Введение
Ракета, сжигающая 3 компонента топлива одновременно или 2 топлива с окислителем последовательно. Трёхкомпонентная ракета – это ракета, использующая три компонента топлива, в отличие от более распространённых двухкомпонентных ракет или монокомпонентных ракет, использующих два или один компонент топлива соответственно. Трёхкомпонентные системы могут быть спроектированы для достижения высокого удельного импульса и изучались для одноступенчатых орбитальных аппаратов. Хотя трёхкомпонентные двигатели были испытаны компаниями Rocketdyne и НПО Энергомаш, ни одна трёхкомпонентная ракета не была запущена. Существует два различных типа трёхкомпонентных ракет. Один из них – ракетный двигатель, смешивающий три отдельных потока компонентов топлива и сжигающий все три компонента одновременно. Другой тип трёхкомпонентной ракеты использует один окислитель и два топлива, сжигая эти два топлива последовательно в процессе полёта.
A tripropellant rocket is a rocket that uses three propellants, as opposed to the more common bipropellant rocket or monopropellant rocket designs, which use two or one propellants, respectively. Tripropellant systems can be designed to have high specific impulse and have been investigated for single stage to orbit designs. While tripropellant engines have been tested by Rocketdyne and NPO Energomash, no tripropellant rocket has been flown. There are two different kinds of tripropellant rockets. One is a rocket engine which mixes three separate streams of propellants, burning all three propellants simultaneously. The other kind of tripropellant rocket is one that uses one oxidizer but two fuels, burning the two fuels in sequence during the flight.
Одновременное горение
Одновременные трехкомпонентные системы часто включают использование металлической добавки с высокой плотностью энергии, такой как бериллий или литий, в сочетании с существующими двухкомпонентными системами. В этих двигателях сгорание топлива с окислителем обеспечивает энергию активации, необходимую для более энергичной реакции между окислителем и металлом. Хотя теоретическое моделирование этих систем указывает на преимущество перед двухкомпонентными двигателями, ряд факторов ограничивает их практическое применение, включая сложность подачи твердого металла в камеру сгорания; ограничения в тепло-, массо- и импульсопереносе между фазами; и трудности в инициировании и поддержании горения металла. В 1960-х годах компания Rocketdyne провела испытания двигателя, использующего смесь жидкого лития, газообразного водорода и жидкого фтора, что позволило достичь удельного импульса 542 секунды – вероятно, самого высокого из измеренных для химического ракетного двигателя.
Последовательное сжигание
В последовательных трёхдвигательных ракетах топливо меняется в полёте, поэтому двигатель может сочетать высокую тягу плотного топлива, такого как керосин, на начальном участке траектории с высоким удельным импульсом более лёгкого топлива, например, жидкого водорода (LH2), на более поздних этапах. В результате получается один двигатель, обеспечивающий некоторые преимущества ступенчатости. Например, впрыск небольшого количества жидкого водорода в двигатель, работающий на керосине, может значительно повысить удельный импульс без ущерба для плотности топлива. Это было продемонстрировано двигателем РД-701, достигшим удельного импульса 415 секунд в вакууме (выше, чем у чистого LH2/LOX двигателя RS-68), в то время как чистый керосиновый двигатель с аналогичным коэффициентом расширения показал бы 330–340 секунд. Хотя жидкий водород обеспечивает наибольший удельный импульс среди практически применимых ракетных топлив, для его хранения требуются огромные конструкции из-за его низкой плотности. Эти конструкции могут быть весьма тяжёлыми, частично компенсируя малый вес самого топлива, а также увеличивая аэродинамическое сопротивление в атмосфере. Керосин имеет более низкий удельный импульс, но его более высокая плотность позволяет создавать менее массивные конструкции, что снижает массу ступени и, кроме того, уменьшает потери на аэродинамическое сопротивление. Кроме того, двигатели на керосине обычно обеспечивают более высокую тягу, что важно для взлёта и снижения гравитационного сопротивления. Таким образом, существует оптимальная высота, на которой один тип топлива становится более целесообразным, чем другой. Традиционные ракетные конструкции используют эту особенность в своих интересах посредством ступенчатости. Например, Saturn V использовал первую ступень на RP-1 (керосине) и верхние ступени на LH2. Некоторые ранние проекты космического челнока использовали аналогичные схемы, с керосиновой ступенью в верхних слоях атмосферы, за которой следовала LH2-ступень. Поздняя конструкция шаттла несколько похожа, хотя для первых ступеней использовались твердотопливные ускорители. Ракеты SSTO могли бы просто нести два комплекта двигателей, но это означало бы, что космический корабль большую часть полёта перевозил бы один из комплектов в выключенном состоянии. При достаточно лёгких двигателях это могло бы быть приемлемо, но конструкция SSTO требует очень высокой массовой доли и, следовательно, имеет минимальный запас по весу. При взлёте двигатель обычно сжигает оба топлива, постепенно изменяя их соотношение с высотой для поддержания оптимального режима работы сопла (стратегия, концептуально схожая с плагин-соплом, но использующая обычное сопло колокол), и в конечном итоге полностью переключаясь на LH2 после выгорания керосина. В этот момент двигатель по сути представляет собой двигатель LH2/LOX с дополнительным топливным насосом. Первым эту концепцию исследовал в США Роберт Салкельд, опубликовавший в августе 1971 года первое исследование концепции "Mixed Mode Propulsion for the Space Shuttle, Astronautics & Aeronautics". Он изучил ряд конструкций с такими двигателями, как наземного базирования, так и запускаемыми с больших реактивных самолётов. Он пришёл к выводу, что трёхдвигательные двигатели позволят увеличить долю полезной нагрузки более чем на 100% (то есть вдвое), уменьшить объём топлива более чем на 65% и снизить сухой вес более чем на 20%. Вторая серия проектов изучала замену твердотопливных ускорителей шаттла на трёхдвигательные ускорители, в этом случае двигатель почти вдвое уменьшил общий вес конструкции. Его последнее масштабное исследование было посвящено орбитальному ракетному самолёту, который использовал как трёхдвигательную схему, так и (в некоторых версиях) плагин-сопло, в результате чего получился космический корабль лишь немного больше, чем Lockheed SR-71, способный взлетать и садиться на обычных взлётно-посадочных полосах. Трёхдвигательные двигатели были построены в России. Косберг и Глушко разработали ряд экспериментальных двигателей в 1988 году для SSTO-самолёта под названием MAKS, но из-за недостатка финансирования и двигатели, и MAKS были отменены в 1991 году. Однако РД-701 Глушко был построен и испытан, и хотя были некоторые проблемы, "Энергомаш" считает, что эти проблемы вполне решаемы и что эта конструкция представляет собой один из способов снизить стоимость запуска примерно в 10 раз.