Killuftsraketmotor ( förkortning KVRD , engelska aerospike engine, aerospike ) är en typ av vätskedrivande raketmotor ( LRE ) med ett kilformat munstycke som upprätthåller aerodynamisk effektivitet i ett brett område av höjder över jordens yta med olika atmosfäriskt tryck . KVRD tillhör klassen av raketmotorer , vars munstycken är kapabla tilländra trycket på den utströmmande gasstrålen beroende på förändringen i atmosfärstrycket med ökande flyghöjd. En motor med denna typ av munstycke använder 25-30 % mindre bränsle på låga höjder, där det vanligtvis krävs mest dragkraft . Kilpropeller har studerats under lång tid som huvudalternativet för enstegs rymdsystem (OSS), det vill säga raketsystem som använder endast ett steg för att leverera nyttolaster till omloppsbana. Motorer av denna typ var en seriös utmanare för användning som huvudmotorer på rymdfärjan under dess skapelse [k. 1] . Från och med 2012 används eller produceras inte en enda motor av denna typ [1] . De mest framgångsrika alternativen är i utvecklingsstadiet.
Huvudsyftet med varje munstycke är att effektivt rikta flödet av avgaser från en raketmotor i en riktning. Avgaser - en högtemperaturblandning av gaser - har en slumpmässig fördelning av momentum i förbränningskammaren och om det tillåts strömma ut i denna form kommer endast en liten del av flödet att riktas i rätt riktning för att skapa dragkraft. Det klockformade munstycket på raketmotorn begränsar gasrörelsen på sidorna, vilket skapar ett område med ökat tryck med ett område med reducerat tryck beläget under, vilket normaliserar flödet i önskad riktning. Genom noggrann design uppnås en viss expansion av munstycket, vilket gör att strålens rörelse nästan helt omvandlas i önskad riktning bakom motorn, vilket maximerar dragkraften. Problemet med den konventionella munstyckskonstruktionen är att lufttrycket utanför också bidrar till att begränsa gasflödet. På vilken höjd som helst över jordens yta med olika atmosfärstryck kan munstycket utformas nästan perfekt, men samma form kommer att vara mindre effektiv på olika höjder med olika lufttryck. Sålunda, när en boosterraket stiger genom atmosfären, genomgår effektiviteten hos dess motorer, tillsammans med deras dragkraft, betydande förändringar som når 30 %. Till exempel kan RS-24- motorerna i rymdfärjan MTKK generera dragkraft med en gasjethastighet på 4525 m/s i vakuum och 3630 m/s vid havsnivå. Motormunstyckesdesign är en mycket viktig del av att bygga raketsystem.
I konstruktionen av killuftmotorn löses problemet med effektivitet på olika höjder enligt följande: istället för en enda avgaspunkt i form av ett litet hål i mitten av munstycket används ett kilformat utsprång, runt vilka en serie förbränningskammare är installerade. Kilen bildar ena sidan av det virtuella munstycket, medan den andra sidan bildas av det passerande luftflödet under flygning. Detta förklarar dess ursprungliga namn "aerospike engine" ( engelska aerospike engine , "air-wedge engine").
Grundidén med denna design är att på låg höjd pressar atmosfärstryck avgaserna mot den utskjutande kilen. Återcirkulation vid basen av kilen höjer sedan trycket till trycket i den omgivande atmosfären. På grund av denna design når dragkraften inte maximalt möjliga värden, men drabbas inte heller av ett betydande fall, vilket inträffar i botten av det traditionella munstycket på grund av partiellt vakuum. När fordonet når en högre höjd minskar det omgivande trycket som håller tillbaka motorns jetström, medan trycket sjunker på toppen av motorn, vilket håller dess effektivitet oförändrad. Dessutom, trots att det omgivande trycket sjunker till nästan noll, upprätthåller recirkulationszonen trycket vid kilens bas till värden som är jämförbara med atmosfärens tryck nära jordens yta, medan den övre delen av kilen praktiskt taget är i vakuum. Detta skapar ytterligare dragkraft med ökande höjd, vilket kompenserar för fallet i omgivande tryck. Generellt sett är effekten jämförbar med ett traditionellt munstycke, som har förmågan att expandera med ökande höjd. I teorin är en killuftsmotor något mindre effektiv än ett traditionellt munstycke designat för en given höjd, och mer effektivt än ett traditionellt munstycke designat för en given höjd.
Nackdelen med denna design är den centrala kantens stora vikt och ytterligare kylbehov på grund av den större ytan som utsätts för värme. Dessutom kan en stor kyld yta minska teoretiska munstyckstrycknivåer. En ytterligare negativ faktor är den relativt dåliga prestandan hos ett sådant system vid hastigheter på 1-3 M . I detta fall har luftflödet bakom flygplanet ett reducerat tryck, vilket minskar dragkraften [2] .
