Рёв ракеты, летящей в космос, огромный огненный столб, огромная сила, превосходящая гравитацию. Рев истребителей. Самое громкое и мощное устройство с питанием от человека. Все это проход особой формы и особых свойств, кардинально меняющий человечество. В чем ее суть и как произошло трудное рождение Соникса – читайте в нашем материале.
Эволюционная история сопла
когда люди впервые использовали насадки? Еще в первом веке Цапля Александрийская предложила насадку для своего «эолипила». Среди них две разнонаправленные паровые форсунки вращают полые металлические шарики за счет силы реакции. 1200 лет спустя Китай построил пороховые ракеты, используемые в фейерверках и боях, и на практике освоил реактивное движение. В средние века в Европе начали летать военные ракеты. В русской армии в 19 веке ракетное вооружение развивалось в обычные пехотные и автомобильные ракетные команды, запускающие ракеты из специальных пусковых установок, и крупные ракетные заводы, такие как Николаевский завод, крупнейший в Европе. 29 августа 1834 года, при жизни Пушкина, на реке Неве в 40 верстах от Петербурга с подводной ракетной подводной лодки впервые был произведен пуск боевых ракет из подводного положения.
Сопло – это устройство, ускоряющее поток жидкости или газа. Зачем разгонять? В некоторых случаях нужен сам быстрый стрим, который и будет использоваться дальше. В других случаях требуется не поток, а сила, возникающая при освобождении, — сила реакции. Этот тип мощного сопла называется реактивным соплом. С появлением первых ракет сопло фактически было освоено первым.
Наряду с широким использованием ракет в конце 19 века возникла паровая технология с паровыми турбинами, которые вращали корабельные гребные винты. Требуется, чтобы высокоскоростная струя обтекала лопатки турбины. Чем быстрее струя пара, тем большую силу она создает на лопатках турбины, тем самым увеличивая ее мощность. Сопло здесь предназначено не для создания силы реакции (сила реакции, конечно, тоже создается, но как побочный, неиспользованный эффект), а для создания высокоскоростного потока. Через него энергия, выбрасываемая соплом, попадает на лопасти в виде большого количества пара и совершает над ними работу, заставляя их мощно вращаться. Суммарная сила лопастей передается на гребной винт.
Изучая сопла для быстроходных паровых турбин, шведский инженер Карл Густав Патрик де Лаваль в 1890 году предложил совершенно новый тип сопла. Он способен ускорять потоки до сверхзвуковых скоростей, что раньше было невозможно. В результате сверхзвуковой Рубикон был перетянут, а скорость выхлопа сразу увеличена вдвое.
Сверхзвуковой Рубикон
Траектория потока сужается, как на сопле ветровой губы Цапли, так и на наконечнике огневой пушки (которая представляет собой сопло, ускоряющее поток воды). В таких каналах ускоряется поток рабочего тела – пара, газа или жидкости. Почему? Скорость потока (количество рабочей жидкости, протекающей через секцию в секунду) одинакова в любой точке канала – столько же втекает через начальную секцию, столько же должен вытекать и через конечную секцию. Ведь количество протекающего через канал материала не уменьшается и не увеличивается, в стенках канала нет отверстий для его подачи или отвода. Закон сохранения массы гарантирует, что расход материала через сопло везде будет одинаковым.
Ни потоки жидкости, ни дозвуковые газовые потоки фактически не меняют своего объема, поэтому их примерно считают несжимаемыми, когда скорость звука еще очень далека. Постоянное потребление его массы означает постоянное потребление его объема. Поток воды должен набрать скорость, чтобы протолкнуть тот же объем через узкое место. Газ вынужден ускоряться.
Это вызвано разницей давлений в потоке – поток подталкивается сзади высоким давлением к низкому давлению. В узком канале давление и температура воды непрерывно падают, но скорость увеличивается. Потенциальная энергия давления и температуры газа перекачивается в энергию движения и его ускорения. Чем больше разница давлений между началом и выходом сопла, тем больше ускорение и скорость истечения. Для его увеличения необходимо увеличить давление перед соплом. То же самое касается и температурных перепадов, газ стараются сильнее нагреть за счет сжигания компонентов топлива.
