Грохот ракет, устремляющихся в космос, огромные столбы пламени и колоссальная сила, преодолевающая гравитацию. Резкий звук реактивных двигателей боевых самолетов. Самое мощное и звучное устройство, созданное человеком. Все это — канал уникальной формы и свойств, кардинально преобразовавший человечество. Узнайте, в чем заключается его суть и как рождается сверхзвук — в нашем материале.
Эволюционная история сопла
Когда впервые был применен сопло? Еще в I веке Герон Александрийский предложил реактивное сопло для своего «эолипила». В этом устройстве два сопла, направленные в противоположные стороны, вращали металлический шар, используя реактивную силу. Спустя тысяче двести лет в Китае стали изготавливать пороховые ракеты – как для фейерверков, так и для боевых целей, – тем самым получив практический опыт использования реактивного движения. В эпоху Средневековья боевые ракеты получили распространение и в Европе. В российской армии XIX века ракетное оружие было доведено до уровня регулярных пехотных и кавалерийских ракетных команд, которые запускали ракеты с использованием специальных пусковых устройств, а также формировались крупные ракетные заводы, например, крупнейший в Европе, расположенный в Николаеве. Первый запуск боевых ракет из подводного положения ракетной подлодки состоялся еще при жизни Пушкина, 29 августа 1834 года, на Неве, в 40 верстах выше Санкт-Петербурга.
Сопло представляет собой компонент, предназначенный для увеличения скорости потока жидкости или газа. Разгон потока необходим для решения различных задач: в одних ситуациях требуется сам поток, который используется в дальнейшем, а в других – реактивная сила, возникающая при его выбросе. Силовые сопла, создающие такую реактивную силу, получили название реактивных. Именно реактивные сопла были первыми, получившими широкое применение, вместе с развитием ракетной техники.
Вместе с активным использованием ракет, к концу XIX века паровая техника достигла уровня паровых турбин, которые приводили в движение судовые винты. Для эффективного обтекания лопаток турбин требовалась высокоскоростная струя пара, и чем выше скорость этой струи, тем большее воздействие она оказывала на лопатки, увеличивая мощность турбины. Сопло в данном случае необходимо было не для создания реактивной силы (которая, безусловно, присутствовала, но являлась неиспользуемым побочным эффектом), а для формирования потока с высокой скоростью. Через сопло энергия, передаваемая паром, воздействует на лопатки и выполняет работу, приводя их во вращение. Сила, создаваемая лопатками, передается на гребной винт.
В 1890 году шведский инженер Карл Густав Патрик де Лаваль, работая над паровым соплом турбины, представил инновационный тип сопла. Эта конструкция позволила разогнать поток до сверхзвуковых скоростей, что ранее считалось невозможным. Благодаря этому был достигнута сверхзвуковая скорость истечения, увеличившаяся вдвое.
Сверхзвуковой Рубикон
У сопел эолипила Герона, как и у наконечников пожарных брандспойтов (сопел, предназначенных для усиления струи воды), канал течения сужается. В таких каналах происходит разгон рабочего тела – пара, газа или жидкости. Это происходит потому, что расход (объем вещества, проходящего через поперечное сечение в единицу времени) во всем канале остается неизменным: объем, входящий через начальное сечение, должен соответствовать объему, выходящему через конечное. Ведь количество текущего вещества не изменяется по длине канала, поскольку стенки не имеют отверстий для подвода или отвода, а закон сохранения массы обеспечивает постоянство расхода через любое место сопла.
Жидкость и дозвуковой поток газа демонстрируют незначительное изменение объема, поэтому их можно приближенно считать несжимаемыми, если скорость значительно ниже скорости звука. Постоянный массовый расход предполагает постоянный расход объема. Чтобы переместить тот же объем через сужающийся участок, потоку необходимо увеличить скорость. Это приводит к ускорению газа.
