Сказание о клиновоздушных двигателях: насколько хорош аэроспайк?

В закладки

Перевод большого материала Тима Додда, более известного как Everyday Astronaut. Осторожно, очень много текста!

То, что вы видите на изображении выше — ракетный двигатель. Для тех, кто вдруг не в курсе: ракетный двигатель это такая штука, которая преобразует энергию горения топлива в тягу. Чем больше энергии преобразуется, тем лучше. Одним из ключевых элементов в преобразовании энергии является большое колоколообразное сопло — оно здесь задействовано по самые помидоры. Чем ближе к выходу из сопла — тем меньше температура и давление. А скорость истечения выхлопных газов, наоборот, становится всё больше и больше. Так что было бы здорово иметь очень большое сопло.

Но есть один нюанс. Когда давление выхлопных газов на выходе из сопла становится ниже, чем давление окружающего воздуха, то этот самый окружающий воздух начинает сжимать выхлопные газы. Если давление выхлопных газов продолжит снижаться (а это несомненно произойдёт при увеличении сопла), то воздух начнёт сжимать выхлоп так сильно, что между потоком выхлопных газов и стенками сопла начнёт образовываться воздушная прослойка, существование которой в конечном итоге приведёт к возникновению случайных ударных волн и быстрой незапланированной разборке двигателя. 

А что если вывернуть существующую конструкцию сопла наизнанку таким образом, чтобы давление окружающего воздуха не сжимало выхлопные газы, выходящие из сопла? Изменить конструкцию так, чтобы давление само стало частью сопла?

Так ракетостроители и пришли к идее клиновоздушного ракетного двигателя. КВРД. Аэроспайк. Называйте как хотите. 

Аэроспайк должен будет иметь относительно высокий КПД во время подъёма ракеты в атмосфере, так как форма его сопла практически идеальна для истечения выхлопных газов на любой высоте. И в мире, где улучшение производительности двигателя на 1% считается инженерами большим прорывом, КВРД должен быть просто двигателем мечты!

На протяжении всей истории ракетостроения было создано множество клиновоздушных двигателей — это довольно сильно продвинуло наше понимание этого типа установок. Но ни один из них никогда не испытывался в полёте. Не говоря уже о том, чтобы использоваться в качестве двигателя для ракеты орбитального класса. Но если эти двигатели так хороши, то не должны ли ВСЕ использовать их на своих ракетах? Ну или хотя бы КТО-НИБУДЬ? Почему двигатели нового поколения (вроде  Raptor от SpaceX) — не клиновоздушные?

В этом материале мы рассмотрим историю клиновоздушных двигателей, взглянем на принципы работы сопел различной степени расширения. Мы оценим преимущества и недостатки КВРД, физические ограничения и проблемы, связанные с их разработкой. И сравним аэроспайк с классическими ракетными двигателями.Но это ещё не всё. В тексте есть несколько фотографий с КВРД, которые ранее нигде не публиковались. Также в нём собраны мнения людей, которые всерьёз работают с двигателями. В статье действительно собрано несколько очень интересных концепций — и к концу материала, надеюсь, у вас будет представление о том, что же ждёт аэроспайк. Является ли он Святым Граалем ракетных двигателей? Или же не стоит тратить на него время?

Так что возьмите себе немного покушать, откройте блокнот и…приготовьтесь! Потому что мы сегодня узнаем ОЧЕНЬ МНОГОЕ.

Те, кто наблюдал за мной в Twitter, наверняка заметили, как изменилось моё отношение к КВРД: от “аэроспайк отстой” до более нейтральной позиции по этому вопросу. И вот здравствуйте — спустя несколько месяцев исследований по теме в свет выходит эта монструозных размеров статья. Пришлось проштудировать десятки очень труднодоступных документов, дабы извлечь из них хоть какие-то данные по клиновоздушным двигателям.

И чем глубже я погружался в эту тему, тем сильнее я понимал, что есть ещё огромный пласт информации, которую необходимо изучить. А ещё я понимал, что придётся вставить большое количество простых объяснений в эту статью, дабы сделать её более понятной.

После публикации статей “Действительно ли Raptor от SpaceX — король ракетных двигателей?” и “Почему одноступенчатые космические системы отстой” я заметил огромное количество людей, которые утверждали, что аэроспайк — это Святой Грааль ракетных двигателей. И они не ошибаются. Ну, то есть, серьёзно: двигатель, который каким-то магическим образом (благодаря физике) является одинаково более эффективным, чем традиционные, практически на любой высоте? Двигатель, который работает в атмосфере также эффективно, как и двигатель с традиционным соплом; и одновременно также эффективно работает в вакууме — как и двигатель с расширенным сопловым насадком? Камон, ребят!

Почему в ракетостроении никто больше не любит аэроспайки? Инженеры SpaceX, например, решили очень непростую задачу, разработав двигатель закрытого цикла на метане с полной газификацией компонентов топлива. Просто подумайте: если вы смогли решить задачу такого уровня, почему бы не попробовать себя в разработке КВРД, когда этот тип двигателя обещает такие преимущества? И это при том, что аэроспайк — это не какой-то проект на бумаге. Эти двигатели реально существуют.

И они определённо не являются разработкой новейшего времени. Их корни восходят к 60-м годам, когда инженеры искали способы улучшить характеристики некоторых типов ракетных двигателей. Учитывайте один факт — на тот момент вообще все двигатели были довольно примитивны.  Так что фраза “за аэроспайком будущее” могла показаться очень привлекательной.

J-2T

Вероятно, самым знаменитым и многообещающим КВРД была аэроспайк-версия двигателя J-2, который приводил в движение вторую и третью ступень ракеты Сатурн-5. Называлась она J-2T. И она (в теории) предлагала большую эффективность работы в вакууме, нежели классический J-2. J-2T прошёл 34 огневых испытания и имел довольно большой потенциал. Но с запуском программы “Space Shuttle” был положен на полку рядом с ракетой Сатурн-5 — хотя рассматривался в качестве основного двигателя для космических челноков. NASA решило использовать RS-25 — двигатель замкнутого цикла с классическим колоколообразным соплом.

