Оригинальное название: The Quest for Efficient Propulsion

Исследования космоса всегда раздвигали границы технологий и техники. Одной из ключевых проблем является разработка эффективных двигательных систем, которые могут эффективно работать как в вакууме космоса, так и в атмосфере Земли. Среди многих нововведений, которые появились, реактивные двигатели сыграли значительную, хотя часто недооцениваемую роль в продвижении аэрокосмической двигательной технологии. Поскольку они являются воздуходувными двигателями, которые не требуют вращающихся частей, ракетные двигатели предлагают уникальное сочетание простоты, высокой скорости и легкой конструкции, что делает их привлекательными для конкретных профилей миссий. В этой статье рассматриваются принципы, преимущества, ограничения и будущий потенциал ракет в космическом двигателе, обеспечивая всеобъемлющий взгляд на то, как эта технология может помочь разблокировать следующее поколение систем доступа в космос.

Что такое Рамджет?

Рамджет — это тип воздушного реактивного двигателя, который опирается на движение вперед транспортного средства для сжатия поступающего воздуха, а не на использование механических компрессоров или турбин. В отличие от традиционного турбореактивного двигателя или турбовентилятора, рамджет не имеет движущихся частей на основном пути потока. Эта простота является как его наибольшей прочностью, так и его ключевым ограничением. Термин «рамджет» происходит от эффекта «рама» — высокоскоростной воздух вынужден или протаранен во впускной канал, где он сжимается геометрией входного диффузора.

Рамджеты часто путают со скрамджетами (самолетами самовозгорания). Принципиальное отличие заключается в скорости воздушного потока через двигатель: в обычном рамджете входящий воздух замедляется до дозвуковых скоростей до впрыска топлива и сжигания; в скрамджете воздушный поток остается сверхзвуковым на протяжении всего процесса сгорания. Оба являются воздуходувными двигателями, но они работают в разных диапазонах Маха и сталкиваются с различными инженерными проблемами.

Краткая история развития Ramjet

Концепция рамджета восходит к началу 20-го века. В 1913 году французский изобретатель Рене Лорин запатентовал дизайн «термореактивного» двигателя, который использовал движение вперед для сжатия воздуха. Однако первый практический рамджетный полет не произошел до 1940-х годов, когда немецкие инженеры протестировали пульсджет 014 (родственная, но отличная конструкция) на летающей бомбе V-1. Истинный рамджетный полет был достигнут в 1950-х годах с ракетной программой ВМС США LTV-N-2 Loon и позже Navaho . Советский Союз также разработал ракеты с рамджетным двигателем, такие как Kh-22 . В последующие десятилетия рамджеты использовались в основном в самонаводящихся беспилотниках и , а также в экспериментальных самолетах,

Как работают Рамджеты?

Понимание работы рамджета требует следования потоку воздуха через двигатель шаг за шагом. Процесс может быть разбит на четыре основные фазы:

  1. Вход и сжатие воздуха:] Транспортное средство разгоняется до высокой скорости (обычно выше 2 Маха, хотя эффективная работа обычно начинается около 3 Маха).Перенаправленное движение заставляет воздух входить во впускной канал, который имеет форму, чтобы действовать как диффузор. Площадь входного отверстия увеличивается плавно, замедляя сверхзвуковой входящий воздух до дозвуковых скоростей и резко повышая его давление. Этот процесс сжатия может увеличить давление воздуха в 10-30 раз, в зависимости от числа Маха и конструкции входного отверстия.
  2. Топливная инъекция и смешивание: В конце диффузорной секции топливо — обычно керосиновый углеводород или, в некоторых конструкциях, водород — впрыскивается в высокотемпературный поток воздуха высокого давления. Топливо должно быть тщательно смешано с воздухом для обеспечения стабильного сгорания. Во многих барже, пламегасители или зоны рециркуляции используются для закрепления пламени.
  3. Сжигание: Топливно-воздушная смесь воспламеняется (или автовоспламеняется из-за высокой температуры) и горит непрерывно. Камера сгорания предназначена для поддержания дозвукового потока и обеспечения полного горения. Теплоотпуск дополнительно повышает температуру газов, как правило, до более 2000 °C.
  4. Выхлопное сопло:] Затем горячие газы высокого давления расширяются через конвергентно-дивергентное сопло, ускоряясь до сверхзвуковых скоростей при выходе из него. Полученная тяга производится в соответствии с третьим законом Ньютона. Форма сопла имеет решающее значение для максимизации эффективности тяги при проектном числе Маха.