Разницу давлений вызывает течение – поток перемещается в область пониженного давления, подталкиваемый более высоким давлением. В сужающемся канале постоянно снижаются давление и температура потока, одновременно увеличивается его скорость. Происходит преобразование потенциальной энергии давления и температуры газа в кинетическую энергию, обеспечивающую его ускорение. Чем больше разница давлений между входным и выходным участками сопла, тем интенсивнее разгон и выше скорость истечения. Для увеличения скорости давление перед соплом повышают. Аналогично действует и разница температур: газ нагревают, например, путем сжигания топливных компонентов.
Существовала фундаментальная граница для скорости истечения. Это скорость звука. Повышение давления на входе сопла не способно её преодолеть. Независимо от того, во сколько раз увеличивается это давление – в два, четыре или десять – поток внутри сужающегося сопла не сможет превысить скорость звука.
Вспомним определения дозвукового и сверхзвукового движения. Скорость звука, то есть скорость распространения слабых волновых уплотнений в газе, определяется рядом факторов, включая состав газа, его плотность и давление. Однако, наиболее значительное влияние оказывает температура. В заданных условиях скорость звука приобретает определенное локальное значение. Отношение скорости потока к местной скорости звука называется числом Маха. Его значение, обозначаемое буквой М, указывает, во сколько раз скорость потока превышает или уступает скорости звука. Если М меньше единицы, то поток движется медленнее звука, что характеризуется как дозвуковой режим. При М, равном единице, поток движется с той же скоростью, что и звук. Если М больше единицы, то поток является сверхзвуковым.
Для достижения звукового рубежа необходимо применять специфический подход, который известен как принцип обращения воздействия.
В газодинамике выделяют понятие воздействия – это влияние на поток газа, которое изменяет его характеристики, включая скорость. Сужение канала является примером геометрического воздействия, то есть изменения геометрии течения. Существует принцип обращения воздействия, который гласит, что с помощью одного и того же воздействия возможно изменять скорость потока лишь до скорости звука. Это справедливо как при ускорении, так и при замедлении потока, если он сверхзвуковой. Максимальное значение скорости, достижимое под воздействием, всегда ограничено скоростью звука, М=1, что представляет собой звуковой барьер, преодолеть который невозможно даже при использовании воздействия максимальной мощности.
Для преодоления числа Маха, равного 1, и обеспечения дальнейшего ускорения или замедления потока, необходимо изменить направление воздействия. При использовании геометрического воздействия, например, сужения канала, требуется изменить его тип. Для ускорения потока это означает замену сужения на расширение. В какой точке и когда следует произвести такую замену? После достижения потоком скорости звука. В расширяющейся области поток станет сверхзвуковым и продолжит ускоряться. Почему?
При достижении сверхзвуковой скорости поток приобретает существенно иные характеристики. Дозвуковая несжимаемость уступает место повышенной сжимаемости и расширяемости. Расширение газа настолько велико, что превышает геометрическое расширение канала. Расширяющийся газ вынужден двигаться все быстрее, даже через увеличивающиеся сечения канала. В результате, скорость потока в сверхзвуковом расширении сопла увеличивается, а плотность газа уменьшается. Лаваль предложил данную форму сопла и обеспечил получение сверхзвукового потока на выходе. Сопло с геометрией сужения-расширения получило название сопла Лаваля.
Пути достижения сверхзвука
Не только меняющаяся геометрия сопла Лаваля способна обеспечить сверхзвуковой режим. Существуют сверхзвуковые сопла с постоянной геометрией канала, представляющие собой прямые трубы. Выделяют три типа таких сопел: массовое, тепловое и механическое. Все они основаны на принципе изменения направления воздействия. Массовое сопло характеризуется наличием перфорированных стенок. В дозвуковой зоне трубы газ подается внутрь через отверстия в стенках. По мере увеличения количества газа, проходящего через трубу, он ускоряется и достигает скорости звука. После достижения скорости звука направление воздействия меняется – газ удаляется через отверстия в стенках. Это приводит к расширению пространства (в которое удаляется газ) и ускоряет остающийся в трубе поток. Расход массы газа изменяется для достижения разгона потока, поэтому сопло получило название «массовое.