В Rocketdyne взяли за основу компоненты двигателя J-2 и его более упрощённой версии J-2s — и создали свой КВРД под названием L-1, который активно тестировался в период с 1970-й по 1972-й год. Он прошёл 44 огневых испытания общей продолжительностью 3113 секунд. 

Но в итоге концепцию аэроспайка отложили в долгий ящик. И лишь спустя 30 лет о ней вспомнили в рамках амбициозного проекта под названием VentureStar. Для нёрдов ракетного мира этот проект являлся живой мечтой. VentureStar — одноступенчатая система запуска, по сути — орбитальный самолёт. Его двигательная установка называлась RS-2200 и имела сопло в форме плоского клина. Выглядело это всё почти что как “Тысячелетний сокол”. И обещало доставку на орбиту полезной нагрузки той же массы, которую способен был выводить “Shuttle” (предполагалось, что “Shuttle” будет заменён на VentureStar).

Ради минимизации риска компания Lockheed Martin, ответственная за этот проект, решила для начала произвести разработку демонстрационной суборбитальной версии корабля, более известной как Х-33. В качестве двигателя выбрали уменьшенную версию RS-2200 под названием хRS-2200, которая прошла 17 огневых испытаний общей продолжительностью в 1600 секунд.

Но из-за решения использовать сверхсовременные (на тот момент) топливные баки из углеродных композитов, а также ещё нескольких недоведённых до совершенства технологий, оказалось, что Lockheed Martin откусили больше, чем смогли проглотить. По итогу проект VentureStar вместе с его младшим братом X-33 в 2001-м году отправились пылиться на полку. 

Хорошо. Так что же получается? Аэроспайк — это просто какой-то двигатель-неудачник? Предназначен для работы в программах, о которых заранее известно, что они закроются? Почему ни один из вышеперечисленных концептов не возрождается сейчас с использованием современных технологий? Чтобы это понять, нам для начала нужно разобраться в принципе работы сопел КВРД. А для того, чтобы понять принцип их работы, нам необходимо узнать, как работают традиционные сопла двигателей. Чтобы было с чем сравнивать. Ведь в конце концов — законы физики работают и для тех, и для других двигателей одинаково. Давайте разбираться.

Как работает сопло?

Если говорить коротко, то принцип работы ракеты можно описать следующим образом. Ракеты превращают газ под высоким давлением в высокоскоростной поток частиц, направленный в определённом направлении (чего нельзя сказать о молекулах газа). И если вы спроектировали ракету правильно, то этот поток будет толкать ракету в направлении, противоположном определённому.

Если вы прочитали материал про двигатель Raptor, то знаете, что давление в камере сгорания может достигать очень больших значений. У Raptor этот показатель будет стремиться к трём сотням бар. Чтобы понять, о чём вообще идёт речь, представьте, что вы попытались поставить автомобиль BMW 740i на объект размером с почтовую марку США.

Вот такое давление оказывается на каждый квадратный дюйм камеры сгорания двигателя. Для того, чтобы решить проблему с преобразованием давления в тягу, инженеры разработали штуковину, которая называется сопло Лаваля. Всё ради того, чтобы преобразовать хаотично движущиеся молекулы газа под высоким давлением в определённо направленный поток частиц.

Чтобы разобраться, как это работает, нам придётся совершить путешествие по стране гидроаэродинамики. Мы конечно можем пойти полюбоваться историческими достопримечательностями в этой стране, но вообще нас интересует то место, в котором горячий газ высокого давления на дозвуковой скорости переходит в более холодный газ низкого давления на сверхзвуковой скорости. 

Представим на секунду, что наше сопло — это обычная труба. Держите в голове тот факт, что чем быстрее скорость истечения газа из сопла — тем лучше. Так вот: с обычной трубой скорость истечения газов была бы дозвуковой.

Чтобы ускорить движение газа через трубу, мы можем уменьшить её диаметр. То же количество массы вещества будет проходить через меньшую площадь — и на выходе мы получим высокую скорость истечения.

Для понимания: представьте себе обычный садовый шланг. Вы включаете воду и закрываете большим пальцем часть выходного отверстия шланга. Но независимо от того, закрывает ваш палец выходное отверстие или нет, через отверстие будет проходить одинаковое количество воды. Единственное, что изменится — скорость её истечения. Убираете большой палец — скорость струи уменьшается. Так что нет никакой разницы, какой из двух способов применять, чтобы наполнить ведро — оно заполнится за одно и то же время. Хоть закрывайте отверстие шланга, хоть нет.

Это относится и к газу, который мы абзац назад пускали по трубе. Мы можем продолжать сжимать трубу, пока не достигнем того диаметра, при котором газ будет двигаться с локальной скоростью звука. Я говорю локальной, потому что скорость звука пропорциональна корню квадратному температуры. А так как температуры в двигателе ОЧЕНЬ высокие, то скорость звука в нём может быть в 5-10 раз выше, чем в вашей комнате.

Как только выхлопные газы достигают скорости звука, мы уже не можем продолжать сжимать трубку. Потому что если мы продолжим, то всё перевернётся с ног на голову, и через трубку будет проходить меньше газа! Поэтому инженеры решили, что стоит спроектировать сопло идеальной формы, которое преобразует тепловую энергию в кинетическую. Стенки сопла становятся шире — и это придаёт газу ускорение. А давление и температура понижаются.

