Rocket nozul tasarımı uzun zamandır tahrik verimliliğinde kritik bir faktör olmuştur, roket motorunun nasıl etkili bir şekilde yanmanın ısıtıl enerjisine yol açma konusunda etkili bir şekilde dönüştürülmesini sağlamak. Geleneksel zil şeklinde nozlar tek bir yükseklik için optimize edilir; deniz seviyesinde veya vakumda zirve performansı sunarlar, ancak tasarım noktasından çok fazla çalışırsa önemli kayıplara yol açarlar.On yıllar boyunca mühendisler bir başlangıç aracının tüm yörüngesinde yüksek verimliliği sürdürebilme yeteneğine sahip bir nozullar.
Bir Aerospike Nozzle Nedir?
Bir aerospike nozul, merkezi bir kasetli bir aksayı kullanan bir roket nozul türüdür - veya "küre" - roket yükseldikçe genişleyen akışın iç sınırı, geleneksel bir çan nozlu gibi sağlam bir duvar yerine.Gürülen tesisatın dış sınırı, çevre atmosferine karşı genişlemeye ücretsizdir.
İki temel konfigürasyon vardır: aerospike[0], iki uzun süre boyunca yanma odalarının bir sırasına ve dikdörtgen bir süpürücük (veya toroidal) aerospike[Dördüşükücük aerospike, egzozlu bir teknolojide, iki uzun süre boyunca yan yanardağlar üretiyor.Bu tasarım, SR-71 Blackbird'in hibrid roket-ramjet motorunda ve daha sonra NASA'nın X-33 altorbital teknolojide, temel bir aksaklık ile ilgili olarak, temel bir pencerede kullanılan bir dizin.
Nasıl çalışır?
Aerospike'nin büyüsünü anlamak için, bir tanesi ilk önce akış ve itme kaybı kavramını kavramalıdır. Conversely, bir vakum-optli genişleme oranı [Döntgenme alanının boğazına kadar uzanan bir alandır, ancak deniz seviyesindeki bir çan nozul alanı, aşırı derecede genişleyen, enerjiyi yan genişlemelere engelleyerek ortadan kaldırmak için çok büyüktir.
Aerospike bu ticarete fiziksel ayrımı ortadan kaldırmakla yan yanar. Bunun yerine, genişleyen egzoz gazı “görüler”, herhangi bir hareketli parça veya hava olmadan merkezi olan merkezin artan bir bölümü.
Bu uyarlanabilir davranış genellikle bir deformable duvar olarak karşılaştırılır:0)shock tren[Dönetici diffüz bir alanda uçup çıkan yüksek çözünürlükte, alt çevre basıncı, yüksek çözünürlükte biraz daha erken, yüksek bir sınır oluşturmanın sağlar.
Bir başka önemli nokta, temel sürüklenme cezasının azaltılmasıdır. Bir çan nozulda, motorun büyük üssü aerodinamik sürüklemeye katkıda bulunur, özellikle transonik uçuş sırasında. Annular aerospike tasarımı motorun çok küçük bir kısmını yapar -özellikle de yukarı doğru kaydırın çapı - taban sürüklenme üssünün büyük bir kısmını azaltır.
Aerospike Nozzles'in Avantajları
Altitude Compensation
En önemli fayda, deniz seviyesinden uzaya yüksek verimlilik sağlama yeteneğidir.Bir çan nozul, tasarım yüksek irtifasından uzaktayken belirli bir dürtüde% 15-20'ye kadar kaybeder, aerospike tipik olarak% 5'ten daha az kaybeder. Bu, aerospike motorlarını kullanarak bir araç aynı ücret yükü daha az pervanant kitle fraksiyonu veya alternatif olarak aynı yakıt yükü için daha ağır bir yük taşıyabilir.
Geliştirilmiş Özel Impulse
İyi tasarlanmış bir aerospike, X-33 programında test edilebilir:0)) Büyük bir dürtü ), 400 saniyenin üzerinde karşılaştırılabilir (daha yüksek deniz seviyesindeki performansı teslim ederken, en yüksek seviyedeki bu deniz seviyesinin üzerinde test edilen lineer aerospike, daha düşük atmosferden daha düşük bir deniz seviyesindeki ilerlemeler için kritiktir.
Kilo Azaltımı
Aerospike uzun, ağır bir kavşak bölümünü bir çan nozlunun ortadan kaldırır, tüm motor montajı daha hafif olabilir. Büyük bir artışçıda, nozul, motorun kütlesinin önemli bir bölümünü temsil edebilir.Replace that with a nispeten küçük bir artış ve daha kısa bir yanma odası, doğrudan yük kitleye veya yapısal yükleri azaltan kilogramları kurtarır.