Существуют также два чисто теоретических типа. Тепловое сопло предполагает нагрев газа до скорости звука при движении по трубе с постоянным сечением. После этого газ охлаждается, обеспечивая сверхзвуковое ускорение. Механическое сопло передает энергию в газ посредством механического воздействия, а для разгона сверхзвукового потока механически отводит энергию.
Сопло Лаваля представляет собой частный случай принципа обращения воздействия, его геометрическая реализация. Оно состоит из двух воронкообразных каналов, сужающихся к общему наименьшему поперечному сечению. Такой тип сопла находит широкое применение. Достижение скорости звука кардинально влияет на характеристики потока, поэтому скорость звука называют критической. Сечение сопла, в котором достигается скорость звука (всегда наименьшее), принято называть критическим сечением.
В области сужения сопла, где скорость газа ниже звуковой, его плотность практически не изменяется, и расширение незначительно. Вместе с тем, происходится существенное снижение давления и температуры – именно это является основной причиной увеличения скорости. Наиболее резкая перемена этих параметров наблюдается в критической зоне сопла, в точке звуковой скорости. Последующее воздействие поддерживает эти изменения в потоке и распространяет их в сверхзвуковой части, сопровождаясь дополнительным расширением газа. В результате, скорость потока непрерывно увеличивается как в дозвуковой, так и в сверхзвуковой секциях сопла.
Дозвуковой газовый поток характеризуется течением, сходным с рекой – несжимаемой жидкостью, сохраняющей объем. Это верно абсолютно? Нет, поскольку с увеличением скорости воздух при обтекании тела незначительно сжимается, хотя степень сжатия обычно не превышает нескольких процентов. Такая особенность не принципиально изменяет картину обтекания, оставляя ее в рамках гидродинамики, или, что то же самое, аэродинамики – «гидродинамики для воздуха». Такое поведение сохраняется до достижения звуковой скорости.
Газодинамика определяет скорость звука. В этом процессе особенно заметна сжимаемость газа, который многократно подвергается сжатию и расширению, в несколько и десятки раз. Это существенно влияет на характеристики потока и приводит к значительным изменениям в его структуре.
В отличие от дозвукового потока, сверхзвуковой поток демонстрирует обратную динамику: в сужающемся канале он замедляется, а в расширяющемся – ускоряется. Замедление сверхзвукового потока происходит скачкообразно и практически моментально, сопровождаясь сжатием объема и повышением температуры, что приводит к образованию резких границ уплотнения внутри потока. Кроме того, сверхзвуковой поток способен двигаться в направлении области более высокого давления, например, к такому уплотнению.
Другой механизм позволяет потоку двигаться навстречу перепаду давления в условиях сверхзвука. Здесь доминирует не давление газа, как это происходит в дозвуковом потоке, а сила инерции. В дозвуковом потоке поведение определяется тепловой энергией – потенциальной энергией давления газа, в то время как сверхзвуковые характеристики потока формируются кинетической энергией движения.
Осиная талия и перерасширение
Классические сопла ракетных двигателей представляют собой воронкообразные сужения и расширения, соединенные узким участком. Такая форма обусловлена высокой плотностью газов в камере сгорания. Сжатый газ способен к многократному расширению, при этом оказывая значительное воздействие на стенки сопла и создавая тягу. Основное расширение начинается при приближении к скорости звука и продолжается на всем протяжении сверхзвуковой части сопла. Отношение конечной площади к начальной, то есть площади среза сопла и критического сечения, определяется как степень расширения сопла. Насколько возможно расширять (и, соответственно, разгонять) газ внутри сопла? В космосе, из-за низкой плотности потока на срезе сопла, его можно довести до практически полезного значения – пока увеличение тяги от удлинения сопла компенсирует увеличение его массы. Неиспользованное давление сбрасывается в космическое пространство.