Поскольку движущихся частей нет, коэффициент сжатия полностью зависит от скорости транспортного средства и геометрии входа. Это означает, что реактивный двигатель не может производить статичную тягу; он должен быть ускорен до своей рабочей скорости другой двигательной системой, такой как ракетная ракета-носитель или турбореактивный двигатель. Это ограничение является основным фактором того, как реактивные двигатели интегрированы в двигательные системы космических аппаратов.

Рамджет Performance Metrics

Производительность рамджета измеряется конкретным импульсом (]Isp), отношением тяги к весу и диапазоном Маха, в котором он может работать. Рамджеты обычно достигают определенного импульса в диапазоне от 800 до 1200 секунд при сжигании углеводородного топлива на скорости от 3 до 5 Маха. Это значительно выше, чем у ракеты Isp (что обычно составляет 250-450 секунд), потому что рамджет использует атмосферный кислород вместо переноса собственного окислителя. Однако тяга уменьшается на больших высотах, поскольку плотность воздуха падает, и двигатель становится неэффективным выше примерно 30-40 км высоты, в зависимости от конструкции. Максимальное число Маха для обычного рамджета составляет около 5-6 Маха; кроме того, компрессия входного отверстия становится слишком неэффективной, а внутренние температуры становятся экстремальными. Для более высоких скоростей требуется рамджет или двухрежимный рамджет / стремит.

Преимущества Ramjets в космическом двигателе

Несмотря на свои ограничения, ракетные комплексы предлагают ряд неоспоримых преимуществ для космических применений. Эти преимущества становятся особенно актуальными при рассмотрении общей эффективности системы ракеты-носителя или гиперзвукового круизного аппарата.

  • Высокоскоростная эффективность:] Рамджеты наиболее эффективны на сверхзвуковых скоростях (от 2 до 5 Маха). Для космического корабля, ускоряющегося через атмосферу, реактивный двигатель может обеспечить гораздо более высокий удельный импульс, чем ракетный двигатель во время атмосферной части полета. Это уменьшает количество необходимого топлива и может увеличить долю полезной нагрузки.
  • Простота и надежность: Отсутствие вращающегося оборудования (без компрессора, без турбины) снижает механическую сложность, потенциальные точки отказа и требования к техническому обслуживанию. Меньшее количество движущихся частей также означает более низкие производственные затраты для самого двигателя.
  • Легкий дизайн: Поскольку нет тяжелых компрессоров или турбин, конструкция двигателя может быть относительно легкой. Для горелки и сопла по-прежнему необходимы высокотемпературные материалы, но общий вес двигателя может быть ниже, чем у турбореактивного двигателя аналогичной тяги.
  • Операция без окислителя:] Как и все двигатели, работающие на воздухе, в ракетах используется атмосферный кислород. Несущие меньше окислителя (или вообще не имеющие его во время фазы воздушного дыхания) значительно уменьшают общую массу транспортного средства при запуске. Это основная причина, по которой воздушно-дыхательная двигательная установка настолько привлекательна для применения на первой стадии или ускорителе.
  • Потенциал для многоразовых систем запуска: Двигатели комбинированного цикла, которые включают в себя режимы рамджет, изучаются для полностью многоразовых ракет-носителей. Используя воздушно-дыхательную тягу во время подъема, транспортное средство может уменьшить массу топлива и потенциально достичь горизонтального взлета и посадки, сродни самолету.

Ограничения и вызовы

Несмотря на все свои преимущества, ракетные комплексы сталкиваются с фундаментальными ограничениями, которые исторически ограничивали их применение в первую очередь ракетами и высокоскоростными беспилотниками.

