موشک ها با گرفتن یک گاز فشار بالا با مولکول هایی که در همه جهات حرکت می کنند و این فشار را به جریانی با سرعت بالا در یک جهت بسیار خاص تبدیل می کنند، کار می کنند و اگر همه چیز به آرامی پیش برود، جهت جریان دقیقاً خلاف جهت موشک است. اشاره می کند…
موتور هوا اسپایک نوعی موتور موشک است که کارایی آیرودینامیکی خود را در محدوده وسیعی از ارتفاعات حفظ می کند. این موتور به کلاس موتورهای نازل جبران کننده ارتفاع تعلق دارد.مزایا و معایب استفاده از نازل آئروسپیک: نازل هوا اسپایک در مجموع 90 درصد عملکرد بهتری نسبت به نازل زنگی معمولی دارد. راندمان در ارتفاعات پایین بسیار بالاتر است زیرا فشار اتمسفر انبساط گاز خروجی را محدود می کندنحوه عملکرد Aerospikes
خوب، بنابراین شما واقعا نمی توانید یک موتور بهینه سازی شده با خلاء را در سطح دریا روشن کنید... و واقعاً اینجاست که اسپک های هوا وارد می شوند. ایده پشت اسپک های هوا این است که شما اجازه می دهید فشار هوای محیط در واقع دیواره های حاوی جریان اگزوز را تشکیل دهد. بنابراین همیشه در هر ارتفاعی در شرایط تقریبا ایده آل است. و نه تنها موتور خود را با روشن کردن آن در سطح دریا نابود نمی کنید، بلکه در واقع عملکرد بسیار خوبی خواهد داشت!
و باز هم، می دانم که به نظر نمی رسد، زیرا چیزی است که ما به آن عادت کرده ایم، اما در سطح دریا، در واقع هوای افتضاحی در اطراف ما وجود دارد. و تا زمانی که هوا را از چیزی خارج نکنید و نبینید که اتمسفر واقعاً چقدر نیرو می تواند اعمال کند، واقعاً متوجه نمی شوید که چقدر نیرو اعمال می کند.
فشار هوای محیطی که سطح دریا را فشرده می کند
بنابراین با یک اسپایک هوا، گلوی محفظه یا محفظه های احتراق گاز خروجی را به سمت چیزی هدایت می کند که اساساً فقط یک تکه از یک زنگ سنتی است. هنگامی که موتور در سطح دریا قرار دارد، هوای محیطی با فشار بالاتر، اگزوز فشار کمتری را به دیوار فشار می دهد. به جای فشار هوای محیط به داخل اگزوز و فشار دادن آن از دیواره نازل، هوای محیط اگزوز را بیشتر به دیواره نازل فشار می دهد که جداسازی جریان را از نظر فیزیکی غیرممکن می کند.
همانطور که وسیله نقلیه در ارتفاع بالا می رود، فشار محیط کاهش می یابد و فشار روی جریان اگزوز کاهش می یابد. این اساسا باعث می شود که دیواری که اگزوز را نگه می دارد رشد کند و نسبت انبساط آن با ارتفاع تغییر کند. بنابراین واقعاً هوا یا کمبود هوا، دیواره بیرونی اسپکهای هوا را تشکیل میدهد و به دلیل نازکتر و نازکتر شدن جو با افزایش ارتفاع موشک، نازل مجازی در واقع با افزایش ارتفاع رشد میکند. اما هنوز نسبت انبساط برای موتورهای هواپایه وجود دارد. این بر اساس طول خود سنبله است. اگزوز باید در برابر سنبله شکل بگیرد و پس از از بین رفتن، اگزوز خارج از آن در خلاء مانند یک زنگ سنتی منبسط می شود.
بیشتر کانسپتهای هواپایه دارای یک پایه صاف در پایین یا یک سنبله کوتاه هستند که اگزوز توربین را میگیرد و آن را از طریق مبدل حرارتی عبور میدهد و در پی موشک یک ناحیه فشار ایجاد میکند که در واقع کمی نیروی رانش اضافی را به داخل اضافه میکند. ارتفاعات بالاتر، کمک بیشتر به صفات آن سودمند است.
برای ساختن یک موتور هواپایه، به یک محفظه احتراق با شکل متفاوت نسبت به یک محفظه سنتی یا چند محفظه نیاز دارید که شکل منحصر به فرد مورد نیاز برای ساخت یک اسپایک هوا را تشکیل می دهد. دو نوع اصلی از اسپایک های هوا وجود دارد. هوا اسپایک حلقوی و هوا اسپایک خطی وجود دارد.
با اسپایک هوای حلقوی، محفظه احتراق مانند یک دونات است و گلو دهانه ای است که به سمت داخل به سمت یک سنبله است.
یک آئروسپیک خطی دارای ردیفهایی از محفظههای احتراق است که همگی به یک سطح شیبدار گوهای مسطحتر اشاره میکنند و حداقل دو طرف دارند، و اگزوز در انتهای آن به یکدیگر برخورد میکنند.
بیشتر موشکهای مفهومی که از یک موتور هواپایه استفاده میکنند، یک مرحلهای برای گردش در مدار هستند، یعنی موشکی که فقط یک مرحله است و مستقیماً از سطح دریا به مدار میرود و هیچ رویداد جدایی ندارد. اکنون من قبلاً مقالهای در مورد اینکه چرا SSTOها مکنده هستند، انجام دادهام، و به من اعتماد کنید، آنها فوقالعاده باحال هستند، مانند بله، من آن را میخواهم و شاید روزی آن را داشته باشیم، اما فیزیک به سادگی حکم میکند که استفادههای بهتری از موشکها وجود دارد. .
به هر حال، اگر کلید استفاده مجدد است، قرار ندادن کل وسیله نقلیه در معرض تنبیه نیروهای ورود مجدد مکان خوبی برای شروع است، به همین دلیل است که می بینیم مفاهیم کاملاً قابل استفاده مجدد مانند استارشیپ اسپیس ایکس، وسایل نقلیه چند مرحله ای عظیم هستند. اما آئروسپیک روش بسیار خوبی برای انجام یک مرحله تک مرحله ای برای چرخش راکت است، زیرا اساساً می توانید از یک موتور بهینه سازی خلاء در سطح دریا استفاده کنید و نه تنها منفجر نمی شود، بلکه در سطح دریا نیز مانند دریا عمل می کند. موتور موشک بهینه شده سطح
از نظر ریاضی، اینجاست که یک آئروسپایک کار میتواند تقریباً ظرفیت محموله یک SSTO را در مقایسه با یک موتور نازل نازل خوب تقریباً دو برابر کند، اما بیشتر در مورد آن بعداً بررسی خواهیم کرد که آیا واقعاً یک آئروسپایک حتی برای SSTO بهترین گزینه است یا خیر. .او با Aerospikes مشکل دارد
خوب، پس به غیر از SSTO، به طور کلی، اگر هواکش ها بسیار عالی هستند، چرا در هر موشکی استفاده نمی شود؟ مخصوصاً در اولین مراحل که وسیله نقلیه از سطح دریا به شرایط خلاء تبدیل می شود.