Вы можете сделать сопло такого размера, что на его выходе давление выхлопных газов окажется равным давлению окружающего воздуха. Если ваше сопло работает на высоте уровня моря, то это давление окажется равным 1 бар. И удивительно то, как давление меняется с десятков и сотен бар всего до одного за такое короткое расстояние (длина сопла). И ещё более невероятным кажется то, что давление выхлопного газа, движущегося с огромной скоростью, может оказаться таким небольшим. Чем ниже это давление, тем больше энергии из камеры сгорания мы можем переработать: превратить высокое давление и температуру в высокую скорость струи на выходе.

Но если наша ракета будет улетать в космос всё дальше, то давление окружающего воздуха будет всё меньше. А следовательно давление выхлопных газов будет больше относительно давления снаружи (на трансляциях запусков можно увидеть, как струя выхлопных газов с увеличением высоты ракеты расширяется). Вот почему сопловые насадки имеют такое большое значение для работы в вакууме. Наглядную разницу демонстрируют две версии двигателя Merlin 1D.

Версия для работы в атмосфере довольно компактна, что позволяет установить целых девять таких двигателей на первую ступень ракеты Falcon 9 диаметром 3,7 метра. Но вторая ступень ракеты имеет всего один двигатель с расширенным сопловым насадком, диаметр которого на конце составляет целых три метра! Достаточно взглянуть на то, как плотно он вписывается в межступенчатый отсек ракеты.

Как определить, является ли сопло оптимальным для работы на той высоте, на которой оно находится? Всё просто. Взгляните на форму выхлопа. У идеального сопла строго направленный поток выхлопных газов. 

Если сопло слишком мало, то можно заметить, что выхлоп идёт в разброс сразу после выхода из него. Это недостаточное расширение.

Сопла для работы в плотных слоях атмосферы практически всегда слишком велики. Это чрезмерное расширение. У чрезмерно расширенного сопла выхлоп на выходе будет сильно сжиматься окружающим воздухом (это приводит к формированию так называемых дисков Маха). 

Вы можете подумать: почему бы не использовать вакуумные сопла всегда? Ведь двигатель работает в плотных слоях атмосферы всего несколько минут. Давление падает в два раза уже после прохождения отметки высоты в 5 километров. И большую часть времени миссии ракета проводит в вакууме.

Тут следует вспомнить о том, что чем больше разница между давлением выхлопных газов на выходе из сопла и давлением окружающего воздуха, тем менее эффективным является сопло. Вакуумный двигатель неэффективен в плотных слоях атмосферы, а атмосферный двигатель неэффективен для работы в вакууме. Но есть гораздо более серьёзная причина, по которой нельзя использовать двигатель с расширенным сопловым насадком на старте ракеты. Это причина — явление, называемое срывом потока. Явление, которое может привести ваш двигатель в очень плохое состояние.

Окружающий воздух сжимает выхлоп настолько сильно, что начинает попадать в само сопло двигателя, создавая некую прослойку между выхлопом и стенкой сопла. Отсюда вытекают резкие скачки давления и ударные волны, которые воздействуют на стенку не самым приятным образом. Так что расширять сопло более чем на 40% от первоначального варианта — плохая идея. Потому что возникнет срыв потока. 

В двигателях RS-25 использовали интересный трюк. У сопел этих двигателей были слегка изогнутые стенки, что позволило допустить перерасширение в 14% без возможности возникновения срыва потока. Это сделало их довольно эффективными на протяжении всех восьми с половиной минут восхождения в космос. Максимизация размеров сопла стала хорошим решением для работы в вакууме, учитывая то, сколько времени двигатель работал в плотных слоях атмосферы.

То, что обычный воздух где-то на уровне моря может оказывать высокое давление и буквально вдавливать выхлоп ракетного двигателя, всё ещё кажется странным. Но давление на выходе из сопла на самом деле очень низкое, а движется выхлоп довольно быстро.

Хотя даже если у вас есть такая огромная вакуумная насадка как у двигателя Merlin 1D, то спешу огорчить — она на самом деле не подходит для работы в вакууме. Потому что соплу необходимо быть практически бесконечно большим, дабы соответствовать давлению вакуума. Не звучит как что-то, конструированием чего вам хотелось бы заняться. Так что инженеры ищут компромиссы.

И для поиска оптимальных вариантов они используют некоторые соотношения. Например: отношение между площадью сечения на выходе из сопла и площадью сечения горловины камеры сгорания называют степенью расширения. 

Так уж вышло, что двигатели Merlin это очень удобный пример и в данном случае. У вакуумной и атмосферной версии двигателя одинаковые камеры сгорания, но разные сечения выходов у сопел. У атмосферного двигателя максимальный диаметр сопла составляет 0,91 метра, тогда как у вакуумного — целых 2,89 метра. Поскольку горловина камеры сгорания у обоих двигателей имеет сечение в 226 мм, то это означает, что степень расширения у атмосферного Merlin 1D составляет 16:1, а у вакуумного — 164:1.

Мне кажется, что обычно мы смотрим на двигатель с большим соплом и говорим: “ГЛЯДИ КАКОЙ БОЛЬШОЙ ДВИГАТЕЛЬ”. Хотя сопло — это не самый значительный элемент двигателя.

Большинство оборудования, которое имеется на выставках — это не настоящие двигатели, турбонасосы или сопла. И когда кто-то говорит что-нибудь в стиле “взгляните на эти большие двигатели”, то смело натягивайте очки на нос и с умным видом говорите, что размер сопла связан только со степенью расширения и не обязательно соответствует мощности двигателя. 

Это же всё равно, что указывать на колёса автомобиля и говорить: “Глянь, какой у него мощный движок”. Потому что подобно тому, как колёса автомобиля превращают энергию его двигателя в движение, сопла преобразуют энергию горения топлива в тягу.

Как работает аэроспайк?

