Звуки ракет, взрывающихся в космосе, столбы огня, сила, превышающая земное притяжение. Гром самолетов-истребителей. Самое могучее созданное человеком устройство силы. Всё это — канал необычной формы и свойств, кардинально изменивший человечество. В чём его суть и как происходит трудная зарождаемость сверхзвука — узнайте из нашей статьи.
Эволюционная история сопла
В I веке Герон Александрийский предложил реактивное сопло для «эолипила», где два разнонаправленных паровых сопла вращали полый металлический шар реактивной силой. Через 1200 лет в Китае создавали пороховые ракеты — для фейерверков и боевые, применяя реактивное движение на практике. В Средние века боевые ракеты стали летать в Европе. В российской армии XIX века ракетное оружие стало составлять регулярные пешие и конные ракетные команды, запускавшие ракеты со специальных пусковых станков; появились массовые ракеты на флоте, крупные ракетные заводы, например, самый большой в Европе завод в Николаеве. Первый пуск боевых ракет из подводного положения ракетной подлодки состоялся при жизни Пушкина 29 августа 1834 года на Неве, в 40 верстах выше Санкт-Петербурга.
Сопло предназначено для ускорения потока жидкости или газа. Ускоренный поток может применяться непосредственно, а также генерировать силу при выбросе — реактивную силу. Силовое сопло, генерирующее реактивную силу, называется реактивным. Именно реактивные сопла были первыми освоены с появлением первых ракет.
С развитием ракетной техники конец XIX века стал временем расцвета паровой техники, которая достигла вершины в разработке паровых турбин для вращения винтов судов. Чтобы обтекать лопатки турбин, требовалась высокоскоростная струя пара. Чем быстрее скорость этой струи, тем больше силы она создавала на лопатках турбины, повышая ее мощность. Сопло здесь использовалось не для получения реактивной силы (хотя она и возникала как побочный эффект), а для создания потока большой скорости.
Энергия пара, выброшенная соплом в виде массы, попадала на лопатки и совершала работу, прокручивая их с силой. Общее усилие лопаток передавалось на гребной винт.
Шведский инженер Карл Густав Патрик де Лаваль в 1890 году разработал новый тип сопла для высокоскоростного парового сопла турбины. Сопло позволяло разгонять поток до сверхзвуковых скоростей, что ранее было невозможно. В результате этого был достигнут переход через сверхзвуковой Рубикон, удвоивший скорости истечения.
Сверхзвуковой Рубикон
У сопел эолипила Герона и у наконечника пожарного брандспойта канал течения сужается. В таком канале поток пара, газа или жидкости разгоняется. Расход рабочего тела в любом месте канала одинаковый: столько же поступает через начальное сечение, сколько выходит через конечное. Вещество по каналу не уменьшается и не прибавляется, стенки без отверстий для подачи или отвода его. Закон сохранения массы делает равным расход вещества через любое место сопла.
Жидкость и дозвуковой поток газа почти не меняют свой объем, поэтому при низких скоростях считаются несжимаемыми. Постоянный расход массы означает постоянный расход объема. Потоку приходится двигаться быстрее, чтобы пройти через сузившееся место. Газ вынужден ускоряться.
Перепад давления заставляет поток течь в сторону пониженного давления, толкаемый сзади высоким. В сужающемся канале постоянно падают давление и температура потока, зато возрастает его скорость. Происходит перетекание потенциальной энергии давления и температуры газа в энергию движения, его разгон. Чем выше перепад давлений между началом и срезом сопла, тем больше разгон и скорость истечения. Для ее роста повышают давление перед соплом. Это же верно и для перепада температур, поэтому газ стараются сильнее нагреть сжиганием топливных компонентов.
У скорости вытекания есть принципиальный предел — скорость звука. Не удаётся её преодолеть никаким увеличением давления на входе в сопло. В каких бы кратных числах его ни повышали, в два, четыре или десять раз, поток внутри сужающегося сопла не превысит скорость звука.