خوب، دو مشکل اصلی وجود دارد که آئروسپیک ها را آزار می دهد. وزن و گرما. بیایید با گرما شروع کنیم زیرا در واقع شاید بزرگترین مشکل باشد و به عملکرد کمتر از ایده آل و وزن اضافی کمک می کند.
درست است، علیرغم اینکه به نظر می رسد کمتر برای خنک کردن وجود دارد، یک موتور هوا اسپایک در واقع زمان سنجی وحشتناکی دارد. از این گذشته، یک موتور موشک اساساً فقط گازهای خروجی اگزوز را تا جایی که می توانید داغ و با فشار بالا دریافت می کند و در نهایت باعث می شود همه آن در یک جهت حرکت کند بدون اینکه موتور سعی کند آن را مهار و هدایت کند. و ذوب شدن موتور، خوب، به این معنی است که دیگر موتور ندارید. و به محض اینکه موشک شما دیگر موتوری در حال کار نداشته باشد، تمایل دارد با عجله به زمین برگردد.
شکست آنتارس
روش اصلی اکثر موتورهای موشکی با سوخت مایع، از طریق فرآیندی است که به عنوان خنک کننده احیا کننده شناخته می شود. اینجاست که سوخت مایع در واقع از طریق دیوارههای محفظه احتراق و معمولاً بیشتر نازلها به منظور خنک کردن آنها لوله میشود.
خنک کننده احیا کننده
همچنین ترفندهای دیگری نیز وجود دارد که موتورهای موشک برای جلوگیری از ذوب شدن خود انجام می دهند. خنک کننده فیلم با سوخت یا اگزوز، خنک کننده فرسوده و حتی خنک کننده تابشی وجود دارد.
خنک کننده فرسایشی، مانند سپرهای حرارتی، جایی است که به قطعات اجازه تصعید یا فرسایش داده می شود و با انجام این کار، گرما را با خود می گیرند. یک مثال خوب از این موتور RS-68 است که نیروی دلتا IV هوی ULA را تامین می کند و موتور دلتا IV که اکنون بازنشسته شده است را تامین می کند. اگرچه مانند شاتل فضایی با هیدروژن مایع کار می کند، اگزوز آن مانند اگزوز موتور اصلی شاتل فضایی واضح نیست. در عوض، این درخشش نارنجی را دارد. این در واقع از نازل کامپوزیتی است که از گرافیت برای جدا کردن و گرفتن گرما با آن استفاده می کرد. این در موتورهای موشکی مدرن با سوخت مایع کمی کمتر رایج است، و البته اگر قصد استفاده مجدد از موتور خود را دارید، انتخاب خوبی نیست زیرا احتمالاً در طول پرواز بیشتر آن سوخته است.
خنک کننده فرسایشی سنگین دلتا IV
خنکسازی فیلم میتواند با تزریق سوخت اضافی در داخل محفظه احتراق در امتداد دیوارها برای خنکتر نگه داشتن آن نواحی، با پمپاژ اگزوز خنکتر در امتداد نازل یا هر دو شکل به خود بگیرد. ما قبلاً در مقاله خود در مورد موتورهای رپتور به اگزوز ژنراتور گاز اشاره کرده بودیم، اما اگزوز یک ژنراتور گازی یا پیش سوز نسبتاً خنک است زیرا باید دمای کافی پایینی داشته باشد تا توربین در معرض آن دوام بیاورد.
خیلی عجیب است که فکر کنید می توانید اگزوز داغ مانند 1000 درجه سانتیگراد بردارید، آن را با گاز اگزوز داغتر مانند حدود 2500 درجه سانتیگراد مخلوط کنید، و در واقع جایی بین این دو دما خواهد بود. مغز گنگ من تمایل دارد فکر کند که دما مجموع این دو خواهد بود و میانگین آن دو نیست. یک گاز واقعا داغ بگیرید، یک گاز بسیار داغ اضافه کنید و به SUPER داغ نمیشود.من در حال تحصیل در رشته مهندسی هوافضا هستم پس فهمش راحتره
این گاز خروجی کولر به نازل یا معمولاً امتداد نازل کمک می کند تا با گاز خنک تری نسبت به تماس با اگزوز محفظه احتراق اصلی در تماس باشد. شما می توانید این مورد را در موتور F-1 که نیروبخش Saturn V و همچنین موتور Merlin 1D Vacuum استفاده می کند، مشاهده کنید. و با نگاهی به خلاء Merlin 1D، میتوانید رگههایی را در نازل آلیاژ نیوبیوم آن مشاهده کنید که به صورت تشعشعی خنک میشود، اما اگزوز ژنراتور گاز را نیز میگیرد و از آن برای خنک کردن نازل استفاده میکند. رگه ها از باله های کوچک داخل منیفولد اگزوز هستند که ساختار را حفظ می کنند.
رگه های وکیوم مرلین 1D
نکته جانبی، من قبلاً فکر میکردم این رگهها از انژکتور سوزنی هستند، اما بیایید بفهمیم، این رگهها از مهاربندهای پشتیبانی منیفولد اگزوز است که با خنککننده فیلم تعامل دارند.
راه دیگر برای خنک نگه داشتن دیواره های محفظه احتراق و نازل این است که انژکتورهای سوخت اضافی در امتداد محیط صفحه انژکتور خود داشته باشید. صفحه انژکتور به طور کلی تمام بالای محفظه احتراق است و جایی است که سوخت و اکسید کننده مخلوط می شوند، امیدوارم واقعاً خوب باشد و احتراق اولیه در آن رخ می دهد. من به زودی در اینجا یک بررسی عمیق در مورد انژکتورها انجام خواهم داد، اما در حال حاضر، فقط بدانید که به طور کلی آنها به مقدار از پیش تعیین شده سوخت و اکسید کننده مخلوط می شوند که عملکرد و گرما را متعادل می کند. هر چه سوخت و اکسید کننده از نسبت ایده آل خود دورتر باشند، احتراق خنک تر خواهد بود.
موتور موشک خنک کننده فیلم
از آنجایی که اکسیژن مولکول سنگینتری نسبت به بسیاری از سوختها است و نمیتوان آن را به سرعت یک مولکول سوخت سبکتر شتاب داد، موتورها تمایل دارند زمانی که نیاز به کاهش دمای اگزوز دارند، سوخت غنیتری داشته باشند. و به منظور خنک کردن موضعی محیط بیرونی یک محفظه احتراق که در آن اگزوز در تماس با دیوارههای محفظه قرار میگیرد، میتوانید چند انژکتور سوخت دیگر اضافه کنید تا یک لایه اگزوز غنی از سوخت وجود داشته باشد.
