроспайка, в частности конический аэроспайк, очень похож на обычную ракету и работает, по сути, по тому же принципу: обмен тепловой энергии на кинетическую. На поперечном сечении выше вы увидите, что аэроспайк использует, ну, секцию в форме шипа, которая помещается внутри того места, где должна быть расходящаяся часть раструбного сопла. «Он заменяет эту фиксированную границу свободной границей… вместо колоколообразной формы, являющейся внешней границей, это внутренняя граница, на которую вы наталкиваетесь», — говорит Уитмор.

Возможно, вы также видели линейный аэроспайковый двигатель, который, по сути, представляет собой конический аэрошип, развернутый и сплющенный. Такая конфигурация использовалась для проекта Х-33, так как она лучше соответствовала плоской форме космического корабля. «Линейный аэроспайк X-33 был основан на том, как выглядела база X-33», — говорит Уитмор.

По сути, это раструбная насадка, перевернутая вверх дном и наизнанку. Это означает, что насадка аэроспайка может быть не только меньше, чем насадка колокола, но и может гораздо эффективнее компенсировать высоту. Это приводит к значительному снижению падения производительности при катапультировании ракеты к внешним краям земной атмосферы.