Помните о понятиях дозвукового и сверхзвукового движения. Скорость звука (слабых волновых уплотнений в газе) определяется множеством факторов: составом, плотностью и давлением газа. Однако главным фактором является температура. В каждой конкретной ситуации скорость звука имеет свое значение. Число Маха показывает, во сколько раз скорость потока превышает или меньше скорости звука, деля скорость потока на скорость звука. Значение М обозначается буквой «М». Если М меньше единицы, поток медленнее звука – дозвуковой. При М=1 поток течет со скоростью звука. При M > 1 поток сверхзвуковой.
Чтобы преодолеть звуковой рубеж, нужно применить особый принцип – принцип обратного воздействия.
В газодинамике существует понятие воздействия — влияния на течение газа, изменяющего его параметры, в том числе скорость. Сужение канала – это геометрическое воздействие, меняющее форму течения. Принцип обращения воздействия гласит: одним и тем же воздействием можно изменять скорость потока только до скорости звука. Это справедливо как для разгона, так и для торможения (при сверхзвуковом потоке). Максимальная скорость, достижимая одним и тем же воздействием, всегда будет скоростью звука, М=1. Становится непреодолимым для этого воздействия звуковым барьером. За пределы этой границы воздействие любой мощности ничего не сможет изменить.
Преодолеть М=1 и продолжить ускорение или замедление потока требуется изменить воздействие на противоположное. При геометрическом воздействии (сужение канала) знак воздействия нужно поменять. Для разгона это замена сужения на расширение. Где и когда сменить? После достижения потоком скорости звука. В расширяющейся части поток станет сверхзвуковым и будет ускоряться дальше. Почему?
Переход к сверхзвуковой скорости меняет свойства потока: несжимаемость заменяется большой сжимаемостью и расширяемостью. Расширение газа превосходит геометрическое расширение канала, заставляя его протекать все быстрее даже при увеличении сечений. В результате скорость потока в сверхзвуковом расширении сопла возрастает, а плотность газа снижается. Лаваль предложил такую форму сопла и получил на выходе сверхзвуковой поток. Сопло с геометрией сужения-расширения назвали соплом Лаваля.
Пути достижения сверхзвука
Разгоняя поток до сверхзвука может помочь не только изменяющаяся геометрия сопла Лаваля. Возможны сверхзвуковые сопла с неизменной геометрией канала, просто с ровной трубой. Их три типа: массовое, тепловое и механическое. Все работают по принципу обращения воздействия. Массовое сопло имеет продырявленные стенки. В дозвуковой части трубы через перфорацию стенок внутрь закачивается газ. Для прохода через трубу прирастающего количества газа ускоряется, достигая скорости звука. А после скорости звука воздействие меняется на противоположное – газ через отверстия в стенках откачивается из трубы. Что вызывает расширение (есть куда после откачки) и разгон остающегося в трубе газа. Для разгона потока изменяется расход массы газа – поэтому сопло называется массовым.
Два других типа – теоретические. Тепловое сопло: при движении по неизменной трубе газ нагревается, достигая скорости звука. Затем охлаждается при сверхзвуковом разгоне. Механическое сопло подводит энергию в газ силовым механическим воздействием, а за скоростью звука так же механически отводит энергию для разгона сверхзвукового потока.
Сопло Лаваля – это конкретное применение принципа обращения воздействия, выраженное геометрически. Две противоположные воронки с общим узким местом. Это сопло широко применяют на практике. Поскольку достижение скорости звука кардинально меняет поведение потока, скорость звука назвали критической скоростью. А сечение сопла (всегда наименьшее), в котором происходит достижение скорости звука, назвали критическим сечением сопла.
В сужающейся дозвуковой части сопла плотность газа почти не изменяется, а объем увеличивается незначительно. Давление и температура существенно снижаются, что ведет к росту скорости в основном за счет этих изменений. Самым резким падением давления и температуры характеризуется критическая часть сопла – зона скорости звука. Изменение воздействия сохраняет эти изменения потока и дальше, в сверхзвуковой части, добавляя расширение газа. Поэтому скорость потока непрерывно растет в обеих частях сопла – и дозвуковой, и сверхзвуковой.
