КЛИНОВОЗДУШНЫЕ РАКЕТНЫЕ ДВИГАТЕЛИ - ПЕРСПЕКТИВНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ДЛЯ ОДНОСТУПЕНЧАТОЙ СИСТЕМЫ ВЫВЕДЕНИЯ ГРУЗА НА ОРБИТУ Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Секция

«ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И ПРОИЗВОДСТВО РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ ДВОЙНОГО НАЗНАЧЕНИЯ»

УДК 621.454.2

КЛИНОВОЗДУШНЫЕ РАКЕТНЫЕ ДВИГАТЕЛИ - ПЕРСПЕКТИВНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ДЛЯ ОДНОСТУПЕНЧАТОЙ СИСТЕМЫ ВЫВЕДЕНИЯ ГРУЗА

НА ОРБИТУ

*

Р. В. Афанасьев , А. В. Кравченко

Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева

Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газеты «Красноярский рабочий», 31

*

E-mail: [email protected]

Рассматриваются клиновоздушные ракетные двигатели как технология для одноступенчатой РКТ, принцип их работы, история создания, достоинства и недостатки, а также возможные способы решения проблем КВРД.

Ключевые слова: клиновоздушный ракетный двигатель (КВРД), сопло Лаваля, одноступенчатая система выведения, РКТ двойного назначения.

AEROSPIKE ENGINES - PERSPECTIVE TECHNOLOGY FOR SINGLE STAGE LAUNCH SYSTEM

R. V. Afanasyev*, A. V. Kravchenko

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology

31, Krasnoyarskii rabochii prospekt, Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation

*

E-mail: [email protected]

Aerospike rocket engine as technology for single stage RST, its principle of work, history of the development, advantages and disadvantages, and also possible ways of solve problems of aerospike.

Keywords: aerospike rocket engine, de Laval nozzle, single stage launch system, double appointment RST.

В мировой космонавтике для ракет-носителей применяются два типа двигателей: твердотопливные и жидкостные (ЖРД). Первые, как правило, используются в качестве разгонных блоков на первых ступенях ракет. Их главным недостатком является невозможность дистанционно контролировать процесс работы двигателя, а также невозможность его многократного включения и выключения. Жидкостные ракетные двигатели позволяют контролировать уровень тяги и её вектор, однако мы не можем использовать один и тот же двигатель на старте и за пределами плотных слоев атмосферы. По этой причине пока что не представляется возможным создание одноступенчатой системы выведения груза на орбиту. Для решения этой задачи уже несколько десятилетий разрабатываются клиновоздушные ракетные двигатели (КВРД или aerospike).

В теории аэроспайк имеет относительно высокий КПД при подъёме ракеты в атмосфере, так как его форма практически идеальна для истечения газов на любой высоте. Идея КВРД состоит в том, что, если смотреть на двигатель в разрезе, роль одной из стенок сопла играет

Секция «Перспективные технологии и производство РКТ двойного назначения»

окружающее давление, то есть на малой высоте с одной стороны поток газа как бы прижимается к выступающему клину окружающим воздухом. Таким образом, в отличие от обычного ЖРД с соплом Лаваля, в котором поток газа ограничен с двух сторон жесткой стенкой, Квлиновоздушный двигатель лишен проблемы срыва потока на малых высотах. На больших же высотах, при уменьшении окружающего давления, прижимная сила воздуха падает, что, по сути, заставляет виртуальную стенку сопла изменять свою геометрию, позволяя аэроспайку оставаться эффективным на большом диапазоне высот [1]. Большинство сопел КВРД выполнены в виде плоского клина. Поток выхлопных газов в таком варианте проходит через теплообменник, что позволяет создать на срезе сопла зону высокого давления или зону рециркуляции (turbine exhaust recirculation zone). Она как бы продолжает конструкцию сопла и придаёт двигателю чуть больше тяги на больших высотах [2].

Есть две основные модификации КВРД: тороидальные и линейные. У первого камеры сгорания расположены вокруг одного клиновидного сопла круглой формы. У линейного несколько расположенных с двух сторон камер сгорания, выхлоп из которых идёт вдоль плоского клиновидного сопла [4].

