Введение

Тип ракетного двигателя, который сохраняет свою аэродинамическую эффективность в широком диапазоне высот. Аэроспика — это тип ракетного двигателя, который сохраняет свою аэродинамическую эффективность в широком диапазоне высот. Он относится к классу двигателей с соплом, компенсирующим высоту. Двигатели аэроспика предлагались для многих одноступенчатых орбитальных (SSTO) проектов. Они рассматривались в качестве кандидатов на основной двигатель космического шаттла. Однако, по состоянию на 2023 год, ни один такой двигатель не производился серийно, хотя некоторые крупномасштабные аэроспики находились на стадии испытаний. Изначально термин "аэроспика" использовался для усечённого конического сопла с некоторым впрыском газа, формирующего "воздушный шпиль" для компенсации отсутствия хвостовой части сопла. Однако сопло полной длины также может называться аэроспикой.

Принципы

Цель любого сопла ракетного двигателя – направить выхлоп в одном направлении, создавая тягу в противоположном направлении. Выхлоп, представляющий собой высокотемпературную смесь газов, обладает практически случайным распределением импульса (то есть, газы стремятся расширяться во всех направлениях). Если выхлоп покидает двигатель в таком состоянии, лишь небольшая часть потока движется в нужном направлении и, следовательно, вносит вклад в тягу. Сопло перенаправляет газы, движущиеся в неправильном направлении, так, чтобы они создавали тягу в нужном направлении. Давление окружающего воздуха также оказывает небольшое воздействие на выхлоп, помогая ему сохранять направление при выходе из двигателя. По мере подъема аппарата в атмосферу давление окружающего воздуха уменьшается. Это приводит к тому, что тягообразующий выхлоп начинает расширяться за пределы выходной кромки сопла. Поскольку этот выхлоп начинает двигаться в "неправильном" направлении (то есть, наружу от основной струи), эффективность двигателя снижается по мере полета ракеты, так как этот расширяющийся выхлоп больше не способствует созданию тяги. Ракетный двигатель с аэроспайком призван устранить эту потерю эффективности.

Вариации

Существует несколько вариантов конструкции, различающихся по форме. В тороидальной аэропике сопло имеет форму чаши, а выхлопные газы выходят в кольцо по внешнему краю. Теоретически, для достижения наилучшей эффективности требуется бесконечно длинное сопло, но, направляя небольшое количество газа из центра укороченного усеченного сопла (подобно использованию газовой подушки в артиллерийском снаряде), можно добиться схожего эффекта. В линейной аэропике сопло представляет собой сужающуюся клиновидную пластину, из которой выхлопные газы выходят с обеих сторон на "толстом" конце. Преимуществом этой конструкции является возможность её модульной сборки, позволяющая размещать несколько небольших двигателей в ряд для создания одного более мощного, одновременно улучшая маневренность за счет индивидуального управления тягой каждого двигателя.

Выступление

В 1960-х годах компания Rocketdyne провела длительную серию испытаний различных конструкций. Более поздние модели этих двигателей были основаны на их высоконадежной машине двигателя J 2 и обеспечивали тот же уровень тяги, что и обычные двигатели, на базе которых они были созданы: 200 000 фунтов силы (890 кН) в J 2T 200k и 250 000 фунтов силы (1,1 МН) в J 2T 250k (буква «T» обозначает тороидальную камеру сгорания). Тридцать лет спустя их работа была возобновлена для использования в проекте X-33 NASA. В этом случае была использована слегка модернизированная машина двигателя J 2S с линейным расширением, что привело к созданию XRS 2200. После дальнейшей разработки и обширных испытаний проект был отменен из-за повторных отказов композитных топливных баков X-33. В рамках программы X-33 было построено три двигателя XRS 2200, которые прошли испытания в Космическом центре NASA имени Стенниса. Однодвигательные испытания прошли успешно, но программа была остановлена до завершения испытаний двухдвигательной конфигурации. XRS 2200 обеспечивает тягу с удельным импульсом 339 секунд на уровне моря и тягу с удельным импульсом 436,5 секунд в вакууме. Линейный аэропиковый двигатель RS 2200 был разработан на базе XRS 2200. RS 2200 должен был приводить в движение одноступенчатый орбитальный аппарат VentureStar. В последней конструкции семь двигателей RS 2200, каждый из которых выдает определенную тягу, должны были вывести VentureStar на низкую околоземную орбиту. Разработка RS 2200 была официально прекращена в начале 2001 года, когда программа X-33 не получила финансирование в рамках инициативы Space Launch Initiative. Lockheed Martin отказалась от продолжения программы VentureStar без финансовой поддержки NASA. Двигатель этого типа выставлен на открытом воздухе на территории Космического центра NASA имени Маршалла в Хантсвилле, штат Алабама. Отмена проекта Lockheed Martin X-33 федеральным правительством в 2001 году привела к сокращению финансирования, но аэропиковые двигатели остаются областью активных исследований. Например, важный этап был достигнут, когда совместная академическая и промышленная команда из Калифорнийского государственного университета в Лонг-Бич (CSULB) и Garvey Spacecraft Corporation успешно провела летные испытания жидкостного ракетного аэропикового двигателя в пустыне Мохаве 20 сентября 2003 года. Студенты CSULB разработали свою ракету Prospector 2 (P2) с использованием аэропикового двигателя LOX/этанол мощностью 1000 фунтов силы (4,4 кН). Работа над аэропиковыми двигателями продолжается; Prospector 10, десяти-камерный аэропиковый двигатель, был испытан 25 июня 2008 года. Дальнейший прогресс был достигнут в марте 2004 года, когда два успешных испытания, спонсируемые Центром летных исследований NASA имени Драйдена, использовали мощные ракеты, произведенные компанией Blacksky Corporation, базирующейся в Карлсбаде, штат Калифорния. Аэропиковые сопла и твердотопливные ракетные двигатели были разработаны и построены ракетно-двигательным подразделением компании Cesaroni Technology Incorporated, расположенной к северу от Торонто, Онтарио. Обе ракеты работали на твердом топливе и были оснащены не усеченными тороидальными аэропиковыми соплами. Запущенные в Центре аэрокосмического развития округа Пекос, Форт-Стоктон, штат Техас, ракеты достигли апогея 26 000 футов (7925 м) и скорости около 1,5 Маха. Разработка малогабаритных аэропиковых двигателей с использованием гибридной ракетной топливной конфигурации продолжается членами Общества реактивных исследований. В 2020 году TU Dresden и Fraunhofer IWS начали свой проект CFDμSAT для исследований аддитивно изготовленных аэропиковых двигателей. Прототип уже был испытан в испытательном стенде Института аэрокосмической техники Дрезденского технического университета, достигнув времени горения 30 секунд.

