Введение

Суборбитальный космический полет превратился из спекулятивного рубежа в осязаемую индустрию, движимую частными компаниями, такими как Blue Origin и Virgin Galactic. Эти короткие путешествия над линией Кармана, примерно на 100 километров в высоту, предлагают пассажирам несколько минут микрогравитации и панорамный вид Земли на черноту космоса. В основе каждой успешной суборбитальной миссии лежит одна, не подлежащая обсуждению переменная: , тяга и контроль тяги определяют, может ли транспортное средство преодолеть гравитацию, сопротивление перетаскиванию и атмосферное сопротивление, чтобы достичь границы пространства. Траст - это не просто технический параметр; он непосредственно формирует безопасность, комфорт и общее качество опыта для каждого пассажира, который пристегнул в частную космическую капсулу.

Что такое ржавчина?

В контексте ракетостроения тяга — это сила, создаваемая, когда ракетный двигатель выталкивает топливо с высокой скоростью в одном направлении, создавая равную и противоположную силу, которая толкает транспортное средство вперед. Этот принцип, вытекающий из третьего закона движения Ньютона, является единственным средством движения за пределы атмосферы Земли. Для суборбитальных транспортных средств тяга должна быть тщательно рассчитана для достижения необходимой скорости и высоты без превышения структурных или физиологических пределов.

Принципы ракетного двигателя

Тяга образуется при сгорании топлива и окислителя в камере сгорания. Получающиеся горячие газы ускоряются через сопло, как правило, конвергентно-дивергентной (де Лаваль) конструкции, которая расширяет поток до сверхзвуковых скоростей. Изменение импульса выхлопных газов производит силу тяги. Уравнение для тяги (FLT:0) v ] v — P ] a e ], где μ — скорость потока массы, ve e] — давление выхода, Pea — давление окружающей среды, а Ae — площадь выхода. Для суборбитальных транспортных средств, работающих в изменяющемся атмосферном давлении, конструкция сопла должна быть оптимизирована для поддержания эффективности на протяжении всего подъема.

Измерение тяги и специфического импульса

Инженеры количественно определяют тягу в единицах силы, обычно ньютонов (N) или фунт-сила (lbf). Более важным, чем сырая тяга является специфический импульс (I sp ), мера эффективности, определяемая как тяга на единицу скорости потока топлива. Более высокий специфический импульс означает большую тягу на килограмм топлива, что позволяет транспортному средству нести меньше топлива для данного требования дельта-v. Суборбитальные транспортные средства часто используют жидкостные двигатели (например, жидкий кислород и керосин или жидкий кислород и водород) из-за их высокой удельной импульсности и управляемости. Твердотопливные двигатели, в то время как более простые, предлагают меньшую точность и редко используются в пассажирском суборбитальном судне.

Роль силы в суборбитальных полетах

Тяга управляет каждой фазой суборбитальной миссии.С момента зажигания до отключения двигателя профиль тяги должен быть точно срежиссирован для достижения целей траектории, высоты и ускорения.

Профиль запуска и восхождения

В течение первых нескольких секунд запуска тяга транспортного средства должна превышать его общий вес (включая топливо), чтобы произвести положительное чистое ускорение вверх. Отношение тяги к весу (T/W) при взлете имеет решающее значение: T/W больше 1,2 типично для суборбитальных транспортных средств, обеспечивая достаточный запас для преодоления гравитации и аэродинамического сопротивления. По мере того, как топливо потребляется, и транспортное средство становится легче, ускорение увеличивается. Суборбитальные транспортные средства, такие как New Shepard Blue Origin, используют один жидкостный двигатель, который дрожит вниз во время верхней части ожога, чтобы поддерживать удобный профиль ускорения для экипажа и пассажиров.

Требования Delta-V

Дельта-в (Δv) - это общее изменение скорости, необходимое для достижения заданной высоты и безопасного возвращения. Для суборбитальной траектории требуемая дельта-в значительно ниже, чем для орбитального полета - обычно около 1,2-1,4 км / с для 100-километрового апогея, по сравнению с примерно 9,4 км / с для достижения низкой околоземной орбиты. Поскольку суборбитальная миссия не требует достижения орбитальной скорости, ракета может быть меньше и проще. Тем не менее, тяга должна быть достаточной для доставки этой дельта-в в течение короткого времени горения, обычно 2-3 минуты. Связь между тягой, конкретным импульсом и массой топлива непосредственно определяет, может ли транспортное средство достичь своей цели дельта-в.

