Motorul rachetă Wedge-air (abrev. KVRD , în engleză aerospike engine, aerospike ) este un tip de motor rachetă cu propulsie lichidă ( LRE ) cu o duză în formă de pană care menține eficiența aerodinamică la o gamă largă de altitudini deasupra suprafeței Pământului cu diferite presiunea atmosferică . KVRD aparține clasei de motoare rachete , ale căror duze sunt capabile modifica presiunea jetului de gaz care iese în funcție de modificarea presiunii atmosferice odată cu creșterea altitudinii de zbor. Un motor cu acest tip de duză folosește cu 25-30% mai puțin combustibil la altitudini joase, unde de obicei este necesară cea mai mare forță . Propulsoarele cu pană au fost studiate de mult timp ca opțiune principală pentru sistemele spațiale cu o singură etapă (OSS), adică sistemele de rachete care utilizează o singură treaptă pentru a livra sarcini utile pe orbită. Motoarele de acest tip au fost un candidat serios pentru a fi utilizate ca motoare principale pe Naveta Spațială în timpul creării acesteia [k. 1] . Cu toate acestea, din 2012, nici un singur motor de acest tip nu este utilizat sau produs [1] . Cele mai de succes opțiuni sunt în stadiul de dezvoltare.
Scopul principal al oricărei duze este de a direcționa eficient fluxul de gaze de eșapament ale unui motor rachetă într-o singură direcție. Evacuarea - un amestec de gaze la temperatură ridicată - are o distribuție aleatorie a impulsului în camera de ardere și dacă i se permite să iasă în această formă, doar o mică parte a fluxului va fi direcționată în direcția corectă pentru a crea forță. Duza în formă de clopot a motorului rachetă limitează mișcarea gazului pe laterale, creând o zonă de presiune crescută cu o zonă de presiune redusă situată dedesubt, care normalizează fluxul în direcția dorită. Printr-o proiectare atentă, se realizează un grad de expansiune al duzei, care permite mișcarea jetului să fie aproape complet convertită în direcția dorită în spatele motorului, maximizând forța. Problema cu designul convențional al duzei este că presiunea aerului exterior contribuie și la limitarea fluxului de gaz. La orice înălțime deasupra suprafeței Pământului, cu diferite presiuni atmosferice , duza poate fi proiectată aproape perfect, dar aceeași formă va fi mai puțin eficientă la diferite înălțimi cu diferite presiuni ale aerului. Astfel, pe măsură ce o rachetă de rapel se ridică prin atmosferă, eficiența motoarelor sale, împreună cu forța lor, suferă modificări semnificative care ajung la 30%. De exemplu, motoarele RS-24 ale navetei spațiale MTKK pot genera tracțiune cu o viteză a jetului de gaz de 4525 m/s în vid și 3630 m/s la nivelul mării. Designul duzei motorului este o parte foarte importantă în construirea sistemelor de rachete.
În proiectarea motorului cu aer cu pană, problema eficienței la diferite înălțimi este rezolvată după cum urmează: în loc de un singur punct de evacuare sub forma unei mici orificii în centrul duzei, se folosește o proeminență în formă de pană, în jurul cărora sunt instalate o serie de camere de ardere. Pana formează o parte a duzei virtuale, în timp ce cealaltă parte este formată de fluxul de aer care trece în timpul zborului. Aceasta explică numele său original „motor aerospike” ( în engleză aerospike engine , „motor cu pană de aer”).
Ideea de bază a acestui design este că, la altitudine joasă, presiunea atmosferică presează gazele de eșapament împotriva panei proeminente. Recircularea la baza panei ridică apoi presiunea la cea a atmosferei înconjurătoare. În virtutea acestui design, împingerea nu atinge valorile maxime posibile, dar nici nu suferă o scădere semnificativă, care apare în partea inferioară a duzei tradiționale din cauza vidului parțial. Pe măsură ce vehiculul ajunge la o altitudine mai mare, presiunea ambientală care reține curentul de jet al motorului scade, în timp ce presiunea scade pe partea superioară a motorului, ceea ce menține eficiența acestuia neschimbată. Mai mult, în ciuda faptului că presiunea ambientală scade la aproape zero, zona de recirculare menține presiunea la baza panei la valori comparabile cu presiunea atmosferei de lângă suprafața Pământului, în timp ce partea superioară a panei este practic. în vid. Acest lucru creează o forță suplimentară odată cu creșterea altitudinii, compensând scăderea presiunii ambientale. În general, efectul este comparabil cu o duză tradițională, care are capacitatea de a se extinde odată cu creșterea înălțimii. În teorie, un motor cu aer cu pană este oarecum mai puțin eficient decât o duză tradițională proiectată pentru o anumită altitudine și mai eficientă decât o duză tradițională proiectată pentru o anumită altitudine.