Но оказывается, что скорость выхлопа имеет свой фундаментальный предел. Оно вытекает со скоростью звука. Никаким повышением давления на входе в сопло его невозможно преодолеть. Сколько бы раз его ни поднимали, два, четыре или десять раз, скорость потока внутри сужающегося сопла никогда не превысит скорости звука.
Давайте вспомним, что такое дозвуковое и сверхзвуковое движение. Скорость звука (сжатие слабых волн в газе) зависит от многих факторов — состава, плотности и давления газа. Но самое главное это зависит от температуры. При определенных условиях скорость звука принимает определенные локальные значения. Чтобы сравнить скорость потока с местной скоростью звука (числом Маха), разделите скорость потока на скорость звука. Его значение обозначается буквой M, которая указывает, во сколько раз скорость потока больше или меньше скорости звука. При М меньше 1 скорость потока медленнее звука – дозвуковая. Когда М=1, жидкость полностью течет со скоростью звука. При M > 1 течение сверхзвуковое.
Преодоление звуковых границ возможно только с использованием специальных принципов. Это называется принципом обращения влияния.
Влиятельные концепции газовой динамики. Это влияет на воздушный поток, изменяя его параметры, в том числе скорость. Сужение канала – это геометрический эффект, изменение геометрии потока. Существует также принцип обратного воздействия. По его словам, такое же воздействие может лишь изменить скорость потока до скорости звука. Причем это справедливо как для ускорения, так и для торможения (если течение сверхзвуковое). Максимум, достигаемый одним и тем же воздействием, всегда равен скорости звука М=1. Станьте непреодолимым звуковым барьером на пути этого влияния. За этим пределом контакт с любой силой будет бесполезен.
Чтобы выйти за пределы М=1 и продолжить ускорять или замедлять поток, нужно изменить эффект на противоположный. При наличии геометрического эффекта (сужения канала) его знак необходимо изменить. Для разгона это переход от сжатия к расширению. Где и когда его следует изменить? Когда поток воды достигает скорости звука. На этапе расширения поток станет сверхзвуковым и будет ускоряться дальше. Почему?
Став сверхзвуковым, течение приобретает совершенно иные свойства. Дозвуковая несжимаемость сменяется большей сжимаемостью и масштабируемостью. Расширение газа настолько велико, что превышает геометрическое расширение канала. Даже за счет увеличения поперечного сечения канала расширяющийся газ вынужден течь все быстрее и быстрее. Поэтому при сверхзвуковом расширении сопла скорость потока увеличивается, а плотность газа уменьшается. Лаваль предложил такую форму сопла и добился сверхзвукового потока на выходе. Сопла с геометрией сжатия-расширения называются соплами Лаваля.
Пути достижения сверхзвука
Обратите внимание, что не только изменения геометрии сопла Лаваля могут ускорить поток до сверхзвуковых скоростей. Возможны сверхзвуковые сопла с постоянной геометрией канала, для которых требуется только прямая трубка. Бывают трех типов: массовые, термические и механические. Все они следуют принципу обратного влияния. Массовые насадки имеют перфорированные стенки. На дозвуковом участке трубы газ закачивается внутрь через перфорационные отверстия в стенке трубы. Чтобы перемещать по трубе все больше и больше газа, газ ускоряется, достигая скорости звука. Выше скорости звука эффект обратный — газ выкачивается через отверстия в стенке трубки. Из-за чего остаточный газ в трубке расширяется (после откачки остается пространство) и ускоряется. Для ускорения потока изменяется массовый расход газа – поэтому сопло называется массовым.
Два других типа являются чисто теоретическими. Термическое сопло. Когда газ проходит через неизмененную трубу, он нагревается и достигает скорости звука. После этого газ ускоряется и охлаждается со сверхзвуковой скоростью. Механическое сопло подает энергию газу за счет механической силы, а со скоростью звука также механически отбирает энергию для ускорения сверхзвукового потока.
Сопло Лаваля представляет собой частный случай принципа обратного удара и его геометрическое воплощение. Две противоположные воронки имеют общее узкое место. Этот тип насадок широко используется на практике. Поскольку достижение скорости звука фундаментально меняет поведение потока, скорость звука называется критической скоростью. Сечение сопла, при котором достигается скорость звука (всегда наименьшая), называется критическим сечением сопла.
