Кіріспе
Кең ауқымды биіктікте аэродинамикалық тиімділігін сақтайтын зымыран қозғалтқышының түрі – аэроспик қозғалтқышы. Бұл қозғалтқыш биіктікке бейімделетін соқпақ қозғалтқыштар класына жатады. Аэроспик қозғалтқыштары көптеген бір сатылы орбитаға шығу (SSTO) жобалары үшін ұсынылған. Олар ғарыш кемесінің негізгі қозғалтқышына талапкер болды. Дегенмен, 2023 жылға дейін мұндай қозғалтқыштар коммерциялық өндіріске енген жоқ, бірақ кейбір үлкен ауқымды аэроспиктер сынақ сатысында болды. "Аэроспик" термині бастапқыда дөңгелек конус тәрізді және газ инъекциясы бар қысқартылған плагин соқпағын сипаттау үшін қолданылған, ол плагиннің артқы бөлігінің болмауына өтеу беруге көмектесетін "аэродинамикалық тікен" құрады. Алайда, толық ұзындығы бар плагин соқпағы да аэроспик деп аталуы мүмкін.
The aerospike engine is a type of rocket engine that maintains its aerodynamic efficiency across a wide range of altitudes. It belongs to the class of altitude compensating nozzle engines. Aerospike engines were proposed for many single stage to orbit (SSTO) designs. They were a contender for the Space Shuttle main engine. However, as of 2023 no such engine was in commercial production, although some large scale aerospikes were in testing phases. The term aerospike was originally used for a truncated plug nozzle with a rough conical taper and some gas injection, forming an "air spike" to help make up for the absence of the plug tail. However, a full length plug nozzle may also be called an aerospike.
Негізгі қағидалар
Кез келген қозғалтқыш соплосының мақсаты – зымыран қозғалтқышының газ шығаруын бір бағытта бағыттап, қарсы бағытта итермелеу күшін жасау. Газдардың жоғары температуралық қоспасынан тұратын газ шығару, тиімді түрде кездейсоқ импульсқа ие (яғни, газ шығару барлық бағытта қысым жасайды). Егер газ шығару осы күйде шығуына рұқсат берілсе, ағыстың аз ғана бөлігі ғана дұрыс бағытта қозғалып, алға итермелеуге үлес қосады. Сопло газ шығарудың бұрыс бағытта қозғалуын түзетіп, оны дұрыс бағытта итермелеу күшін жасауға бағыттайды. Сыртқы ауа қысымы да газ шығаруға қарсы кішкене қысым түсіріп, оның қозғалтқыштан шыққанда "дұрыс" бағытта қозғалуына көмектеседі. Көлік атмосфера арқылы жоғары көтерілгенде, сыртқы ауа қысымы төмендейді. Бұл итермелеу күшін жасаушы газ шығарудың сопло жиегінен тысқары қарай кеңеюіне себеп болады. Бұл газ шығару "бұрыс" бағытта (яғни, негізгі газ шығару ағынынан сыртқа қарай) қозғала бастағандықтан, зымыран қозғалғанда қозғалтқыштың тиімділігі төмендейді, себебі бұл шығып жатқан газ енді қозғалтқыштың итермелеу күшіне үлес қоспайды. Аэроспайк зымыран қозғалтқышы осы тиімділік жоғалтуын болдырмауға тырысады.
Вариациялар
Дизайнның бірнеше нұсқасы бар, олар пішіндерімен ерекшеленеді. Тороидты аэроспикада шығыс газдары сыртқы жиегінің айналасында сақина тәрізді шығады, ал спика сауыт пішіндес. Теория бойынша, ең жақсы тиімділікке қол жеткізу үшін шексіз ұзын спика қажет, бірақ қысқартылған спиканың ортасынан аз мөлшерде газ шығару арқылы (артиллериялық оқтардағы газ шығару сияқты) ұқсас нәтижеге қол жеткізуге болады. Сызықтық аэроспика спикасы конус пішіндес тақтадан тұрады, газдар "қалың" бөлігінің екі жағынан шығады. Бұл конструкцияны жинақтауға болады, яғни бірнеше кіші қозғалтқышты қатарластырып, одан үлкен қозғалтқыш жасауға болады, сонымен қатар жеке қозғалтқыштардың газ ағымын басқару арқылы басқару мүмкіндігін жақсартуға болады.