"Файрфлай" аэрокосмическая компания

В июле 2014 года Firefly Space Systems объявила о планируемом пусковом аппарате Alpha, использующем двигатель аэропик для первой ступени. Предназначенный для рынка запуска малых спутников, он разработан для вывода спутников на низкую околоземную орбиту (LEO) по цене 8–9 миллионов долларов США, что значительно ниже, чем при использовании традиционных ракет-носителей. Firefly Alpha 1.0 был разработан для доставки полезных нагрузок массой до [укажите массу из оригинала, отсутствует в тексте]. Он использует углеродные композитные материалы и имеет одинаковую базовую конструкцию для обеих ступеней. Кластерный двигатель аэропик обеспечивает тягу [укажите тягу из оригинала, отсутствует в тексте]. Двигатель имеет колоколообразное сопло, разрезанное пополам и затем растянутое в кольцо, где половина сопла формирует профиль центрального тела. Позже компания объявила, что их двигатель Executor Aerospike будет выдавать тягу на уровне моря и тягу в вакууме. В июне 2017 года ARCA объявила о планируемом запуске ракеты Demonstrator3 в космос, также использующей линейный двигатель аэропик. Эта ракета была разработана для тестирования нескольких компонентов их Haas 2CA с меньшими затратами. Запуск был запланирован на август 2017 года.

Космическая и межзвездная космическая сфера

Другая концептуальная модель пикового двигателя, разработанная компаниями KSF Space и Interstellar Space в Лос-Анджелесе, предназначалась для орбитального аппарата под названием SATORI. Из-за недостатка финансирования концепция пока не получила дальнейшего развития.

Ракетная звезда

Rocketstar планировала запустить свою 3D-печатную ракету с аэродинамическим соплом на высоту 50 миль в феврале 2019 года, но отменила миссию за три дня до старта, ссылаясь на соображения безопасности. Они работают над второй попыткой запуска.

"Пангея Аэрокосмическая"

В ноябре 2021 года испанская компания Pangea Aerospace начала огневые испытания своего небольшого демонстрационного двигателя на метане и кислороде с аэродинамической форсулой DemoP1. После успешных испытаний демонстратора DemoP1, Pangea планирует увеличить его мощность до 300 кН в двигателе ARCOS.

Пространство для стоков

Штаб-квартира компании Stoke Space находится в Кенте, штат Вашингтон. Компания разрабатывает и испытывает распределенную архитектуру жидкостного ракетного двигателя, работающего на LH2/LOX, для своей многоразовой второй ступени.

Космические самолеты Polaris

Немецкий стартап POLARIS Raumflugzeuge GmbH, базирующийся в Бремене, получил контракт от Бундесвера на проектирование и проведение летных испытаний линейного аэроспайкового двигателя в апреле 2023 года. Компания планирует испытать этот новый двигатель на борту своего четвертого демонстратора космического самолета DEMO 4 MIRA в конце 2023 года в Пеенемюнде – там же, где разрабатывались баллистические ракеты V-2. В случае успеха, MIRA станет первым летательным аппаратом, использующим линейный аэроспайковый ракетный двигатель во время полета.

Команда " Бать-Ракета "

Команда Bath Rocket Team, базирующаяся в Университете Бата, с 2020 года разрабатывает собственный гибридный ракетный двигатель с аэросоплом. Двигатель впервые был испытан на Национальном соревновании по ракетным двигателям Великобритании в 2023 году. Команда разрабатывает версию двигателя, готовую к полету, которую они планируют впервые испытать на EuRoC24.