В сужающейся дозвуковой части сопла плотность газа меняется незначительно и расширяется незначительно. Но его давление и температура существенно снижаются – увеличение скорости происходит в основном за счет них. Наиболее быстро эти параметры падают в критической части сопла (звуковой области). Эти изменения потока дополнительно поддерживаются изменениями силы удара, которые на сверхзвуковой части увеличивают расширение газа. Поэтому скорость потока в обеих частях сопла (дозвуковой и сверхзвуковой) непрерывно возрастает.
Дозвуковой воздушный поток ведет себя как река и представляет собой несжимаемую жидкость, сохраняющую объем. Абсолютно? Нет, по мере увеличения скорости обтекающий тело воздух постепенно сжимается, но лишь незначительно, степень сжатия не превышает нескольких десятков процентов; Это принципиально не меняет картину течения, но помещает ее в рамки гидродинамики или «аэрогидродинамики» — аэродинамики. Картинка остается такой до тех пор, пока не прозвучит звук.
За скоростью звука стоит газовая динамика. Здесь в полной мере проявляется сжимаемость газа: он сжимается и расширяется во много раз, в несколько раз и в десятки раз. Это радикально меняет плавный объем и создает ключевые изменения в картине.
Сверхзвуковой поток ведет себя обратно дозвуковому потоку: замедляясь при сжатии и ускоряясь при расширении. Если оно и замедляется, то это происходит внезапно и немедленно, всегда с объёмным сжатием и нагревом, создавая внутри него резкие границы уплотнения. Наконец, сверхзвуковой поток может течь до высокого давления – например, в это уплотнение.
Различная природа движущей силы позволяет сверхзвуковому потоку преодолевать перепады давления. Главную роль играет не давление газа в дозвуковом потоке, а сила инерции движения. Поведение дозвукового потока контролируется тепловой сущностью (потенциальной энергией давления газа), тогда как сверхзвуковой характер течения порождается другой формой энергии (кинетической энергией движения.
Осиная талия и перерасширение
Классическое сопло ракетного двигателя представляет собой воронкообразную форму сужения и расширения с узкой осиной талией между ними. Из-за большой плотности камеры сгорания она узкая. Сжатый газ может многократно расширяться, но при этом оказывать значительное воздействие на стенку сопла и создавать тягу. Основное расширение начинается вблизи скорости звука и продолжается на протяжении всей сверхзвуковой части сопла. Отношение конечной площади к начальной площади, то есть площади сечения сопла и критического сечения, называется степенью расширения сопла. Насколько можно расширить (и тем самым ускорить) газ внутри сопла? В космосе разрежение потока на выходе из сопла приносит практическую пользу — до тех пор, пока возросшая тяга на удлинении сопла не оправдает увеличение его массы. Неиспользованное оставшееся давление выбрасывается в космос.
При запуске с поверхности Земли атмосфера давит на сопло, не давая ему вытечь наружу. Струя вылетает из сопла в более расширяющейся атмосфере – струя имеет меньшую плотность и давление, чем атмосфера. Такой тип струи называется перерасширением, и сопло работает в режиме перерасширения. Чем меньше поток на выходе из сопла, тем больше перепад давления со стороны атмосферы и ее сопротивление струе. Из-за своей высокой скорости сверхрасширенная сверхзвуковая струя на выходе из сопла будет образовывать капли воды с давлением в полатмосферы и более. А тормозить его будет атмосфера за соплом.
Это рабочая характеристика сверхзвукового потока, движущегося к более высоким давлениям. Если эта разница увеличится и дальше, атмосферное давление продавится в сопло и начнет отталкивать струю от стенки, «закрывая» таким образом эту часть сопла. Поэтому, замедляя струю, сохраняя при этом сопло расширенным, не допуская увеличения потока — начнется картина блокировки сопла внешним давлением. Зачем расширять расход на выходе из сопла ниже атмосферного давления? Поскольку давление быстро падает с высотой, ракета быстро достигнет этой высоты.
Первые пятьдесят километров по вертикали постепенно приведут обратное давление атмосферы к нулю.
Воздушный поток на выходе из сопла станет плотнее нисходящей атмосферы, бесполезно стравливая избыточное давление. Поток воздуха, сжатый так же плотно, как атмосфера, расширится только тогда, когда станет равным атмосфере. Это заставит дым расширяться больше, и тяга будет сильнее. Это режим недостаточного расширения. Чтобы уменьшить потери неиспользованного давления из сопла, была оптимизирована степень расширения. То есть после расчета минимизируются интегральные потери при работе восходящего сопла на всем участке полета и максимальна работа, совершаемая силой реакции.