که با دیوارها در تماس است
گلو دیواره های موتور موشک خنک کننده احیا کننده
مشکل سازترین قسمت موتور موشک گلو است. این جایی است که (گرمای جذب شده توسط دیواره نازل بالاترین) دمای اگزوز بالاترین میزان است. خوشبختانه، این اگزوز با دمای بالا فقط با مقدار کمی از سطح در تماس است، و با مقدار محدودی از سوخت خنک که از طریق دیواره ها پمپ می شود، تنها یک منطقه کوچک در تماس با گاز داغ خروجی چیز خوبی است. . این نسبت به آنچه ما معمولاً در زندگی با آن سر و کار داریم عقب مانده است. اگر میخواهید چیزی را خنک کنید، معمولاً میخواهید یک سطح بزرگ برای تابش گرمای زیادی مانند رادیاتور روی ماشین، اما این چیزی نیست که اینجا اتفاق میافتد، ما یک منبع گرما داریم و هر چیزی را که لمس کند ذوب میشود. .
در مورد آن فکر کنید، مثل اینکه اگر شما آتش سوزی داغی دارید و یک شلنگ باغچه کار می کند تا سعی کنید موادی را که در آن آتش گذاشته اید از ذوب شدن حفظ کنید. یک میله فلزی را کمی در آن بچسبانید، شیلنگ احتمالاً در جلوگیری از ذوب شدن میله به خوبی عمل می کند، اما همانطور که بیشتر و بیشتر از آن میله را در آتش قرار می دهید، در نهایت شلنگ قادر به انجام وظیفه نخواهد بود. جلوگیری از ذوب شدن میلهینجاست که یک موتور بزرگتر در واقع مزیت بزرگی نسبت به یک موتور کوچک دارد. حجم موتور و در نتیجه مقدار پیشرانه در هر ثانیه در موتور به اندازه مکعب شعاع موتور افزایش مییابد، اما سطح سطحی که باید خنک شود فقط به اندازه شعاع مربع افزایش مییابد، بنابراین موتورهای موشکی بزرگتر دارای پیشران بسیار بیشتر برای خنک کردن فقط سطح کمی بیشتر.
قطر گلوی موتور در مقابل قانون مکعب مربع ناحیه گلو
بیایید اعدادی را در اینجا بسازیم، بگوییم نسبت ها یکسان است، اما یک موتور دارای قطر گلویی 50 میلی متر و یکی 100 میلی متر است. این موتور با قطر گلوگاه 50 میلیمتر دارای مساحت 1963 میلیمتر مربع و دور آن 157 میلیمتر خواهد بود. این موتور با قطر گلوگاه 100 میلی متر مساحت 7854 میلی متر مربع و محیط آن تنها 314 میلی متر خواهد بود. به عبارت دیگر، موتور گلویی 100 میلی متری می تواند 4 برابر بیشتر اگزوز جریان دهد در حالی که تنها نیاز به خنک کردن دو برابر مساحت سطح دارد.
اما صبر کنید، هنوز دو برابر بیشتر از مقدار خنککننده است، درست است؟... اما حدس بزنید چه میشود، اگر چهار برابر بیشتر اگزوز از گلو عبور میکنید، به این معنی است که شما چهار برابر بیشتر از مایع خنککننده سوخت در آن قسمتها جریان میدهید. خوب. بنابراین در واقع، به یک معنا دو برابر بیشتر از مایع خنک کننده سوخت برای خنک کردن یک منطقه خاص وجود دارد که قطر گلوی خود را دو برابر کنید. این چیز خوبی است. بنابراین یک موتور بزرگتر در واقع خنک شدن آسان تر و راحت تر می شود. البته آنها شروع به ایجاد مشکلات خود می کنند، مانند ناپایداری در احتراق، اما به طور کلی موتورهای بزرگتر راحت تر خنک می شوند.
و درست در اینجا بزرگترین مشکل با اسپایک های هوا وجود دارد. با طراحی، گلوی محفظه احتراق آنها به طور قابل ملاحظه ای سطح بیشتری برای خنک کردن دارد. برای یک اسپایک هوای حلقوی، محفظه احتراق آن اساساً دارای یک پلاگین غول پیکر در وسط آن است که سطح آنچه را که باید خنک شود بسیار افزایش می دهد.
ناحیه گلو اسپایک
این اعداد در اینجا کمی دلخواه هستند زیرا ما واقعاً میتوانیم این را به هر طریقی افزایش دهیم، اما چیزی که نمیتوانید بر آن غلبه کنید این واقعیت است که شما ذاتاً حداقل سطح را در جایی که خنک نگه داشتن سختترین است دو برابر میکنید.
اما حقیقت را بگوییم، مهندسان اغلب یک دوشاخه را در وسط یک محفظه احتراق معمولی آویزان نمیکنند، ساخت حلقهای برای محفظه احتراق معمولتر است، اما با این وجود، یک حلقه هنوز هم یک قطر داخلی و یک قطر خارجی دارد. اکنون باید خنک شوید
آئروسپیک پلاگین معلق
J-2T در واقع یک نمونه کامل از این بود. این دستگاه توربوماشین را از موتور J-2 گرفت و داخل یک سنبله حلقوی قرار گرفت. اما فقط به این تصویر از J-2 در مقابل J-2T نگاه کنید. شما می توانید بگویید که گلو چقدر بزرگتر است و اکنون ما دو گلو با این قطر بزرگتر داریم تا همان ناحیه گلو را با J-2 استاندارد تشکیل دهیم. ریاضیات تقریباً 15 برابر سخت تر از خنک کردن J-2T است که خنک کردن یک J-2 استاندارد است. این مطمئناً پیش پا افتاده نیست.
J-2 در مقابل موتور هواپایه حلقوی J-2T
و باید آن گرما را به نحوی حذف کنید، اگر خنکسازی احیاکننده از طریق دیوارها کافی نیست، باید خنککننده فیلم بیشتری اضافه کنید، نسبت سوخت کلی خود را تغییر دهید تا تمام احتراق خنک شود یا شاید از فلزات سنگینتر یا گرانتر با ذوب بالاتر استفاده کنید. امتیازات، هر یک و همه اینها به قیمت عملکرد تمام می شود. اگرچه ما هنوز در حال انجام تحقیقات در مورد دینامیک احتراق موتورهای هواپایه هستیم، تا کنون به نظر می رسد که آنها چند درصد در واکنش به پیشرانه در محفظه های احتراق کارایی کمتری دارند و مقداری انرژی شیمیایی بسیار ارزشمند را در پیشرانه هدر می دهند. ممکن است این مشکل با کار بیشتر برطرف شود، اما میتواند به دلیل برخی از مصالحههای مورد نیاز برای عملکرد واقعی اسپکهای هوا باشد.
بنابراین واقعاً، چیز دیگری که یک عامل محدود کننده برای اسپایک های هوایی است، وزن است. به طور کلی، به نظر می رسد که در مقایسه با همتایان نازل زنگی خود، دستیابی به نسبت رانش به وزن بالا بسیار دشوارتر است. این بیشتر به دلیل مساحت سطح بیشتر برای محفظه یا محفظه های احتراق، لوله کشی اضافی برای تغذیه تمام اتاق ها، و پشتیبانی اضافی و ساختارهای بین سنبله است.