Өнер көрсету
Rocketdyne 1960 жылдары әртүрлі конструкциялар бойынша кең ауқымды сынақтар жүргізді. Бұл қозғалтқыштардың кейінгі үлгілері олардың жоғары сенімді J 2 қозғалтқыштарының құрылымын негізге алды және оларға негізделген дәстүрлі қозғалтқыштармен салыстырылатын итермелеу деңгейін қамтамасыз етті: J 2T 200k үшін 200 000 фунт (890 кН), ал J 2T 250k үшін 250 000 фунт (1,1 МН) (T – тороидты жану камерасын білдіреді). Отыз жыл өткен соң, олардың жұмысы NASA-ның X 33 жобасында қолдану үшін қайта жандандырылды. Бұл жағдайда, сәл жаңартылған J 2S қозғалтқыштары сызықтық тікенегімен (spike) қолданылды, нәтижесінде XRS 2200 пайда болды. Бұл жобаны одан әрі дамыту мен сынақтан өткізуден кейін, X 33-тің композиттік отын бактерілерінің қайталап істен шығуына байланысты тоқтатуға мәжбүр болды. X 33 бағдарламасы аясында үш XRS 2200 қозғалтқышы салынды және NASA-ның Stennis ғарыш орталығында сынақтан өтті. Жеке қозғалтқышты сынау сәтті аяқталды, бірақ екі қозғалтқыштың жұптасқан конфигурациясын сынауды аяқтамас бұрын бағдарлама тоқтатылды. XRS 2200 теңіз деңгейінде 339 секундтық импульстік жылдамдықпен (Isp) итермелеуді, ал вакуумда – 436,5 секундтық Isp-мен итермелеуді қамтамасыз етеді. RS 2200 сызықтық аэроспайк қозғалтқышы XRS 2200 негізінде жасалған. RS 2200 VentureStar бір сатызда орбитаға шығатын ұшу аппаратын қуатпен қамтамасыз етуі тиіс болды. Соңғы жобада жеті RS 2200 қозғалтқышы, әрқайсысы VentureStar-ды Жердің төменгі орбитасына шығаруға мүмкіндік беретін еді. RS 2200 әзірлемесі 2001 жылдың басында X 33 бағдарламасы Space Launch Initiative қаржысын алмағандықтан ресми түрде тоқтатылды. Lockheed Martin NASA-ның қаржылық қолдауысыз VentureStar бағдарламасын жалғастырмауды шешті. Осындай қозғалтқыштың үлгісі Алабама штатындағы NASA Маршалл ғарыш ұшу орталығының аумағында ашық жерде қойылған. 2001 жылы федералды үкімет Lockheed Martin X 33 бағдарламасын тоқтатуы нәтижесінде қаржыландыру мүмкіндігі төмендеді, бірақ аэроспайк қозғалтқыштары зерттеулердің белсенді саласы болып қала береді. Мысалы, 2003 жылдың 20 қыркүйегінде Калифорния штатындағы Лонг-Бич мемлекеттік университетінің (CSULB) және Garvey Spacecraft Corporation командасы Мохаве шөлінде сұйық отынмен жұмыс істейтін аэроспайк қозғалтқышының ұшу сынағын сәтті өткізді. CSULB студенттері 1000 фунт (4,4 кН) LOX/этанол аэроспайк қозғалтқышын қолдана отырып, өздерінің Prospector 2 (P2) зымыранын жасады. Аэроспайк қозғалтқыштарын зерттеу жұмысы жалғасуда; Prospector 10, он камералы аэроспайк қозғалтқышы 2008 жылдың 25 маусымында сынақтан өтті. 2004 жылдың наурыз айында Карлсбадта (Калифорния) орналасқан Blacksky Corporation өндірген жоғары қуатты зымырандарды пайдалана отырып, NASA Dryden Flight Research Center демеушілігімен екі сәтті сынақ жүргізілді. Аэроспайк сораптары мен қатты отынды зымыран қозғалтқыштары Онтарионың Торонто қаласының солтүстігінде орналасқан Cesaroni Technology Incorporated компаниясының зымыран қозғалтқыштары бөлімшесінде әзірленді және салынды. Екі зымыран да қатты отынмен жұмыс істеді және қысқартылмаған тороидты аэроспайк сораптарымен жабдықталды. Техас штатының Форт-Стоктон қаласында орналасқан Пекос округінің аэроғарыштық даму орталығында ұшырылған зымырандар 26000 фут (7925 м) биіктікке және шамамен 1,5 Мах жылдамдыққа жетті. Гибридтік зымыран отынын пайдаланатын шағын ауқымды аэроспайк қозғалтқыштарын әзірлеу жұмысы Reaction Research Society мүшелерімен жалғастырылуда. 2020 жылы Дрезден ТУ және Фраунгофер IWS қосымша өндірілген аэроспайк қозғалтқыштарын зерттеу үшін CFDμSAT жобасын бастады. Прототип Дрезден университетінің аэроғарыш инженерия институтындағы сынақ камерасында сынақтан өтті, 30 секундтық жану уақытын көрсетті.
burn time of 30 seconds.