Для этого давление на срезе сопла рассчитывают равным атмосферному давлению на высоте 8-12 км. В этот момент работа форсунки оптимальна – нет перепада давления и потерь в атмосфере. Начальное завышение температуры постепенно уменьшается с увеличением высоты, достигая нуля на высоте 10-12 км при оптимальной схеме оттока, после чего недораздувание будет постепенно увеличиваться. Поэтому по мере подъема ракеты сопло проходит три режима работы. Давление на выходе из сопла выбирается таким образом, чтобы минимизировать общие потери до точки отключения.
На второй и третьей ступени межконтинентальных и космических ракет двигатели запускаются без значительного атмосферного давления. Поэтому расширение его сопла значительно больше, чем у первой ступени. Космические ракетные двигатели также обладают большой степенью расширения – орбитального маневрирования и ориентации. Их сверхзвуковые компоненты напоминают большие кубки с маленькими отверстиями критического сечения.
Большая семья, или Разнообразие сопловой газодинамики
Принцип существования критической секции может быть реализован во многих формах. Классические две воронки, передающие друг другу трафик посредством слияния вершин, могут трансформироваться до неузнаваемости. Щелевые насадки представляют собой плоские каналы с сужением и расширением. Внешний диаметр сопла центрального корпуса изменить сложно; геометрия канала определяется внутренним центральным корпусом. Он может иметь коническую или пулевидную форму и заканчивается на конце сопла, при этом критическая часть имеет кольцевую форму. Центральный корпус может сильно различаться, полностью меняя внешний вид насадки.
Сопло может состоять из центрального корпуса, покрытого кольцевой канавкой вдоль основания. Сжатый поток из зазора течет вдоль центрального тела и расширяется на нем. Это сопло выглядит как вогнутый конус, направленный назад. Вогнутая поверхность работает так же, как чашеобразная выпуклая стенка обычной насадки. Только сопло и его стенки сжимают края расходящегося потока в плавный поток, а центральное тело образует прямолинейное ядро потока.
Именно так работает клиновой пневмодвигатель. Сопло его линейное — центральное тело вытянуто горизонтально, образуя перевернутый клин, похожий на сабельное лезвие, со сходящимися к лезвию сторонами. В этих рабочих вогнутостях сверхзвуковой воздушный поток расширяется и создает тягу. Функционально борта представляют собой стенки обычного сопла, развернутого по прямой линии, что также создает тягу.
Клин летит сверху вниз посредством сверхзвукового потока воздуха из небольших камер сгорания, установленных близко к верху. Каждая сторона клина становится стенкой сопла для жидкости из камеры. Другая стенка — это атмосфера, которая сжимает поток с боков и регулирует его расширение давлением. В результате поток воздуха над поверхностью воздушного клинового сопла оптимально расширяется, чтобы адаптироваться к изменениям атмосферного давления.
Центросома может стать плоской, как пластинка, в начале расширения и лежать глубоко внутри сопла. Это похоже на то, что шляпка гвоздя не забивается до середины критического сечения. Пространство под колпаком будет дозвуковой частью сопла. Край тарелки станет внутренней частью критической зоны. Воздушный поток радиально диффундирует из-под пластины и разворачивается вокруг ее края к выходному отверстию сопла, где сжимается стенкой и разгоняется до сверхзвуковой струи. Форсунки тарельчатого клапана намного короче обычных форсунок и, следовательно, легче. Его уникальная газовая динамика точно такая же, как и у сопел Лаваля.
Меньше давление, больше мощность рекордных гигантов
Высокое давление требует прочных и толстых стенок камеры сгорания, их легче зафиксировать в камере. Большие конструкции с высоким давлением также будут иметь большую массу. В твердотопливном двигателе весь корпус представляет собой камеру сгорания. Поэтому они работают при более низких давлениях, чем жидкостные ракетные двигатели, достигая лишь первых нескольких десятков атмосфер. Поскольку давление перед соплом ниже, это означает, что сопло меньше расширяется, а критические секции меньше сужаются. Например, подросток может свободно пропустить ключевую часть форсунки твердотопливного ускорителя SLS. Диаметр выходного отверстия сопла составляет 3,8 м, критическое сечение — 1,37 м, степень расширения — примерно 7,7. Средний уровень давления в 39 атмосфер не допускает большой степени расширения.