  • Скоростной диапазон: Рамджеты неэффективны на низких скоростях. Они не могут производить статичную тягу, и ниже примерно 0,5 Маха сжатие тарана недостаточно для создания значимой тяги. Даже на 1 Маха производительность плоха. Это означает, что автомобиль с реактивным двигателем должен иметь альтернативную систему повышения (ракета, турбореактивный двигатель или даже катапульта) для ускорения до рабочей скорости.
  • Ограничения высоты:] Поскольку ракета зависит от атмосферного воздуха, ее производительность быстро ухудшается с высотой. Толчок падает по мере уменьшения плотности воздуха. На высоте примерно 35 км воздух слишком тонкий, чтобы выдерживать горение и производить полезную тягу. Это ограничивает ракету в нижней атмосфере и не может обеспечить движение в пространстве.
  • Тепловые и структурные проблемы:] Высокие температуры в камере сгорания (часто превышающие 2000 °C) требуют передовых методов охлаждения. Впускной и носовой конус также испытывают экстремальный аэродинамический нагрев, особенно на скоростях выше 5 Маха. Необходимы такие материалы, как керамические матричные композиты и активные системы охлаждения, добавляющие сложность и стоимость.
  • Интеграция с другим движением:] Для космических миссий реактивный двигатель должен быть частью двигателя комбинированного цикла , который может переключаться в режим ракеты, как только атмосфера истончается. Эта интеграция вносит дополнительные проблемы с весом, сложностью и управлением. Переход между режимами должен происходить плавно на нужной высоте и номере Маха.
  • Нестабильность горения: На высоких скоростях, особенно в переходной области между рамджетным и рамджетным режимами, горение может быть неустойчивым. Удержание огня, смешивание топлива и воздуха и ударно-волновые взаимодействия представляют собой значительные инженерные проблемы.

Рамджеты против ракет: сравнительный взгляд

Чтобы понять роль ракет в движении космических аппаратов, полезно сравнить их непосредственно с рабочей лошадкой космического запуска: ракетным двигателем. Ключевое отличие - использование атмосферного кислорода. Ракета несет как топливо, так и окислитель (обычно жидкий кислород и жидкий водород или комбинация твердого топлива). Это означает, что ракета может работать в вакууме, но она должна поднимать вес окислителя на всем пути от земли. Удельный импульс ракеты ограничен плотностью энергии ракетных двигателей и коэффициентом расширения сопла.

Напротив, воздушно-дыхательный двигатель, такой как рамджет, выигрывает от гораздо более высокого удельного импульса, потому что окислитель (кислород из воздуха) свободен. рамджет может достигать Isp около 1000 секунд при 4 Маха, тогда как водородная / кислородная ракета имеет Isp около 450 секунд в вакууме и меньше в атмосфере. Однако преимущество рамджета ограничено сегментом атмосферного полета. Как только транспортное средство достигает тонкого воздуха, рамджет становится бесполезным, и режим ракеты требуется для окончательного ускорения на орбиту.

Чистая выгода от включения реактивного двигателя в ракету-носитель наиболее выражена для концепций горизонтального взлета и посадки (например, космический самолет Skylon) или для двухступенчатого к орбите (TSTO) , где первая ступень - крейсер с реактивным двигателем, который возвращается на базу. Для обычных вертикальных ракет-носителей масса и сложность добавления реактивного двигателя часто перевешивают экономию топлива. Тем не менее, исследования продолжают оптимизировать компромиссы.

Рамджеты в гиперзвуковых полетах и ракетных приложениях

Прежде чем исследовать будущие приложения космических аппаратов, важно отметить, что ракетные комплексы видели свое самое широкое применение в гиперзвуковых ракетах. Ракета BrahMos (совместный российско-индийский проект) использует реактивный двигатель для устойчивого сверхзвукового круиза на Маха 2.8. P-800 Oniks и Kh-31 являются другими примерами. В Соединенных Штатах AGM-179 JAGM и Hypersonic Air-breathing Weapon Concept (] вводят в режимы реактивного самолета. Эти программы демонстрируют, что воздушные двигатели могут надежно работать на высоких скоростях в течение длительных периодов, обеспечивая основу для космических запусков.

Технология, разработанная для ракетных ракетных ракет, — такие как высокотемпературные материалы, системы управления температурой и впрыска топлива — непосредственно переносится на космическую двигательную установку. Ракетные ракетные самолеты также работают на аналогичных номерах и высотах Маха в качестве потенциальной первой ступени воздушно-дыхательной ракеты-носителя. Поэтому разрыв между тактическим гиперзвуковым оружием и орбитальными ракетами-носителями не такой большой, как может показаться. Многие инженерные решения уже существуют.

Комбинированные двигатели: мост на орбиту

Наиболее перспективным путем использования ракет в движении космических аппаратов является использование двигателей комбинированного цикла , которые работают в нескольких режимах. SABRE (Synergistic Air-Breathing Rocket Engine] , разрабатываемых Reaction Engines . SABRE предназначен для работы в качестве двигателя воздушного дыхания на малых высотах (с использованием прекулера для охлаждения поступающего воздуха для предотвращения перегрева) и затем переключается на режим ракеты замкнутого цикла на большой высоте. В то время как SABRE использует турбокомпрессор, а не чистый рамджет, его принципы перекрываются — режим воздушного дыхания использует атмосферу для улучшения конкретного импульса. TRRE (Turbo-Combined Ramjet Engine) и ATREX (Air-Turbo Ramjet Expander) Двигатель, разработанный в Японии.