Поток газа с малой скоростью течет, подобно реке несжимаемой жидкости, сохраняющей свой объем. Скорость влияет на воздух при обтекании тела: он незначительно сжимается, но не более чем на десятки процентов. Такое сжатие не меняет картину обтекания, оставляя ее в рамках гидродинамики или «гидродинамики для воздуха» – аэродинамики. Такая картина сохраняется до достижения звуковой скорости.
За скоростью звука открывается газодинамика, где ярко проявляется способность газа к сжатию и расширению – многократно, в разы и десятки раз. Такая изменчивость объема радикально перестраивает протекающие процессы и создает критические изменения в картине.
Сверхзвуковой поток по-разному ведет себя по сравнению с дозвуковым: при сужении он разгоняется, а при расширении тормозится. При торможении происходит скачкообразное и мгновенное замедление, всегда сопровождающееся сжатием объема и повышением температуры, в результате чего внутри потока образуются резкие границы уплотнения. В конце концов, сверхзвуковой поток может течь в сторону высокого давления – к примеру, прямо в это самое уплотнение.
Перепад давления в сверхзвуковом потоке двигается инерцией. В отличие от дозвукового потока, где преобладает давление газа, здесь движению управляет сила инерции. Дозвуковой поток определяется тепловой сущностью – потенциальной энергией давления газа, а сверхзвуковой – кинетической энергией движения.
Осиная талия и перерасширение
Классические сопла ракетных двигателей представляют собой воронкообразные сужения и расширения с узкой талией между ними, обусловленной высокой плотностью газа в камере сгорания. Сжатый газ может расширяться значительно, воздействуя на стенки сопла и создавая тягу. Основное расширение начинается при приближении к скорости звука и продолжается во всей сверхзвуковой части сопла. В данном случае отношение конечной площади к начальной (площади среза сопла и критического сечения) называют степенью расширения сопла. В условиях космоса разреженность потока на срезе сопла доводится практически до извлекаемой пользы – пока прирост тяги при продлении сопла оправдывает его увеличение массы. Неиспользованные остатки давления сбрасываются в пустоту космоса.
При запуске с Земли атмосфера оказывает давление на сопло, затрудняя истечение. Струя вылетает из сопла, где плотность и давление ниже атмосферных. Такая струя перерасширена, а сопло работает в режиме перерасширения. Чем разреженнее поток на срезе сопла, тем больше перепад давления с атмосферой и ее сопротивление струе. Перерасширенная сверхзвуковая струя, за счет высокой скорости, выходит из сопла против перепада в половину атмосферного давления и более. Торможение происходит уже после сопла, благодаря действию атмосферы.
Свойство сверхзвукового потока двигаться к большему давлению функционирует. При увеличении перепада давление атмосферы втиснется в сопло и оттолкнет струю от стенок, “выключая” часть сопла. Это тормозит струю еще при расширении сопла, не позволяя тяге расти – начнется режим запирания сопла внешним давлением. Зачем же расширять поток на срезе сопла ниже давления атмосферы? Потому что атмосферное давление быстро падает с ростом высоты, в которую уходит ракета.
На первых сотнях километров высота плавно уменьшит давление атмосферы.
На срезе сопла поток станет плотнее убывающей атмосферы, выплескивая избыток давления без пользы. Сжатый плотней атмосферы поток недорасширен до равенства с ней. Он бы сильнее расширился смог, увеличив тягу. Это режим недорасширения. Чтобы уменьшить напрасный сброс неиспользованного давления из сопла, степень расширения оптимизируют. То есть рассчитывают так, чтобы интегральные за время работы поднимающегося сопла потери были минимальны, а работа реактивной силы наибольшая для всего участка полета.
