Kileluftraketmotor (forkortet KVRD , engelsk aerospike engine, aerospike ) er en type flydende drivmiddel raketmotor ( LRE ) med en kileformet dyse , der opretholder aerodynamisk effektivitet i en lang række højder over jordens overflade med forskellige atmosfærisk tryk . KVRD tilhører klassen af raketmotorer , hvis dyser er i stand tilændre trykket af den udstrømmende gasstråle afhængigt af ændringen i atmosfærisk tryk med stigende flyvehøjde. En motor med denne type dyse bruger 25-30 % mindre brændstof i lave højder, hvor der normalt kræves størst tryk . Wedge thrustere er blevet undersøgt i lang tid som den vigtigste mulighed for enkelttrins rumsystemer (OSS), det vil sige raketsystemer, der kun bruger et trin til at levere nyttelast til kredsløb. Motorer af denne type var en seriøs udfordrer til brug som hovedmotorer på rumfærgen under dens oprettelse [k. 1] . Fra 2012 er der dog ikke brugt eller produceret en eneste motor af denne type [1] . De mest succesrige muligheder er i udviklingsfasen.
Hovedformålet med enhver dyse er effektivt at lede strømmen af udstødningsgasser fra en raketmotor i én retning. Udstødning - en højtemperaturblanding af gasser - har en tilfældig fordeling af momentum i forbrændingskammeret, og hvis den får lov til at komme ud i denne form, vil kun en lille del af strømmen blive rettet i den rigtige retning for at skabe tryk. Den klokkeformede dyse på raketmotoren begrænser bevægelsen af gas på siderne, hvilket skaber et område med øget tryk med et område med reduceret tryk placeret under, hvilket normaliserer strømmen i den ønskede retning. Gennem et omhyggeligt design opnås en grad af udvidelse af dysen, som gør det muligt at konvertere strålens bevægelse næsten fuldstændigt i den ønskede retning bag motoren, hvilket maksimerer fremdriften. Problemet med det konventionelle dysedesign er, at det udvendige lufttryk også bidrager til at begrænse gasstrømmen. I enhver højde over jordens overflade med forskellige atmosfæriske tryk kan dysen designes næsten perfekt, men den samme form vil være mindre effektiv i forskellige højder med forskellige lufttryk. Når en boosterraket stiger gennem atmosfæren, gennemgår effektiviteten af dens motorer, sammen med deres trækkraft, betydelige ændringer, der når op på 30%. For eksempel kan RS-24- motorerne i rumfærgen MTKK generere fremdrift med en gasstrålehastighed på 4525 m/s i vakuum og 3630 m/s ved havoverfladen. Motordysedesign er en meget vigtig del af bygningen af raketsystemer.
I udformningen af kileluftmotoren løses problemet med effektivitet i forskellige højder som følger: i stedet for et enkelt udstødningspunkt i form af et lille hul i midten af dysen, bruges et kileformet fremspring, omkring hvilke der er installeret en række forbrændingskamre. Kilen danner den ene side af den virtuelle dyse, mens den anden side dannes af den passerende luftstrøm under flyvningen. Dette forklarer dets oprindelige navn "aerospike engine" ( engelsk aerospike engine , "air-wedge engine").
Den grundlæggende idé med dette design er, at i lav højde presser atmosfærisk tryk udstødningsgassen mod den udragende kile. Recirkulation i bunden af kilen hæver derefter trykket til trykket i den omgivende atmosfære. I kraft af dette design når fremstødet ikke de maksimalt mulige værdier, men lider heller ikke af et signifikant fald, som opstår i bunden af den traditionelle dyse på grund af delvis vakuum. Når køretøjet når en højere højde, falder det omgivende tryk, der holder motorens jetstrøm tilbage, mens trykket falder på toppen af motoren, hvilket holder dens effektivitet uændret. Desuden, på trods af at det omgivende tryk falder til næsten nul, opretholder recirkulationszonen trykket i bunden af kilen til værdier, der kan sammenlignes med atmosfærens tryk nær jordens overflade, mens den øverste del af kilen praktisk talt er i vakuum. Dette skaber yderligere tryk med stigende højde, hvilket kompenserer for faldet i det omgivende tryk. Generelt er effekten sammenlignelig med en traditionel dyse, som har evnen til at udvide sig med stigende højde. I teorien er en kileluftmotor noget mindre effektiv end en traditionel dyse designet til en given højde, og mere effektiv end en traditionel dyse designet til en given højde.
Ulempen ved dette design er den store vægt af den centrale afsats og yderligere kølebehov på grund af den større overflade udsat for varme. Også et stort afkølet overfladeareal kan reducere teoretiske dysetrykniveauer. En yderligere negativ faktor er den relativt dårlige ydeevne af et sådant system ved hastigheder på 1-3 M . I dette tilfælde har luftstrømmen bag flyet et reduceret tryk, hvilket reducerer trækkraften [2] .