Чистый двигатель комбинированного цикла может выглядеть так: транспортное средство взлетает с использованием ракетных ускорителей или турбореактивного двигателя. Как только оно достигает 2-3 Маха, активируется режим реактивного движения, обеспечивая высокоэффективную тягу через атмосферу до 5 или 6 Маха и высот 30 км. В этот момент двигатель переходит в режим реактивного движения (если он предназначен для него) или режим ракеты берет на себя окончательный толчок на орбиту. NASA X-43A и Boeing X-51A Waverider продемонстрировали работу реактивного двигателя на 9,6 Маха и 5,1 Маха соответственно, доказывая, что сверхзвуковое горение осуществимо. Задача состоит в том, чтобы интегрировать эти режимы в один лётный двигатель, который может надежно работать в полном диапазоне скоростей.

Ключевые комбинированные циклические программы

  • Скироракета/Скилон (Reaction Engines): Использует двигатель SABRE, который не является чистым рамджетом, но использует прекулер, чтобы обеспечить работу дыхания с 0 до 5 Маха, а затем переходит на ракету.
  • TBCC (Turbine-Based Combined Cycle): Обычный турбореактивный двигатель для низкоскоростного полета и рамджет/скрамджет для высоких скоростей. Исследовательская лаборатория ВВС США разрабатывает TBCC для гиперзвукового круиза.
  • RBCC (Ракетный комбинированный цикл): Ракетный двигатель встроен в реактивный канал; ракета обеспечивает тягу с низкой скоростью и большой высотой, в то время как реактивный режим работает между ними. Проект NASA GTX исследовал эту концепцию.

Будущее Рамджетов в космических исследованиях

Заглядывая в будущее, ракетные двигатели могут стать критическим компонентом в новом поколении многоразовых ракет-носителей и , переносящих точку в точку . Видение одноступенчатого космического самолета с орбитальной станцией (SSTO) было мечтой на протяжении десятилетий, и двигатели комбинированного цикла на основе рамджета могут, наконец, сделать это возможным. Ключевые прорывы необходимы в тепловой защите, легких конструкциях и системах управления двигателем. Кроме того, разработка рамджетов на основе детонации (таких как вращающийся двигатель детонации или RDE) может еще больше повысить эффективность и упростить архитектуру двигателя.

Еще одним новым применением является использование ракет для Марса или атмосферного полета Венеры. На Марсе, где атмосфера тонкая (около 1% земной), ракетам потребуются чрезвычайно высокие скорости для сжатия достаточного количества воздуха. Однако некоторые концепции предлагают использовать рамджет в качестве источника питания для электрической двигательной установки (ионный двигатель для сбора воздуха) в верхней атмосфере. На Венере плотная атмосфера углекислого газа может поддерживать работу рамджетов на больших высотах, предлагая способ исследовать средний слой облака планеты.

Наконец, продолжающаяся коммерческая космическая гонка и стремление к снижению затрат на запуск стимулируют возобновление интереса к воздушно-реактивному двигателю. Такие компании, как SpaceX в настоящее время полагаются только на ракетное движение, но высокое соотношение тяги к весу и полное повторное использование Starship могут устранить необходимость в двигателях воздушного дыхания. Однако для миссий, которые требуют устойчивого гиперзвукового круиза или для транспортных средств, которые взлетают горизонтально, ракетные двигатели остаются привлекательным вариантом.

Заключение

Рамджеты сыграли жизненно важную роль в продвижении высокоскоростного атмосферного движения, и они продолжают вдохновлять новые идеи для систем запуска космических аппаратов. Их простота, высокий удельный импульс и совместимость с конструкциями комбинированного цикла делают их естественными для следующего поколения многоразовых ракет-носителей. Хотя проблемы остаются - особенно в управлении температурой, переходе режима и ограничениях высоты - текущие исследования и летные испытания неуклонно сокращают разрыв. По мере продвижения исследований космоса, ракетные самолеты, особенно в сочетании с ракетными и реактивными режимами, могут стать ключом к разблокировке рутинного, доступного доступа в космос.