На начальном этапе, при запуске с поверхности Земли, атмосфера оказывает давление на сопло, что затрудняет выталкивание газов. Струя выходит из сопла, расширяясь сильнее, чем требуется для уравновешивания с атмосферой, в результате чего ее плотность и давление становятся ниже атмосферных. Такая струя называется перерасширенной, а сопло функционирует в режиме перерасширения. Чем ниже плотность потока на выходе из сопла, тем больше разница давлений с атмосферой и сильнее ее сопротивление струе. Перерасширенная сверхзвуковая струя, благодаря высокой скорости, выходит из сопла, преодолевая давление, равное половине атмосферного, а порой и больше, и начинает тормозиться атмосферой уже за пределами сопла.
Сверхзвуковой поток имеет тенденцию двигаться в область с более высоким давлением. При дальнейшем увеличении перепада давлений атмосферное давление может проникнуть в сопло и начать смещать струю от стенок, что приведет к деактивации этой части сопла. Это приведет к замедлению потока в расширяющемся сечении сопла и не позволит тяге достичь максимума, что соответствует режиму запирания сопла наружным давлением. Зачем же расширять поток на срезе сопла до уровня, ниже атмосферного давления? Потому что ее давление быстро падает с ростом высоты, на которую стремительно поднимается ракета.
На первых пятидесяти километрах вертикального подъема давление атмосферы постепенно снизится до нуля.
Поток, выходящий из сопла, становится плотнее, чем окружающая атмосфера, и выбрасывает избыточное давление, не принося пользы. Сжатый поток, плотнее атмосферы, не полностью расширяется до достижения равновесия с ней. В этом режиме недорасширения он бы сильнее расширился, увеличив тягу. Чтобы минимизировать бесполезный сброс неиспользованного давления из сопла, оптимизируют степень его расширения. То есть рассчитывают параметры таким образом, чтобы интегральные потери за время работы сопла были минимальны, а реактивная сила выполняла наибольшую работу на всем участке полета.
Для обеспечения этого условия, давление на срезе сопла определяется как равное атмосферному на высотах от 8 до 12 км. В этом диапазоне высота позволяет достичь оптимальной работы сопла, поскольку исключает перепады давления относительно атмосферы и, соответственно, связанные с ними потери. Стартовое перерасширение постепенно снижается с увеличением высоты, достигая нуля в оптимальном режиме истечения на отметке 10-12 км. После этого начинается плавное увеличение недорасширения. Таким образом, сопло последовательно проходит через три различных режима функционирования в процессе подъема ракеты. Выбор давления на срезе сопла позволяет минимизировать суммарные потери на всем протяжении полета до момента выключения двигателя.
На второй и третьей ступенях межконтинентальных и космических ракет двигатели запускаются в условиях отсутствия значительного атмосферного давления. В связи с этим расширение их сопел происхо ольшим, чем у первой ступени. Большие степени расширения и у космических ракетных двигателей — орбитального маневрирования, ориентации. Их сверхзвуковые части напоминают большие кубки с маленьким глазком критического сечения.
Разнообразные типы сопел – это как большая семья, каждый член которой обладает уникальными характеристиками и предназначен для решения определенных задач
Критическое сечение может проявляться в разнообразных формах. Традиционные двухворончатые конструкции, передающие поток посредством слияния вершин, способны претерпевать существенные изменения. Щелевое сопло представляет собой плоский канал, характеризующийся сужением и последующим расширением. Сопла с центральным телом могут практически не изменять внешний диаметр; конфигурация канала определяется внутренним центральным элементом. Этот элемент может быть конической или пулевидной формы, и к срезу сопла он переходит в кольцевую критическую зону. Центральное тело допускает значительные вариации, что кардинально меняет внешний вид сопла.
Сопло может включать в себя центральное тело, вокруг которого располагается кольцевая щель. Сжатый поток из этой щели движется по центральному телу, расширяясь по его поверхности. Такая конструкция сопла напоминает направленный назад вогнутый конус. Вогнутость выполняет ту же функцию, что и выпуклость стенки обычного сопла. В отличие от обычного сопла, данное сопло обжимает края расширяющегося потока, создавая ровное течение, в то время как центральное тело формирует выровненную сердцевину потока.