Azaltılmış Araç uzunluğu
Bell nozları motorun geri kalanını genişletiyor, fırlatma aracın genel süresini artırıyor. Aerospike noz, özellikle de bir annular konfigürasyonunda, aracın üssüne tekrar ihtiyaç duyuyor, roketi daha kısa ve yapısal olarak sert hale getiriyor. Kısa araçlar taşımayı daha kolay hale getiriyor ve uçuş sırasında daha az bükme anları deneyimliyor.
Potansiyel Maliyet ve Üretim Tasarrufları
Aerospike motorları tarihsel olarak karmaşıktır, çünkü karmaşık soğutma kanalları ve yalıtım gereksinimleri nedeniyle, ekstrer üretimindeki ilerlemeler ve sıcak isostatik baskı bu maliyetleri azaltır.Genel olarak motor düzeni - tam zamanlı olarak tam bir yanma döngüsüne entegre edilmişse daha az turborma bileşenleri ile - en az üretim maliyetlerini azaltır.
Meydanlar ve Teknik Hurdles
Termal Yönetim
Aerospike'nin merkezi başı ve lineer tasarımda, rampalar enjeksiyondan önce büyük ısı fluxes'e dayanmalıdır, ancak bu kanalları basit bir zil nozlu film serinleme sıcaklığı 3,000 °C'yi aşabilir, gelişmiş soğutma tekniklerini gerektirir. Rejeneratif olarak, enjeksiyondan önce dolaşıma giren kanallardan, standart bir yaklaşımdır, ancak bu kanalların basit bir şekilde üretilmesi basit bir çan nozulsuza kadar daha zor.
Combustion Stability
Tiroid veya lineer yanma odaları aerospike'nin geleneksel bir motorun silindir odalarına kıyasla alışılmadık akustikları vardır. Komustion oscillations özellikle birden çok oda ortak bir akış yolunda tükendiğinde. X-33'in lineer aerospike (XRS-2200) odalar ve çatlaklar arasında karmaşık darbeler ortaya çıktı.
Üretim Kompleksi
Yüksek bir annular hızlı bir şekilde sert tolerans ve karmaşık soğutma pasajları pahalıdır. X-33 için inşa edilen lineer aerospike motorları, ancak bu rampalar istenen genişlemeye ulaşmak için son derece uzun olmalıdır ve rampalar arasındaki mühürleme bir meydan okumadır.
Base Flow and Side Loads
Bazı geçişsel yüksekliklerde, tesisat, deniz seviyesindeki taşıyıcılar arasında iyi bilinen bir problem olabilir, ancak aerospike'nin daha karmaşık aktığı daha kısa arsa dinamikleri ve geniş rüzgar tünel testlerini içeren daha karmaşık akışlar.
Çok Yüksek Altitude
Aerospike, çoğu yörüngeyi telafi ederken, aşırı derecede yüksek irtifalarda (above ~100 km) tesisat genişleme aslında özgür hale gelir ve artış yalnızca sınırlı rehberlik sağlar. Sanal nozlu duvar kaybolur ve akış yan yollar genişletir, ancak bu noktada aracın yüksek hızda seyahat ettiği anlamına gelir ve kayıplar atmosferdeki kazanımlara kıyasla daha küçük olur.
Tarihsel Gelişim
Lafırdaklı nozulların konsepti 1950'lere geri dönüyor, ancak aerospike, ABD Hava Kuvvetleri'nin tek aşamalı bir araç olarak bilinen bir program altında yarı ölçekli bir koroidal aerospike motorunda ilk ciddi testlerini aldı.
Belki de en ünlü aerospike uçuş testi, ikiİLFLT:0)NASA X-33 / GirişimStar[Dönetici: 1 ) Lockheed Martin, Rocketdyne as motor müteahhiti ile, 1.2 ölçeği X-33 suborbital test aracı inşa etti, ikiİLMİŞT:2.XRS-2200 lineer aerospike motorlar ) her motorda, deniz seviyesindeki sabit motorlar ve teknik sorunlarla birlikte, özellikle de hafif sıvı hidrojen tankları ile birlikte - 2001 yılında herhangi bir uçuş testine kadar, X-33'in tam olarak sabiti.
Avrupa'da,FL:0)ESA ve Alman Havacılık Merkezi (DLR)), 2003 yılında seslendirme roketi (S-520-25) ile ilgili küçük bir aerospike motorlarını inceledi.Bu uçuş gerçek bir atmosferde çalışan bir uçuş-öldürülebilirliği göstermiştir.