Впервые разрабатывать клиновоздуный двигатель начали ещё в 60-е года прошлого века в американской компании «Rocketdyn». Тогда в США была построена и испытана модификация ЖРД J-2, приводившего в движение вторую ступень ракеты Сатурн-5, J-2T. J-2T-200k обладал тягой 890 кН, а ЖРД J-2T-250k - 1,1 МН. Но эти разработки остались невостребованными, так как NASA запустило программу «space shuttle» [4]. К идее клиновоздушного двигателя вернулись спустя 30 лет в рамках проекта X-33 -одноступенчатой системы запуска. Для неё был создан и испытан двигатель XRS-2200. Это двигатель развивал тягу почти 910 kH на уровне моря и 1.2 MH в вакууме. Также разрабатывался более крупный RS-2200 с тягой до 2.4 MH для проекта VentureStar, но, из-за технологических проблем, эти проекты не были доведены до конца [1].

Достоинства и недостатки КВРД. Как уже отмечалось выше, главным преимуществом аэроспайка перед обычным ЖРД является его эффективность на широком диапазоне высот, начиная от стартового стола и до космического вакуума. Клиновоздушный двигатель неплохо подходит для одноступенчатой системы выведения груза на низкую околоземную орбиту. Однако у КВРД есть несколько существенных недостатков. К ним относятся сложность конструкции, большой вес и перегрев. Они связаны с особенностью строения самого двигателя. Ещё одним недостатком аэроспайка является отсутствие данных с реальных полётов [1].

Несмотря на все трудности с клиновоздушным двигателем, развивающиеся технологии, возможно, могут помочь аэроспайкам найти своё место в ракетостроении. Например, технология ЗБ-печати позволит создавать формы каналов охлаждения или камер сгорания, которые невозможно создать традиционными методами. Другая технология, которая может быть применена наравне с ЗБ-печатью - клиновоздушный цикл с фазовым переходом (DEAN). DEAN берёт на себя самую большую проблему аэроспайков — нагрев, и применяет её в цикле с фазовым переходом. Цикл с фазовым переходом — это когда двигатель забирает жидкое топливо, которое охлаждает камеру сгорания, нагревает его до точки фазового перехода, а затем использует получившийся газ в турбонасосном агрегате для работы насосов [1]. Также снизить вес и улучшить удельные характеристики КВРД могут современные композитные материалы.

Подводя итог, можно сказать, что клинвоздушный ракетный двигатель до сих про остаётся очень перспективной технологией. КВРД может идеально подойти для РКТ двойного назначения, одноступенчатой ракеты или орбитального самолёта. Возможно, по мере развития технологий и материалов, концепция аэроспайка будет воплощена в реальном космическом аппарате.

Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2020. Том 1

Библиографические ссылки

1. Романов М. Сказание о клиновоздушных двигателях: насколько хорош аэроспайк? [Электронный ресурс]. URL: https://thealphacentauri.net/30782-o-klinivozdushnyh-dvigatelyah-aerospike/ (дата обращения: 05.03.2020).

2. Клиновоздушный ракетный двигатель [Электронный ресурс]. URL: https://ru. wikipedia.org/wiki/Kлинoвoздyшный_paкeтный_двигaтeль (дата обращения: 12.03. 2020).

3. История реактивных двигателей [Электронный ресурс]. URL: https://ru.wikipedia.org/ wiki/Иcтopия_peaктивныx_двигaтeлeй (дата обращения: 12.03.2020).

4. Клиновоздушный ракетный двигатель [Электронный ресурс]. URL: http://neane.ru/rus/7/ write/0238.htm (дата обращения: 12.03.2020).

5. Жидкостный ракетный двигатель [Электронный ресурс]. URL: https://www.wikizero. com/ru/%D0%96%D0%B8%D0%B4%D0%BA%D0%BE%D1%81%D1%82%D0%BD%D1%8B %D0%B9_%D1%80%D0%B0%D0%BA%D0%B5%D1%82%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D0 %B4%D0%B2%D0%B8%D0%B3%D0%B0%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C (дата обращения: 12.03.2020).

© Афанасьев Р. В., Кравченко А. В., 2020