Итак, мы пришли к выводу, что использовать для работы в атмосфере двигатель, оптимизированный для работы в вакууме — малость нецелесообразно. Тут-то нам на помощь и приходят клиновоздушные двигатели. Идея, которая определяет принцип их работы, состоит в том, чтобы создать стенки виртуального сопла из потока окружающего воздуха. Это помогает уравновесить давление выхлопных газов с давлением окружающей среды. Двигатель в таком случае не просто не развалится на куски при работе на разных высотах — он будет выполнять свою работу просто великолепно!

Возможно, я снова повторяюсь и говорю о неочевидных вещах… Но в нижних слоях атмосферы — вокруг нас — очень много воздуха! И многие не понимают, насколько большое давление оказывает атмосфера, пока не пронаблюдают условия, в которых этой атмосферы нет.

Так что в КВРД поток газов направляется из горловины камеры/камер сгорания таким образом, что выхлоп становится очень похож сам на себя в традиционном виде. Но вместо того, чтобы сжимать поток выхлопных газов, создавая проблемы, окружающий воздух толкает поток вдоль клиновидного сопла, что делает срыв потока невозможным.

По мере того, как ракета поднимается, давление окружающей атмосферы уменьшается — и давление на поток выхлопных газов тоже. Это, по сути, заставляет виртуальную стенку сопла изменять свою степень расширения с высотой — чем выше высота, тем меньше давление, тем шире виртуальное сопло. 

Но о коэффициенте расширения клиновидного сопла тоже забывать не стоит. Потому что сопло рано или поздно заканчивается. И там, где оно заканчивается, виртуальная стенка сопла на выхлопные газы уже не действует. И они свободно расширяются — как и у двигателя с колоколообразным соплом. 

Большинство сопел для КВРД выполнены в форме плоского клина. Поток выхлопных газов в таком варианте проходит через теплообменник, в результате чего там, где заканчивается сопло, формируется зона высокого давления. Она как бы продолжает конструкцию сопла и придаёт двигателю чуть больше тяги на больших высотах.

Для реализации концепции аэроспайка вам потребуется камера сгорания иной формы. Или даже несколько камер сгорания, расположенных особым образом. Существует две основные модификации этого вида двигателей: двигатели с тороидальным соплом (тороидальные КВРД) и двигатели с соплом в форме плоского клина (линейные КВРД).

У тороидального аэроспайка камера сгорания похожа на пончик, а её горловина выходит как-бы внутрь, на сопло.

J-2T-250K

У линейного аэроспайка несколько расположенных с двух сторон камер сгорания, выхлоп из которых выходит вдоль плоского клиновидного сопла.

xRS-2200

Большинство концепций орбитальных транспортных средств, в которых планируют использовать КВРД — это одноступенчатые системы. Но если делать акцент на многоразовость, то мы уже знаем, что нет необходимости в том, чтобы возвращаемый космический аппарат был единым целым — посмотрите на модульную концепцию Starship-SuperHeavy от SpaceX. Но всё же аэроспайк — это хорошее подспорье в конструировании одноступенчатых систем за счёт его одинаково эффективной работы на разных высотах.

Если полагаться на математику, то полезная нагрузка, выводимая одноступенчатой ракетой (или орбитальном самолёте — называйте как хотите) с КВРД в два раза больше, чем нагрузка, выводимая этой же системой, но со стандартным двигателем. Но об этом чуть позже — когда мы поймём, является ли аэроспайк таким хорошим вариантом для одноступенчатых систем.

Недостатки КВРД

Если не брать в расчёт одноступенчатые системы и принять во внимание тот факт, что аэроспайки очень хороши собой — то почему их не используют как основные двигатели для ракет? Особенно в качестве двигателей для первых ступеней?

Всё потому, что с КВРД существуют пара серьёзных проблем: масса и нагрев. Начнём, пожалуй, с нагрева, так как эта проблема сильно снижает производительность и, в конечном итоге, увеличивает массу двигателя. 

Основным способом охлаждения большинства ракетных двигателей на жидком топливе является процесс, называемый регенеративным охлаждением. Этот процесс подразумевает прохождение компонентов топлива через стенки камеры сгорания и большую часть сопла.

Но существуют и иные способы: плёночное охлаждение с использованием топлива или выхлопных газов, абляционное или даже радиационное охлаждение. 

Суть абляционного охлаждения состоит в том, что защищаемая конструкция покрыта слоем специального материала, которая не позволяет этой конструкции взаимодействовать с атмосферой на большой скорости, нагреваясь при этом. Хороший пример — двигатель RS-68, приводящий в движение ракету-носитель Delta IV Heavy. Этот двигатель использует в качестве горючего жидкий водород — как и RS-25, основной двигатель Space Shuttle. Но в отличие от последнего, выхлоп RS-68 не такой чистый — в его струе выхлопных газов есть оранжевые оттенки. А всё из-за покрытия стенок сопла графитом, который не позволял им перегреваться. Среди современных ЖРД такое решение гораздо менее распространено. И это, конечно же, не самый лучший выбор, если вы планируете создавать двигатель для многоразового использования.

Плёночное охлаждение может принимать несколько форм. Либо охлаждение стенок камеры сгорания путём её опрыскивания некоторым количеством топлива. Либо “откачивание” охлаждённого выхлопа из нижней части сопла. Либо гибридный вариант, включающий оба из вышеперечисленных. 

Мы уже как-то затрагивали тему выхлопа газогенератора в статье про двигатель Raptor. Но выхлоп газогенератора является относительно холодным — он должен иметь такую температуру, чтобы не повредить турбину.

Кажется странным думать о том, что если взять вещество с температурой в 1000 градусов и смешать его с веществом с температурой в 2500 градусов, то у вас в конечном итоге получится вещество с температурой в 1750 градусов. Мой глупый мозг всегда был склонен думать, что в результате смешивания вещество станет ещё горячее. Так что, ребятки, никогда не поздно начать изучать термодинамику!

