Роль ракет в будущих космических системах запуска

Понимание Рамджетов

Рамджеты — класс воздуходувных реактивных двигателей, не имеющих движущегося компрессора или турбины, полностью полагающихся на движение вперёд транспортного средства для сжатия поступающего воздуха. Эта конструкция делает их по своей сути простыми и лёгкими по сравнению с турбореактивными или турбовентиляторными двигателями. На дозвуковых скоростях рамджеты неэффективны, поскольку для сжатия воздуха недостаточно динамического давления, но при сверхзвуковых и гиперзвуковых скоростях они становятся высокоэффективными. Отсутствие вращающихся машин позволяет рамджетам работать при очень высоких числах Маха, как правило, от Маха 2,5 до Маха 6 или выше, в зависимости от топлива и конструкции.

В рамджете воздух поступает во вход и замедляется (сжимается) серией ударных волн перед входом в камеру сгорания. Топливо впрыскивается и сжигается, и полученный горячий газ расширяется через сопло для получения тяги. Поскольку двигатель использует атмосферный кислород в качестве окислителя, транспортному средству не нужно переносить тяжелые резервуары окислителя, что является основным преимуществом по сравнению с традиционными ракетными двигателями. Удельный импульс рамджета может достигать 1200–2000 секунд на высоких сверхзвуковых скоростях, намного превышающих 300–450 секунд типичной химической ракеты. Эта топливная эффективность делает рамджеты привлекательными для ранних стадий космического запуска, особенно для многоразовых ускорителей первой ступени или воздушно-дыхательных гиперзвуковых самолетов, которые могут подниматься к краю пространства.

Термодинамический цикл рамджета аналогичен циклу Брэйтона, но без компрессора. Вместо этого замедление поступающего высокоскоростного воздуха обеспечивает требуемое сжатие. Этот процесс генерирует значительный нагрев, и рамджетные конструкции должны выдерживать экстремальные температуры, часто требующие передовых материалов, таких как керамика, никель-суперсплавы и активные системы охлаждения. Двигатели Ramjet могут сжигать различные виды топлива, причем водород обеспечивает самые высокие характеристики из-за его высокой энергии сгорания и превосходных охлаждающих свойств. Также используются углеводородные виды топлива, особенно для низкоскоростных применений, где важна управляемость и плотность.

Scramjets — вариант сверхзвукового горения

На скоростях выше около 5 Маха температура поднимается от сжатия воздуха до дозвуковых скоростей становится настолько сильной, что материальные пределы и химическая кинетика делают обычное реактивное горение непрактичным. Сверхзвуковой реактивный двигатель сгорания, или стремительный реактивный двигатель, преодолевает это, сохраняя воздушный поток сверхзвуковым по всему двигателю. Воздух поступает на гиперзвуковых скоростях, сжимается впускной геометрией, топливо впрыскивается и смешивается в сверхзвуковом потоке, и горение происходит без нормального шока. Это позволяет стременам эффективно работать до 15 Маха и потенциально выше, хотя устойчивая работа на таких скоростях остается главной инженерной задачей.

Скрамджеты считаются ключевым фактором для гиперзвукового транспорта дальнего радиуса действия и в качестве воздушно-дыхательного этапа двухступенчатой системы запуска (TSTO). X-43A (NASA) и X-51 Waverider (ВВС США) продемонстрировали технологию реактивного двигателя в полете, достигнув соответственно 9,6 Маха и 5,1 Маха. Эти испытания доказали, что сверхзвуковое горение возможно и может обеспечить положительную тягу сети, но они также подчеркнули трудности с воспламенением, огнеупором и термическим управлением в экстремальных условиях.

Преимущества Ramjets и Scramjets для космического запуска

Проблемы, которые необходимо преодолеть

Несмотря на свои обещания, реактивные и реактивные двигательные установки сталкиваются с несколькими фундаментальными проблемами, которые необходимо решить, прежде чем они могут быть регулярно использованы для космических запусков.

Термический менеджмент

Высокоскоростной воздушный поток генерирует интенсивное конвективное и радиационное отопление. Температура застоя при махе 8 может превышать 3000 К, требуя активного охлаждения стенок двигателя, впускных передних краев и сопла горла. Регенеративное охлаждение, при котором топливо циркулирует по каналам охлаждения перед впрыском, является первичным подходом. Водород является отличным охлаждающим веществом благодаря своей высокой удельной теплоемкости и низкой вязкости, но обработка криогенного водорода на ракете-носителе добавляет сложности. Эндотермические углеводородные топлива также могут поглощать тепло через реакции растрескивания, но они имеют меньшую охлаждающую способность.