Mevcut Araştırma ve Gelecek Prospects
Özel Endüstri Geliştirmeleri
Birkaç özel şirket şimdi operasyonel kullanım için aerospike teknolojisini zorluyor.ETHFLT:0)Firefly Aerospace) Başlangıçta bir aerospike motoru kullanmayı planladı ( Alpha 1) üzerinde Firefly Alpha başlatıcı, ancak daha sonra gelişim maliyetleri nedeniyle geleneksel bir zile geçiş yaptı. ancak gelecekteki üst düzey bir patlama için bir aerospike konseptini korudular.[DDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDD)))
Çin ve Hindistan'da, laboratuvar ölçekli aerospike motorları test ediliyor, Hindistan'ın GÜNÜ:0)ISRO[DDDD baskı) düşük maliyetle soğutma tasarımlarının ve akış özelliklerinin ayrıntılı test edilmesine izin veriyor.
Reusable Start Systems uygulamaları
Aerospike nozları özellikle yeniden uygulanabilir roketler için cazip, motorun her uçuşta geniş bir yükseklikte çalışması gerektiği.Şu anda, propulsive iniş kullanarak Dünya'ya geri dönen ilk aşama, yüksek performanslı marjlar için iki kat daha yüksek bir miktar tazminattan faydalanabilecektir.
Tek-Stage-to-Orbit için Potansiyel
Roketin kutsal graili - bir SSTO için gerekli özel dürtü profili teslim edebilir - tüm yüksekliklerde olağanüstü bir motor talep edebilir. aerospike genellikle bir SSTO için gerekli olan tek nozul konsepti olarak gösterilir.
Gelişmiş Propulsion ile entegrasyon
Future aerospike motorları, yüksek verimlilik ve düşük türbinlerin sıcaklıklarıyla eşleştirilebilir ve aerospike nozlu yanma döngüleri ile birleştirilebilir[FONT:2 ) Başka bir avenue hem yakıt-rich hem de oksitleyici önburnerleri ayrı turbopumps sürücüye taşır.Bu döngü zaten yüksek verimlilik ve düşük bir aerospike nozlu ile birleştirir ve turbo aksaklık boru hattının en verimli kimyasal roket motoruyla dondurabilir.
Diğer Nozzle Kavramları ile Karşılaştırma
Çift-Bell Nozzles
Çift-bell nozlu iki sabit genişleme konsüsü vardır: düşük çözünürlükte bir kontur ve yüksek çözünürlükte bir kontraksiyon, aerospike'de bir eksensel akış ayrımını tetikleyen bir alandır.Birerospike'den daha basitken, çift-bellekli bir miktar verimlilik geçiş bölgesinde ve sürekli olarak adapte edilemez.Birçok fırlatma profili için, aerospike daha iyi genel performans sunar.
Genişleme / Aşırı Nozzles
Mekanik olarak genişletilebilir nozullar genişleme oranını artırmak için üst üste dağıtan bir telgraf bölümü kullanır. Bunlar hareket parçaları, kütle ve potansiyel başarısızlık modları. aerospike tüm hareketli parçalardan kaçınır, doğal olarak daha güvenilir hale getirir -kıtılan ısı yükü farklı bir güvenilirlik endişesidir.
Plug Nozzles
Eklenti nolu bir başka yüksek çözünürlükte, akışın bir merkez üzerinde aynı şekilde aerospike'ye kadar uzandığı bir başka yüksek çözünürlüktedir.In fact, "aerospike" ve "kamp nozul" bazen kısmen interchangeable olarak kullanılır. Strictly, aerospikeli bir yığın kullanır, altta yukarı baskı sağlar, ancak tam uzunlukta bir eklenti daha fazla kullanır.
Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç
Aerospike nozul, tüm uçuş zarfı boyunca, potansiyel ağırlık ve sürüklenme ile birlikte kalan birkaç “düşük meyve”den birini temsil ediyor, bir sonraki nesil roket motorlarında zorlayıcı bir seçim yapıyor - henüz operasyonel olarak araçlarda tam olarak sömürülmüş durumda olan temel bariyerler - yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş üretim, yüksek sıcaklık malzemeleri ile.
Daha derin teknik ayrıntılarla ilgilenen okuyucular için aşağıdaki kaynaklar mükemmel bir arka plan sağlar: [[Dönetici:0)NASA'nın X-33 Linear Aerospike Motor Fact Sheet)[Ücretsiz:2)AIAA kağıt üzerinde anular aerospike performansı).