Для расчета давления на срезе сопла используют атмосферное давление на высотах 8-12 км. В этой области работа сопла оптимальна: нет перепадов давления с атмосферой, а значит, и потерь. Стартовое перерасширение плавно уменьшается с высотой, обнуляясь в оптимальном режиме истечения на 10-12 км, за которыми будет плавно нарастать недорасширение. Таким образом, сопло по мере подъема ракеты проходит три режима работы. Выбор давления на срезе сопла обеспечивает наименьшие интегральные потери на всем пути до точки выключения.
На вторых и третьих ступенях ракет-носителей двигателя запускаются при слабом давлении атмосферы. За счёт этого увеличение диаметра сопла оказывается эффективным. оОсобенностью тепловых щитов третьей ступени является то, что их эффективность меньше, чем у первой ступени. Космические ракетные двигатели для маневрирования и ориентации обладают большими степенями расширения. Сверхзвуковые их части напоминают большие кубки с маленьким глазком критического сечения.
Многодетная семья, или Разнообразие процессов газов
Принцип наличия критического сечения реализуется в огромном количестве форм. Классические две воронки, передающие поток одна другой через слияние вершин, могут изменяться до неузнаваемости. Щелевое сопло – плоский канал с сужением и расширением. Сопла с центральным телом практически не меняют внешний диаметр; геометрию канала задает внутреннее центральное тело. Оно может быть конической или пулевидной формы, к срезу сопла заканчивается, а критическая часть получается кольцевой. Центральное тело изменяется в широких пределах, полностью меняя облик сопла.
Центральное тело, окружённое кольцевой щелью у основания, может составлять сопло. Сжатый поток из щели движется по центральному телу, расширяясь на нем. Такое сопло имеет вид вогнутого конуса, направленного назад. Вогнутость функционирует подобно чашевидной выпуклости стенки обычного сопла. Лишь стенка сопла обжимает края расходящегося потока, формируя ровное течение, а центральное тело создаёт прямолинейную сердцевину потока.
Клиновоздушный двигатель функционирует подобным образом. Его линейное сопло представляет собой центральное тело, вытянутое горизонтально и образующее перевернутый вниз клин, напоминающий клинок сабли с двумя сторонами, сходящимися к лезвию. На этих рабочих вогнутых сторонах расширяется сверхзвуковой поток, генерируя тягу. Функционально стороны представляют собой развернутую в линию стенку обычного сопла, точно так же создающего тягу.
Клин движется под действием сверхзвукового потока, создаваемого маленькими камерами сгорания, расположенными плотно друг за другом вверху. Каждая сторона клина для этого потока выступает как стенка сопла. Вторая стенка — атмосфера, сдавливающая поток сбоку и давлением регулирующая его расширение. Из-за этого на поверхностях клиновоздушно-клиновидного сопла поток оптимально расширяется, адаптируясь к изменению атмосферного давления.
Центральная часть может принять плоскую форму, подобную тарелке, и разместиться внутри сопла у начала его расширения, как шляпка гвоздя, не до конца забитого в середину критического сечения. Пространство под этой «шляпкой» будет дозвуковой частью сопла. Края плоской части станут внутренней частью критического сечения. Поток распространяется радиально из-под тарелки и поворачивается вокруг ее краев к срезу сопла, сжимаясь стенками и ускоряясь в сверхзвуковую струю. Тарельчатое сопло значительно короче обычного и поэтому легче. Его особенная газодинамика полностью совпадает с газодинамикой сопла Лаваля.
Сила гигантов растет, а давление падает.
Высокое давление требует прочных и толстых стенок камеры сгорания, его проще ограничить камерой небольшого размера. Масса большой конструкции с большим давлением будет тоже большой. У твердотопливных двигателей весь корпус является камерой сгорания. Поэтому давление в них ниже, чем в жидкостных ракетных двигателях, достигая лишь первых десятков атмосфер. Раз давление перед соплом пониже – значит, меньше степень расширения сопла и сужение в критическом сечении. Например, через критические сечение сопла твердотопливного ускорителя SLS может свободно пройти подросток. При диаметрах среза сопла в 3,8 м и критического сечения 1,37 м степень расширения составляет около 7,7. Средний уровень давления в 39 атмосфер не позволяет задать большую степень расширения.