Выхлоп газогенератора позволяет сопловому насадку контактировать с более холодными газами в атмосфере лучше, чем выхлоп из камеры сгорания. Такая схема работает на двигателях F-1 и Merlin1-D Vacuum. И глядя на работу последнего, вы можете заметить в сопле полосы из ниобиевого сплава — по сути это система охлаждения сопла, которая забирает выхлоп газогенератора.

Другой способ охлаждения камеры сгорания и сопла — установка дополнительных топливных инжекторов. Они, как правило, находятся в верхней части камеры сгорания — там происходит смешение горючего и окислителя. В скором времени я сделаю подробный обзор на инжекторы (переводить я его, конечно же, не буду — прим. переводчика). Всё, что вам нужно знать сейчас — компоненты топлива смешиваются в определённом соотношении. И чем дальше вы уходите от этого соотношения, тем меньше температура горения топлива. 

Поскольку молекула кислорода зачастую тяжелее, чем любая молекула горючего, ему нельзя придать большое ускорение. Поэтому, если двигателю требуется охлаждение струи выхлопных газов, то в дело вступает горючее. И чтобы охладить, скажем, внешний контур камеры сгорания, вы можете добавить несколько инжекторов — и в камере будет пристенный слой обогащённого горючим топлива, который будет способствовать этому самому охлаждению.

С точки зрения нагрева, наиболее проблемная часть ракетного двигателя — горловина камеры сгорания. Именно здесь температура струи выхлопных газов является самой высокой. К счастью, выхлоп контактирует лишь с небольшой площадью поверхности, а значит это место проще охлаждать (из-за того, что мы можем прогнать через стенки лишь ограниченное количество холодного горючего). Это немного не согласуется с повседневными представлениями о том, что большая площадь поверхности — это лучшее охлаждение. 

Чтобы понять, почему так, представьте, что с помощью садового шланга вы пытаетесь не допустить плавление материала в раскалённом огне. Вы совсем чуть-чуть вносите в огонь металлическую проволоку — и шланг отлично справляется. Если вы внесёте проволоку глубже в огонь — то шланг справляться перестанет. 

Вот где у большого двигателя преимущество перед маленьким. Количество топлива, проходящего через двигатель увеличивается пропорционально кубу его радиуса, но площадь поверхности, которую необходимо охлаждать — лишь пропорционально квадрату радиуса. Поэтому у большого двигателя больше топлива для охлаждения более маленькой площади поверхности.

Давайте взглянем на цифры. Допустим, что есть два двигателя одинаковых размеров, но у одного из них горловина имеет диаметр в 50 мм, а у другого — 100 мм. Первый будет иметь сечение горловины в 1963 кв.мм и окружность горловины в 157 мм, а второй — 7854 кв.мм и 314 мм соответственно. То есть, по сравнению с горловиной в 50 мм, через горловину диаметром в 100 мм будет протекать в 4 раза больше выхлопных газов! А требуемая площадь охлаждения возрастёт всего в два раза!

Вы конечно скажете, мол, Тим, нам же теперь нужно охладить в два раза большую поверхность. Всё просто: раз через горловину протекает в 4 раза больше вещества, то следовательно у нас есть место для пропускания дополнительного топлива которое можно использовать как охлаждающую жидкость. В два раза больше охлаждающей жидкости для охлаждения заданной области при удвоении диаметра горловины. Звучит круто! Отсюда вывод: чем больше двигатель, тем проще его охлаждать. 

Тут-то и вылезают проблемы КВРД! Площадь охлаждения горловины камеры сгорания у этих двигателей существенно выше, чем у традиционных. Потому что в них имеется здоровенная заглушка посередине. 

Давайте представим, что нам необходимо сохранить площадь сечения в 7854 кв.мм для горловины в 100 мм. Чтобы получить ту же самую площадь сечения в случае КВРД нам необходимо увеличить внешний диаметр горловины до 141 мм, сохранив при этом внутренний диаметр в значении 100 мм. Это означает, что мы удвоили площадь поверхности, которую необходимо охладить! Длина окружности увеличилась с 314 мм до 314+444 мм. Что в итоге дало нам 758 мм.

Эти числа слегка произвольны, но факт состоит в том, что для аэроспайков приходится удваивать площадь охлаждения в самом горячем месте двигателя. Хотя, по правде говоря, инженеры не часто используют заглушку в камере сгорания — более распространённым является вариант с переходным кольцом. Которое тоже требует дополнительного охлаждения из-за площади.

Прекрасный пример здесь — двигатель J-2T. Просто взгляните на него рядом с классическим J-2. J-2T в 15 раз тяжелее!

Вам каким-то образом нужно отводить тепло от этой махины! Чувствуете, что регенеративного охлаждения будет недостаточно? Используйте плёночное. Измените процентный состав компонентов топлива. Или используйте более дорогостоящие и тугоплавкие металлы. Любое из этих действий накинет вам очков в производительности. И хотя люди всё ещё экспериментируют с процессами горения в КВРД, по всей видимости, у этих двигателей есть склонность к тому, что впустую тратить некоторую часть энергии химических реакций. Возможно, что инженеры смогут поправить это при большем количестве испытаний и исследований. 

Ещё одна вещь, которая ограничивает функциональность клиновоздушных двигателей — это их масса. Кажется, что им гораздо сложнее добиться высокого значения удельной тяги, чем двигателям с колоколообразным соплом. Всё из-за более крупных камер сгорания, большего количества трубопроводов и тому подобных вещей.

Просто взгляните на xRS-2200 — посмотрите сколько всего находится между половинками сопла. И представьте, что у вас утечка в каком-то из этих клапанов или трубопроводов. В таком двигателе количество точек отказа довольно высоко. Представьте, что вам необходимо отследить утечку водорода в таком двигателе — кошмар!

Масса имеет большое значение для ракет. Удельная тяга — очень важный показатель в двигателях. Дополнительная масса напрямую влияет на грузоподъёмность ракеты и её общую производительность. Поэтому небольшие и мощные двигатели — это круто.