Der er flere modifikationer af dette design, der adskiller sig i deres form. I den "toroidale kile" har den centrale del form af en tilspidset kegle, langs hvis kanter opstår en koncentrisk frigivelse af reaktive gasser. I teorien kræver dette design en uendelig lang midterkant for den bedste ydeevne, men ved at bruge udstødningsdelen i radial-laterale retninger kan acceptable resultater opnås.
I "flad wedge"-designet består det centrale fremspring af en central plade, som er tilspidset i enden, med to jetstrømme, der spredes over pladens ydre overflader. Denne mulighed kan forlænges sammen med længden af den centrale kile. Også i dette tilfælde er der en udvidet mulighed for kontrol ved hjælp af en ændring i trækkraften af enhver af de motorer, der er installeret i linjen.
I 1960'erne lavede Rocketdyne omfattende test med forskellige varianter. Senere versioner af disse motorer var baseret på den ekstremt pålidelige J-2 raketmotor (Rocketdyne) og gav omtrent samme trykkraft, som de motorer, de var baseret på, kunne give: J-2T-200k raketmotoren havde et tryk på 90,8 tf ( 890 kN ) og J-2T-250k raketmotoren havde et tryk på 112,2 tf (1,1 MN) (bogstavet "T" i motornavnet angiver et toroidformet forbrændingskammer). 30 år senere blev deres arbejde igen brugt i NASA X-33- projektet . I dette tilfælde blev en let modificeret J-2S raketmotor brugt til en fladskærmsversion af raketmotoren, som blev kaldt XRS-2200 . Efter yderligere udvikling og et testprogram blev projektet opgivet på grund af uløste problemer med X-33'erens kompositbrændstoftanke.
Under X-33-projektet blev der bygget tre XRS-2200-motorer, som bestod testprogrammet på Space Center. Stennis NASA. Test af en motor var vellykket, men programmet blev stoppet før færdiggørelsen af testlejet for den anden motor. XRS-2200 LRE ved havoverfladen producerer en trækkraft på 92,7 tf (909,3 kN) og har en specifik impuls på 339 s, i et vakuum er trykket 120,8 tf (1,2 MN), den specifikke impuls er 436,5 s.
En større version af XRS-2200, RS-2200 raketmotoren , blev designet til et-trins VentureStar ( Lockheed Martin ) rumflyet. I sin seneste variant ville syv RS-2200'er, hver med 245,8 tf (2,4 MN) trækkraft, føre VentureStar ind i lav referencekredsløb . Udviklingen af dette projekt blev formelt afsluttet i begyndelsen af 2001, da X-33-programmet ikke modtog støtte fra Space Launch Initiative.". Lockheed Martin har truffet beslutningen om ikke at fortsætte med at udvikle VentureStar uden økonomisk støtte fra NASA.
Selvom aflysningen af X-33-programmet tog et skridt tilbage i udviklingen af kile - luft- Mojavemotorer, slutter deres historie ikke der: . Universitetsstuderende udviklede Prospector 2-raketten ved hjælp af en 448,7 kgf (4,4 kN) trykmotor. Dette arbejde med kileluftmotorer stopper ikke - Prospector 10-raketten med en 10-kammer KVRD blev testet den 25. juni 2008. [3] I marts 2004 blev to vellykkede test udført på NASA Flight Research Center. Dryden (Base Edwards , USA) med solide raketter i lille størrelse med toroidale motorer, som nåede en hastighed på Mach 1,1 og en højde på 7,5 km. Andre modeller af små kileluftraketmotorer er under udvikling og test.
I juli 2014 annoncerede Firefly Space Systems , at dets nye Firefly Alpha løfteraket ville bruge en kileluftmotor i sin første fase. Da denne model er beregnet til det lille marked for opsendelse af satellitter, vil raketten sende satellitter i lav kredsløb om jorden til en pris på 8-9 millioner dollars pr . Firefly Alpha er designet til at løfte 400 kg nyttelast i kredsløb. Raketdesignet bruger kompositmaterialer, herunder kulfiber. Kileluftmotoren, der blev brugt i raketten, har en fremdrift på 40,8 tf (400 kN) [4] [5] .
Test af lineær LRE RS-2200
Wedge-Air Engine fra California State University
| Motorer | |||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| |||||||||||||||||
| |||||||||||||||||
| |||||||||||||||||
| |||||||||||||||||
| |||||||||||||||||
| |||||||||||||||||
| se også evighedsmaskine Gearmotor gummi motor | |||||||||||||||||