Тяга возникает не из-за скорости истечения рабочей смеси, а из расхода при этой скорости. Твердотопливные двигатели способны создавать большой расход рабочего тела через сопло. У них нет подачи топлива – все оно уже подано на заводе вдоль всей длины двигателя, которая может достигать десятков метров. Такой топливный массив имеет огромную площадь горения и соответствующий расход, создавая очень большую реактивную тягу.
Самые мощные двигатели в истории человечества – ракетные твердотопливные. Среди массово выпускаемых моделей это ускорители для ракеты-носителя SLS, модифицированные ускорители Space Shuttle с добавленной пятой топливной секцией. При длине 54 метра (равной высоте 18-этажного здания), диаметре 3,7 метра и массе 726 тонн тяга таких двигателей составляет 1620 тонн, а расход топлива – 6 тонн в секунду. Сопло такого ускорителя остается самым мощным серийным соплом в мире.
Экспериментальные твердотопливные двигатели обладали большей мощностью. В 1965 году испытанный Aerojet AJ-260 SL-1 развивал тягу в 1800 тонн, а двигатель Aerojet AJ-260 SL-3 должен был вырабатывать 2670 тонн тяги. Единые сопла остались самыми мощными соплами Лаваля, когда-либо созданными людьми.
Изменчивая геометрия при экстремально сильной тяге.
Сопла с малыми перепадами давления, лишь несколько атмосфер, и малым сужением широко применяются в авиации, становясь незаменимым решением для многих двигателей. В связи с небольшой энергией при небольшом давлении, здесь используется тепловой метод – газ нагревается мощным керосиновым пламенем.
Форсажные двигатели применяют главным образом в военных самолётах. В эксплуатации их используют при полёте со сверхзвуковой скоростью, для уменьшения длины разбега при взлёте, быстрой набор высоты и энергичного маневра. ФорсажЭто почти вдвое больше тяги с многократно увеличенным расходом топлива. Его сжигают в общем потоке за турбиной, в части проточной части перед входом в сопло, которую называют форсажной камерой сгорания. Ее форсунки создают огромную керосиновую горелку, нагревающую поток перед соплом до тысячи градусов.
Сопло, являясь тепловой машиной, преобразует запас тепла в увеличение скорости.
Сильный добавочный нагрев газа повышает давление перед соплом, что снижает обороты турбины и компрессора, уменьшая подачу воздуха к соплу.
Чтобы избежать обвала работы двигателя, критическое сечение сопла расширяют с помощью полсотни подвижных элементов – створок. Трапециевидные пластины из жаростойкой и жаропрочной стали лежат внахлест, образуя рабочую поверхность сопла. Гидроцилиндры согласованно двигают их, изменяя внутреннее сужение и срез сопла.
Благодаря подвижной конструкции сопло сохраняет расширение газа близким к оптимальному, подстраиваясь под режим работы двигателя и позволяя сильно увеличивать тягу при форсаже. После выключения форсажа сворки сопла смещаются обратно, уменьшая критическое сечение и размер среза.
Сопло Лаваля применяется во множестве реактивных устройств: в ракетах всех типов – от космических и межконтинентальных до зенитных и противотанковых, снарядах залповых систем, реактивных гранатах и многом другом. Известны также реактивные пули разных конструкций – например, экспериментальные подводные пули для автомата АПС, похожие на толстые зелёные спицы с двигателем диаметром 5,45 мм. Или полудюймовые (12,7 мм) вращающиеся пули-ракеты «Gyrojet» с четырьмя крошечными косыми соплами, проходившие испытания во Вьетнаме в начале 1970-х вместе со специальным пистолетом. Это были самые маленькие боевые ракеты в истории.