Интеграция с ракетным двигателем

Двигатель воздушного дыхания не может работать вне атмосферы. Любая ракета-носитель, использующая ракетные двигатели, должна перейти на ракетный двигатель для конечного ускорения до орбитальной скорости. Для этого требуется двигатель комбинированного цикла, такой как комбинированный цикл на турбинной основе (TBCC) или комбинированный цикл на ракетной основе (RBCC). Переход между режимами воздушного дыхания и ракет должен быть плавным и быстрым, а двигатель должен эффективно работать в широком диапазоне чисел Маха и высот. Двигатель SABRE от Reaction Engines является одной из самых передовых конструкций, использующих предохладитель с гелиевым охлаждением, чтобы турбокомпрессор работал на гиперзвуковых скоростях до перехода в режим ракеты. Однако SABRE еще не летал в полном транспортном средстве.

Впускная производительность и стартовая способность

Впускные отверстия Ramjet должны захватывать правильное количество воздуха и генерировать желаемое соотношение сжатия в широком диапазоне скоростей. При низких сверхзвуковых скоростях вход может начинаться плохо, вызывая перетаскивание или отключение. Транспортное средство должно ускоряться другими средствами (ракетный ускоритель, турбореактивный двигатель или катапульта) до числа Маха, где рамджет может взять на себя. Эта начальная фаза ускорения добавляет сложность и вес. Проектирование впуска с фиксированной геометрией, который работает от 2 до 6 Маха, чрезвычайно сложно; впускные отверстия с изменяемой геометрией добавляют движущиеся части и вес.

Стабильность горения и удержание огня

В струе скремджет время пребывания потока в горючем составляет порядка миллисекунд. Топливо должно впрыскиваться, смешиваться со сверхзвуковым воздушным потоком и воспламеняться в этом окне. Были испытаны полости, распорки и схемы впрыска стенок, но поддержание стабильного горения в различных условиях полета остается предметом исследования. Пламя или нестабильность могут привести к потере тяги и потере транспортного средства.

Материалы и производство

Экстремальные температуры в сочетании с окисляющими атмосферами и высоким динамическим давлением требуют материалов, которые поддерживают прочность и сопротивляются окислению. Керамические матричные композиты (CMC), ультра-высокотемпературная керамика (UHTC) и огнеупорные металлы являются кандидатами, но они дороги и сложны в производстве в больших, сложных формах.Объединение различных материалов для управления несоответствиями теплового расширения является еще одной серьезной инженерной проблемой.

Текущие исследовательские и демонстрационные проекты

Несколько стран активно разрабатывают программы гиперзвукового воздушного движителя как для военных, так и для гражданских целей. Эти проекты генерируют критически важные данные, которые могут помочь в разработке будущих космических запусков.

Концепция гиперзвукового воздушного оружия DARPA (HAWC)

Программа HAWC, запущенная DARPA в сотрудничестве с ВВС США, испытала крылатые ракеты с ракетным двигателем, способные к длительному полету на скорости 5 Маха. В 2022 году испытание Raytheon / Northrop Grumman достигло 9-минутного полета на скоростях выше 5 Маха, демонстрируя производительность и выносливость самолета. В то время как ближайшая цель - оружие, разработанные технологии - передовые входы, тепловая защита и управление полетом - применяются непосредственно к многоразовым этапам ускорения для космического запуска. Программа DARPA HAWC предоставляет дополнительные детали.

Реакционные двигатели SABRE и Skylon

Британская компания Reaction Engines Ltd. разрабатывает синергетический воздушно-дыхательный ракетный двигатель (SABRE) с 1980-х годов. SABRE использует прекулер, который охлаждает гиперзвуковой впускной воздух от более 1000°C до -150°C за миллисекунды, позволяя легкому турбокомпрессору давить воздух до его попадания в камеру сгорания. На высоких скоростях и большой высоте двигатель закрывает воздухозаборник и переключается в ракетный режим с использованием бортового жидкого кислорода. Концепция космического самолета Skylon была разработана для доставки 15 тонн полезной нагрузки на низкую околоземную орбиту с использованием двигателей SABRE. В то время как полная разработка Skylon была приостановлена, Reaction Engines успешно протестировала прекулер и полное ядро двигателя. Страница технологии Reaction Engines предлагает технические обзоры.