Dezavantajul acestui design este greutatea mare a pervazului central și cerințele suplimentare de răcire datorită suprafeței mai mari expuse la căldură. De asemenea, o suprafață mare răcită poate reduce nivelurile teoretice de presiune a duzei. Un factor negativ suplimentar este performanța relativ slabă a unui astfel de sistem la viteze de 1-3 M . În acest caz, fluxul de aer din spatele aeronavei are o presiune redusă, ceea ce reduce împingerea [2] .
Există mai multe modificări ale acestui design care diferă prin forma lor. În „pana toroidală” partea centrală are forma unui con conic, de-a lungul marginilor căruia are loc o eliberare concentrică de gaze reactive. În teorie, acest design necesită o creastă centrală infinit de lungă pentru o performanță optimă, dar utilizarea porțiunii de evacuare în direcții radial-laterale permite obținerea unor rezultate acceptabile.
În designul „pană plată”, proeminența centrală constă dintr-o placă centrală, care este conică la capăt, cu două jeturi care se răspândesc pe suprafețele exterioare ale plăcii. Această opțiune poate fi extinsă împreună cu lungimea penei centrale. De asemenea, în acest caz, există o posibilitate extinsă de control folosind o modificare a tracțiunii oricăruia dintre motoarele instalate în linie.
În anii 1960, Rocketdyne a făcut teste extinse cu diferite variante. Versiunile ulterioare ale acestor motoare se bazau pe motorul rachetă J-2 extrem de fiabil (Rocketdyne) și asigurau aproximativ același nivel de forță pe care îl puteau oferi motoarele pe care se bazau: motorul rachetă J-2T-200k avea o tracțiune de 90,8 tf (890 kN ) și motorul rachetă J-2T-250k au avut o tracțiune de 112,2 tf (1,1 MN) (litera „T” din numele motorului indică o cameră de ardere toroidală). Treizeci de ani mai târziu, munca lor a fost din nou folosită în proiectul NASA X-33 . În acest caz, un motor de rachetă J-2S ușor modificat a fost folosit pentru o versiune cu ecran plat a motorului de rachetă, care a fost numit XRS-2200 . După o dezvoltare ulterioară și un program de testare, proiectul a fost abandonat din cauza unor probleme nerezolvate cu rezervoarele de combustibil compozit ale X-33.
În timpul proiectului X-33, au fost construite trei motoare XRS-2200, care au trecut programul de testare la Centrul Spațial. Stennis NASA. Testarea unui motor a avut succes, dar programul a fost oprit înainte de finalizarea bancului de testare pentru al doilea motor. XRS-2200 LRE la nivelul mării produce o tracțiune de 92,7 tf (909,3 kN) și are un impuls specific de 339 s, în vid împingerea este de 120,8 tf (1,2 MN), impulsul specific este de 436,5 s.
O versiune mai mare a XRS-2200, motorul rachetă RS-2200 , a fost proiectată pentru avionul spațial VentureStar ( Lockheed Martin ) cu o singură etapă . În cea mai recentă variantă, șapte RS-2200, fiecare cu 245,8 tf (2,4 MN) de tracțiune, ar duce VentureStar pe o orbită joasă de referință . Dezvoltarea acestui proiect a fost încheiată oficial la începutul anului 2001, când programul X-33 nu a primit finanțare de la Space Launch Initiative.". Lockheed Martin a luat decizia de a nu continua dezvoltarea VentureStar fără sprijin financiar din partea NASA.
Deși anularea programului X-33 a făcut un pas înapoi în dezvoltarea motoarelor cu aer cu pană , povestea lor nu se termină aici.Deșertul Mojave . Studenții de la universitate au dezvoltat racheta Prospector 2 folosind un motor de 448,7 kgf (4,4 kN). Această lucrare la motoarele cu aer cu pană nu se oprește - racheta Prospector 10 cu un KVRD cu 10 camere a fost testată pe 25 iunie 2008. [3] În martie 2004, două teste de succes au fost efectuate la Centrul de Cercetare a Zborului NASA. Dryden (Base Edwards , SUA) cu rachete solide de dimensiuni mici cu motoare toroidale, care au atins o viteză de Mach 1,1 și o altitudine de 7,5 km. Alte modele de motoare de rachetă cu aer cu pană de dimensiuni mici sunt în curs de dezvoltare și testare.
În iulie 2014, Firefly Space Systems a anunțat că noul său vehicul de lansare Firefly Alpha va folosi un motor cu aer cu pană în prima etapă. Deoarece acest model este destinat pieței de lansare de sateliți mici, racheta va lansa sateliți pe orbita joasă a Pământului la un cost de 8-9 milioane USD per lansare. Firefly Alpha este proiectat să ridice 400 kg de sarcină utilă pe orbită. Designul rachetei folosește materiale compozite, inclusiv fibră de carbon. Motorul cu aer cu pană folosit în rachetă are o tracțiune de 40,8 tf (400 kN) [4] [5] .
Încercări ale LRE RS-2200 liniare
Motor cu aer cu pană de la Universitatea de Stat din California