Постановка и соотношение тяги к весу

Большинство суборбитальных пассажирских транспортных средств являются одноступенчатыми, то есть они несут все свое топливо в одной структуре. Отношение тяги к весу резко меняется, когда топливо стекает. В начале полета, когда транспортное средство является самым тяжелым, ускорение может быть умеренным (около 1,5-2 Гс). Поскольку топливо сгорает, тяга остается постоянной (или может быть дроссельной), поэтому ускорение увеличивается. Чтобы избежать превышения пределов комфорта пассажиров при выгорании, контроллеры двигателя постоянно уменьшают тягу. Современные суборбитальные ракеты используют управление дроссельной заслоной с замкнутым контуром, чтобы удерживать ускорение до предопределенного предела, часто 3-4 Гс в конце ожога. Это тщательное управление тягой гарантирует, что пассажиры испытывают устойчивое увеличение сил G без шипов, которые могут вызвать дезориентацию или дискомфорт.

Влияние торможения на опыт пассажиров

Профиль тяги является определяющим фактором в том, что чувствуют пассажиры во время запуска и подъема.В то время как место назначения - пространство - является основным притяжением, само путешествие - это висцеральный, физический опыт, который должен быть разработан с учетом физиологии человека.

G-Force Management

Человеческая толерантность к ускорению хорошо документирована. Большинство неподготовленных людей могут выдерживать до 3-4 Gs в направлении грудной клетки к спине (глазные шары) без серьезного дискомфорта, и многие суборбитальные операторы нацелены на этот диапазон. Однако скорость начала ускорения и продолжительность имеют значение столько же, сколько и пиковое значение. Гладкий нарастание тяги, достигнутое путем постепенного дросселирования, позволяет пассажирам адаптироваться. Резкие изменения, такие как неожиданный всплеск тяги, могут вызвать дезориентацию, напряжение мышц и даже временную потерю периферийного зрения (серый). Такие компании, как Virgin Galactic, используют гибридный ракетный двигатель для SpaceShipTwo, который обеспечивает устойчивый, предсказуемый профиль тяги, в то время как New Shepard Blue Origin полагается на дросселированный жидкий двигатель. Оба подхода направлены на то, чтобы поддерживать поездку достаточно комфортно, чтобы пассажиры могли с нетерпением ждать невесомой фазы, а не бояться подъема.

Продолжительность и качество безвесности

Тяга также определяет длину и качество периода микрогравитации. В суборбитальном полете двигатель сгорает до определенной скорости, затем выключается. Транспортное средство продолжает движение вверх, замедляясь под действием силы тяжести, пока не достигнет апогея. В этот момент транспортное средство начинает отступать. Период невесомости начинается при отсечке двигателя и заканчивается, когда транспортное средство снова входит в чувственную атмосферу (или когда пассажиры привязаны обратно к повторному входу). Более высокая тяга позволяет более короткому ожогу достичь необходимой скорости, но общее время свободного падения зависит от того, насколько высоко транспортное средство идет и как быстро оно движется при выгорании. И наоборот, более низкий тяга, более длительный ожог может продлить время работы двигателя (и пассажиры находятся под действием сил G), уменьшая фазу микрогравитации на побережье. Компромисс тщательно оптимизирован: большинство суборбитальных полетов нацелены на 3-5 минут невесомости.

Спокойствие

Колебания тяги, вызванные неустойчивостью горения или болтовней клапанов, могут переходить в вибрацию и джиттер. Современная конструкция двигателя и активные системы демпфирования помогают сгладить эти нарушения. Например, двигатель BE-3 Blue Origin, который сжигает жидкий водород и жидкий кислород, известен своим чистым горением и плавным откликом дроссельной заслонки. Структура самого транспортного средства действует как фильтр низкого прохода, снижая высокочастотные колебания. Однако низкочастотные колебания (пого) все еще могут возникать, если система тяги взаимодействует со структурными режимами транспортного средства. Инженеры используют демпферы и регулируют систему подачи топлива для устранения событий пого, обеспечивая приятную езду для пассажиров.

Технологические достижения в управлении ржавчиной

Суборбитальная промышленность извлекла выгоду из десятилетий разработки ракет, но последние инновации специально направлены на решение проблем пассажирских полетов.

Переменная тяга и дросселирование

Ранние ракеты с жидкостным топливом были либо включены, либо выключены; дросселирование было затруднено из-за необходимости поддерживать надлежащие коэффициенты смешивания и давление в камере. Современные двигатели, такие как BE-3 и Merlin SpaceX (используемые на орбитальных пусковых установках, но с технологией дросселирования, которая просачивается вниз), могут непрерывно дросселировать от 20% до 100% номинальной тяги. Эта способность позволяет суборбитальному транспортному средству нацеливаться на определенный профиль ускорения во время ожога. Например, двигатель New Shepard дроссель возвращается в течение последних секунд полета, чтобы удерживать силы G на уровне или ниже 3,5 Гс. Точность исходит от клапанов с электронным управлением и сложных петлей обратной связи, которые регулируют поток топлива в реальном времени.