Ещё одна проблема КВРД состоит в том, что возникают сложности с их креплением на ракете. И их управлением для маневрирования. Из-за большого количества точек крепления управление вектором тяги становится проблематичным. Но следует отметить, что аэроспайк легче располагать в связке из множества ему подобных — их сопла не будут друг другу мешать, и на это не нужно делать поправку. Хорошее решение для изменения вектора тяги — дросселирование каждой камеры сгорания в отдельности. Хоть это и не так эффективно, как управление всем двигателем, но всё же является вполне жизнеспособным вариантом. 

Линейный аэроспайк RS-2200 должен был использовать как контроль вектора тяги, так и дросселирование. На оси тангажа и вращения он активировал контроль вектора тяги, а на оси рысканья — дросселировал отдельные камеры.

И последний большой недостаток КВРД — отсутствие данных с реальных полётов. Потому что есть одна тёмная область в изучении этого типа двигателей — она находится между скоростями от 1 до 5 М. Хотя был один интересный эксперимент под названием LASRE. В нём использовался аэроспайк с макета X-33, который был установлен на самолёт SR-71, который летал как раз в вышеупомянутом промежутке скоростей. Было проведено семь исследовательских полётов. И хотя двигатель не запускался, было собрано много ценной информации.

Говорите теперь что хотите, но чокнутый аэроспайк двигатель, установленный на SR-71 отныне моя самая любимая вещь в мире. Но независимо от того, как круто это выглядит, у КВРД всё ещё нет реальных данных о работе в сверх- и гиперзвуковых режимах. Так что…

Сравниваем КВРД и двигатели с соплом Лаваля!

Итак. Пришло время сравнить несколько описанных выше клиновоздушных двигателей с традиционными ЖРД.

Линейка наших традиционных двигателей будет представлена следующими экземплярами.

Конечно же сюда войдёт J-2. Также как и его модификация под названием J-2s. В этот же список включим RS-25 от Space Shuttle и новейший двигатель SpaceX Raptor. Причины, по которым я выбрал эти двигатели, просты: они либо должны были быть заменены аэроспайками, либо имеют большой массив данных по характеру своей работы. Ну или просто являются лучшими двигателями из когда-либо созданных. Разные традиционные двигатели будут сравниваться с разными КВРД.

Если говорить про последние, то было всего три двигателя, которые прошли сертификацию; всего два двигателя, которые имеют большое количество данных. И один, который, возможно, является лучшим среди созданных аэроспайков. Двигатели, по которым имеется наибольшее количество информации — J-2T-250K и xRS-2200. Сравнивая эти двигатели с J-2s, который был взят за их основу, мы получим представление об их производительности. Третий аэроспайк — RS-2200, который являлся полноразмерным двигателем и был предназначен для работы в проекте VentureStar. 

Рядом с характеристиками этого двигателя стоят звёздочки. Это означает, что этот двигатель никогда не испытывался на реальном стенде. А для получения цифр использовались непроверенные технологии. Так что приведённые цифры — это скорее целевые показатели, которых хотели добиться в этом проекте.

И мне кажется, что было бы забавным сравнить все эти двигатели с Raptor от SpaceX. Просто потому, что в этом материале Raptor — и вправду король. Также держите в уме, что Raptor — двигатель, который будет развиваться также как и Merlin. И его показатели будут расти.

А ещё следует отметить, что все двигатели на изображении нарисованы в масштабе!

Начнём с топлива. Шесть двигателей из семи в данной линейке работают на смеси жидкого водорода и жидкого кислорода (hydrolox). Исключение составляет Raptor, который работает на смеси жидкого метана и жидкого кислорода (methalox). Мне хотелось, чтобы большинство двигателей в линейке были водородными, так как у этих двигателей большой потенциал для высокого удельного импульса. И тем интереснее сравнивать их с двигателем на метане.

С топливом разобрались. Теперь взглянем на циклы, по которым работают установки. Все из них были разобраны в материале про двигатель Raptor. Кроме одного: так называемый цикл с фазовым переходом, в котором для питания турбины используется основная камера сгорания двигателя. Этот метод используется в двигателе J-2s. И он был призван упростить этот двигатель и снизить его стоимость. Потому что в этом двигателе нет газогенератора. J-2, J-2T-250K, xRS-2200 и RS-2200 используют газогенератор, RS-25 работает по закрытому циклу с частичной газификацией компонентов топлива, а Raptor — по тому же циклу, но с полной газификацией.

Отныне мы знаем по какому циклу какой двигатель работает. Переходим непосредственно к параметрам.

Тяга. И тягу в плотных слоях атмосферы и тягу в вакууме будем исчислять в килоньютонах. Просто взгляните в таблицу.

С тягой ознакомились — переходим к удельному импульсу, измеряемому в секундах. Что такое удельный импульс, спросите вы? Думайте об этом как о расходе топлива, отвечу я. Низкий удельный импульс — больший расход топлива. Высокий — экономия. А экономия имеет большое значение! Все значения — в таблице. 

Также интересно сравнить показатели степени расширения у двигателей с учётом удельных импульсов. Тут следует отметить, что несмотря на практически одинаковые размеры двигателей J-2 и J-2s, последний имеет более высокую степень расширения. А связано это с меньшим диаметром горловины у этого двигателя.

Последнее: удельная тяга. Здесь интересно. У J-2 этот показатель составлял 73:1. А у его модификации J-2s — 69:1, хотя в этом двигателе не было газогенератора. Но он был немного тяжелее — вероятно, из-за сопла. У J-2T показатель составлял 63:1; у xRS-2200 — 35:1. RS-2200 планировал достичь показателя в 83:1, но ему было необходимо лишь 75:1, чтобы его можно было использовать в качестве двигателя для одноступенчатой системы. У RS-25 показатель составляет 73:1, а у Raptor — 107:1.

