Современные ракетные двигатели подошли к пределу своих возможностей.
Всё чаще можно заметить этот тезис в статьях, докладах, мнениях о ракетостроении. И действительно, в глобальном плане это так, новые возможности, характеристики вжимать из реактивных двигателей становится всё сложнее, а те же тяги по большому счёту не увеличиваются уже давно, самые тяговитые монстры двигателестроения были созданы во 2 половине 20 века, и современные движки от них недалеко ушли, хоть и прокачали другие характеристики и возможности. Например, F1, настоящий монстр, поднимавший в небо лунную ракету Сатурн V имел тягу 6,77 меганьютон, а самый современный Raptor от корабля Starship и ускорителя Super Heavy имеет тягу всего...2000 килоньютон. И он считается мощным двигателем. Ситуация складывается печальная. Можно ли как то улучшить ситуацию, сделать двигатели мощнее, экономичнее? Можно, и об этом статья.
"Новый" тип двигателей
Сама по себе идея клиновоздушного реактивного двигателя не нова. В 1960-х годах Рокетдайн проводил обширные испытания с различными вариантами. Более поздние версии этих двигателей были основаны на крайне надёжных ЖРД J-2 (Рокетдайн) и обеспечивали приблизительно тот же уровень тяги, что могли обеспечить те двигатели, на которых они были основаны: ЖРД J-2T-200k обладал тягой 90,8 тс (890 кН) и ЖРД J-2T-250k обладал тягой 112,2 тс (1,1 МН) (буква «T» в наименовании двигателя указывает на тороидальную камеру сгорания). Позже создавались и другие прототипы и проводились испытания, но до полноценной реализации так и не доходило. Клиновоздушные двигатели даже планировалось использовать на Шаттлах, но выбрали более консервативное решение. Но технологии не стоят на месте, а актуальность этого типа двигателей растет.
В июле 2014 года объявила, что в своей новой ракете-носителе Firefly Alpha будет использовать клиновоздушный двигатель на первой ступени. Так как данная модель предназначается для рынка запуска малых спутников, ракета будет выводить спутники на низкую околоземную орбиту по цене 8-9 миллионов долларов за запуск. Firefly Alpha сконструирована так, чтобы поднимать на орбиту 400 кг полезного груза. В конструкции ракеты задействуются композитные материалы — в том числе углеродное волокно. Клиновоздушный двигатель, применяемый в ракете, имеет тягу в 40,8 тс(400 кН). Правда, На данный момент работа застопорилась, и будущее именно этой ракеты выглядит туманно.
Так как это работает?
Для начала разберем, как работает классический реактивный ракетный двигатель. Очень упрощая, в камере сгорания смешивается и сгорает смесь топлива и окислителя(в качестве последнего применяют как правило жидкий кислород). Раскаленная до нескольких тысяч градусов смесь газов, образовавшаяся в результате сгорания под давлением выбрасывается из двигателя через сопло на огромной скорости, создавая тягу(спасибо закону сохранения импульса ;) ), и ракета красочно отправляется к звёздам(иногда не отправляется, это называют аварией)). В контексте статьи самый главный элемент этой технологической фантасмагории это сопло.
Тут дело вот в чем, если просто сделать дырку в камере сгорания и поджечь топливо, тяга, конечно, будет, но минимальная, раскаленные газы будут выходить во все стороны и лишь малая часть будет вырываться в направлении, необходимом для создания тяги, да и скорость выходящих газов будет так себе, вобщем, печаль - беда, так до космоса не долетишь, а долететь хочется. Для того, чтобы направлять выхлопные газы, а так же разгонять их побыстрее, желательно до нескольких чисел Маха умные люди придумали Сопло Лаваля. Сопло было предложено в 1890 году шведским изобретателем Густафом де Лавалем для паровых турбин, а позже нашло своё применение в ракетостроении.
Самое простое сопло Лаваля представляет из себя два усечённых конуса, соединённых в одну конструкцию. Реальные современные сопла профилируются на основе газодинамических расчетов и компьютерных симуляций.