Сопловой блок может быть составлен одним каналом, несколькими каналами или десятками сопел. Размеры, форма, количество, расположение, наклон, тяга, назначение сопел варьируются в широком диапазоне. Реактивные сопла используются для отведения катапультируемого кресла летчика от самолёта, мягкого приземления десантируемой техники и спускаемых аппаратов, разгона осветительных ракет и сигналов, уменьшения отдачи безоткатных орудий, забрасывания детонационных шнуров разминирования, отвода стартовых бугелей при шахтном пуске межконтинентальных баллистических ракет. Сопла выполняют множество других задач, решаемых реактивной силой.
Нереактивные сопла
Сверхзвуковой поток человек получает соплом Лаваля практически везде, где его применяет. В турбинах щелевые сопла Лаваля ускоряют поток для подачи к лопаткам ротора. В сверхзвуковых реактивных турбинах каналы между лопатками подвижного диска также являются щелевыми соплами Лаваля, разгоняющими газ до сверхзвуковой скорости. Каждые две соседние лопатки своими поверхностями образуют канал плоского сопла Лаваля, загнутого под углом назад. Поток в нём ускоряется и истекает в направлении против движения, создавая лопатками реактивную силу. Сверхзвуковые турбины работают в авиации и космонавтике, наземной технике и мореходстве, энергетике и добыче энергоресурсов.
Сверхзвуковой поток может измельчать материал, получая при этом тонкий порошок.
В струю поступает сыпучий материал, его захватывает и разгоняет струя, которая бьёт в твёрдую преграду. Материал разбивается о неё со скоростью многих сотен метров в секунду. Высокая чистота измельчения – материал сам колется о преграду – позволяет молоть медикаменты или химикаты высокой степени очистки.
Сверхзвуковые аэродинамические трубы также применяют сопло Лаваля. Наиболее часто встречающийся тип сверхзвуковой трубы — баллонный. В просторном помещении располагаются два-три ряда толстых стальных баллонов двухэтажной высоты, окруженных стеллажным вторым этажом (для подъема к вершинам баллонов при необходимости). За несколько суток до продувки баллоны весь день наполняют воздухом под шум и вибрацию компрессора. Их корпуса сильно нагреваются от сжатия, превышающего сотню атмосфер, а затем за ночь остывают.
Продувка осуществляется в отдельном боксе с дверями из стали. Воздух, запакованный в баллоны, полностью сбрасывается за тридцать секунд. Сопло переводит сжатый воздух баллонов в сверхзвуковой поток, проходящий через рабочую часть трубы. Труба небольшого сечения собрана из прочных стальных элементов, содержащих поток с обдуваемой моделью. В качестве бонуса предусмотрена симуляция сверхзвукового полета на большой высоте с её морозом – от расширения потока температура в рабочей части достигает минус 80 градусов. Значения числа Маха потока в трубе могут превышать 5, тогда труба становится гиперзвуковой.
В московском университете с обширным двором в его уголках стояла решетчатая будка, напоминающая киоск. К ней выходили аудитории кафедры английского языка. Еженедельно занятия прерывались полминутой грохота, заглушавшего речь преподавателей и студентов. Будка прятала выходной канал сверхзвуковой трубы вуза, обрушивающейся во время продувки своим шумом на двор. Так сверхзвуковая аэродинамика проникала в все научные области, выходившие аудиториями к этой будке.
Людвиг Прандтль, первопроходец сверхзвуковых расчетов и основоположник сверхзвуковой аэрогазодинамики, рассчитал сопло, дающее необходимое число Маха при заданном расходе. В 1909 году в Геттингене, где он работал, построил первую в мире сверхзвуковую трубу. Все сопла рассчитывают по его методу.
Расчеты позволяют профилировать сопло. Профиль – это кривизна формы сопла, отличающая его от простого конуса, точная геометрия сопла. В критическом сечении расширение газа самое интенсивное, и сразу за ним необходимо быстро дать газу объем для расширения. Стенки сопла здесь расходятся в стороны круто расширяющимся раструбом. В конце сопла, когда работа расширения выполнена, поток направляется цилиндрическим краем сопла в почти параллельную струю.