موتور هوا اسپایک چند محفظه xrs-2200
به XRS-2200 نگاهی بیندازید و ببینید چه مقدار چیز بین رمپ ها وجود دارد. اگرچه به نظر می رسد نازل کمتری وجود داشته باشد، که ممکن است درست باشد، صادقانه به معنای واقعی کلمه در مورد هر چیز دیگری بیشتر وجود دارد. و تصور کنید اگر در یکی از این لوله ها، لوله ها یا شیرها نشتی دارید. تعداد قابل توجهی از نقاط شکست وجود داردموتوری مثل این یا بگوییم نشت هیدروژن دارید، که معمول است زیرا مهار هیدروژن بسیار سخت است، تصور کنید سعی کنید منبع نشتی را در موتوری مانند این ردیابی کنید... بله، این سخت افزار اضافی زیادی است.
اما وزن در موشک ها بسیار مهم است و نسبت رانش به وزن یک معیار بسیار مهم در موتورهای موشک است. از این گذشته، وزن اضافی مستقیماً بر ظرفیت بار و عملکرد کلی موشک تأثیر می گذارد، بنابراین موتورهای سبک وزن و قدرتمند همیشه معیار خوبی هستند.
راکتداین ایراسپایک خطی
یکی دیگر از کارهایی که ممکن است انجام دادن آن با آئروسپیک ها دشوار باشد، نحوه ی گیمبال کردن یا هدایت آن ها است. به دلیل نقاط اتصال بزرگ به وسیله نقلیه، حرکت دادن کل سنبله با کنترل بردار رانش ممکن است غیرعملی باشد. اگرچه، یک چیز خوب این است که یک سنبله گیمبالی هرگز از محیط خود فراتر نمی رود، برخلاف نازلی که می تواند به موتورهای مجاور کار کند. یک راه حل متداول برای بردار رانش، دریچه گاز محفظه های جداگانه برای انجام نیروی رانش دیفرانسیل است، با خاموش کردن رانش، گام یا انحراف را به وسیله نقلیه القا می کند. اگرچه به اندازه هدایت کل موتور موثر نیست، اما یک گزینه قابل دوام است.
هواپایه خطی RS-2200 قرار بود از هر دو بردار رانش فعال و دریچه گاز استفاده کند. در محور زمین و چرخش، کنترل را فعال کرده بود و برای کنترل انحراف، اتاقهای مجزا را تا 18 درصد پایین میآورد.
و آخرین معامله بزرگ در مورد اسپایک های هوایی در واقع فقدان داده های واقعی پرواز است. حالا اگرچه این یک راه حل ساده به نظر می رسد، یا یک ارسال عالی برای بخش "Why Don't They Just" در "Padcast ما در آینده خنده دار" که من میزبان مشترک آن هستم... منظورم این است که "چرا آنها نمی کنند" فقط یک هواپیما را به پرواز درآورید…” – که اتفاقاً اگر به پادکست ما در یوتیوب یا پخش کننده پادکست مورد علاقه خود گوش نمی دهید، اگر می خواهید هفتگی از اخبار فضایی، خودروهای برقی و آینده پژوهی پر شود، حتماً از آن استفاده کنید. دوشاخه بی شرم.
چیزی که واقعاً ثابت نشده است این است که با اسپک های هوا بین سرعت های مافوق صوت یا بالاتر از یک ماخ، تا سرعت های مافوق صوت 5 ماخ چه اتفاقی می افتد. این یک چیز بی اهمیت است. اما یک آزمایش واقعاً جالب، آزمایش LASRE بود که یک ماکت مقیاس از دم X-33 و موتور هواپایه، قرار دادن آن بر روی SR-71 و پرواز بالاتر از سرعت مافوق صوت بود. در واقع هفت پرواز تحقیقاتی با آزمایش LASRE روی یک SR-71 انجام شد و اگرچه آنها هرگز موتور را شلیک نکردند، اما آزمایشهای شلیک سرد را با سرعت 1.58 ماخ و شلیکهای زمینی انجام دادند که تمام اطلاعات لازم برای حرکت را در اختیار آنها قرار داد.
آزمایش LASRE SR-71
حالا برایم مهم نیست که شما چه می گویید، اما یک موتور هواپایه عجیب و غریب در یک SR-71 صادقانه در مورد جالب ترین چیزی است که تا کنون وجود داشته است. اما صرف نظر از اینکه چقدر جذاب به نظر می رسد، موتور هوانوردی همچنان فاقد هرگونه داده زمان اجرا واقعی در این رژیم های مافوق صوت و مافوق صوت یا تقریباً هر دوره داده پرواز در مقیاس کامل واقعی است.
مقایسه موتورهای Aerospike با موتورهای Bell
خوب، فکر میکنم وقت آن رسیده است که در مقابل موتورهای سنتیتر، چند اسپک هوایی قرار دهیم و ببینیم که چگونه آنها مقایسه میشوند.
J-2 J-2T J-2T 250K در مقابل xrs-2200 rs-2200 RS-25 خروجی رانش موتور رپتور ISP ضربه خاص در مقابل مقایسه هوا اسپایک در مقابل زنگhope I helped you understand the question. Roham Hesami, sixth
semester of aerospace engineering
رهام حسامی ترم ششم مهندسی هوافضا
نازل آئروسپایک Aerospikes
- rohamavation
نام: roham hesami radرهام حسامی راد
محل اقامت: 100 مایلی شمال لندن جاده آیلستون، لستر، لسترشر. LE2
عضویت : سهشنبه ۱۳۹۹/۸/۲۰ - ۰۸:۳۴
پست: 3265-
سپاس: 5494
- جنسیت:
تماس:
نازل آئروسپایک Aerospikes
آخرین ویرایش توسط rohamavation دوشنبه ۱۴۰۱/۲/۲۶ - ۱۴:۰۵, ویرایش شده کلا 2 بار
- rohamavation
نام: roham hesami radرهام حسامی راد
محل اقامت: 100 مایلی شمال لندن جاده آیلستون، لستر، لسترشر. LE2
عضویت : سهشنبه ۱۳۹۹/۸/۲۰ - ۰۸:۳۴
پست: 3265-
سپاس: 5494
- جنسیت:
تماس:
Re: نازل آئروسپایک Aerospikes
بنابراین بیایید با سری موتورهای زنگ سنتی خود شروع کنیم. برای این ما به J-2 اصلی نگاه می کنیم، J-2s که قرار بود جایگزین موتور J-2 شود، سپس به موتور اصلی شاتل فضایی، RS-25 و همچنین رپتور اسپیس ایکس نگاه می کنیم. موتور دلیل انتخاب من این موتورها این است که آنها موتورهای قابل توجهی هستند که داده های زیادی دارند، آنها یا جایگزینی برای اسپایک های هوا هستند، و یا به عنوان بهترین موتورهای ساخته شده در نظر گرفته می شوند. به این ترتیب ما انواع مختلفی از موتورها را برای مقایسه ایراسپیک های مختلف به دست می آوریم. و هر کدام از این موتورها در خلاء فضا عمل می کنند و یا در مورد موتور RS-25 و رپتور در فضا و در سطح دریا مانند یک هواکش عمل می کنند.
