Aerospike motor - Aerospike engine

Stennis Uzay Merkezi'nde test edilen X-33 programı için XRS-2200 lineer aerospike motoru

Aerospike motor türüdür roket motoru onun korur aerodinamik geniş bir yelpazede genelinde verimliliği irtifalarda . İrtifa dengelemeli nozul motorları sınıfına aittir . Aerospike motorlu bir araç, çoğu görevin en fazla itiş gücüne ihtiyaç duyduğu düşük irtifalarda %25-30 daha az yakıt kullanır . Aerospike motorları birkaç yıldır incelenmiştir ve birçok tek aşamalı yörüngeye (SSTO) tasarım için temel motorlardır ve ayrıca Uzay Mekiği ana motoru için güçlü bir rakipti . Bununla birlikte, bazı büyük ölçekli aerospik'ler test aşamasında olmasına rağmen, ticari üretimde böyle bir motor yoktur.

Bu konuyu çevreleyen literatürdeki terminoloji biraz kafa karıştırıcıdır - aerospike terimi orijinal olarak çok kaba konik bir konik ve bir miktar gaz enjeksiyonu olan, tapanın yokluğunu telafi etmeye yardımcı olmak için bir "hava sivri ucu" oluşturan kesik bir tıkaç nozulu için kullanılmıştır. kuyruk. Bununla birlikte, sıklıkla, tam uzunlukta bir tapa nozülü artık aerospike olarak adlandırılmaktadır.

Prensipler

Herhangi bir motor zilinin amacı, bir roket motorunun egzozunu bir yöne yönlendirerek zıt yönde itme oluşturmaktır. Yüksek sıcaklıktaki bir gaz karışımı olan egzoz, etkin bir rastgele momentum dağılımına sahiptir (yani egzoz, yapabileceği herhangi bir yöne iter). Egzozun bu şekilde kaçmasına izin verilirse, akışın sadece küçük bir kısmı doğru yönde hareket edecek ve böylece ileri itmeye katkıda bulunacaktır. Zil, egzozu yanlış yönde hareket ettirerek doğru yönde itme gücü üretecek şekilde yönlendirir. Ortam hava basıncı ayrıca egzoza karşı küçük bir basınç uygulayarak motordan çıkarken "doğru" yönde hareket etmesine yardımcı olur. Araç atmosferde yukarı doğru hareket ettikçe ortam hava basıncı azalır. Bu, itme üreten egzozun çan kenarının dışında genişlemeye başlamasına neden olur. Bu egzoz "yanlış" yönde (yani, ana egzoz dumanından dışarı doğru) hareket etmeye başladığından, roket hareket ettikçe motorun verimliliği azalır çünkü bu kaçan egzoz artık motorun itişine katkıda bulunmaz. Bir aerospike roket motoru, bu verimlilik kaybını ortadan kaldırmaya çalışır.

Bir çan uçlu roketin (solda) ve bir aerospike roketinin (sağda) tasarımı arasındaki karşılaştırma

Bir aerospike motoru, egzozu bir çan ortasındaki küçük bir delikten ateşlemek yerine, geleneksel bir motorla aynı işlevi gören kama şeklindeki bir çıkıntının dış kenarı boyunca ateşleyerek bu rastgele dağılımı önler. motor zili. Sivri uç, "sanal" bir çanın bir tarafını oluşturur, diğer tarafı ise dış hava tarafından oluşturulur.

Aerospike tasarımının arkasındaki fikir, düşük irtifada ortam basıncının egzozu sivri uçlara karşı sıkıştırmasıdır. Sivri ucun taban bölgesindeki egzoz devridaimi, o bölgedeki basıncı neredeyse ortam sıcaklığına yükseltebilir. Aracın önündeki basınç ortam sıcaklığından olduğundan, bu, çivinin tabanındaki egzozun, aracın yaşadığı sürüklenme ile neredeyse dengelendiği anlamına gelir. Genel bir itme sağlamaz, ancak nozülün bu kısmı da kısmi bir vakum oluşturarak itme gücünü kaybetmez . Nozulun taban kısmındaki itme, düşük irtifada göz ardı edilebilir.

Araç yüksek irtifalara çıktıkça egzozu dikene karşı tutan hava basıncı ve aracın önündeki sürtünme azalır. Çivinin tabanındaki devridaim bölgesi, o bölgedeki basıncı aracın önündeki neredeyse vakumdan daha yüksek olan 1 bar'lık bir kesirde tutar ve böylece irtifa arttıkça ekstra itme sağlar. Bu, etkili bir şekilde bir "yükseklik dengeleyici" gibi davranır, çünkü hava basıncı düştükçe çanın boyutunu otomatik olarak telafi eder.