Клиновоздушный двигатель функционирует следующим образом. Его сопло имеет линейную конструкцию: центральное тело, вытянутое горизонтально, формирует перевернутый вниз клин, напоминающий клинок сабли с двумя вогнутыми сторонами, сходящимися к лезвию. Расширение сверхзвукового потока, происходящее на этих рабочих поверхностях, обеспечивает создание тяги. С точки зрения функциональности, эти стороны представляют собой развернутую в линию стенку обычного сопла, которая также создает тягу.
Сверхзвуковой поток, образующийся в небольших камерах сгорания, расположенных в верхней части, обтекает клин сверху вниз. Каждая сторона клина выступает в роли сопла для потока из камер. Атмосфера, обжимая поток сбоку, служит второй стенкой сопла и регулирует его расширение своим давлением. Благодаря этому поток на поверхностях клиновоздушно-клиновидного сопла расширяется оптимальным образом, приспосабливаясь к изменениям атмосферного давления.
Центральная часть может быть сплющена до формы, напоминающей тарелку, и располагаться в глубине сопла, в начале его расширяющейся области. Она будет выглядеть как шляпка гвоздя, не до конца вбитого в середину критического сечения. Пространство под этой шляпкой формирует дозвуковую область сопла. А края сплющенного тела становятся внутренней частью критического сечения. Поток газа распространяется радиально из-под тарелки и изменяет свое направление вокруг ее краев в сторону среза сопла, прижимаясь к стенкам и ускоряясь в сверхзвуковую струю. Тарельчатое сопло значительно короче стандартного, что делает его более легким. Его уникальная газодинамическая характеристика полностью соответствует конструкции сопла Лаваля.
Снижение давления позволяет добиться большей мощности у передовых устройств
Высокое давление обуславливает необходимость применения прочных и массивных стенок камеры сгорания, что легче осуществить в камере небольшого объема. Однако, увеличение размеров конструкции для работы с высоким давлением ведет к росту ее массы. В твердотопливных двигателях весь корпус выполняет функцию камеры сгорания. Поэтому рабочее давление в них ниже, чем в жидкостных ракетных двигателях, и обычно не превышает нескольких десятков атмосфер. Пониженное давление перед соплом влечет за собой меньшую степень расширения сопла и уменьшение диаметра критического сечения. Например, через критическое сечение сопла твердотопливного ускорителя SLS может свободно пройти подросток. При диаметре среза сопла в 3,8 м и критического сечения 1,37 м достигается степень расширения около 7,7. Средний уровень давления в 39 атмосфер не позволяет обеспечить большую степень расширения.
Реактивная сила возникает не только из-за скорости истечения, но и благодаря расходу рабочего тела. Твердотопливные двигатели способны генерировать значительный расход вещества через сопло. В них отсутствует подача топлива, поскольку весь заряд уже находится внутри двигателя и простирается на значительную длину, иногда достигающую десятков метров. Такой массив топлива обладает большой площадью горения, что приводит к большому расходу и, как следствие, к очень высокой реактивной тяге.
Ракетные твердотопливные двигатели являются самыми мощными, когда-либо созданные человеком. К ним относятся ускорители для ракеты-носителя SLS и бывшие ускорители Space Shuttle, модернизированные путем добавления дополнительной топливной секции. Эти ускорители имеют длину 54 метра (что эквивалентно высоте 18-этажного здания), диаметр 3,7 метра и массу 726 тонн. Их тяга достигает 1620 тонн, а расход топлива составляет 6 тонн в секунду. Сопло такого ускорителя на сегодняшний день является самым мощным серийным соплом в мире.
Экспериментальные твердотопливные двигатели демонстрировали еще большую мощность. Двигатель Aerojet AJ-260 SL-1, испытанный в 1965 году, обеспечивал тягу в 1800 тонн, а Aerojet AJ-260 SL-3 должен был генерировать 2670 тонн тяги. Эти двигатели оснащены соплами, которые на сегодняшний день являются самыми мощными соплами Лаваля, разработанными человеком.
Изменение геометрии в камере сгорания для оптимизации тяги
Сопла с незначительным перепадом давления, всего в несколько атмосфер, и минимальным сужением получили широкое применение в авиации и стали ключевым решением для целого ряда двигателей. Поскольку при низком давлении невозможно накопить значительное количество энергии, используется тепловая схема — газ нагревается мощным пламенем керосина.