برای موتورهای هوانوردی، ما فقط سه موتور داریم که واقعاً از طریق یک برنامه آزمایشی و گواهینامه قانونی موفق شدند، اما فقط دو موتور داریم که شماره های سخت خوبی در آنها دارم و یکی که شاید پادشاه هوانوردی ها می شد. بنابراین موتورهایی که بیشترین داده را دارند عبارتند از J-2T-250K aerospike حلقوی و XRS-2200. با مقایسه این موتورها با J-2S که بر اساس آن ساخته شده است، باید ایده خوبی از عملکرد آن بدست آوریم. هواپیمای دیگری که قرار است به آن نگاه کنیم RS-2200 است، که موتوری در مقیاس کامل بود که در واقع به Venturestar نیرو می داد.
اکنون همه این اعداد یک ستاره بزرگ در کنار خود خواهند داشت، زیرا این موتور هرگز به پایه برخورد نکرد و برای به دست آوردن این اعداد به بسیاری از فناوریهای جدید و اثباتنشده مانند یک سطح شیبدار کربنی سبک و لولههای سرامیکی متکی بود. بنابراین اعداد ذکر شده در اینجا همان چیزی است که آنها باید به آن برسند تا Venturestar کار کند، و حقیقت را بگوییم، گرفتن موتوری برای اصابت به اهداف شما می تواند بسیار دشوار باشد.
و من فکر می کنم که مقایسه همه اینها با موتور رپتور جالب است زیرا ما این سوال را مطرح کردیم که آیا این پادشاه موتورهای موشک در آن ویدئو است. اما اعداد موجود در Raptor فقط اعداد فعلی هستند و درست مانند موتور مرلین، ما انتظار داریم که SpaceX همچنان به پیشبرد این موتور و توسعه آن فراتر از این اعداد در آینده نزدیک ادامه دهد.
همچنین باید به این نکته اشاره کنم که این موتورها در مقیاس یکدیگر کشیده شده اند!
پس بیایید با سوخت هر موتور شروع کنیم. هر موتوری که در اینجا با هیدروژن مایع کار میکند و اکسیژن مایع به غیر از موتور رپتور که با متان مایع و اکسیژن مایع یا متالوکس کار میکند، هیدرولوکس نامیده میشود. من میخواستم بیشتر موتورها هیدرولوکس باشند، بنابراین ما بیشتر سیبها را با موتورهای سیب مقایسه میکنیم، زیرا موتورهای هیدرولوکس بیشترین پتانسیل را برای یک ضربه خاص بالا دارند. اما هنوز هم مقایسه آنها با متالوکس رپتور در اینجا جالب است.
در ادامه به چرخه آنها نگاه می کنیم. مجدداً، اگر به خلاصهای از چرخهها نیاز دارید، من در ویدیوی خود در مورد موتور رپتور و چرخه احتراق مرحلهای با جریان کامل، به بیشتر آنها میپردازم. اما نوع یک چرخه ای که من در مورد آن صحبت نکردم روش تپ آف است که در واقع از محفظه احتراق اولیه برای تغذیه توربین استفاده می کند. موتوری که در اینجا از روش تپ آف استفاده می کند J-2S است که برای کمک به ساده سازی موتور و کاهش هزینه ها از آنجایی که پیش سوز یا ژنراتور گاز را حذف می کند، در نظر گرفته شده است. J-2 اصلی، J-2T-250K، XRS-2200 و RS-2200 همگی از ژنراتور گاز استفاده می کنند. RS-25 سیکل بسته، سوخت غنی است، و موتور رپتور، البته، چرخه احتراق مرحلهای با جریان کامل است.
اکنون به خروجی رانش آنها نگاه می کنیم. ما هم سطح دریا و هم رانش خلاء را بر حسب کیلونیوتون انجام خواهیم داد. J-2 486 کیلونیوتن در سطح دریا و 1033 کیلو نیوتن در خلاء تولید کرد، J-2S در واقع نمی توانست در سطح دریا شلیک کند و در فضا 1138 کیلو نیوتن تولید می کرد، J-2T-250K 731 کیلو نیوتن در سطح دریا تولید می کرد. 1112 کیلو نیوتن در فضا، XRS-2200 909 کیلو نیوتن در سطح دریا و 1184 کیلو نیوتن در فضا بود، RS-2200 امیدوار بود 1917 کیلو نیوتن در سطح دریا و 2201 کیلو نیوتن در فضا تولید کند، RS-25 در دریا 1859 کیلو نیوتن تولید می کند. سطح و 2278 کیلو نیوتن در فضا و موتور رپتور 1813 کیلو نیوتن در SL و 2000 کیلو نیوتن در فضا تولید می کند.
حالا بیایید کارایی آنها را که در ثانیه اندازه گیری می شود یا ضربه خاص موتور را بررسی کنیم. شما می توانید این را مانند مصرف سوخت یک خودروی گازسوز در نظر بگیرید. بنابراین یک ضربه خاص بالا شبیه به mpg یا kmpl بالا خواهد بود. بهترین راه برای فکر کردن به یک ضربه خاص این است که تصور کنید یک کیلوگرم پیشرانه دارید، موتور برای چند ثانیه می تواند با نیروی 9.81 نیوتن فشار دهد؟ هر چه مدت زمان بیشتری بتواند سوخت را بنوشد در حالی که همچنان به شدت فشار می آورد، تکانه ویژه آن بیشتر می شود و بنابراین می تواند با همان مقدار سوخت کار بیشتری انجام دهد. یعنی مصرف سوخت است. بنابراین هر چه تکانه خاص بیشتر باشد، سوخت کمتری برای انجام همان مقدار کار مصرف می شود، که چیز خوبی است. یک موتور کم مصرف بسیار مهم است!
J-2 200 ثانیه در سطح دریا و 424 ثانیه در فضا بود، J-2S نمی توانست در سطح دریا شلیک کند.d 436s در فضا، J-2T 290s در سطح دریا و 441s در فضا، XRS-2200 339s در سطح دریا و 436s در فضا، RS-2200 قرار بود 347s در سطح دریا و 455s در فضا داشته باشد. RS-25 363s در سطح دریا و 453s در فضا و موتور رپتور 330s در سطح دریا و 350s در فضا است.
اکنون همانطور که اشاره کردیم، یک عامل بزرگ در ضربه خاص یک موتور، نسبت انبساط است. بنابراین بیایید ببینیم که آیا یک همبستگی قوی بین نسبت های گسترش و تکانه خاص آنها وجود دارد یا خیر. J-2 27:1 بود، J-2S 40:1 بود، J-2T 80:1 بود، XRS-2200 – 58:1 بود، RS-2200 173:1 دیوانه کننده بود، RS-25 69:1 و Raptor 35:1 است. لازم به ذکر است که اگرچه J-2s نسبت انبساط بالاتری دارد، اما ابعاد آن تقریباً مشابه J-2 است. این به این دلیل است که قطر گلو در J-2S در واقع کوچکتر از J-2 است تا نسبت انبساط را افزایش دهد، اما همچنین همان ابعاد کلی را حفظ کند که باعث کاهش جایگزینی آن می شود.