Имея на руках все данные, мы по-настоящему можем оценить КВРД. J-2T и xRs-2200 следует сравнить с J-2s, так как по планам они должны были прийти к нему на замену. И они были бы хороши в качестве замены, так как давали отличные характеристики в вакууме, при этом хорошо работая и в плотных слоях атмосферы — чего J-2s не мог сделать физически. И J-2T являлся, по сути, идеальным кандидатом на замену, так как выигрывал у J-2s по всем параметрам, кроме удельной тяги!

Если сравнить это дело с Raptor, то можно заметить, что версия последнего для работы в вакууме не так хороша, но в плотных слоях атмосферы выдаёт весьма забойные импульс и удельную тягу. 

Если бы RS-2200 в действительности прошёл весь цикл разработки и испытаний, то мы бы увидели очень крутой двигатель. Мало того, что он наиболее эффективный двигатель в вакууме — его удельная тяга могла бы быть выше, чем у RS-25! При этом я слышал из нескольких источников, что Lockheed решили использовать RS-25 для проекта VentureStar по причине того, что это был проверенный вариант — компании просто не хотелось рисковать или бросать деньги на ветер с RS-2200.

После всего вышесказанного, я думаю, что пора ознакомиться с мнением реальных экспертов, которые работали над аэроспайками или отказались от их использования.

Что говорят профессионалы?

Вот что говорит об аэроспайках Тори Бруно, генеральный директор ULA, который непосредственно работал над проектом VentureStar:

Самым сложным в конструкции и эксплуатации КВРД является момент с контролем температуры. У тороидального КВРД сопло борется с перегревом за счёт своей конической формы. Линейный КВРД, наряду с усечением конуса, которое закладывается в форму сопла, имеет более тяжёлый путь решения этой проблемы, но всё же имеет. Преимущество в усечении достигается в обмен на необходимость использования камер сгорания, расположенных в две линии, что значительно усложняет конфигурацию двигателя. Следующая проблема — управлением потоком в области усечённого конца сопла. Наша цель — пропустить небольшое количество газа через усечённую поверхность, дабы не срывать поток и придавать тяге на больших высотах большее значение.

Я также спросил его о том, мог ли RS-2200 достичь запланированных показателей:

Думаю, да. Мне кажется, что у двигателя был шанс стать рабочей и практичной установкой. Однако сложность с количеством камер сгорания привела к серьёзному увеличению массы. И добавила сложность в управление вектором струи выхлопных газов.

Ну и, конечно же, я спросил: любит ли он клиновоздушные двигатели после такой долгой работы над ними?

Я люблю их. Аэроспайки — это круто. А линейные аэроспайки — это прямо верх крутизны!

Также я спросил у Илона Маска о том, почему КВРД не используют в SpaceX. Ответ найдёте вот в этом видео (там есть русские субтитры, так что смотрите полностью — прим. переводчика):

Как можно заметить из его ответа, Илон концентрирует внимание на эффективности сгорания топлива — и команда его инженеров тоже. 

Ещё один человек, который имеет опыт в этой области — Питер Бек. Он не только участвовал в разработке аэроспайков, но и основал компанию Rocket Lab, которая разработала ракету Electron. В которой аэроспайки не используются.

Но, сидя там и беседуя с Питером, я вдруг осознал, что в ракете Electron используется девять двигателей, а значит можно использовать вектор тяги некоторых из них таким образом, чтобы создать эффекты, которые напоминают работу КВРД. На что Питер ответил:

О да, можно делать всякое…

Интересно. Может быть в этом даже что-то есть! Но самое интересное, что мне удалось добыть — это сводка о КВРД от компании Vector Aerospace, которая работала над этим типом двигателей почти 20 лет назад. В 2002 они даже прошли огневое испытание.

Правда тот двигатель продержался всего 200 миллисекунд, прежде чем смёл графитовую заглушку с поверхности инжектора. Но они не сдавались. Сделали прототип двигателя с тягой в 590 кг/с и десятью камерами сгорания — к сожалению, он не прошёл лётных испытаний в 2009-м году.

В 2016 году компания выпустила заявление, которое идеально подытоживает их работу над КВРД:

Несмотря на тот факт, что клиновоздушные ракетные двигатели обеспечивают некоторые эксплуатационные преимущества, большее количество использующихся в них деталей означает увеличение массы. Они, как правило, тяжелее аналогов с традиционными соплами, имеют меньший показатель удельной тяги и меньшую надёжность компонентов.

Итак. Общее мнение от людей, которые в теме: оно того не стоит. Мало того, что разработка и исследования — дело дорогостоящее, так ещё и особой выгоды в плане эксплуатации не несущее.

И это мнение подтверждается, когда вы вдруг узнаёте, что компания Firefly Aerospace имела в разработке перспективный КВРД с 12 камерами сгорания, который работал бы на метане, приводил бы в движение ракету-носитель Alpha и назывался FRE-1. Но после перезагрузки компании все планы насчёт аэроспайков магическим образом пропали. И теперь Firefly будет использовать классический кислород-керосиновый двигатель. Что происходит? Куда аэроспайки деваются?

Сколько компаний в настоящее время работают над клиновоздушными двигателями? Одна, насколько я могу судить. Ну, может, две.

У компании ARCA есть серия видеороликов под названием “Flight of the Aerospike” — и они хотят создать недорогую одноступенчатую космическую систему. Но как ни странно, на последнем видео в этой серии — двигатель с колоколообразным соплом, работающий на пару…

 

Я конечно хотел бы, чтобы эта компания преуспела. Я очень хочу, чтобы они создали линейный аэроспайк. Но компания существует уже 20 лет, а КВРД не видать. Возможно, что когда-нибудь они добьются прогресса, но скорее всего этот проект тоже упадёт в корзину под названием “оно того не стоит”. (Наверное, в ту же корзину, в которой оказались предыдущие «прорывные» проекты ARCA — сомнительные ховерборды и дроны. Но это уже совсем другая история — прим. редакции)

Другая команда, которая исследует этот вопрос — RocketStar. Правда их проекты строятся вокруг модельных ракет, так что, скорее всего, что-то серьёзное мы увидим нескоро.