Тяга создается не самой скоростью выхлопа, а расходом потока при этой скорости. Твердотопливные двигатели могут производить через форсунки огромные потоки рабочей жидкости. У них нет запаса топлива – все топливо подается на заводе по всей длине двигателя, иногда до десятков метров. Такая топливная система имеет огромную площадь сгорания и соответствующую скорость потока, создавая очень большую тягу впрыска.
Самым мощным двигателем, когда-либо созданным в истории человечества, является твердотопливный ракетный двигатель. Среди серийно выпускаемых ускорителей есть ускорители для ракеты-носителя SLS, бывшей ракеты-носителя космического корабля «Шаттл», в которой добавлена пятая топливная секция. Он имеет общую длину 54 м (эквивалент высоты 18-этажного дома), диаметр 3,7 м, массу 726 тонн, тягу 1620 тонн и расход 6 тонн в секунду. Сопло этого ускорителя на сегодняшний день является самым мощным тандемным соплом в мире.
Экспериментальные твердотопливные двигатели более мощные. Испытанный в 1965 году самолет Aerojet AJ-260 SL-1 показал тягу 1800 тонн, а двигатель Aerojet AJ-260 SL-3, как ожидается, будет развивать тягу 2670 тонн. Их одиночные сопла остаются самыми мощными соплами Лаваля, когда-либо созданными человеком.
Изменяемая геометрия в громе форсажной тяги
Еще форсунки более низкого давления, с перепадом давления всего в несколько атмосфер и очень малым сужением, стали чрезвычайно распространены в авиации и незаменимы для всех типов двигателей. Поскольку хранить большое количество энергии при низком давлении было невозможно, использовали тепловой путь – для перекачки газа использовали тепло мощного керосинового огня.
Двигатели форсажного сгорания в основном используются в истребителях. Они используют форсажные камеры для сокращения разбегов, быстрого набора высоты и выполнения интенсивных маневров во время полета на сверхзвуковых скоростях. Тяга форсажной камеры увеличилась почти вдвое, а расход топлива также увеличился в несколько раз. Он сгорает в общем потоке за турбиной и на участке протока перед входом в сопло, называемом камерой дожигания. Его сопло образует огромную керосиновую горелку, нагревающую поток воздуха перед соплом на тысячу градусов.
Сопло представляет собой тепловую машину, которая преобразует увеличение тепла в увеличение скорости.
Столь интенсивный дополнительный нагрев газа приведет к увеличению давления перед соплом. Это снизит обороты турбины и компрессора, сразу уменьшив подачу воздуха к форсункам. Чтобы избежать выхода двигателя из строя, ответственные части сопла увеличены, чтобы «сбрасывать» в него возрастающее давление. Это достигается с помощью пятидесяти движущихся элементов (дверей). Литые трапециевидные пластины из жаропрочной стали и жаропрочной стали (это разные свойства) накладываются друг на друга, как чешуя или плитка, образуя рабочую поверхность насадки. Двигаясь совместно с гидроцилиндрами, они изменяют внутреннее сжатие и одновременно изменяют вырез сопла. Благодаря такой подвижной конструкции сопло удерживает расширение газов близкое к оптимальному и адаптируется к режиму работы двигателя, что приводит к значительному увеличению тяги на форсажном режиме. А после выключения форсажа складки сопла отодвигаются назад, уменьшая критическое сечение и размер выходного отверстия сопла.
Форсунки Лаваля используются в различных распылительных установках. Среди всех типов ракет, летающих в воздухе — от космических и межконтинентальных ракет до зенитных и противотанковых ракет, систем залпового огня, реактивных гранатометов и бесчисленного множества других реактивных средств. Существуют также различные типы реактивных пуль, например, экспериментальная подводная пуля, используемая в подводном автомате АПС, которая выглядит как толстые зеленые спицы с реактивным двигателем диаметром 5,45 мм. Или вращающаяся гирореактивная пуля диаметром полдюйма (12,7 мм) с четырьмя слегка наклоненными соплами, испытанная во Вьетнаме в начале 1970-х годов и приспособленная к специализированному оружию. Это самая маленькая боевая ракета в истории.