Конструкция сопла для высотной компенсации

Ракетные сопла оптимизированы для давления окружающей среды, при котором они работают. Сопла, предназначенные для уровня моря, перерасходованы на большой высоте, вызывая внутреннее разделение потока и потерю эффективности. И наоборот, оптимизированное по высоте сопло недостаточно расширено на малой высоте, производя меньшую тягу. Для суборбитального транспортного средства, которое работает в широком диапазоне высот, фиксированное сопло представляет собой компромисс. Недавние достижения в конструкции сопла, такие как использование сопла , например, использование аэроспика , может обеспечить компенсацию высоты, позволяя выхлопу регулировать его эффективное коэффициент расширения. Хотя еще не распространено в суборбитальных пассажирских судах, исследования продолжаются, и будущие транспортные средства могут включать эти конструкции для повышения общей эффективности и уменьшения массы топлива.

Многоразовые ракетные двигатели и долговечность

Суборбитальные транспортные средства, по конструкции, предназначены для многократного полета. Для многоразового использования двигателя требуются надежные камеры тяги, турбонасосы и узлы сопла, которые могут выдерживать повторяющиеся тепловые и механические циклы. Усилитель New Shepard от Blue Origin летал десятки раз с одним и тем же двигателем. Интервалы обслуживания удлиняются передовыми материалами, такими как медно-легированные камерные лайнеры с фрезерованными охлаждающими каналами, и с использованием водорода в качестве охлаждающей жидкости (регенеративное охлаждение). Управление ржавчиной в многоразовом контексте также включает в себя мониторинг состояния двигателя с помощью датчиков и регулирование пределов тяги, чтобы избежать перенапряжения. Этот подход, основанный на данных, гарантирует, что каждый полет работает в безопасных пределах, все еще обеспечивая требуемую производительность.

Будущее суборбитальной тяги

Суборбитальный рынок готов к росту, и компании будут изучать новые типы миссий за пределами туризма: исследования микрогравитации, развертывание малых спутников (через суборбитальные траектории) и быстрая транспортировка грузов.

Гибридные ракетные двигатели

Гибридные ракеты, использующие твердое топливо и жидкий окислитель, обеспечивают промежуточную основу между простотой и управляемостью. SpaceShipTwo компании Virgin Galactic использует гибридный двигатель (полибутадиеновое топливо и окислитель закиси азота). Эти двигатели могут быть легко дроссельными и выключенными, и с ними безопаснее обращаться, чем с полностью твердыми или полностью жидкими системами. Однако они обычно имеют более низкий удельный импульс, чем жидкие бипропеллентные двигатели. Будущие гибридные конструкции могут включать в себя более энергетические топливные зерна и передовые форсунки для закрытия этого разрыва, что делает их конкурентоспособными для более крупных суборбитальных транспортных средств.

Электрическое движение и плазменные расщеплители

В то время как электрическая тяга (ионные двигатели, двигатели эффекта Холла) в основном связана с орбитальными и глубоководными миссиями, некоторые исследователи предложили использовать мощные электрические двигатели для суборбитальных полетов, которые не требуют тех же уровней тяги, что и химические ракеты. Ключевое ограничение - очень низкое отношение тяги к весу - электрические двигатели производят только ньютоны силы, а не килоньютоны. Однако с достижениями в соотношениях мощности к весу солнечных батарей или бортовых батарей очень легкий суборбитальный автомобиль может однажды использовать электрическую тягу для окончательного рывка к линии Кармана после запуска воздушного шара. Такие концепции остаются спекулятивными, но подчеркивают продолжающееся творчество в управлении тягой.

Адаптивный траекторный контроль

В ближайшей перспективе наиболее значительные улучшения будут получены из программного обеспечения и алгоритмов управления. Используя данные датчиков в реальном времени (акселерометры, GPS, давление двигателя), летные компьютеры могут регулировать тягу в микросекундах, чтобы компенсировать ветры, неопределенности массы транспортного средства или изменения производительности двигателя. Это рулевое управление с замкнутым контуром, иногда называемое динамическим управлением дроссельной заслонки, позволяет транспортному средству соответствовать своей целевой высоте с большей точностью, повышая безопасность и обеспечивая постоянную езду для каждого пассажира, независимо от атмосферных условий.

Заключение

Тяга лежит в основе каждого аспекта суборбитального полета. Это фундаментальная сила, которая поднимает пассажиров с земли, определяет их ускорение экспозиции и регулирует продолжительность и качество невесомости. Благодаря тщательной инженерии ракетных двигателей, профилей сопла, управления дроссельной заслонки и конструкций транспортных средств, суборбитальные операторы создали путешествия, которые являются безопасными и убедительными. По мере развития отрасли, дальнейшие усовершенствования в управлении тягой сделают суборбитальные путешествия более эффективными, более надежными и в конечном итоге более доступными. Для тех, кто еще не забронировал место, история тяги является напоминанием о том, что даже самые волнующие переживания построены на точных, невидимых силах.

Внешние ресурсы:
]NASA — Rocket Thrust Glossary
Blue Origin — New Shepard Engine
Virgin Galactic — Technology Overview
SpaceX — Raptor Engine (ссылка на дросселирование]
NASA — Rocket Thrust Summary