NASA X-43 и X-51 Legacy

Программа НАСА Hyper-X совершила полет на X-43A в 2004 году, достигнув полета на реактивном двигателе на скорости 6,8 Маха, а затем 9,6 Маха. X-43A продемонстрировал жизнеспособность реактивного движения и проверенные вычислительные модели. Ваверидер X-51, финансируемый ВВС США, увеличил выносливость реактивного двигателя с 200-секундным полетом в 2013 году. Эти записи остаются вехами, и извлеченные уроки включены в проекты следующего поколения. НАСА продолжает исследования по воздушно-дыхательной силовой установке для доступа в космос; см. Программа гиперзвуковой НАСА .

Китайские и российские усилия

Китай испытал вейврайдер Starry Sky-2 и разрабатывает гиперзвуковой планирующий аппарат DF-ZF, который может быть усилен скремджетной стадией. Российская гиперзвуковая противокорабельная ракета Tsirkon (FLT: 3) (Zircon), как сообщается, использует реактивную двигательную установку и была развернута. В то время как военные приложения доминируют, базовая двигательная технология может быть адаптирована для помощи при запуске. Международное сотрудничество в области гиперзвуковой техники остается ограниченным из-за проблем двойного использования.

Интеграция в будущие системы запуска

Наиболее перспективным в ближайшей перспективе применением технологии рамджет- и скрамджет в космическом запуске является в составе двухступенчатой системы (TSTO). В типичной концепции TSTO первая ступень представляет собой воздушно-дыхательный гиперзвуковой самолет, который переносит ракетную вторую ступень на большую высоту и 5 Маха+. Первая ступень затем возвращается на базу для повторного использования, в то время как вторая ступень ускоряет полезную нагрузку на орбиту. Этот подход использует высокий удельный импульс воздушно-дыхательной ступени для первоначального подъема, значительно уменьшая требуемую массу топлива по сравнению с ракетой только TSTO.

Такая система могла бы снизить затраты на запуск в 2-5 раз по сравнению с расходными ракетами, в зависимости от степени повторного использования. Например, в подходе к авианосцу Stratolaunch используется большой самолет с турбовентиляторным двигателем, но первая ступень с реактивным двигателем может идти намного быстрее и выше, что еще больше улучшает производительность. Концепции, такие как двигатели реакции Skylon, нацеленные на SSTO, но TSTO более осуществима с текущими материалами и зрелостью испытаний.

Другой путь интеграции - использование ракетных двигателей в качестве ускорителей для первой ступени ракеты. Рамджет обеспечит увеличенную тягу во время первоначального подъема, позволяя ракетным двигателям быть меньше или полезной нагрузкой быть больше. Однако дополнительная масса системы рамджет и необходимость нести собственное топливо (поскольку он использует атмосферный воздух) должны быть взвешены против преимуществ. Двухрежимные рамджетные / ракетные двигатели, такие как конструкции RBCC, могут работать в режиме катапультирования рамджет на низких скоростях, переход в режим рамджет / рамджет на высоких скоростях и, наконец, закрыть впуск, чтобы стать чистой ракетой. Несколько концепций двигателя RBCC были испытаны на земле, но демонстрации полета все еще ограничены.

Дорога впереди

Путь к созданию космических ракетных систем требует постоянных инвестиций в материалы, исследования горения и летные испытания.

Если эти проблемы будут преодолены, ракетные комплексы могут позволить новому поколению ракет-носителей, которые работают больше как самолеты, чем ракеты, с быстрым разворотом и низкими эксплуатационными расходами. Такие транспортные средства не заменят ракеты большой грузоподъемности полностью - некоторые полезные нагрузки слишком велики для этапов воздушного дыхания - но они могут заполнить важную нишу в запуске среднего класса и гиперзвуковом транспорте точка-точка.

Рамджеты и скремджеты предлагают убедительный путь к более эффективным многоразовым космическим системам запуска. Используя атмосферный кислород на ранней стадии полета, они уменьшают массу топлива, увеличивают долю полезной нагрузки и позволяют горизонтальный взлет и посадку. В то время как многие технологические препятствия остаются, продолжающиеся исследования в НАСА, DARPA, Reaction Engines и других организациях неуклонно продвигают зрелость воздушно-дыхательного гиперзвукового движения. Обещание более низкой стоимости, более высокой скорости полета и большей гибкости делает ракетки неотъемлемой частью разговора о будущем доступа в космос.