Aerospiklerin dezavantajları, spike için ekstra ağırlık gibi görünüyor. Ayrıca, daha geniş soğutulmuş alan, nozüle karşı basıncı azaltarak performansı teorik seviyelerin altına düşürebilir. Aerospikes , aracın etrafındaki hava akışının basıncı azalttığı ve dolayısıyla itişi azalttığı Mach 1-3 arasında nispeten zayıf çalışır .

Varyasyonlar

Tasarımın, şekillerine göre farklılaştırılmış çeşitli versiyonları mevcuttur. Gelen aerospike toroidal sivri çanak şeklindeki egzoz dış kenarı etrafında bir halka içinde çıkmadan ile. Teorik olarak bu, en iyi verim için sonsuz uzunlukta bir sivri uç gerektirir, ancak daha kısa, kesik bir sivri ucun merkezinden küçük bir miktar gaz üfleyerek ( bir top mermisindeki taban kanaması gibi ), benzer bir şey elde edilebilir.

Gelen aerospike doğrusal sivri egzoz "kalın" sonunda her iki tarafında çıkış ile, konik bir kama şekilli plaka oluşur. Bu tasarım istiflenebilir olma avantajına sahiptir ve tek bir motor gaz kelebeği kontrolünün kullanımıyla direksiyon performansını arttırırken daha büyük bir motor yapmak için birkaç küçük motorun arka arkaya yerleştirilmesine izin verir.

Verim

Rocketdyne , 1960'larda çeşitli tasarımlar üzerinde uzun bir dizi test gerçekleştirdi. Bu motorların sonraki modelleri, oldukça güvenilir J-2 motor makinelerine dayanıyordu ve dayandıkları geleneksel motorlarla aynı türden itme seviyeleri sağlıyordu; 200,000 lbf (890 kN cinsinden) J-2T-200k ve 250,000 lbf (1.1 MN) , J-2T-250k (T, toroidal yanma odasına karşılık gelir). Otuz yıl sonra kendi iş kullanılmak üzere canlandırıldı NASA 'nın X-33 projesinde. Bu durumda, biraz yükseltilmiş J-2S motor makinesi, XRS-2200'ü yaratarak doğrusal bir sivri uç ile kullanıldı . Daha fazla geliştirme ve önemli testlerden sonra, X-33'ün kompozit yakıt tankları tekrar tekrar başarısız olduğunda bu proje iptal edildi.

CSULB aerospike motoru

X-33 programı sırasında üç XRS-2200 motoru üretildi ve NASA'nın Stennis Uzay Merkezi'nde test edildi . Tek motorlu testler başarılıydı, ancak iki motorlu kurulum testi tamamlanamadan program durduruldu. XRS-2200 , deniz seviyesinde 339 saniyelik bir I sp ile 204.420 lbf (909.300 N) itme ve vakumda 436,5 saniyelik bir I sp ile 266.230 lbf (1.184.300 N) itme üretir.

RS-2200 Lineer Aerospike Engine, XRS-2200'den türetilmiştir. RS-2200, VentureStar tek aşamalı yörünge aracına güç sağlayacaktı . En son tasarımda, her biri 542.000 pound-kuvvet (2.410 kN) üreten yedi RS-2200, VentureStar'ı alçak dünya yörüngesine taşıyacaktır. RS-2200'deki geliştirme, X-33 programının Space Launch Initiative fonunu almadığı 2001 yılının başlarında resmen durduruldu . Lockheed Martin , NASA'dan herhangi bir fon desteği olmadan VentureStar programına devam etmemeyi seçti. Bu tip bir motor, Huntsville Alabama'daki NASA Marshall Uzay Uçuş Merkezi'nin arazisinde açık havada sergileniyor.

NASA'nın Toroidal aerospike nozulu

Lockheed Martin, X-33 iptal 2001 yılında federal hükümet tarafından kullanılabilirliği fon azalmış, ancak aerospike motorlar aktif bir araştırma alanı olmaya devam etmektedir. Örneğin, California Eyalet Üniversitesi, Long Beach (CSULB) ve Garvey Spacecraft Corporation'dan ortak bir akademik/endüstri ekibi, 20 Eylül 2003'te Mojave Çölü'nde sıvı yakıtla çalışan bir aerospike motorunun uçuş testini başarıyla gerçekleştirdiğinde bir dönüm noktasına ulaşıldı. CSULB öğrencileri Prospector 2 (P-2) roketlerini 1.000 lb f (4,4 kN) LOX/etanol aerospike motoru kullanarak geliştirmişlerdi. Aerospike motorlar üzerindeki bu çalışma devam ediyor; On odacıklı bir aerospike motoru olan Prospector-10, 25 Haziran 2008'de test ateşlemesi yapıldı.