و در آخر، بیایید به نسبت رانش به وزن آنها نگاه کنیم. اکنون در این مورد قطعاً باید به شما یادآوری کنیم که این اعداد ممکن است اندکی کاهش یابد زیرا هر شرکت ممکن است موتور را با مقادیر مختلف سخت افزار نقل قول کند یا معیارهای متفاوتی برای این کار داشته باشد، اما به طور کلی، ما می توانیم از این اعداد به عنوان یک معیار مناسب استفاده کنیم. حساب سرانگشتی. J-2 73:1 بود، و اگرچه J-2S بدون پیش سوز ساده تر بود، اما کمی سنگین تر بود، احتمالاً به دلیل نازل بزرگتر آن و سرعت چرخش 69:1، J-2T 63:1 بود. XRS-2200 35:1 بود، RS-2200 قصد داشت 83:1 ضربه بزند، اما برای اینکه قابلیت های SSTO خود را ممکن کند، باید 75:1 می زد، RS-25 73:1 است و رپتور 107:1 است.
بنابراین اکنون که همه این اعداد را داریم، واقعاً میتوانیم ببینیم که اسپایکهای هوا در مقایسه با موتورهای سنتیتر چگونه هستند. به طور کلی، J-2T و XRS-2200 باید با J-2S مقایسه شوند، زیرا این واقعاً چیزی بود که جایگزین J-2 می شد. وقتی این کار را انجام می دهیم، قطعاً می توانیم بفهمیم که چرا هر دوی این موتورها سودمند بودند. آنها عملکرد خلاء عالی ارائه می دهند و هنوز هم می توان از آنها در سطح دریا استفاده کرد، کاری که J-2S از نظر فیزیکی قادر به انجام آن نبود. و در این مورد، حتی به نظر میرسد که J-2T برای ارتقاء به J-2 نسبت به J-2 در تمام معیارها به جز نسبت رانش به وزن، انتخاب بهتری بوده است. گزینه قانع کننده ای بود!
و اکنون وقتی همه اینها را با موتور رپتور مقایسه میکنیم، به وضوح میبینیم که موتور رپتور با نازل سطح دریا و متالوکس در خلاء کارآمد نیست، اما با نسبت رانش به وزن و سطح دریا جامد. ISP، به خودی خود وجود دارد.
حالا اگر RS-2200 واقعاً پیشرفت کرده بود و واقعاً به همه این اعداد رسیده بود، یک موتور بسیار چشمگیر بود. نه تنها بهترین راندمان خلاء را دارد، بلکه توانسته است نسبت رانش به وزن RS-25 را نیز شکست دهد. همانطور که گفته شد، من از چندین منبع شنیده ام که لاکهید فقط به RS-25 برای Venturestar چسبیده است، به همان اندازه گزینه خوبی بود و در مقایسه با RS-2200 یک موتور کامل بود. هنوز یک توسعه پر ریسک و پرهزینه در پیش داشت.
اما با در نظر گرفتن این موضوع، فکر میکنم وقت آن رسیده است که از کارشناسان واقعی بشنویم که یا روی اسپایکهای هوا کار کردهاند یا مخالف استفاده از آنها هستند.
آنچه کارشناسان می گویند
بنابراین با توجه به اینکه آیا بهتر است از RS-25 به جای RS-2200 استفاده می شد، بیایید ببینیم که Tory Bruno، مدیر اجرایی ULA که در واقع روی برنامه X-33 و Venturestar کار می کرد، چه می گوید.
"سخت ترین بخش در مورد طراحی و عملکرد یک موتور هوا اسپایک مدیریت حرارتی است. یک موتور AS سنتی به شکل مخروطی است و می تواند با گرمایش با کاهش سنبله مشکل کند. طراحی خطی AS، همراه با استراتژی کوتاه کردن مخروطی، راه طولانی را برای سادهسازی این مشکل پیش میبرد، اما همچنان وجود دارد. با این حال، این مزیتهای حرارتی خطی AS در ازای استفاده از موتورهای کوچکتر زیادی که در دو خط چیده شدهاند، انجام میشود، که پیچیدگی قابلتوجهی را به پیکربندی مخروطی (بزرگتر) موتور منفرد (که گاهی اوقات «حلقهای» نامیده میشود) اضافه میکند. موضوع فناوری بعدی مدیریت میدان جریان در سراسر و اطراف انتهای کوتاه است. ما معمولاً میخواهیم مقداری گاز را از طریق سطح ناقص جریان دهیم تا آن را مرتب نگه داریم و جریان را در انتهای سطح شیبدار مختل نکنیم، در حالی که کمی نیروی رانش اضافی را در ارتفاعات بالاتر جمع آوری کنیم.
همچنین از او پرسیدم که آیا فکر میکند RS-2200 میتوانست معیارهایی را که قرار بود به آن بزند، برآورده کند. او گفت:
"اغلب. من مطمئن هستم که موتور کار می کرد و کاربردی بود. با این حال، پیچیدگی بسیاری از موتورهای جداگانه، چالشی برای رشد وزن و همچنین پیچیدگی قابل توجهی در مدیریت جریان پیشرانه ایجاد میکرد.
و من فقط باید از او می پرسیدم که آیا بعد از کار با آئروسپیک ها آیا آنها را دوست دارد یا از آنها متنفر است؟
"من آنها را دوست دارم. اسپایکهای هوای سادهای خنک هستند و هواپایههای خطی جالبترین نوع هستند.»
من موافقم توری! من پرسیدم که چرا he استفاده از موتور هوانوردی را برای چیزی در SpaceX انتخاب نکرده است
بنابراین واقعاً، میتوانید بگویید که بزرگترین تمرکز ایلان روی کارایی احتراق است.
جالب است... شاید واقعاً چیزی در آن وجود داشته باشد! اما شاید بهترین خلاصه ای از هواسپایک از Vector Aerospace باشد که بر روی چندین موتور هوا اسپایک کار کرد، از جمله یکی از اولین موتورهای آنها در آوریل 2002 که در مقابل ایلان ماسک و تام مولر از SpaceX آزمایش شد.
CRS-9 اسپیس ایکس aerospike
متأسفانه موتور فقط 200 میلی ثانیه دوام آورد تا اینکه فیش گرافیت را درست از روی صفحه انژکتور منفجر کرد. اما این آخرین تلاش آنها نبود. آنها به دنبال اسپکهای هوایی مختلف از جمله موتور 10 محفظه، 1300 پوند بادی رانش بودند که متأسفانه در آزمایش پرواز سال 2009 نیز شکست خورد.
در حالی که موتورهای هواسپایک می توانند مزایای عملکردی را ارائه دهند، تعداد بیشتر قطعات و اجزا به این معنی است که آنها معمولاً از نظر رانش به وزن نسبت به همتایان معمولی خود سنگین تر هستند و مهمتر از آن، نیاز به قابلیت اطمینان بسیار بالایی دارند.
اجماع کلی که من از افرادی که روی آیروسپیک کار کرده اند به دست آورده ام این است که ارزشش را ندارد. نه تنها توسعه و تحقیق پرهزینه و مخاطره آمیز است، بلکه سود خالص ممکن است بهتر از یک موتور زنگ معمولی تر و واقعی تر نباشد.
