Wedge-air-rakettimoottori (lyhennettynä KVRD , englantilainen aerospike engine, aerospike ) on nestemäistä polttoainetta käyttävien rakettimoottorien ( LRE ) tyyppi, jossa on kiilamainen suutin , joka säilyttää aerodynaamisen tehokkuuden useilla eri korkeuksilla maan pinnan yläpuolella. ilmakehän paine . KVRD kuuluu rakettimoottorien luokkaan , jonka suuttimet pystyvätmuuttaa ulosvirtaavan kaasusuihkun painetta riippuen ilmakehän paineen muutoksesta lentokorkeuden kasvaessa. Tämäntyyppisellä suuttimella varustettu moottori kuluttaa 25-30 % vähemmän polttoainetta matalilla korkeuksilla, joissa yleensä tarvitaan eniten työntövoimaa . Kiilapotkurit on tutkittu pitkään päävaihtoehtona yksivaiheisissa avaruusjärjestelmissä (OSS), eli rakettijärjestelmissä, jotka käyttävät vain yhtä vaihetta hyötykuormien kuljettamiseen kiertoradalle. Tämän tyyppiset moottorit olivat vakava haastaja käytettäväksi avaruussukkulan päämoottoreina sen luomisen aikana [ k. 1] . Vuodesta 2012 lähtien ei kuitenkaan ole käytetty tai valmistettu yhtäkään tämäntyyppistä moottoria [1] . Menestyneimmät vaihtoehdot ovat kehitysvaiheessa.
Minkä tahansa suuttimen päätarkoitus on ohjata tehokkaasti rakettimoottorin pakokaasujen virtaus yhteen suuntaan. Pakokaasulla - korkean lämpötilan kaasuseoksella - on polttokammiossa liikemäärän satunnainen jakautuminen ja jos sen annetaan poistua tässä muodossa, vain pieni osa virtauksesta ohjataan oikeaan suuntaan työntövoiman luomiseksi. Rakettimoottorin kellomainen suutin rajoittaa kaasun liikettä sivuilla luoden lisääntyneen paineen alueen, jonka alapuolella on alennetun paineen alue, mikä normalisoi virtauksen haluttuun suuntaan. Huolellisella suunnittelulla saavutetaan suuttimen laajenemisaste, joka mahdollistaa suihkun liikkeen lähes täydellisen muuntamisen haluttuun suuntaan moottorin takana maksimoen työntövoiman. Perinteisen suutinrakenteen ongelmana on, että myös ulkoilman paine rajoittaa kaasun virtausta. Millä tahansa korkeudella Maan pinnan yläpuolella erilaisilla ilmanpaineilla , suutin voidaan suunnitella lähes täydellisesti, mutta sama muoto on vähemmän tehokas eri korkeuksilla eri ilmanpaineilla. Siten, kun tehosteraketti nousee ilmakehän läpi, sen moottoreiden hyötysuhde yhdessä työntövoiman kanssa käy läpi merkittäviä muutoksia, jotka saavuttavat 30 %. Esimerkiksi avaruussukkulan MTKK:n RS-24- moottorit voivat tuottaa työntövoimaa kaasusuihkun nopeudella 4525 m/s tyhjiössä ja 3630 m/s merenpinnan tasolla. Moottorin suuttimen suunnittelu on erittäin tärkeä osa rakettijärjestelmien rakentamista.
Kiilailmamoottorin suunnittelussa tehokkuusongelma eri korkeuksilla ratkaistaan seuraavasti: yhden suuttimen keskellä olevan pienen reiän muodossa olevan pakopisteen sijaan käytetään kiilan muotoista ulkonemaa, jonka ympärille on asennettu sarja polttokammioita. Kiila muodostaa virtuaalisen suuttimen toisen puolen, kun taas toinen puoli muodostuu lennon aikana kulkevasta ilmavirrasta. Tämä selittää sen alkuperäisen nimen "aerospike engine" ( englanniksi aerospike engine , "air-wedge engine").
Tämän suunnittelun perusideana on, että matalalla ilmakehän paine painaa pakokaasua ulkonevaa kiilaa vasten. Kiilan pohjassa oleva kierrätys nostaa sitten paineen ympäröivään ilmakehään. Tämän rakenteen ansiosta työntövoima ei saavuta suuria mahdollisia arvoja, mutta ei myöskään kärsi merkittävästä pudotuksesta, joka tapahtuu perinteisen suuttimen pohjalla osittaisen tyhjiön vuoksi. Ajoneuvon noustessa korkeammalle, ympäristön paine, joka pidättelee moottorin suihkuvirtausta, laskee, kun taas paine laskee moottorin yläosassa, mikä pitää sen hyötysuhteen ennallaan. Lisäksi huolimatta siitä, että ympäristön paine putoaa lähes nollaan, kierrätysvyöhyke ylläpitää painetta kiilan pohjassa arvoihin, jotka ovat verrattavissa ilmakehän paineeseen lähellä maan pintaa, kun taas kiilan yläosa on käytännössä tyhjiössä. Tämä luo lisätyöntövoimaa korkeuden kasvaessa, mikä kompensoi ympäristön paineen laskua. Yleensä vaikutus on verrattavissa perinteiseen suuttimeen, jolla on kyky laajentua korkeuden kasvaessa. Teoriassa kiilailmamoottori on jonkin verran vähemmän tehokas kuin perinteinen tietylle korkeudelle suunniteltu suutin ja tehokkaampi kuin perinteinen suutin, joka on suunniteltu tietylle korkeudelle.