Zil ve aerospike nozulunun nozul performans karşılaştırması

Mart 2004'te , Carlsbad, California merkezli Blacksky Corporation tarafından üretilen yüksek güçlü roketler kullanılarak NASA Dryden Uçuş Araştırma Merkezi sponsorluğunda iki başarılı test yapıldığında daha fazla ilerleme kaydedildi . Aerospike nozulları ve katı roket motorları , Toronto, Ontario'nun kuzeyindeki Cesaroni Technology Incorporated'ın roket motoru bölümü tarafından geliştirildi ve üretildi . İki roket, katı yakıtla çalışıyordu ve kesilmemiş toroidal aerospike nozulları ile donatılmıştı. Pecos County Havacılık ve Uzay Geliştirme Merkezi, Fort Stockton, Teksas'ta uçan roketler, 26.000 ft (7.900 m) zirveye ve yaklaşık 1.5 Mach hıza ulaştı .

Bir hibrit roket itici konfigürasyonu kullanan küçük ölçekli aerospike motor geliştirme , Reaction Research Society üyeleri tarafından devam etmektedir .

2020'de TU Dresden ve Fraunhofer IWS , katkılı olarak üretilmiş aerospike motorları üzerine araştırma yapmak için CFDμSAT Projesini başlattı. Bir prototip, TU Dresden'in Havacılık ve Uzay Mühendisliği Enstitüsü'ndeki bir test hücresinde zaten test edilmiş ve 30 saniyelik bir yanma süresi elde edilmiştir.

Uygulamalar

Ateşböceği Havacılık

Temmuz 2014'te Firefly Space Systems , ilk aşaması için bir aerospike motoru kullanan planlı Alpha fırlatıcısını duyurdu. Küçük uydu fırlatma pazarına yöneliktir, uyduları düşük Dünya yörüngesine (LEO) 8-9 milyon ABD Doları fiyatla, geleneksel fırlatıcılardan çok daha düşük bir fiyata fırlatmak için tasarlanmıştır.

Firefly Alpha 1.0, 400 kilograma (880 lb) kadar yükleri taşımak üzere tasarlanmıştır. Karbon kompozit malzemeler kullanır ve her iki aşamada da aynı temel tasarımı kullanır. Fiş kümesi aerospike motoru, 90.000 pound-kuvvet (400 kN) itiş gücü sağlar. Motor, yarıya kesilmiş, daha sonra bir halka oluşturmak üzere gerilmiş, yarım meme şimdi bir tapa profilini oluşturan çan şeklinde bir nozüle sahiptir.

Bu roket tasarımı hiç fırlatılmadı. Firefly Space Systems iflas ettikten sonra tasarımdan vazgeçildi. Firefly Aerospace adlı yeni bir şirket, aerospike motorunu Alpha 2.0 tasarımında geleneksel bir motorla değiştirdi. Ancak şirket, aerospike motorlara sahip kısmen yeniden kullanılabilir bir uzay uçağı olan Firefly Gamma'yı önerdi.

ARCA Uzay

Mart 2017'de ARCA Space Corporation , doğrusal bir aerospike motoru kullanarak Haas 2CA adlı tek aşamalı yörüngeye roket (SSTO) inşa etme niyetlerini açıkladı. Roket, fırlatma başına 1 milyon ABD Doları fiyatla 100 kg'a kadar alçak Dünya yörüngesine göndermek üzere tasarlanmıştır. Daha sonra, Executor Aerospike motorlarının deniz seviyesinde 50.500 pound-kuvvet (225 kN) ve bir vakumda 73.800 pound-kuvvet (328 kN) itme üreteceğini açıkladılar.

Haziran 2017'de ARCA, Demonstrator3 roketlerini yine lineer bir aerospike motoru kullanarak uzaya uçuracaklarını duyurdu. Bu roket, Haas 2CA'nın çeşitli bileşenlerini daha düşük maliyetle test etmek için tasarlandı. Ağustos 2017 için bir uçuş duyurdular. Eylül 2017'de ARCA, gecikmeden sonra lineer aerospike motorlarının bir Demonstrator3 roketinde yer testleri ve uçuş testleri yapmaya hazır olduğunu duyurdu.

20 Aralık 2019'da ARCA, Launch Assist System için LAS 25DA aerospike buharlı roket motorunu test etti.

KSF Uzayı ve Yıldızlararası Uzay

Los Angeles'taki KSF Space ve Interstellar Space tarafından geliştirilen bir başka spike motor konsept modeli, SATORI adlı yörünge aracı için tasarlandı. Finansman eksikliği nedeniyle, konsept hala gelişmemiştir.

roket yıldızı

Rocketstar, 3D baskılı aerospike roketini Şubat 2019'da 50 mil yüksekliğe fırlatmayı planladı.

Ayrıca bakınız

  • Genişleyen meme
  • LASRE  – X-33 için Lineer Aerospike SR-71 Deneyi 1997/8 NASA
  • Döner Roket  – Şirket
  • Sabre  – Sinerjik Hava Solunumlu Roket Motoru – hibrit bir ramjet ve roket motoru

Referanslar

Dış bağlantılar

https://www.youtube.com/watch?v=D4SaofKCYwo