Det finns flera modifieringar av denna design som skiljer sig åt i sin form. I "toroidkilen" har den centrala delen formen av en avsmalnande kon, längs vars kanter en koncentrisk frisättning av reaktiva gaser sker. I teorin kräver denna design en oändligt lång central ås för bästa prestanda, men att använda avgasdelen i radiell-laterala riktningar gör att acceptabla resultat kan uppnås.
I designen "flat wedge" består det centrala utsprånget av en central platta, som är avsmalnande i änden, med två jetströmmar som sprider sig över plattans yttre ytor. Detta alternativ kan förlängas tillsammans med längden på den centrala kilen. Också i detta fall finns det en utökad möjlighet att styra med en förändring av dragkraften hos någon av motorerna installerade i linjen.
På 1960-talet gjorde Rocketdyne omfattande tester med olika varianter. Senare versioner av dessa motorer var baserade på den extremt pålitliga J-2 raketmotorn (Rocketdyne) och gav ungefär samma dragkraft som motorerna som de var baserade på kunde ge: J-2T-200k raketmotorn hade en dragkraft på 90,8 tf ( 890 kN ) och J-2T-250k raketmotorn hade en dragkraft på 112,2 tf (1,1 MN) (bokstaven "T" i motornamnet indikerar en toroidformad förbränningskammare). Trettio år senare användes deras arbete igen i NASA X-33- projektet . I det här fallet användes en något modifierad J-2S raketmotor för en platt version av raketmotorn, som kallades XRS-2200 . Efter ytterligare utveckling och ett testprogram övergavs projektet på grund av olösta problem med X-33:ans kompositbränsletankar.
Under X-33-projektet byggdes tre XRS-2200-motorer som klarade testprogrammet på Space Center. Stennis NASA. Testningen av en motor var framgångsrik, men programmet stoppades innan testbädden för den andra motorn slutfördes. XRS-2200 LRE vid havsnivå producerar en dragkraft på 92,7 tf (909,3 kN) och har en specifik impuls på 339 s, i ett vakuum är dragkraften 120,8 tf (1,2 MN), den specifika impulsen är 436,5 s.
En större version av XRS-2200, raketmotorn RS-2200 , designades för rymdplanet VentureStar ( Lockheed Martin ) i enstegstyp. I sin senaste variant skulle sju RS-2200, var och en med 245,8 tf (2,4 MN) dragkraft, föra VentureStar in i låg referensbana . Utvecklingen av detta projekt avslutades formellt i början av 2001 när X-33-programmet inte fick finansiering från Space Launch Initiative.". Lockheed Martin har tagit beslutet att inte fortsätta utveckla VentureStar utan ekonomiskt stöd från NASA.
Även om upphävandet av X-33-programmet tog ett steg tillbaka i utvecklingen av kil - Mojaveöknenluftmotorer, slutar deras historia inte där . Universitetsstudenter utvecklade Prospector 2-raketen med en 448,7 kgf (4,4 kN) dragkraftsmotor. Detta arbete med killuftsmotorer slutar inte - Prospector 10-raketen med en 10-kammars KVRD testades den 25 juni 2008. [3] I mars 2004 genomfördes två framgångsrika tester vid NASA Flight Research Center. Dryden (Base Edwards , USA) med små fasta raketer med toroidformade motorer, som nådde en hastighet av Mach 1,1 och en höjd av 7,5 km. Andra modeller av små killuftraketmotorer är under utveckling och testning.
I juli 2014 tillkännagav Firefly Space Systems att deras nya Firefly Alpha bärraket skulle använda en killuftsmotor i sitt första steg. Eftersom denna modell är avsedd för den lilla satellituppskjutningsmarknaden kommer raketen att skjuta upp satelliter i låg omloppsbana om jorden till en kostnad av 8-9 miljoner dollar per uppskjutning. Firefly Alpha är designad för att lyfta 400 kg nyttolast i omloppsbana. Raketdesignen använder kompositmaterial, inklusive kolfiber. Killuftsmotorn som används i raketen har en dragkraft på 40,8 tf (400 kN) [4] [5] .
Tester av linjär LRE RS-2200
Wedge-Air Engine vid California State University
| Motorer | |||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| |||||||||||||||||
| |||||||||||||||||
| |||||||||||||||||
| |||||||||||||||||
| |||||||||||||||||
| |||||||||||||||||
| se även evighetsmaskin Kuggväxelmotor gummimotor | |||||||||||||||||