Введение
Расширяющееся сопло – это тип ракетного сопла, который, в отличие от традиционных конструкций, сохраняет свою эффективность в широком диапазоне высот. Оно относится к классу высотокомпенсирующих сопел, который также включает в себя плагин-сопла и аэроспайк. Хотя расширяющееся сопло является наименее технически сложным и наиболее простым для понимания с точки зрения моделирования, оно также представляется наиболее трудной конструкцией для реализации. В традиционном колокольном сопле двигательная юбка имеет форму, постепенно расширяющуюся от малого диаметра выходного сечения камеры сгорания, увеличиваясь по мере удаления от камеры. Основная идея заключается в снижении давления выхлопных газов за счет их расширения в сопле до достижения давления окружающей среды на выходе. Для работы на уровне моря юбка обычно короткая и имеет большой угол наклона, по крайней мере, по сравнению с юбкой, предназначенной для работы в космосе, которая длиннее и имеет более плавную форму. Это означает, что ракетный двигатель, который проводит значительное время, поднимаясь в атмосфере, не может быть оптимально спроектирован; по мере подъема изменяется атмосферное давление, поэтому точная форма и длина юбки должны меняться для поддержания необходимого давления. Ракетным конструкторам приходится выбирать оптимальную конфигурацию, понимая, что это может снизить тягу на 30% на других высотах. Расширяющееся сопло частично решает эту проблему, включая две юбки на одном двигателе, одна внутри другой. Первая юбка, прикрепленная непосредственно к камере сгорания, предназначена для использования на меньших высотах и имеет короткую и приземистую форму. Вторая, расположенная снаружи первой, надевается поверх юбки для меньших высот, удлиняя ее в более длинную и узкую (по длине) юбку, используемую для больших высот. При взлете внешняя юбка поднимается от внутренней юбки, чтобы не мешать потоку выхлопных газов. По мере подъема космического аппарата внешняя юбка опускается обратно на внутреннюю, чтобы повысить эффективность тяги. Таким образом, расширяющееся сопло может иметь две оптимальные конфигурации, что может значительно улучшить общую производительность. Несмотря на концептуальную простоту, расширяющееся сопло значительно сложнее в изготовлении, чем может показаться. Двигательные колокола необходимо охлаждать, чтобы избежать повреждений от горячих выхлопных газов ракеты, и это создает проблемы при проектировании расширяющихся сопел. Охлаждение обычно достигается путем пропускания либо окислителя, либо топлива (в случае двигателей на жидком водороде) через трубки в колоколе. Поскольку колокол перемещается, трубопроводы, подающие охлаждающую жидкость к колоколу, должны быть гибкими, что увеличивает сложность до такой степени, что преимущества конструкции часто считаются слишком дорогими. В случае жидкого водорода жидкость также обладает недостатком в виде высокой химической реакционной способности, что делает различные распространенные гибкие материалы непригодными для использования в этой роли. По вышеуказанным причинам современные конструкции (например, NK-33, RL-10A и RL-10B) оснащены радиационно охлаждаемыми удлинителями сопла из армированного углерод-углеродного композита, не требующими охлаждающих трубопроводов. Первым двигателем с расширяющимся соплом, по-видимому, был Pratt & Whitney XLR-129. XLR-129 предназначался для привода самолета McDonnell Aircraft Boost Glide, представленного в рамках исследования проекта ISINGLASS (или RHEINBERRY), рассматривавшего проекты замены Lockheed A-12, который только входил в эксплуатацию. Это была конструкция с использованием жидкого кислорода и жидкого водорода, с двигателем на ступенчатом сгорании, который создавал тягу около [значение тяги]. Увеличенная версия XLR-129 была предложена для конкурса на главный двигатель космического челнока, но победу в этом конкурсе одержал RS-25, увеличенный Rocketdyne HG-3. Поскольку эти двигатели запускаются с момента взлета в космический полет за пределами атмосферы, любая компенсация высоты может значительно улучшить их общую производительность. Расширяющееся сопло позже было отброшено в рамках этапа сокращения затрат, и в результате RS-25 теряет 25% производительности на малой высоте. Глушко использовал расширяющееся сопло в одной конструкции – ракете RD-701 с трехкомпонентным топливом. Финансирование прекратилось после падения Советского государства, но конструкторы убеждены в потенциале двигателя и обращались к нескольким сторонам за дополнительным финансированием.
the skirt is generally short and highly angled, at least in comparison to a skirt designed for operations in space, which are longer and more gradually shaped. This means that a rocket engine that spends any significant amount of time climbing through the atmosphere cannot be optimally shaped; as it climbs the ambient pressure changes, so the exact shape and length of the skirt would have to change in order to maintain the proper pressure. Rocket designers have to select the sweet spot that is most appropriate to their needs, realizing that this will reduce thrust by as much as 30% at other altitudes. The expanding nozzle addresses this to a degree by including two skirts on a single engine, one inside the other. The first skirt, attached directly to the combustion chamber, is designed for use at lower altitudes and is short and squat. The second, sitting outside the first, fits over the lower altitude bell to extend it into a longer and narrower (measured in terms of length) bell used for higher altitudes. At liftoff the outer bell is pulled up from the inner bell, out of the way of the exhaust. As the spacecraft climbs, the outer bell is pushed back down over the inner bell to increase the thrust efficiency. Thus an expanding nozzle can have two sweet spots, which can lead to a major improvement in overall performance. Generally simple in concept, the expanding nozzle is considerably more complex to build than it might seem. Engine bells must be cooled to avoid damage from the hot rocket exhaust, and this has presented problems in expanding nozzle designs. The cooling is normally accomplished by running either the oxidizer or fuel (in the case of LH2 fueled engines) through tubing in the bell. With the bell moving, plumbing carrying the coolant to the bell has to be flexible and this increases complexity to the extent that the advantages of the design are often considered too costly. In the case of liquid hydrogen, the fluid also has the disadvantage of being highly reactive chemically, making a variety of common flexible materials unsuitable for use in this role. For the aforementioned reasons modern designs (e. g. NK 33 1, RL 10A 4, and RL 10B 2) feature radiatively cooled reinforced carbon–carbon nozzle extensions needing no coolant plumbing at all. The first engine design to include an expanding nozzle appears to be the Pratt & Whitney XLR 129. The XLR 129 was intended to power a McDonnell Aircraft boost glide aircraft design that was entered as part of the Project ISINGLASS (or RHEINBERRY) study looking at follow on designs to replace the Lockheed A 12 that was just entering service. It was a liquid oxygen/liquid hydrogen design that used staged combustion and generated about thrust. An enlarged version of the XLR 129 was proposed for the Space Shuttle Main Engine contest, but this was won by the RS 25, an enlarged Rocketdyne HG 3. Since these engines are fired from the point of liftoff into extra atmospheric space flight, any sort of altitude compensation could dramatically improve their overall performance. The expanding nozzle was later abandoned in a cost cutting phase, and the RS 25 suffers a 25% loss of performance at low altitude as a result. Glushko has used an expanding nozzle on one design, the RD 701 tripropellant rocket. Funding ran out with the fall of the Soviet state, but the designers are convinced the engine has potential and have approached several parties for additional funding.