Кіріспе

Қозғалтқыш тұмсықтың түрі Ракеталық қозғалтқыш тұмсығы - зымыран қозғалтқышында жану өнімдерін жоғары үндеу жылдамдығына дейін кеңейту және жеделдету үшін қолданылатын қозғалтқыш тұмсығы (әдетте де Лаваль типті). Қарапайым: сорғылар немесе жоғары қысымды ульгациялық газ арқылы қысыммен екі жүз атмосфераға дейін күйдірілген қозғалтқыш заттары жану камерасына енгізіледі, ал жану камерасы жоғары қысымдағы, жоғары температурадағы жану өнімдеріндегі энергияны газды жоғары жылдамдыққа және қоршаған орта қысымына жақын қысымға жылдамдату арқылы кинетикалық энергияға айналдыратын тұнбаға әкеледі.

Тарих

Қарапайым қоңырау тәрізді тұмсықтар 1500 жылдары пайда болды. Де Лавальды тұмсықты алғаш рет 19-ғасырда Густав де Лаваль бу турбиналарында пайдалану үшін әзірлеген. Ол алғаш рет қазіргі заманғы ракеталардың негізін қалаушылардың бірі Роберт Годдардтың алғашқы ракеталық қозғалтқышында қолданылған. Ол уақыттан бері барлық дерлік зымыран қозғалтқыштарында, соның ішінде Германияның V2 зымыранын жасауға мүмкіндік берген Уолтер Тильдің іске асыруында қолданылды.

Атмосфералық пайдалану

Ракеталық қозғалтқыш тұмсығының оптималдық өлшемі шығыс қысымы қоршаған ортаның (атмосфералық) қысымына тең болғанда, ол биіктікпен төмендейді. Мұның себебі мынада: ағындылықтың бір өлшемді шамасын қолдану, егер қоршаған орта қысымы шығыс қысымынан жоғары болса, онда ол зымыранның өндіретін таза итермелеуін азайтады, оны күш тепе-теңдігін талдау арқылы көруге болады. Егер қоршаған ортаның қысымы төмен болса, ал күш тепе-теңдігі итермелеудің артатынын көрсетер болса, изоэнтропиялық Мах қатынастары тұмсықтың ауданының арақатынасы үлкен болуы мүмкін екенін көрсетеді, бұл қозғалтқыш заттың жоғары шығу жылдамдығына әкеліп соғады, бұл итермелеуді арттырады. Жерден орбитаға ұшып бара жатқан зымыран үшін қарапайым тұмсық дизайны тек бір биіктікте ғана оңтайлы, басқа биіктіктерде тиімділігін жоғалтады және отынды ысырап етеді. Тамақтан кейін газдың қысымы қоршаған ортаның қысымынан жоғары болады және оны тарқату арқылы тамақ пен тұнбаның шығысы арасында төмендету қажет. Егер тұмсықтың шығысынан шыққан ауаның қысымы қоршаған ортаның қысымынан жоғары болса, онда тұмсық аз кеңейген деп аталады; егер ауа қоршаған ортаның қысымынан төмен болса, онда ол шамадан тыс кеңейген. Шағын шамадан тыс кеңейу тиімділіктің төмендеуіне әкеледі, бірақ басқа жағдайда аз зиян келтіреді. Алайда, егер шығыс қысымы қоршаған ортаның қысымынан шамамен 40% кем болса, онда "ағынды бөлу" пайда болады. Бұл тұнбаның бұзылуына, көлік құралын немесе қозғалтқышты басқару қиындықтарына, ал одан да ауыр жағдайларда қозғалтқышты жоюға әкелетін тұнбаның тұрақсыздығына әкелуі мүмкін. Кейбір жағдайларда, сенімділік пен қауіпсіздік себептерімен орбитаға дейін қолданылатын жер бетіндегі зымыран қозғалтқышын іске қосу қажет. Көтерілудің оңтайлы болуы үшін ракетаның теңіз деңгейіне жақын жерде (көтерілу кезінде) тұстауынан шығатын газдардың қысымы теңіз деңгейіндегі қысыммен бірдей болуы тиіс. Алайда теңіз деңгейінде жұмыс істеуге арналған соқпақ жоғары биіктікте тез тиімділігін жоғалтады. Көп сатылы конструкцияда екінші сатылы зымыран қозғалтқышы негізінен биіктікте пайдалануға арналған, бірінші сатылы қозғалтқыш бастапқы көтерілуді орындағаннан кейін ғана қосымша итерме береді. Бұл жағдайда дизайнерлер екінші кезең үшін әдетте (теңіз деңгейінде) аса кеңейтілген соқпақ дизайнын таңдайды, бұл оны қоршаған ортаның қысымы төмен, биіктікте тиімдірек етеді. Бұл техника Space Shuttle-тің (теңіз деңгейінде) аса кеңейтілген негізгі қозғалтқыштарында (SSME) қолданылған, олар өздерінің қуатты траекториясының көп бөлігін вакуумға жақын өткізді, ал шаттлдың екі теңіз деңгейіндегі тиімді қатты зымыран бустерлері бастапқы көтерілудің басым бөлігін қамтамасыз етті. Ғарыштың вакуумында барлық тұмсықтар толықтай кеңейтілмейді, өйткені газды толықтай кеңейту үшін тұмсық шексіз ұзын болуы керек, нәтижесінде инженерлер қосымша кеңеюді (жағдаю және тиімділік) пайдаланатын, сонымен қатар артық салмақ қосылмайтын және көліктің өнімділігін шектемейтін дизайнды таңдауы керек.