Tämän rakenteen haittana on keskireunan suuri paino ja ylimääräiset jäähdytysvaatimukset, jotka johtuvat suuremmasta lämmölle altistuvasta pinnasta. Myös suuri jäähdytetty pinta-ala voi vähentää teoreettisia suuttimen paineita. Lisäksi negatiivinen tekijä on tällaisen järjestelmän suhteellisen heikko suorituskyky 1-3 M nopeuksilla . Tässä tapauksessa ilma-aluksen takana olevan ilmavirran paine on alennettu, mikä vähentää työntövoimaa [2] .
Tästä mallista on useita muunnelmia, jotka eroavat muodoltaan. "Toroidikiilassa" keskiosa on kapenevan kartion muotoinen, jonka reunoja pitkin tapahtuu samankeskinen reaktiivisten kaasujen vapautuminen. Teoriassa tämä rakenne vaatii äärettömän pitkän keskiharjan parhaan suorituskyvyn saavuttamiseksi, mutta pakokaasuosan käyttäminen säteittäis-sivusuunnassa mahdollistaa hyväksyttävien tulosten saavuttamisen.
"Litteä kiila" -mallissa keskiuloke koostuu keskilevystä, joka on suippeneva päästä ja jossa on kaksi suihkuvirtaa, jotka leviävät levyn ulkopinnoille. Tätä vaihtoehtoa voidaan pidentää keskikiilan pituuden mukaan. Myös tässä tapauksessa on laajennettu ohjausmahdollisuus muuttamalla minkä tahansa linjaan asennetun moottorin työntövoimaa.
1960-luvulla Rocketdyne teki laajan testauksen eri muunnelmilla. Näiden moottoreiden myöhemmät versiot perustuivat erittäin luotettavaan J-2- rakettimoottoriin (Rocketdyne) ja ne tarjosivat suunnilleen saman työntövoiman kuin ne moottorit, joihin ne perustuivat, pystyivät tarjoamaan: J-2T-200k- rakettimoottorin työntövoima oli 90,8 tf ( 890 kN ) ja J-2T-250k rakettimoottorin työntövoima oli 112,2 tf (1,1 MN) (moottorin nimessä oleva kirjain "T" tarkoittaa toroidista polttokammiota). Kolmekymmentä vuotta myöhemmin heidän töitään käytettiin jälleen NASA X-33 -projektissa . Tässä tapauksessa hieman muunneltua J-2S- rakettimoottoria käytettiin rakettimoottorin litteässä versiossa, jota kutsuttiin XRS-2200:ksi . Jatkokehityksen ja testiohjelman jälkeen projekti hylättiin X-33:n komposiittipolttoainesäiliöiden ratkaisemattomien ongelmien vuoksi.
X-33-projektin aikana rakennettiin kolme XRS-2200-moottoria, jotka läpäisivät avaruuskeskuksen testiohjelman . Stennis NASA. Yhden moottorin testaus onnistui, mutta ohjelma keskeytettiin ennen toisen moottorin testialustan valmistumista. XRS-2200 LRE merenpinnalla tuottaa työntövoiman 92,7 tf (909,3 kN) ja sen ominaisimpulssi on 339 s, tyhjiössä työntövoima on 120,8 tf (1,2 MN), ominaisimpulssi on 436,5 s.
XRS-2200:n suurempi versio, RS-2200- rakettimoottori , suunniteltiin yksivaiheiselle VentureStar ( Lockheed Martin ) -avaruuslentokoneelle. Uusimmassa versiossaan seitsemän RS-2200:aa, joista jokaisella on 245,8 tf (2,4 MN) työntövoima, kuljettaisi VentureStarin matalalle vertailukiertoradalle . Tämän projektin kehittäminen lopetettiin virallisesti vuoden 2001 alussa, kun X-33-ohjelma ei saanut rahoitusta Space Launch Initiativesta.". Lockheed Martin on tehnyt päätöksen olla jatkamatta VentureStarin kehittämistä ilman NASA:n taloudellista tukea.
Vaikka X-33-ohjelman peruuttaminen otti askeleen taaksepäin kiilailmamoottoreiden kehityksessä , heidän tarinansa ei lopu siihen. Mojaven . Yliopisto-opiskelijat kehittivät Prospector 2 -raketin käyttämällä 448,7 kgf (4,4 kN) työntövoimaa. Tämä työ kiilailmamoottoreilla ei lopu - Prospector 10 -rakettia 10-kammioisella KVRD:llä testattiin 25. kesäkuuta 2008. [3] Maaliskuussa 2004 NASAn lentotutkimuskeskuksessa suoritettiin kaksi onnistunutta testiä . Dryden (Base Edwards , USA) pienikokoisilla kiinteillä raketteilla toroidimoottoreilla, jotka saavuttivat 1,1 Machin nopeuden ja 7,5 km:n korkeuden. Muita pienikokoisten kiilailmarakettimoottoreiden malleja kehitetään ja testataan.
Heinäkuussa 2014 Firefly Space Systems ilmoitti, että sen uusi Firefly Alpha -kantoraketti käyttäisi ensimmäisessä vaiheessa kiilailmamoottoria. Koska tämä malli on tarkoitettu pienten satelliittien laukaisumarkkinoille, raketti laukaisee satelliitteja matalalle Maan kiertoradalle hintaan 8-9 miljoonaa dollaria laukaisua kohden. Firefly Alpha on suunniteltu nostamaan 400 kg hyötykuormaa kiertoradalle. Raketin suunnittelussa käytetään komposiittimateriaaleja, mukaan lukien hiilikuitu. Raketissa käytetyn kiilailmamoottorin työntövoima on 40,8 tf (400 kN) [4] [5] .
Lineaarisen LRE RS-2200:n testit
Wedge-Air Engine Kalifornian osavaltion yliopistossa