Введение
Ракеты, использующие сверхзвуковой выхлоп для создания дополнительного ускорения. Воздушно-реактивные ракеты используют сверхзвуковой выхлоп ракетного двигателя для дальнейшего сжатия воздуха, захваченного набегающим потоком во время полета, с целью использования его в качестве дополнительной массы рабочего тела, что обеспечивает большую эффективную тягу на единицу расхода топлива, чем у ракеты или прямоточного воздушно-реактивного двигателя по отдельности. Это гибридный класс ракетно-прямоточных двигателей, схожий с прямоточным воздушно-реактивным двигателем, но способный создавать полезную тягу с нулевой скорости и, в некоторых случаях, работать за пределами атмосферы, при этом топливная эффективность не хуже, чем у сопоставимого прямоточного воздушно-реактивного двигателя или ракеты в любой точке траектории. Существует множество вариаций базовой концепции и, соответственно, множество различных названий. Те, которые сжигают дополнительное топливо за ракетным двигателем, обычно называются ракетными ускорителями, ракетными эжекторами, интегральными ракетно-прямоточными двигателями или эжекторными прямоточными двигателями, а те, которые не предусматривают дополнительного сгорания, – ракеты с воздухозаборником или ракеты с кожухом, в зависимости от конструкции расширительного устройства.
Air augmented rockets use the supersonic exhaust of some kind of rocket engine to further compress air collected by ram effect during flight to use as additional working mass, leading to greater effective thrust for any given amount of fuel than either the rocket or a ramjet alone. It represents a hybrid class of rocket/ramjet engines, similar to a ramjet, but able to give useful thrust from zero speed, and is also able in some cases to operate outside the atmosphere, with fuel efficiency not worse than both a comparable ramjet or rocket at every point. There are a wide variety of variations on the basic concept, and a wide variety of resulting names. Those that burn additional fuel downstream of the rocket are generally known as ramrockets, rocket ejector, integral rocket/ramjets or ejector ramjets, whilst those that do not include additional burning are known as ducted rockets or shrouded rockets depending on the details of the expander.
Операция
В обычном химическом ракетном двигателе ракета несет как топливо, так и окислитель в своем корпусе. Химическая реакция между топливом и окислителем производит продукты реакции, которые по сути являются газами при давлении и температуре в камере сгорания ракеты. Реакция также высокоэнергетична (экзотермическая), высвобождая огромное количество энергии в виде тепла, которое передается продуктам реакции в камере сгорания, придавая этой массе большую внутреннюю энергию. При расширении через сопло эта энергия способна создавать очень высокие скорости истечения. Истечение направляется назад через сопло, создавая тем самым тягу вперед. В этой традиционной конструкции смесь топлива и окислителя является одновременно рабочим телом и источником энергии, который его ускоряет. Легко показать, что наилучшие характеристики достигаются, когда рабочее тело имеет минимально возможную молекулярную массу. Водород сам по себе является теоретически лучшим ракетным топливом. Смешивание его с кислородом для сжигания снижает общую эффективность системы, увеличивая массу истечения, а также значительно увеличивая массу, которую необходимо поднимать в воздух – кислород намного тяжелее водорода. Один из потенциальных способов повышения общей эффективности системы – сбор топлива или окислителя в полете. Топливо трудно найти в атмосфере, но окислитель в виде газообразного кислорода составляет до 20% воздуха. Существует ряд конструкций, использующих этот факт. Такие системы изучались в двигателе с жидким воздухом (LACE). Другая идея – сбор рабочего тела. В ракете с воздушным дополнением обычный ракетный двигатель устанавливается в центре длинной трубы, открытой спереди. При движении ракеты в атмосфере воздух поступает в переднюю часть трубы, где он сжимается за счет аеродинамического эффекта. Двигаясь по трубе, он дополнительно сжимается и смешивается с богатым топливом выхлопом из ракетного двигателя, который нагревает воздух, подобно тому, как это происходит в прямоточном воздушно-реактивном двигателе. Таким образом, относительно небольшая ракета может использоваться для ускорения гораздо большей рабочей массы, чем обычно, что приводит к значительно более высокой тяге в атмосфере.
Преимущества
Эффективность этого простого метода может быть впечатляющей. Типичные твердотопливные ракеты имеют удельный импульс около 260 секунд (2,5 кН·с/кг), но использование того же топлива в конструкции с воздушным дожиганием может увеличить этот показатель до более чем 500 секунд (4,9 кН·с/кг), что даже превосходит лучшие водородно-кислородные двигатели. Эта конструкция может быть даже немного эффективнее прямоточного воздушно-реактивного двигателя, поскольку выхлоп ракетного двигателя обеспечивает сжатие воздуха, превышающее обычное для прямоточного двигателя; это повышает эффективность сгорания, позволяя использовать более длинное и эффективное сопло. Еще одним преимуществом является то, что ракета работает даже при нулевой начальной скорости, в то время как прямоточному двигателю необходимо поступательное движение для подачи воздуха.
Недостатки
Можно было бы предположить, что такое повышение производительности получит широкое распространение, но различные факторы часто этому препятствуют. Конструкция воздухозаборников высокоскоростных двигателей сложна и требует тщательного размещения на фюзеляже для обеспечения приемлемой эффективности – как правило, весь фюзеляж создается с учетом конструкции воздухозаборника. Другая проблема заключается в том, что по мере подъема ракеты воздух становится менее плотным. Следовательно, величина дополнительной тяги ограничена скоростью подъема ракеты. И, наконец, система воздуховодов добавляет значительный вес, что существенно замедляет аппарат к концу работы двигателя.
Ракета в капюшоне
Простейшая версия системы наддува воздуха встречается в ракетном двигателе с кожухом. Она состоит главным образом из одного или нескольких ракетных двигателей, расположенных в воздуховоде. Выхлопные газы ракеты захватывают воздух, затягивая его в воздуховод, одновременно смешиваясь с ним и нагревая, что приводит к повышению давления за ракетным двигателем. Полученная горячая газовая смесь затем дополнительно расширяется в расширяющемся сопле.
Ракета с каналом
Небольшое изменение конструкции ракеты с кожухом заключается в добавлении конвергентно-дивергентного сопла. Это обеспечивает горение на дозвуковых скоростях, расширяя диапазон скоростей, на которых система остаётся эффективной.
Извергательная струя (и др.)
Извергательная прямоточная воздушно-реактивная машина – более сложная система с потенциально более высокой производительностью. Как и у экранированных и канальных ракетных двигателей, система начинается с ракетного двигателя (или двигателей) в воздухозаборнике. Отличие заключается в том, что смешанные выхлопные газы поступают в диффузор, замедляя скорость воздушного потока до дозвуковой. Затем вводится дополнительное топливо, которое сгорает в этой расширенной секции. Выхлопные газы этого сгорания затем поступают в конвергентно-дивергентное сопло, как в обычном прямоточном воздушно-реактивном двигателе, или в корпус канальной ракеты.
История
Первой серьезной попыткой создания ракеты с воздушным наддувом стала советская ракета "Гном", реализованная Указом 708 336 Совета Министров СССР от 2 июля 1958 года. В последнее время, примерно в 2002 году, NASA вновь рассмотрела аналогичную технологию для программы GTX в рамках усилий по разработке одноступенчатых космических аппаратов (SSTO). Ракеты с воздушным наддувом наконец-то поступили в серийное производство в 2016 году с принятием на вооружение ракеты "Метеор" класса "воздух-воздух".