Вакуумды пайдалану

Вакуумда немесе өте биіктікте қолданылатын тұмсықтар үшін қоршаған ортаның қысымын сәйкес келтіру мүмкін емес; керісінше, үлкен ауданы бар тұмсықтар әдетте тиімдірек болады. Алайда, өте ұзын тұмсықтың салмағы едәуір, бұл өзінен-өзі кемшілік. Көліктің жалпы өнімділігін оңтайландыру үшін ұзындығын табу керек. Сонымен қатар, тұндырғыштағы газдың температурасы төмендей түскен сайын, кейбір қалдық газдар (мысалы, жану процесінен шыққан су буы) конденсациялануы немесе тіпті қатуы мүмкін. Бұл өте жағымсыз және одан аулақ болу керек. Магниттік сораптар кейбір қозғалтқыш түрлеріне (мысалы, өзгермелі нақты импульстік магнитоплазмалық зымыран, VASIMR) ұсынылды, онда плазма немесе иондар ағыны қатты материалдардан жасалған қабырғалардың орнына магниттік өрістермен бағытталады. Бұл тиімді болуы мүмкін, өйткені магнит өрісінің өзі балқымайды, ал плазма температурасы миллиондаған кельвинге жетеді. Алайда, көбінесе катушкалардың өздерімен ұсынылған жылулық дизайнның қиындықтары бар, әсіресе егер мойынтіректер мен кеңейту өрістерін қалыптастыру үшін суперөткізгіш катушкалар пайдаланылса.

Ең қолайлы пішін

Дымқылдықтың ең тар бөлігінің ауданы мен шығу жазықтығының ауданы арақатынасы негізінен, шығатын газдардың кеңеюі сызықтық жылдамдыққа, шығатын газдың жылдамдығына, сондықтан зымыран қозғалтқышының итермелі күштеріне қалай тиімді айналады. Газдың қасиеттері де әсер етеді. Дымқыл тұнбаның пішіні сондай-ақ, ауадан шығарылатын газдардың кеңеюі сызықтық қозғалысқа қалай тиімді айналады. Ең қарапайым тұмсықтың пішіні ~15° конус жарты бұрышы бар, бұл шамамен 98% тиімді. Кіші бұрыштар тиімділікті сәл арттырады, ал үлкен бұрыштар тиімділікті төмендетеді. Көбінесе бұрылыс формалары күрделірек, мысалы қоңыраулық тұмсықтар немесе параболалық формалар қолданылады. Бұл конуслық тұмсыққа қарағанда 1% тиімдірек, сонымен қатар қысқа және жеңіл болуы мүмкін. Олар ұшыру аппараттарында және салмағы жоғары басқа ракеталарда кеңінен қолданылады. Әрине, оларды жасау қиынырақ, сондықтан олар қымбатқа түседі. Сонымен қатар, теориялық тұрғыдан алғанда, максималды шығыр жылдамдығы үшін оптималдық тұмсық пішіні бар. Алайда, әдетте қысқа қоңырау пішіні қолданылады, ол салмағы әлдеқайда аз, ұзындығы қысқа, соғудан төмен шығындар және өте аз ғана төменгі шығарылу жылдамдығы арқылы жалпы өнімділікті жақсартады. Ракеталық тұмсықтың тиімділігіне басқа да конструкциялық аспектілер әсер етеді. Дымқылдықтың саңылауының радиусы тегіс болуы тиіс. Тамаққа дейін таусылған ішкі бұрыш жалпы тиімділікке де әсер етеді, бірақ бұл аз. Түтіктің шығу бұрышы мүмкіндігінше кіші болуы керек (шамамен 12°), төмен шығыс қысымда бөліну проблемаларының мүмкіндігін азайту үшін.