Форсажные двигатели преимущественно устанавливаются на боевые самолеты. В сверхзвуковом полете они применяют форсаж для уменьшения времени разбега при взлете, ускоренного набора высоты и выполнения сложных маневров. Форсаж — это обеспечивает почти двукратное увеличение тяги, но сопровождается значительным увеличением расхода топлива. Топливо сжигается в общем потоке после турбины, в специальной камере проточной части перед соплом – форсажной камере сгорания. Форсунки этой камеры создают мощную керосиновую горелку, которая нагревает поток воздуха перед соплом до тысячи градусов.
Сопло, как тепловая машина, преобразует избыточное тепло в увеличение скорости.
Такой значительный дополнительный нагрев газа приводит к повышению давления перед соплом. Это приводит к снижению скорости вращения турбины и компрессора, что непосредственно уменьшает подачу воздуха к соплу. Для предотвращения потери тяги двигателя, критическое сечение сопла увеличивается, позволяя сбрасывать избыточное давление. Это осуществляется с помощью полутора десятков подвижных створок. Литые пластины трапециевидной формы, изготовленные из жаростойкой и жаропрочной стали (это различные свойства), располагаются внахлест, напоминая чешую или черепицу, формируя рабочую поверхность сопла. Синхронно перемещаясь с помощью гидроцилиндров, они изменяют внутреннее сужение, одновременно корректируя срез сопла. Благодаря такой регулируемой конструкции, сопло поддерживает оптимальное расширение газа и адаптируется к режиму работы двигателя, что позволяет существенно повысить тягу при использовании форсажа. А после отключения форсажа створки сопла возвращаются в исходное положение, уменьшая критическое сечение и размер среза сопла.
Сопло Лаваля находит применение в широком спектре реактивных систем. Оно используется в различных типах ракет, предназначенных для полетов в космическом пространстве и атмосфере — от межконтинентальных и зенитных до противотанковых, а также в снарядах залпового огня, реактивных гранатах и множестве других летающих аппаратов. Существуют также реактивные пули, отличающиеся разнообразием конструкций, такие как экспериментальные подводные пули для подводного автомата АПС, напоминающие толстые зеленые спицы с реактивным двигателем диаметром 5,45 мм. Или вращающиеся пули-ракеты «Gyrojet» диаметром 12,7 мм (полудюйм), оснащенные четырьмя малыми косыми соплами, проходившие испытания во Вьетнаме в начале 1970-х годов в сочетании со специально разработанным пистолетом. Это были самые компактные боевые ракеты, когда-либо созданные.
Сопловой блок может включать в себя один канал, несколько каналов или даже десятки сопел. Параметры сопел, такие как размеры, форма, количество, расположение, наклон, тяга и назначение, варьируются в очень широком диапазоне. Реактивные сопла используются для отвода катапультируемого кресла летчика от самолета, для мягкой посадки десантируемой техники и спускаемых аппаратов, для разгона осветительных ракет и сигнальных устройств, для снижения отдачи безоткатных орудий, для забрасывания детонационных шнуров при разминировании, для увода стартовых бугелей при шахтном пуске межконтинентальных баллистических ракет, и для решения множества других задач, основанных на использовании реактивной тяги.
Нереактивные сопла
Практически повсеместно при использовании сопла Лаваля создается сверхзвуковой поток. В турбинах щелевые сопла Лаваля применяются для ускорения потока и его направления к лопаткам ротора. В сверхзвуковых реактивных турбинах каналы между лопатками подвижного диска также выполняют функцию щелевых сопел Лаваля, обеспечивая разгон газа до сверхзвуковой скорости. Две соседние лопатки формируют своими поверхностями канал плоского сопла Лаваля, имеющего обратный изгиб. В этом канале поток ускоряется и направляется в противоположную движению, что создает реактивную силу, воздействующую на лопатки. Сверхзвуковые турбины находят применение в авиации и космонавтике, наземной технике и мореходстве, энергетике и при добыче энергоресурсов.