Группа сопел может состоять как из одного канала, так и из нескольких или десятков сопел. В наибольшей степени различаются размеры, форма, количество, расположение, наклон, тяга и назначение этих сопел. Сопло отодвигает катапультное кресло пилота от самолета, обеспечивает мягкую посадку десантного оборудования и спускаемых аппаратов, ускоряет сигнальные ракеты и сигналы, уменьшает отдачу безоткатных орудий, выбрасывает детонирующие шнуры для разминирования, отводит пусковую установку в сторону при стрельбе из шахты межконтинентальных баллистических ракет, а также выполнять множество других задач, где могут быть задействованы силы реагирования.
Нереактивные сопла
Сверхзвуковой поток создается практически везде, где используется сопло Лаваля. В турбинах щелевые сопла Лаваля ускоряют поток к лопаткам ротора. В сверхзвуковых реактивных турбинах проходы между лопатками ротора также являются щелевыми соплами Лаваля, которые разгоняют газ до сверхзвуковых скоростей. Поверхности каждых двух соседних лопастей образуют канал плоского сопла Лаваля, загнутый назад под углом. Поток в нем ускоряется и возвращается в движение, создавая на лопастях силу реакции. Сверхзвуковые турбины используются в аэрокосмической, наземной технике и навигации, энергетике и добыче энергоресурсов.
Получить мелкую мельницу можно, измельчив материалы сверхзвуковым потоком. Сыпучие материалы попадают в сверхзвуковую струю. Его подхватывает и ускоряет струя, ударяющаяся о твердый барьер, прорываясь сквозь него со скоростью сотни метров в секунду. Измельчение высокой чистоты, при котором сам материал измельчается через барьер, позволяет измельчать лекарства или химические вещества высокой чистоты.
В сверхзвуковых аэродинамических трубах также используются сопла Лаваля. Наиболее распространенным типом ультразвуковой трубки является баллонная трубка. В большом помещении стоят два-три ряда толстых стальных цилиндров высотой в два этажа, закрытых полками второго этажа (чтобы при необходимости можно было дотянуться до верха цилиндров). За несколько дней до продувки цилиндр целый день наполняется воздухом, сопровождаясь гулом и вибрацией компрессора. Их тела резко нагреваются от сжатия при давлении более ста атмосфер, а затем остывают за ночь.
Обдув происходит в отдельном боксе со стальной дверью. Весь воздух, попавший в цилиндр, выпускается в течение тридцати секунд. Сопло преобразует сжатый воздух из цилиндра в сверхзвуковой поток, протекающий через рабочий участок трубы. Он имеет меньшее поперечное сечение и собран из прочных стальных элементов, охватывающих выдувную модель. Дополнительным бонусом является морозная имитация высотного сверхзвукового полета – за счет расширения воздушного потока температура рабочих частей составляет -80 градусов. Число Маха, текущего в трубе, может превысить 5, и труба становится гиперзвуковой.
У университета в Москве есть большой и сложный двор, а в одном его углу стоит решетчатый киоск, напоминающий киоск. В эту часть двора выходит лекционный зал кафедры английского языка. Раз в неделю занятия прерываются на полминуты постоянным шумом, полностью заглушающим любые попытки речи как преподавателя, так и учеников. Решетчатый павильон скрывает выходной туннель сверхзвукового трубопровода университета, наполняя двор ревом во время процесса обеззараживания. Таким образом, сверхзвуковая аэродинамика проникает во все области науки, посещающие этот стенд.
Людвиг Прандтль, пионер сверхзвуковых расчетов и основоположник сверхзвуковой аэродинамики, смог рассчитать сопло, которое давало бы необходимое число Маха при доступной скорости потока. В 1909 году он построил первую в мире ультразвуковую трубку в Гёттингене, Германия, где и работал. Сегодня все сопла рассчитываются по его методу расчета сверхзвуковых сопел.
Расчетным путем можно нарисовать контур насадки. Профиль представляет собой кривизну формы сопла, в отличие от простого конуса, который представляет собой точную геометрию сопла. На критическом участке расширение газа является наиболее бурным, и тогда газу необходимо быстро придать определенный объем расширения. Здесь стенки сопла расходятся в стороны, образуя резко расширяющуюся колоколообразную форму. В конце сопла, когда работа расширения завершена, поток воды направляется цилиндрической кромкой сопла в почти параллельную струю.
