«Забытая» замена традиционным ракетным двигателям, разработанная 60 лет назад⁠⁠

С первого полёта в космос стало понятно, что одной из основных проблем является создание максимально эффективного ракетного двигателя. Если кратко, то именно двигатель преобразует энергию горения топлива в тягу. Один из важнейших элементов в этом процессе — сопло. По мере приближения реактивной струи к краю сопла, повышается скорость истечения выхлопных газов, а вот их температура и давление, наоборот, понижаются. Это и накладывает кучу различных ограничений на конструкцию двигателя в целом и сопла в частности.

К примеру, если давление выхлопных газов будет ниже атмосферного, выхлоп будет сжиматься. Это может привести к тому, что между потоком выхлопных газов и стенками сопла начнёт образовываться воздушная прослойка (атмосферный воздух будет попадать в сопло), которая в свою очередь приведёт к возникновению случайных ударных волн (отрыв потока) и, как итог, разрушению двигателя.

Как работает сопло?

Если говорить максимально коротко, то суть в том, чтобы разогретый газ, находящийся под высоким давлением (его молекулы движутся хаотично), преобразовать в высокоскоростной поток частиц, направленный в определённом направлении. По сути, давление и температура преобразовываются в тягу.

На первый взгляд кажется, что надо уменьшать сопло, чтобы увеличивать скорость истечения струи газа, но это не так. Нам требуется преобразовать тепловую энергию в кинетическую, снизив при этом давление и температуру, что придаст газу ускорение. Чем ниже давление, тем больше энергии из камеры сгорания мы можем преобразовать в высокую скорость струи на выходе. А уменьшение диаметра сопла будет, как минимум, увеличивать давление.

При этом, чем выше ракета-носитель, тем меньше давление окружающей атмосферы, из-за чего давление газов, выходящих из сопла становится больше него (это хорошо видно на примере расширения струи выхлопных газов во время запуска РН). Именно поэтому сопла вакуумных движков значительно шире атмосферных.

Это довольно утрированное описание, но в противном случае тут такой лонгрид получится, что вы и половины не дочитаете. Тем не менее, что приходит в голову, когда становится понятна суть ограничений, накладываемых на конструкцию сопла?

Правильно — сопло было бы неплохо «вывернуть наизнанку», чтобы давление окружающей атмосферы не сжимало выхлопные газы, выходящие из него. Так получится, что оно будет только помогать. По сути, это и есть клиновоздушный ракетный двигатель, обладающий наиболее высоким КПД. Более того, он настолько же эффективен будет и в вакууме.

Если он такой идеальный, почему никто его не делает?

Обратимся к SpaceX. Инженеры компании смогли решить сложнейшую задачу — разработали двигатель закрытого цикла на метане с полной газификацией компонентов топлива. Спрашивается, почему нет даже разговоров о том, чтобы создать чуть ли не идеальный движок? Тем более, что наработок по этому направлению «вагон и тележка». Какие?

И снова американцы на Луне.

На основе двигателя J-2 второй ступени РН «Сатурн-5» разрабатывался клиновоздушный двигатель J-2T. Разработки зашли довольно далеко, было пройдено 34 огневых испытания, но с запуском программы Space Shuttle все эти наработки убрали, как говорится, в стол.

В компании Rocketdyne в период с 1970-й по 1972-й год активно разрабатывали КВРД L-1, созданный на основе J-2s («упрощённая» версия J-2). Этот движок прошёл 44 огневых испытания общей продолжительностью 3113 секунд. Опять же, разработку просто отложили.

Спустя 30 лет был запущен проект VentureStar. Очень интересный и заслуживающий отдельной публикации. Правда, судьба у него та же, что и у предыдущих — успешные огневые испытания и откладывание в сторону.

Как работает клиновоздушный двигатель?

Суть принципа его работы заключается в том, чтобы создать стенки виртуального сопла из потока окружающего воздуха. Благодаря этому, давление выхлопных газов будет уравновешиваться с давлением окружающей среды. По мере уменьшения атмосферного давления, виртуальное сопло будет расширяться, пока выводимый аппарат не попадёт в вакуум. Двигатель в таком случае не просто не развалится на куски при работе на разных высотах — он будет работать буквально идеально!

Существует две основные модификации этого вида двигателя: с тороидальным соплом (тороидальные КВРД) и с соплом в форме плоского клина (линейные КВРД). У тороидального КВРД камера сгорания похожа на пончик, а её горловина выходит как-бы внутрь, на сопло. У линейного КВРД несколько расположенных с двух сторон камер сгорания, выхлоп из которых выходит вдоль плоского клиновидного сопла.

Так почему практически никто не разрабатывает КВРД, и все продолжают выжимать максимум из многоступенчатых космических систем?

По сути, проблемы две: нагрев и масса. Причём первая тянет за собой и вторую, так как нагрев, снижая производительность, приводит к увеличению массу.

Площадь охлаждения горловины камеры сгорания КВРД существенно больше, чем у традиционных. Согласно имеющимся данным, для КВРД приходится удваивать площадь охлаждения в самом горячем месте двигателя.

Отличным примером здесь послужит J-2T, о котором я написал выше. На изображении он рядом с классическим J-2.

Масса же увеличивается из-за более крупных камер сгорания, большего количества трубопроводов и дополнительных систем охлаждения. Это далеко не все проблемы. Есть ещё сложности с установкой на РН, которое тянет за собой сложности с управлением вектором тяги.

Другое дело, что многие эти проблемы сегодня вполне имеют отдельно взятые решения. Та же 3D-печать уже сегодня позволяет создавать формы каналов охлаждения или камер сгорания, которые невозможно создать традиционными методами обработки.

Возможно, именно поэтому к разработке этих двигателей возвращаются различные компании, среди которых испанская компания Pangea Aerospace протестировала первый в мире жидкостный клиновоздушный ракетный двигатель на метане/жидком кислороде.

Заключение

Всё равно получился лонгрид, хотя в целом материала набралось статей на 15-20. Надеюсь, вам понравилось, и спасибо, что дочитали. Каков итог?

КВРД идеально подходит для одноступенчатой ракеты-носителя или, скажем, орбитального самолёта (ссылка на видео о таком проекте имеется в конце статьи), так как основное преимущество КВРД заключается в одинаковой эффективности на любой высоте. Ещё идеальней, если можно так выразиться, эти двигатели подходят для планет с более плотной и толстой атмосферой.

Ничего удивительного, что сама концепция родилась более полувека назад, ведь она по-настоящему крутая. Оставалось только дождаться соответствующего развития технологий.

Друзья, как считаете, увидим мы вывод полезной нагрузки в космос с помощью КВРД? Или традиционная конструкция двигателя даёт идеальную комбинацию производительности и надёжности?

У Тима Додда (Everyday Astronaut) по этому поводу есть гораздо более подробная статья.

У меня есть каналы в Дзене, Telegram, YouTube и чат для дискуссий на научные темы. Подписывайтесь, если интересно.