Сверхзвуковой поток используется для измельчения материала, что позволяет создать тонкую мельницу. Сыпучий материал подается в сверхзвуковую струю, где он захватывается и ускоряется. Затем он разбивается о твердую преграду, ударяясь о нее со скоростью, достигающей сотен метров в секунду. Благодаря высокой чистоте измельчения, возникающей из-за самоколебания материала при контакте с преградой, возможно измельчение медикаментов и химикатов высокой степени очистки.
Для изучения аэродинамических процессов также применяют сверхзвуковые аэродинамические трубы, в которых используется сопло Лаваля. Наиболее часто встречающимся типом является баллонная труба. В просторном помещении располагаются два или три ряда массивных стальных баллонов, достигающих двухэтажной высоты, с надстройкой второго этажа (чтобы обеспечить доступ к верхней части баллонов при необходимости). За два дня до начала продувки баллоны непрерывно наполняют воздухом, сопровождаемым шумом и вибрацией компрессора. В процессе сжатия воздух нагревает стенки баллонов до температур, превышающих сотню атмосфер, после чего они остывают в течение ночи.
Продувка осуществляется в изолированном боксе с дверью из стали. Вся масса воздуха, накопленная в баллонах, выпускается за тридцать секунд. Сопло преобразует сжатый воздух из баллонов в поток, движущийся со сверхзвуковой скоростью в рабочей части трубы. Труба небольшого сечения состоит из прочных стальных элементов, которые удерживают поток, обтекающий модель. Расширение потока приводит к симуляции полета на большой высоте с низкими температурами, при этом температура в рабочей части падает до минус 80 градусов. Число Маха потока в трубе может превышать 5, что позволяет классифицировать ее как гиперзвуковую.
В одном из московских вузов, двор которого отличался большим размером, но сложной планировкой, в одном из его укромных уголков стояла решетчатая будка, напоминающая киоск. Выходы аудиторий кафедры английского языка были ориентированы на эту часть двора. Занятия раз в неделю прерывались на полминуты из-за мощного грохота, который полностью подавлял любые попытки речи преподавателей и студентов. Решетчатая будка маскировала выпускное отверстие сверхзвуковой трубы, расположенной в этом вузе, и во время ее продувки затапливала двор шумом. Таким образом, сверхзвуковая аэродинамика оказывала влияние на все области знаний, аудитории которых выходили к этой будке.
Необходимо спроектировать сопло, обеспечивающее заданное число Маха при определенном расходе. Людвиг Прандтль, пионер сверхзвуковых расчетов и основоположник сверхзвуковой аэрогазодинамики, разработал метод расчета сверхзвуковых сопел. В 1909 году он создал в Геттингене, где работал, первую в мире сверхзвуковую трубу. В настоящее время расчет сопел выполняется на основе его метода.
На основе расчетов возможно профилирование сопла. Профиль представляет собой отклонение формы сопла от простой конической, определяя его точную геометрию. В критическом сечении наблюдается наиболее значительное расширение газа, после чего необходимо обеспечить быстрое увеличение объема для дальнейшего расширения. Стенки сопла в этой области резко расходятся, формируя расширяющийся раструб. В завершающей части сопла, после завершения процесса расширения, поток направляется цилиндрическим краем, формируя почти параллельную струю.
Выпуклость сопла, обусловленная переходом от быстро расширяющейся области к почти цилиндрическому краю, придает ему форму, напоминающую бокал или колокол. Такая конструкция и есть профилированное сопло. Правильно подобранная кривизна стенок позволяет оптимально расширить газ, обеспечивая максимальное ускорение потока при минимальной длине сопла. Это обеспечивает снижение массы, уменьшение площади поверхности охлаждения, снижение объема используемого материала и затрат на обработку, а также снижение стоимости. Именно поэтому практически все современные сопла имеют профилированную форму. Их профиль рассчитывается на основе заданных параметров исходного газа и требуемого потока, что позволяет создать оптимальную кривизну для сверхзвукового потока.