Плавный переход от резко расширенной части к почти цилиндрической кромке придает насадке выпуклую форму, подобную форме стакана или колокола. Это будет фигурная насадка. Правильно выбранная кривизна стенки позволит оптимально расширить газ, достигнув максимального ускорения потока при наименьшей длине сопла. Это минимальная масса, поверхность охлаждения, материал и объем обработки, а также стоимость. Именно поэтому сегодня почти все насадки имеют профилированную форму. Их контуры рассчитываются на основе заданных параметров исходного газа и требуемой скорости потока, что позволяет сформировать оптимальную кривизну сверхзвукового судна.
Возможный ключ к полной многоразовости ракеты
Сопло также может стать основным решением для обеспечения многоразового использования ракет-носителей. Проблема с возвращением второй ступени ракеты связана с ее высокой орбитальной скоростью. При этой скорости температура торможения потока, возникающая на входной фазе, достигает тысяч градусов.
Можно сделать насадку, занимающую весь нижний конец сцены. Тогда его огнеупорная поверхность может выполнять роль теплозащитного экрана. При этом металлическое сопло активно охлаждается компонентами топлива, протекающими в каналах его стенок. Сам узел, который протекает через сопло, не горя, выдавливает подушку горячего, сжатого от удара воздуха с конца платформы. Края стенок ступени также могут быть заняты охлаждающими кромками сопел. Поэтому сопла были стратегически интегрированы в основание сцены. Тогда сопло сможет решать две разнесенные во времени задачи — создание тяги и тепловую защиту при входе в атмосферу. Возможно, формируется новый тип – реактивная теплоизоляционная насадка.
Эта форсунка добавит к своей основной газосиловой функции (ускорению потока) задачи термозащиты, тем самым повысив ее ценность.
Чтобы найти лучшее конструктивное решение обеих проблем, требуется несколько расчетов. При таком большом диаметре сопла традиционное тонкое сверхзвуковое стекло становится слишком большим и тяжелым. Насадка с центральным корпусом или дисковая насадка были бы во много раз проще. Их площадь в несколько раз меньше и требуется меньшее охлаждение. «Сэкономленное» охлаждение можно перенести на соседние стены сцены. Такие решения будут оцениваться посредством расчетов по конкретному проекту.
В 2020 году американская компания Stoke Space Technologies получила два гранта по линии SBIR (Small Business Innovation Research, Small Business Research and Innovation Program). Это программа правительства США, призванная помочь малому бизнесу в исследованиях и разработках (НИОКР). Команду из девяти человек возглавляет директор и соучредитель Stoke Энди Лапса, который десять лет занимался созданием двигателей в Blue Origin. Его команда занимается разработкой двигателей верхних ступеней спускаемого аппарата.
Национальный научный фонд выделил грант SBIR в размере 225 000 долларов США на «Интегрированные двигательные решения для многоразовых верхних ступеней». В резюме гранта «рекомендуется разработка новых технологий, которые позволят космическим ракетам-носителям повторно входить в атмосферу и приземляться на определенных площадках для повторного использования. Технические задачи включают сочетание эффективных двигательных установок, надежной тепловой защиты и конструкции с малой массой». «Рассматривается новое техническое решение, сочетающее в себе основные характеристики ступени с эффективностью отдельной системы (речь идет о системе охлаждения. — Прим автора), что позволит повторно использовать вторую ступень».
НАСА также предоставило грант SBIR в размере 125 000 долларов на «новые конфигурации ракетных двигателей для верхних ступеней и планетарных посадочных модулей». В резюме гранта говорится о «новой геометрии сопла ракеты, которая никогда раньше не рассматривалась и находится в центре внимания этого первого этапа работы. Сопло очень надувное, в десять раз короче, чем традиционные колоколообразные сопла, и позволяет выполнять глубокое дросселирование. Интегрированное в нижнюю часть платформы сопло двигателя действует как активно охлаждаемый металлический тепловой экран при входе в атмосферу. Первый этап включает разработку методологии проектирования сопла, прогнозирование характеристик сопла и изготовление параметрических устройств испытательное оборудование».
Только время покажет, насколько плодотворными окажутся усилия Стоука. Но формулировка миссии иллюстрирует острую необходимость прорыва к многоразовым вторичным уровням. Сопло может стать ключевым решением для полностью многоразовых ракет.