Почему клиновоздушные ракетные двигатели — это технология будущего и в чём их преимущество?

У человечества в последнее время амбициозные планы по освоению космоса. Миссия на Марс — это лишь начало, так как взор ученых обращен на экзопланеты. Однако возможности за последние 50 лет не сильно шагнули вперед. Причина в том, что современные ракетные двигатели уперлись в предел своих возможностей.

Да, производители совершенствуют двигатели и улучшают характеристики, однако все это не дает какого-либо серьезного прорыва. К примеру, в плане тяговитости они мало чем отличаются от своих предшественников, созданных во второй половине прошлого века. Очевидно, человечество нуждается в новых технологиях. По мнению специалистов, такая технология уже существует — это клиновоздушные реактивные двигатели. Далее рассмотрим, что они собой представляют и в чем заключаются их преимущества.

Клиновоздушные ракетные двигатели считаются перспективной разработкой

Как сопла влияют на эффективность двигателей

Клиновоздушные ракетные двигатели, или сокращенно КВРД, относятся к жидкостным ракетным двигателям с клиновидными соплами. Чтобы понятнее было о чем вообще идет речь, вначале рассмотрим принцип работы обычных ракетных двигателей. Как известно, они обеспечивают тягу за счет вырывающихся с огромной скоростью отработавшие газы, которые сгорают в камере сгорания.
Эффективность ракеты зависит от того, как вырываются газы наружу — это джолжно происходить в одном направлении и с высокой скоростью. К примеру, если в камере сгорания сделать просто отверстие, газы будут выходить в разных направлениях, причем скорость будет достаточно низкой. В результате ракета не то, что в космос не сможет полететь, но и вообще не сдвинется с места.
Чтобы обеспечить правильное направление потока используют сопла. Они ограничивают направление газов в боковом направлении. Правда, обеспечить эффективность струи на 100% невозможно, в любом случае существуют определенные потери. Чтобы их минимизировать, форма сопла тщательно разрабатывается, что обеспечивает максимальную тягу.



Самые первые сопла (соплаЛаваля) имеют форму двух соединенных усеченных конуса

Однако у стандартных сопел имеется один серьезный недостаток. Дело в том, что давление снаружи также влияет на поток газов. Что это значит? Сопло может идеально справляться со своей задачей, то есть обеспечивать максимально однонаправленный поток газов. Но как только давление атмосферы изменится, к примеру, ракета взлетит и атмосферное давление изменится, эффективность сопла будет снижена.
Соответственно, изменяется и тяга, причем разница достигает 30%. Например, скорость струи ракетного двигателя RS-24 МТКК “Спейс шаттл” в вакууме составляет 4525 м/с, а в атмосфере на уровне моря — 3630 м/с. Отсюда следует, что форма сопла играет ключевое значение в эффективности ракетного двигателя.


Современные сопла ракеты

Самые первые сопла представляли собой два усеченных конуса, соединенных между собой узкой частью. Форма современных сопел более сложная, так как она проектируется на основе газодинамических расчетов и компьютерных симуляций.

Что такое клиновоздушные реактивные двигатели

Главное преимущество КВРД заключается в том, что клиновидные сопла могут изменять давление истекающей газовой струи в зависимости от атмосферного давления. То есть чем выше давление (ниже высота), тем ниже давление струи. Благодаря этому на низких высотах двигатель тратит на 25-30% меньше топлива на низких высотах за счет большей эффективности.



Конструкция обычного сопла и клиновоздушного

Каким образом двигатель обеспечивает такой результат? Главная его особенность заключается в том, что вместо отверстия внутри сопла, из которого вырываются отработанные газы, в КВРД находится конусообразный выступ (клин). При этом выхлоп происходит не внутри сопла, а снаружи. Причем газы вырываются из большого количества точек, и направляются вдоль клина. То есть клин обеспечивает внутреннюю “стенку” вдоль которой направляется поток. Внешней же “стенки” у такого сопла нет, а точнее, ее обеспечивает воздушный поток. Поэтому КВРД еще называют “двигателем аэроспайком”. У обычного же сопла, все наоборот, имеется внешняя стенка, ограничивающая поток, но отсутствует внутренняя.
Недостатком у такой конструкции тоже имеется. Одна из них — постоянный нагрев внутреннего выступа. Поэтому двигатель требователен к охлаждению. Кроме того, он имеет достаточно большой вес, в связи опять же с выступом внутри сопла. Так как внешняя стенка отсутствует, и вместо нее используется воздушный поток, эффективность двигателя падает на малых скоростях 1-3 маха.
История разработки клиновоздушных ракетных двигателейНадо сказать, что КВРД начали изучаться уже давно — с 60-х годов прошлого столетия ими стала заниматься компания Aerojet Rocketdyne. Такие двигателя планировали использовать с одноступенчатыми космическими системами, которые могли бы доставлять на орбиты грузы, используя только одну ступень ракеты.
Первые двигатели Aerojet Rocketdyne создавались на основе жидкостных ракетных двигателей J-2. Однако они не показали высокую эффективность, и обеспечивали примерно такую же тягу, как и классические J-2, на базе которых они были созданы. Спустя 30 лет работа Aerojet Rocketdyne была использована НАСА. После небольшой модификации на базе ЖРД J-2S был создан новый плоский КВРД XRS-2200. Проект получил название НАСА X-33, однако он не получил развития в связи с проблемами, которые возникли с композитными топливными баками X-33.


Клиновоздушные двигатели бывают разной формы

В 2014 году компания Firefly Space Systems сообщила, что ракета-носитель Firefly Alpha будет создан на базе клиновоздушного двигателя на первой ступени. Она предназначалась для запуска малых спутников, которые ракета будет выводить на низкую околоземную орбиту. Двигатель должен был иметь тягу 40,8 тс (400 кН). Однако со временем работа была заморожена. Будущее ракеты в настоящий момент не определено.
Наибольшего же успеха удалось добиться команде Университета штата Калифорния в Лонг-Бич совместно с компанией Garvey Spacecraft Corporation. Они смогли не только разработать КВРД, но и успешно испытать ракету с ним. Испытания проходили в пустыне Мохаве 20 сентября 2003 года.
Кроме того, в последние 20 лет создавались и другие проекты, многие из которых были достаточно успешными. Некоторые модели КВРД сейчас находятся в стадии разработки. Эксплуатируемых ракет с КВРД в настоящее время не существует. Однако можно в уже в обозримом будущем они обязательно появятся, так как их преимущества очевидны.