Художник предоставил интегрированный демонстратор Powerhead. Изображение предоставлено NASA. Нажмите, чтобы увеличить.
Когда вы думаете о будущих ракетных технологиях, вы, вероятно, думаете об ионных двигателях, антивещественных двигателях и других экзотических концепциях.
Не так быстро! Последняя глава о традиционных ракетах на жидком топливе еще не написана. Ведутся исследования нового поколения ракетных конструкций на жидком топливе, которые могут удвоить производительность по сравнению с современными, а также повысить надежность.
Ракеты на жидком топливе существуют уже давно: первый запуск на жидком топливе был осуществлен в 1926 году Робертом Х. Годдардом. Эта простая ракета произвела примерно 20 фунтов тяги, этого достаточно, чтобы поднять ее примерно на 40 футов в воздух. С тех пор дизайн стал сложным и мощным. Например, три бортовых двигателя космического челнока, работающие на жидком топливе, могут совершать более 1,5 миллиона фунтов комбинированной тяги на пути к орбите Земли.
Вы можете предположить, что к настоящему времени все мыслимые усовершенствования в конструкциях ракет на жидком топливе должны быть сделаны. Ты был бы неправ. Оказывается, есть место для улучшения.
Возглавляемая ВВС США, группа, состоящая из НАСА, Министерства обороны и нескольких отраслевых партнеров, работает над улучшением конструкции двигателей. Их программа называется Integrated High Payoff Rocket Propulsion Technologies, и они рассматривают многие возможные улучшения. Одной из наиболее перспективных на сегодняшний день является новая схема подачи топлива:
Основная идея ракеты на жидком топливе довольно проста. Топливо и окислитель, как в жидком виде, подают в камеру сгорания и поджигают. Например, челнок использует жидкий водород в качестве топлива и жидкий кислород в качестве окислителя. Горячие газы, образующиеся при сгорании, быстро выходят через конусообразное сопло, создавая таким образом тягу.
Детали, конечно, намного сложнее. Во-первых, жидкое топливо и окислитель должны подаваться в камеру очень быстро и под большим давлением. Главные двигатели шаттла осушат бассейн, полный топлива всего за 25 секунд!
Этот фонтанный поток топлива приводится в действие турбонасосом. Для питания турбонасоса небольшое количество топлива «предварительно сгорает», в результате чего образуются горячие газы, которые приводят в действие турбонасос, который, в свою очередь, перекачивает оставшееся топливо в основную камеру сгорания. Аналогичный процесс используется для закачки окислителя.
Сегодняшние ракеты на жидком топливе отправляют лишь небольшое количество топлива и окислителя через форсажные камеры. Основная масса поступает непосредственно в основную камеру сгорания, полностью пропуская форсажные камеры.
Одной из многих инноваций, проверяемых ВВС и НАСА, является отправка всего топлива и окислителя через соответствующие форсажные камеры. Там потребляется только небольшое количество - достаточно, чтобы запустить турбины; остальное течет в камеру сгорания.
Такая конструкция «поэтапного поэтапного цикла» обладает важным преимуществом: при большей массе, проходящей через турбину, которая приводит в движение турбонасос, турбонасос приводится в движение тяжелее, достигая, таким образом, более высоких давлений. Более высокие давления равны большей производительности ракеты.
Такая конструкция никогда не использовалась в ракетах на жидком топливе в США, по словам Гэри Генджа в НАСА в Центре космических полетов им. Маршалла. Genge является заместителем руководителя проекта для интегрированного демонстратора Powerhead (IPD) - механизм тестирования для этих концепций.
«Эти проекты, которые мы исследуем, могут повысить производительность во многих отношениях», - говорит Гендж. «Мы надеемся на лучшую топливную экономичность, более высокое соотношение тяги к весу, улучшенную надежность - и все это при меньших затратах».
«Однако на данном этапе проекта мы просто пытаемся заставить этот альтернативный поток работать правильно», - отмечает он.
Они уже достигли одной ключевой цели: более холодного двигателя. «Турбонасосы, использующие традиционные модели потока, могут нагреваться до 1800 ° С», - говорит Генге. Это большая тепловая нагрузка на двигатель. Турбонасос «с полным потоком» более холодный, потому что при большей массе, проходящей через него, можно использовать более низкие температуры и при этом достичь хороших рабочих характеристик. «Мы понизили температуру на несколько сотен градусов», - говорит он.
IPD предназначен только для тестирования новых идей, отмечает Genge. Сам демонстрант никогда не полетит в космос. Но если проект будет успешным, некоторые из усовершенствований IPD могут найти путь к ракетам-носителям будущего.
Спустя почти сто лет и тысячи запусков после Годдарда, лучшие ракеты на жидком топливе могут быть еще впереди.
Первоначальный источник: НАСА Научная статья