Но КВРД все ещё имеют перспективы…верно? Я имею в виду, что большинство традиционных двигателей, рассмотренных выше, работают по открытому циклу. Разве нельзя усовершенствовать аэроспайк?

Будущее КВРД

Есть пара многообещающих технологий, которые могут помочь аэроспайкам найти своё место в ракетостроительной индустрии. Первая из них — 3D-печать.

Аддитивные технологии помогут создавать формы каналов охлаждения или камер сгорания , которые невозможно создать традиционными методами, всего лишь нажатием кнопки! Компания Amaero напечатала детали аэроспайка высокопрочного никелевого суперсплава под названием Hasteloy X. И наблюдать те формы, которые можно создать с помощью 3D-печати — это просто чудо!

Другая технология, которая может идти рука об руку с 3D-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. У этого цикла проблема, которая прямо противоположная проблеме КВРД. В нём есть предел тяги на выход, который показывает, какое количество жидкого топлива двигатель в состоянии превратить в газообразное. А из-за закона квадрата-куба, у вас, в конечном итоге, кончится поверхность, с помощью которой можно нагревать топливо.

Теоретический предел тяги в цикле — 300 кН. Далее вы не сможете адекватно приводить насосы в действие из-за отношения площади поверхности к объёму топлива. Но имея большую площадь нагрева для топлива  — как у КВРД — можно получить и более мощный двигатель. Отличный трюк для будущих разработок!

На сегодняшний день концепция DEAN существует лишь в теории. 111 кН, удельный импульс в 383 секунды и удельная тяга 108:1 — вот целевые параметры. Может встать в один ряд с Raptor. Но исследовательские работы и реальное оборудование — это разные вещи. Не факт, что передовые разработки станут коммерчески жизнеспособными.

Заключение

Этот материал оказался длиннее, чем я предполагал. Резюмируем.

КВРД. Суперкрутая и суперзаманчивая концепция, которая привлекает даже самых проницательных инженеров. Идеально подходит для одноступенчатой ракеты или орбитального самолёта. Возможно, что её придётся немного пересмотреть. А ещё её разработка неплохо так истощает банковские счета. И заставляет потеть не один год. 

НО! Аэроспайки очень крутые! И возможно, по мере развития технологий и материалов, начнут появляться компании, которые смогут сделать их жизнеспособными и сократить разрыв с колоколообразными соплами двигателей, захватившими индустрию.

И главная причина, по которой мы не видим КВРД повсеместно, состоит в том, что они не дают какого-то ощутимого прироста в производительности. Они бы стояли наравне с остальными двигателями, если бы существовали.

Тоже самое можно сказать о двигателе Raptor, который казался невозможным из-за слишком сложного принципа своей работы. И этот двигатель чрезвычайно сложен и дорог. Но дело в том, что цикл с полной газификацией компонентов практически по всем показателям эффективнее, нежели остальные циклы, используемые в двигателях. Аэроспайк же получает преимущество лишь в плане работы на определённых высотах, но по части остального у него преимущества нет. Именно поэтому инженеры занимаются вещами вроде закрытого цикла с полной газификацией компонентов топлива или цикла с электрическим насосом.

И ещё один забавный факт о КВРД. Земля, возможно, не та планета, которая создана для этого типа двигателей. Если бы атмосфера нашей планеты была бы хоть чуть толще, то это было бы выгодно даже для многоступенчатых ракет. Но с нашей атмосферой выбор сопла Лаваля даёт идеальную комбинацию производительности и надёжности. И если бы не их отсталость в плане термодинамики, то преимущества таких сопел могли бы перевесить недостатки. 

Лучшая метафора, которую можно применить к КВРД, на мой взгляд — это сравнить их с двигателями автомобилей Mazda RX-7 или RX-8. Любители автомобильной техники наверняка слышали о роторно-поршневых двигателях. Их конструкция очень проста — всего 3 движущиеся части. Маленькие, быстрые и мощные. На бумаге — это идеальный выбор. Но на практике — это кошмар для охлаждения и смазки. Ужасная экономия по топливу, а также низкий срок службы и низкая надёжность.

Тем не менее, они создали вокруг себя небольшой культ. Кое-где они всё ещё являются хорошим выбором. Люди всегда спорили о том, что получилось бы, вложи они в роторно-поршневые двигатели больше средств и усилий. Возможно, они были бы такими же эффективными, как и поршневые двигатели?

Точно так же аэроспайк мог бы стать хорошим двигателем при увеличении числа исследований и разработок. Но, как и в случае с роторно-поршневым двигателем, стоит ли оно того? Я постоянно утверждаю, что ракетостроение — это череда компромиссов. Искусство ракетостроения — это балансирование переменных. Не только технических характеристик, но и надёжности, стоимости и рисках производства. Необходимо правильно сложить всё вместе, чтобы получить реальный результат. 

Самое большое преимущество аэроспайка — одинаковая эффективность на любой высоте. Но так ли она необходима? Если вы не разрабатываете орбитальный самолёт, то в этом нужды нет — подойдет и обычная двухступенчатая схема.

Что думаете? КВРД слишком хороши, чтобы просто забыть про них? Они когда-нибудь выведут что-либо на орбиту? Или традиционное сопло — это самый верный выбор? Дайте знать ваше мнение в комментариях ниже.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

44
Войдите, чтобы читать и оставлять комментарии и не видеть рекламу.
Показать скрытые комментарии

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам:

[X]
Если не получается зайти отсюда, попробуйте по ссылке.