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让NASA耗费巨资的气动塞式发动机是什么?

作者: 发布于:2020-11-18 08:21 文字:【大】【中】【小】

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气动塞式发动机(aerospike engine)是一种火箭发动机,能够在高海拔范围内坚持功率。因而,其喷管有时被称为高度补偿喷管。

在低空飞翔时,运用气动塞式发动机的飞翔器能够减少25-30%的燃料,而低空飞翔对推力的需求最大。

气动塞式发动机现已研讨了许多年,是许多单级到轨迹(SSTO)规划的基准发动机。

但是,虽然有一些大规模的气动塞式发动机正在测验阶段,但还没有商业化出产。

类别

气动塞式发动机的规划有好几个版别,依据它们的形状不同而分类。

环形气动塞式喷管(下称“塞式喷管”)是现在新式的一种喷管方法,共分为环喉形和环簇形两种。选用曲线型面喷管类型能够使气流更滑润贴于喷管壁面,然后有用进步喷管的功率,在同等条件下增大一部分推力。

在环形气动塞式发动机中,塞式喷管呈碗状,排气沿外环呈环形排出。理论上,这需求一个无限大的塞式喷管来取得最佳功率,但通过在一个较短的切断塞式喷管的中心吹出少数气体,也能够到达相似的作用。

在线性喷管中,塞式喷管由一个锥形的楔形板组成,在两头的“厚”端有排气口。这种规划的优势是可堆叠,答应几个引擎被放置在一排,组合成一个更大的引擎。

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(图:切断塞式喷管)

原理

一个一般的火箭发动机运用一个巨大的“发动机钟形喷管”来引导发动机排出的废气与周围的气流结合,然后最大极限地加快,然后取得最大的推力。

但是,钟形喷管的气规划随外部条件的不同而不同:规划用于在高海拔运转的钟形喷管,那里的气压较低,需求比规划用于低海拔的钟形喷管更大、更锥形。

运用过错规划的丢失可能是巨大的。举例来说,航天飞机发动机在太空中能够发生略高于4400 N•s/kg的比推力,但在海平面上只能发生3500 N•s/kg。

在任何火箭规划中,将钟形喷管调到发动机将运转的均匀环境是一项重要的使命。气动塞式发动机闹心防止这个问题。

它不是在钟形喷管的中心开一个小孔来排气,而是运用几个小的(意味着遭受冲突)、不完全胀大的、过错的尖利钟形喷管。

这就发生了冲击波,借助于锥形或楔形的突起,即“塞式喷管”,冲击波的能量大部分能够转化为推力。

这种塞式喷管构成了“虚拟钟形喷管”的一面,而另一面则由通过航天器的气流构成——因而构成了气动塞式喷管。

气动塞式喷管规划的“窍门”在于,当飞船爬升到更高的高度时,支撑排气物反抗塞式喷管的空气压力会下降。这答应废气从塞式喷管移动得更远,虚拟钟形喷管会主动以正确的方法扩张。

从理论上讲,在任何给定的海拔高度上,气动塞式喷管的功率都略低于规划的钟形喷管,但在一切其他海拔高度上,它的功能都大大优于相同的钟形喷管。

这种差别是相当大的,典型的规划宣称在一切海拔高度都有超越90%的功率。

相关研讨

第一次对塞式喷管的仔细研讨是在德国与涡喷射动机的开展一同进行的。发动机,如Messerschmitt Me 262上运用的,运用一个塞子中心体,以改动喉区更好的功能。

美国国家航空航天局、美国空军和Rocketdyne在20世纪50年代、60年代和70年代一共花费了5亿多美元开发气动塞式发动机。

Rocketdyne在20世纪60年代对各种规划进行了一系列冗长的测验。

这些发动机后来的模型是根据他们的高度牢靠的J-2发动机机械,被供给了相同的推力水平,根据传统发动机:

在J-2T-200k中200,000 lbf (890 kN),在J-2T-250k中250,000 lbf (1.1 MN) (T指环形燃烧室)。

三十年后,他们的作业又从头回到美国宇航局的X-33项目中。

在这种情况下,细微晋级的j -2发动机机械与一个线性塞式喷管一同运用,发明了RS-2200。

通过更多的开发和很多的测验,这个项目被取消了,由于X-33的复合燃料罐不断失利。

虽然这对气动塞式喷管发动机规划来说是一次波折,但这并不是故事的结局。

2003年9月20日,来自加州州立大学长滩分校(CSULB)和加维宇宙飞船公司( Garvey Spacecraft Corporation)的一个学术/工业联合小组在莫哈韦沙漠成功地进行了液体推进剂动力悬浮发动机的飞翔测验,这是一个里程碑。

CSULB的学生运用1000 lbf (4.4 kN)液态氧/乙醇气动塞式发动机开发了他们的勘探者2 (P-2)火箭。

2004年3月,在NASA德莱顿飞翔研讨中心进行了两次成功的测验,取得了进一步的发展。

这两枚火箭都是固体燃料驱动,并装有非切断环形气动塞式喷管。它们到达了26000英尺的最高点,速度约为1.5马赫。

除了美国的测验方案外,近年来德国、法国和日本也进行了对气动塞式发动机的基础研讨。日本的研讨特别风趣,由于它方案支撑H-2A火箭和一种名为HOPE-X的单级进入轨迹(SSTO)运载工具。

不幸的是,日本低迷的经济导致该国的太空方案大幅减少,迄今为止,只要一些概念研讨和一些根本的试验功能成果发生。

编译/前瞻高端配备研讨组

参考资料:

https://engineering.fandom.com/wiki/Aerospike_engine

https://www.sohu.com/a/229103229_100131689

http://www.aerospaceweb.org/design/aerospike/development.shtml



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