و این زمانی تکرار می شود که شما در مورد هوافضای Firefly که یک موتور هوانوردی بسیار امیدوارکننده به نام FRE-2 داشت، منعکس می شود که قرار بود یک هواپایه حلقوی 12 نازل متان باشد که قرار بود فایرفلای آلفای آنها را تامین کند. پس از تنظیم مجدد شرکت، برنامه های هوا اسپایک از بین رفت و اکنون شرکت در حال برنامه ریزی برای استفاده از نازل زنگ سنتی است... چه خبر است، اسپایک های هوایی ما کجا هستند؟!
چشم انداز آئروسپیک آینده
دو ایده / فناوری بسیار امیدوارکننده وجود دارد که ممکن است در واقع به هواکش ها کمک کند تا جای خود را در انتهای یک موشک مداری پیدا کنند. اولین مورد چاپ سه بعدی است.
خلاصه
باشه وای این مقاله بسیار طولانی تر از چیزی بود که من تصور می کردم. پس بیایید یک جمع بندی سریع انجام دهیم.
اسپایک های هوا. روی کاغذ فوق العاده جالب، مفهومی فوق العاده وسوسه انگیز که به نظر می رسد حتی زیرک ترین مهندسان موشک را به خود جلب می کند، ایده آل برای مفهوم SSTO شما که همچنین ممکن است نیاز به تجدید نظر داشته باشد، و احتمالاً حساب بانکی شما را خالی می کند و باعث می شود چند دهه در تلاش برای توسعه پیر شوید. آی تی. اما... اما... آنها فوق العاده باحال هستند و با پیشرفت علم تولید و مواد، شاید شرکت هایی را ببینیم که بتوانند از مزایای آنها استفاده کرده و بهره برداری کنند و شکاف نازل زنگ را که بر صنعت هوافضا مسلط شده است، ببندند.
شاید بزرگترین دلیلی که معمولاً در دوران مدرن نمیبینیم تعداد زیادی از اسپکهای هوا ظاهر میشوند، ساده است... اگر آنها واقعاً یک مزیت عملکردی واضح ارائه میدهند، تصور میکنم همه در حال توسعه آنها هستند، اما واقعیت این است که آنها به نوعی درست در همان جایی که یک موتور موشک معمولی است، برگردید.
اکنون احتمالاً میتوانید دقیقاً همان چیزی را در مورد موتور رپتور اسپیس ایکس بگویید که از یک چرخه احتراق مرحلهای با جریان کامل استفاده میکند... که قبلاً بسیار دشوار به نظر میرسید که واقعاً ارزش آن را داشته باشد. و آن موتور موشک بسیار پیچیده و باورنکردنی سخت و گران است. اما مسئله این است که چرخه احتراق مرحلهای جریان کامل عملاً در تمام معیارها بهتر از سایر موتورهای موشک عمل میکند. در حالی که aerospike ممکن است در جبران ارتفاع مثلاً مزایایی به دست آورد، اما در مناطق دیگر فاقد مزایایی است که آن را درست در حد موتورهای دیگر قرار می دهد. بنابراین تا آنجا که زمان و تحقیق خود را در کجا صرف کنید، به همین دلیل است که اکثر مهندسان مواردی مانند موتورهای چرخه بسته، چرخه احتراق مرحلهای با جریان کامل یا مسیر آسانترین ساخت و توسعه مانند موتورهای پمپ الکتریکی Rocket Lab را دنبال کردهاند.
و آخرین واقعیت جالب در مورد اسپکهای هوایی، و این به نوعی شبیه به پایان ویدیوی SSTO من است... واقعاً این اسپکهای هوایی نیستند، اما کاربرد آنها در اینجا روی زمین احتمالاً سیاره اشتباهی برای استفاده از آنها است. از قضا، اگر اتمسفر زمین ضخیمتر بود، در واقع حتی برای موشکهای چند مرحلهای بهطور قابل توجهی سودمندتر میشدند، اما با جو زمین، همانطور که هست، نازل زنگ بسیار نزدیک به همان عملکرد است، و این کار را بسیار آسانتر میکند. انتخاب کم خطرتر در صنعت هوافضا اگر به دلیل ماهیت عقب مانده حرارتی آنها نبود، ممکن است مزایای آنها در واقع بر معایب آنها بیشتر باشد، اما شاید تمایل آنها به ذوب بزرگترین دلیلی باشد که ما واقعاً ندیده ایم که یکی از جو زمین را ترک کند.
اما در مجموع، فکر میکنم بهترین روشی که میتوانم Aerospike را خلاصه کنم، مقایسه آن با موتور چرخشی است که در خودروهایی مانند مزدا RX-7 و RX-8 و پیشینیان آنها دیده میشود. برای کسانی که با موتور خودرو آشنا هستند، ممکن است در مورد موتورهای دوار اطلاعاتی داشته باشند. آنها بسیار ساده هستند، فقط 3 قسمت متحرک، کوچک، سبک و قدرتمند هستند. روی کاغذ واقعاً باید انتخاب محبوب تری در دنیای خودرو می بود، اما در عمل، آنها یک کابوس برای خنک کردن و روغن کاری هستند و مصرف سوخت افتضاح و طول عمر و قابلیت اطمینان ضعیف دارند.
موتور دوار
همانطور که گفته شد، آنها یک فرقه اصلی را حفظ کردهاند و از برخی جنبهها، هنوز انتخاب خوبی هستند. مردم همیشه این بحث را داشته اند که اگر به اندازه موتور پیستونی مهندسی در موتور دوار انجام می شد، شاید روتاری به اندازه یک موتور پیستونی کارآمد و قابل اعتماد بود.
و به همین ترتیب، مطمئناً، شاید aerospike بتواند با افزایش تحقیق و توسعه، بهبود یابد و انتخاب مناسب تری باشد. اما مخاطمانند موتور دوار، آیا واقعا ارزشش را دارد؟ آیا واقعاً هرگز واقعاً بهتر از جایگزین ها خواهد بود؟ همیشه میشنوید که این را میگویم، علم و مهندسی موشک فقط مجموعهای دیوانهوار پیچیده از مصالحه است. هنر مهندسی موشک، متعادل کردن همه متغیرهای شما، نه تنها در عملکرد، بلکه در قابلیت اطمینان، هزینه، ریسک توسعه، ساخت و گره زدن همه آنها برای انتخاب درست برای وسیله نقلیه شماست.
در پایان، بزرگترین مزیت آئروسپیکها این است که میتوانند یک موتور بهینهسازی شده با خلاء را در سطح دریا روشن کنند، اما در واقعیت، چرا میخواهید این کار را انجام دهید؟ مگر اینکه به هر دلیلی نیاز به انجام SSTO داشته باشید، واقعاً هرگز نیازی به انجام این کار ندارید، زیرا بسیار رایجتر است که فقط یک موتور سطح دریا را در مرحله اول و یک موتور بهینه شده با خلاء را در مرحله بالایی خود روشن کنید.