Firefly Aerospace (Жарқылдақ әуе компаниясы)
2014 жылдың шілдесінде Firefly Space Systems өзінің бірінші сатысында аэроспайк қозғалтқышын пайдаланатын жоспарланған Alpha ұшыру құралын жариялады. Шағын спутниктерді іске қосу нарығына бағытталған, ол жер шарының төменгі орбитасына (ЖТО) спутниктерді 8-9 миллион АҚШ долларына дейін жеткізуге арналған, бұл дәстүрлі ұшыру құралдарымен салыстырғанда әлдеқайда арзан. Firefly Alpha 1.0 дейін пайдалы жүктемелерді тасымалдауға арналған. Ол көміртекті композиттік материалдарды қолданады және екі сатыда да бірдей негізгі конструкцияны пайдаланады. Плаг кластерлі аэроспайк қозғалтқышы итеру күшін қамтамасыз етеді. Қозғалтқыштың қоңырау тәрізді соплосы екіге бөлініп, содан кейін созылып, сақинаға айналдырылған, ал жарты сопло енді плагтың профилін құрайды. Кейіннен олар Executor Aerospike қозғалтқышы теңіз деңгейінде және вакуумда итеру күшін тудыратынын мәлімдеді. 2017 жылдың маусым айында ARCA өзінің Demonstrator3 зымырасын ғарышқа ұшыратынын, сонымен қатар сызықтық аэроспайк қозғалтқышын қолданатынын хабарлады. Бұл зымыра олардың Haas 2CA бірнеше компоненттерін төмен құнмен сынау үшін жоспарланған. Олар 2017 жылдың тамызында ұшу туралы хабарлады.
KSF ғарыш және жұлдыздар аралық кеңістік
Лос-Анджелестегі KSF Space және Interstellar Space компаниялары жасаған тағы бір қозғалтқыш концептісі SATORI атты орбиталық аппарат үшін жобаланды. Қаржыландыру жетіспеуіне байланысты концепт әлі де дамытылмаған.
Ракеталық жұлдыз
Rocketstar 2019 жылдың ақпан айында 3D-басылған аэроспайк зымыранын 50 миль биіктікке ұшыруды жоспарлаған, бірақ ұшыруға үш күн қалғанда қауіпсіздік алаңдауларына байланысты миссияны тоқтатты. Қазір олар екінші ұшыруға дайындалып жатыр.
Пангеа Аэрокосмикалық
2021 жылдың қараша айында Испаниядағы Pangea Aerospace компаниясы өзінің кішкентай демонстрациялық метан-оттегі аэроспайк қозғалтқышы DemoP1-дің қыздыру сынақтарын бастады. DemoP1 демонстрациялық үлгісін сәтті сынағаннан кейін, Pangea 300 кН ARCOS қозғалтқышына көшуді жоспарлап отыр.
Сток кеңістігі
Вашингтон штатының Кент қаласындағы штаб-пәтері орналасқан Stoke Space компаниясы, қайта пайдаланылатын екінші сатысы үшін таратылған архитектуралы LH2/LOX аэропик жүйесін құрастырып, сынақтан өткізуде.
Поларис ғарыш кемелері
Бремен қаласындағы POLARIS Raumflugzeuge GmbH неміс стартапы 2023 жылдың сәуір айында Bundeswehr-ден сызықтық аэроимпульстік қозғалтқышты жобалау және ұшу сынағынан өткізуге шарт алды. Компания бұл жаңа қозғалтқышты өзінің төртінші ғарыш ұшағының демонстрациялық үлгісі DEMO 4 MIRA-да 2023 жылдың соңында V-2 баллистикалық зымырандары жасалған Пеенемюндеде сынақтан өткізеді. Егер MIRA сәтті ұшса, ол ұшу кезінде сызықтық аэроимпульстік ракеталық қозғалтқышпен қоздырылатын алғашқы әуе-ғарыш аппараты болады.
Бат ракеталық командасы
Баф университетінде орналасқан Баф ракета командасы 2020 жылдан бері аэродинамикалық түйіршіктік мүндері бар гибридтік ракеталық қозғалтқышты әзірлеп келеді. Қозғалтқыш алғаш рет 2023 жылы Ұлыбританияның ғарышқа қатысу ұлттық жарысында сынақтан өтті. Команда EuRoC24-те алғаш рет ұшуды жоспарлап отырған қозғалтқыштың ұшуға дайын нұсқасын жасап жатыр.