Потенциальный прорыв в области многоразового использования ракет
Использование сопла может стать ключевым фактором для достижения полной многоразовости ракет-носителей. Возврат на Землю второй ступени ракеты затруднен из-за ее высокой орбитальной скорости. При входе в атмосферу на такой скорости температура потока, воздействующего на ступень, может достигать нескольких тысяч градусов.
Можно спроектировать сопло, охватывающее всю нижнюю поверхность ступени. В этом случае его поверхность, не подверженная воздействию высоких температур, сможет выполнять функцию теплозащитного экрана. При этом металлическое сопло будет активно охлаждаться топливным компонентом, циркулирующим по каналам в его стенках. Истекающий без сгорания через сопло компонент будет вытеснять горячий поток ударно сжатого воздуха от торца ступени. Охлаждаемый край сопла может быть интегрирован в конструкцию края стенки ступени. Таким образом, стратегическая интеграция сопла в основание ступени позволит ему решать две задачи последовательно: создание тяги и тепловая защита ступени при входе в атмосферу. Возможно, это приведет к формированию нового типа – реактивно-теплозащитного сопла.
Благодаря этой конструкции сопло, помимо разгона потока, будет выполнять функцию теплозащиты, что увеличит его полезность.
Потребуется значительное количество расчетов для определения оптимальной конструкции, пригодной для решения обеих задач. При большом диаметре сопла традиционная вытянутая сверхзвуковая форма становится излишне громоздкой и тяжелой. Сопло с центральным телом или тарельчатое сопло окажутся значительно легче. Их меньшая площадь потребует меньшего количества охлаждения, которое можно будет использовать для охлаждения прилегающих стенок ступени. Оценку целесообразности таких решений предоставит расчет конкретных проектов.
В 2020 году американская компания Stoke Space Technologies получила два гранта в рамках программы SBIR (Small Business Innovation Research), направленной на поддержку исследований и инноваций в малом бизнесе. Данная программа предоставляет помощь малым предприятиям со стороны правительства США для проведения научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ (R&D). Возглавляет команду из девяти человек, основатель и директор Stoke, Энди Лапса, который в течение десяти лет занимался разработкой двигателей в Blue Origin. Сейчас его команда работает над созданием двигателя для возвращаемой верхней ступени.
Грант SBIR на 225 тысяч долларов выдал Национальный научный фонд (National Science Foundation), на «интегрированное силовое решение для верхней ступени многоразового использования». В резюме гранта «предлагается разработать новую технологию, позволяющую космическим ракетам-носителям возвращаться в атмосферу и совершать посадку в заданной точке с повторным использованием. Технические вызовы включают сочетание высокоэффективной силовой установки, надежной тепловой защиты и небольшой массы конструкции». Рассматривается «новое техническое решение, сочетающее основные характеристики ступени с эффективностью отдельной системы (система охлаждения предназначена для поддержания оптимальной рабочей температуры компонентов. Она обеспечивает эффективное отведение тепла, предотвращая перегрев и обеспечивая стабильную работу оборудования. Принцип действия системы основан на циркуляции охлаждающей жидкости, которая забирает тепло от нагретых элементов и отводит его в радиатор, где происходит теплообмен с окружающей средой. Эффективность системы охлаждения напрямую влияет на производительность и долговечность устройств) , что обеспечивает возможность повторного использования второй ступени».
Еще один грант SBIR на сумму 125 тысяч долларов получен от НАСА на «новую конфигурацию ракетного двигателя для разгонных ступеней и планетарных посадочных модулей». Резюме гранта говорит о «новой геометрии сопла ракеты, которая ранее не рассматривалась и на которой сосредоточены усилия первой фазы. Сопло обеспечивает большую степень расширения при габаритах в десять раз короче традиционных сопел формы колокола, 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 характеристик сопла и изготовление оборудования для испытаний параметров».
Успех усилий Stoke покажет время. Однако, формулировка поставленных задач свидетельствует о необходимости значительного прогресса в области многоразовых ступеней. И сопло представляется потенциально важным элементом для достижения полной многоразовости ракет.