Постепенное сужение от расширяющейся части к почти цилиндрическому краю формирует выпуклое сопло, напоминающее бокал или колокол. Такое сопло называют профилированным.
Правильно выбранная кривизна стенок оптимально расширит газ, обеспечивая наибольший разгон потока при минимальной длине сопла. Это уменьшает массу, площадь охлаждения, объем материала и обработки, а также стоимость. Поэтому почти все современные сопла профилированные. Профиль рассчитывается по заданным параметрам исходного газа и желаемого течения, позволяя создать оптимальную кривизну сосуда для сверхзвука.
Возможность многократного использования ракеты
Сопло может стать ключевым элементом для достижения полной многоразовости ракет-носителей. Возвращение второй ступени ракеты затруднено ее высокой орбитальной скоростью. При торможении потока при такой скорости температура на ступени при входе достигает нескольких тысяч градусов.
Можно создать сопло, занимающее весь нижний торец ступени, поверхность которого может служить теплозащитным экраном. Металлическое сопло будет охлаждаться топливом, текущим по каналам его стенок. Топливо без сгорания истечет через сопло и оттолкнет подушку горячего ударно сжатого воздуха от торца ступени. Края стенки ступени можно использовать для крепления охлаждаемых краев сопла. В итоге сопло, интегрированное в основание ступени, сможет выполнять две функции – создание тяги и тепловую защиту при входе в атмосферу, образуя новый тип реактивно-теплозащитного сопла.
Данное сопло дополнит свои стандартные аэродинамические возможности (ускорение потока) функцией теплозащиты, увеличивая его значимость.
Для двух задач необходимы многочисленные расчёты, которые определят оптимальную конструкцию сопла.
При большом диаметре сопла обычный вытянутый сверхзвуковой бокал становится громоздким и тяжёлым.
Гораздо легче будет сопло с центральным телом или тарельчатое сопло. Их площадь в разы меньше, поэтому требуется меньшее охлаждение. «Сэкономленное» охлаждение можно отдать прилегающим стенкам ступени.
Конкретные расчёты проектов дадут оценку таким решениям.
В 2020 году американская фирма Stoke Space Technologies получила два гранта по программе SBIR (Small Business Innovation Research). Программа оказывает помощь малым предприятиям США в исследованиях и разработках. Группа из девяти человек под руководством Энди Лапса, директора и соучредителя Stoke, сосредоточена на разработке двигателя возвращаемой верхней ступени.
Грант SBIR на 225 тысяч долларовНациональный научный фонд предоставил грант на разработку «интегрированного силового решения для верхней ступени многоразового использования». В описании проекта говорится о создании новой технологии, позволяющей космическим ракетам-носителям возвращаться в атмосферу и совершать посадку в заданной точке с последующим использованием. К техническим задачам относятся сочетание высокоэффективной силовой установки, надежной тепловой защиты и малой массы конструкции. Рассматривается новое техническое решение, объединяющее характеристики ступени с эффективностью отдельной системы. Система охлаждения. обеспечивающая возможность вторичного применения второй ступени.
Компания получила ещё один грант SBIR на сумму 125 тысяч долларов. НАСА предоставило грант на новую конфигурацию ракетного двигателя для разгонных ступеней и планетарных посадочных модулей. Резюме проекта указывает на «новую геометрию сопла ракеты, ранее не изучаемую и являющуюся предметом первой фазы работ. Сопло обеспечивает большую степень расширения при габаритах в десять раз короче традиционных колоколообразных сопел и позволяет работать с глубоким дросселированием при давлении атмосферы. При интеграции в основание ступени сопло двигателя служит активно охлаждаемым металлическим теплозащитным экраном во время входа в атмосферу. В первую фазу входит разработка методологии проектирования сопла, прогноз его характеристик и изготовление оборудования для испытаний параметров».
Эффективность усилий Stoke определится временем.
Однако формулировка целей указывает на актуальную необходимость достижения прорыва в области многоразовых систем второго этапа. В свою очередь, сопло может стать ключевым элементом для полной многоразовости ракет.