خب چی فکر می کنی؟ آیا فکر میکنید که اسپکهای هوا برای نادیده گرفتن آن بسیار جالب هستند؟ فکر میکنید ما تا به حال خواهیم دید که یک وسیله نقلیه را به مدار میرساند یا فکر میکنید نازل زنگ انتخاب درستی است؟ نظرات خود را در نظرات زیر به من بگویید. و مطمئن باشید و به من بگویید چه سؤالات دیگری در مورد موتورهای هوانوردی، موتورهای موشکی، یا به طور کلی علوم موشکی دارید و به من بپردازید، زیرا من یک لیست دائماً در حال رشد از مقالات عالی دارم که سعی می کنم آنها را بررسی کنم.
تشکر ویژه از چارلی گارسیا برای اینکه ساعت ها و ساعت ها با من در مورد آئروسپیک گپ زد و به من در درک بسیاری از نکات فنی کمک کرد. او به سراغ دانشمند واقعی موشکی شخصی من می رود و یک کانال یوتیوب فوق العاده دارد، حتماً آن را بررسی کنید و شروع به یادگیری عمیق تر کنید!hope I helped you understand the question. Roham Hesami, sixth
semester of aerospace engineering
رهام حسامی ترم ششم مهندسی هوافضا
برای موتورهای هوانوردی، ما فقط سه موتور داریم که واقعاً از طریق یک برنامه آزمایشی و گواهینامه قانونی موفق شدند، اما فقط دو موتور داریم که شماره های سخت خوبی در آنها دارم و یکی که شاید پادشاه هوانوردی ها می شد. بنابراین موتورهایی که بیشترین داده را دارند عبارتند از J-2T-250K aerospike حلقوی و XRS-2200. با مقایسه این موتورها با J-2S که بر اساس آن ساخته شده است، باید ایده خوبی از عملکرد آن بدست آوریم. هواپیمای دیگری که قرار است به آن نگاه کنیم RS-2200 است، که موتوری در مقیاس کامل بود که در واقع به Venturestar نیرو می داد.
اکنون همه این اعداد یک ستاره بزرگ در کنار خود خواهند داشت، زیرا این موتور هرگز به پایه برخورد نکرد و برای به دست آوردن این اعداد به بسیاری از فناوریهای جدید و اثباتنشده مانند یک سطح شیبدار کربنی سبک و لولههای سرامیکی متکی بود. بنابراین اعداد ذکر شده در اینجا همان چیزی است که آنها باید به آن برسند تا Venturestar کار کند، و حقیقت را بگوییم، گرفتن موتوری برای اصابت به اهداف شما می تواند بسیار دشوار باشد.
و من فکر می کنم که مقایسه همه اینها با موتور رپتور جالب است زیرا ما این سوال را مطرح کردیم که آیا این پادشاه موتورهای موشک در آن ویدئو است. اما اعداد موجود در Raptor فقط اعداد فعلی هستند و درست مانند موتور مرلین، ما انتظار داریم که SpaceX همچنان به پیشبرد این موتور و توسعه آن فراتر از این اعداد در آینده نزدیک ادامه دهد.
همچنین باید به این نکته اشاره کنم که این موتورها در مقیاس یکدیگر کشیده شده اند!
پس بیایید با سوخت هر موتور شروع کنیم. هر موتوری که در اینجا با هیدروژن مایع کار میکند و اکسیژن مایع به غیر از موتور رپتور که با متان مایع و اکسیژن مایع یا متالوکس کار میکند، هیدرولوکس نامیده میشود. من میخواستم بیشتر موتورها هیدرولوکس باشند، بنابراین ما بیشتر سیبها را با موتورهای سیب مقایسه میکنیم، زیرا موتورهای هیدرولوکس بیشترین پتانسیل را برای یک ضربه خاص بالا دارند. اما هنوز هم مقایسه آنها با متالوکس رپتور در اینجا جالب است.
در ادامه به چرخه آنها نگاه می کنیم. مجدداً، اگر به خلاصهای از چرخهها نیاز دارید، من در ویدیوی خود در مورد موتور رپتور و چرخه احتراق مرحلهای با جریان کامل، به بیشتر آنها میپردازم. اما نوع یک چرخه ای که من در مورد آن صحبت نکردم روش تپ آف است که در واقع از محفظه احتراق اولیه برای تغذیه توربین استفاده می کند. موتوری که در اینجا از روش تپ آف استفاده می کند J-2S است که برای کمک به ساده سازی موتور و کاهش هزینه ها از آنجایی که پیش سوز یا ژنراتور گاز را حذف می کند، در نظر گرفته شده است. J-2 اصلی، J-2T-250K، XRS-2200 و RS-2200 همگی از ژنراتور گاز استفاده می کنند. RS-25 سیکل بسته، سوخت غنی است، و موتور رپتور، البته، چرخه احتراق مرحلهای با جریان کامل است.
اکنون به خروجی رانش آنها نگاه می کنیم. ما هم سطح دریا و هم رانش خلاء را بر حسب کیلونیوتون انجام خواهیم داد. J-2 486 کیلونیوتن در سطح دریا و 1033 کیلو نیوتن در خلاء تولید کرد، J-2S در واقع نمی توانست در سطح دریا شلیک کند و در فضا 1138 کیلو نیوتن تولید می کرد، J-2T-250K 731 کیلو نیوتن در سطح دریا تولید می کرد. 1112 کیلو نیوتن در فضا، XRS-2200 909 کیلو نیوتن در سطح دریا و 1184 کیلو نیوتن در فضا بود، RS-2200 امیدوار بود 1917 کیلو نیوتن در سطح دریا و 2201 کیلو نیوتن در فضا تولید کند، RS-25 در دریا 1859 کیلو نیوتن تولید می کند. سطح و 2278 کیلو نیوتن در فضا و موتور رپتور 1813 کیلو نیوتن در SL و 2000 کیلو نیوتن در فضا تولید می کند.
حالا بیایید کارایی آنها را که در ثانیه اندازه گیری می شود یا ضربه خاص موتور را بررسی کنیم. شما می توانید این را مانند مصرف سوخت یک خودروی گازسوز در نظر بگیرید. بنابراین یک ضربه خاص بالا شبیه به mpg یا kmpl بالا خواهد بود. بهترین راه برای فکر کردن به یک ضربه خاص این است که تصور کنید یک کیلوگرم پیشرانه دارید، موتور برای چند ثانیه می تواند با نیروی 9.81 نیوتن فشار دهد؟ هر چه مدت زمان بیشتری بتواند سوخت را بنوشد در حالی که همچنان به شدت فشار می آورد، تکانه ویژه آن بیشتر می شود و بنابراین می تواند با همان مقدار سوخت کار بیشتری انجام دهد. یعنی مصرف سوخت است. بنابراین هر چه تکانه خاص بیشتر باشد، سوخت کمتری برای انجام همان مقدار کار مصرف می شود، که چیز خوبی است. یک موتور کم مصرف بسیار مهم است!
J-2 200 ثانیه در سطح دریا و 424 ثانیه در فضا بود، J-2S نمی توانست در سطح دریا شلیک کند.d 436s در فضا، J-2T 290s در سطح دریا و 441s در فضا، XRS-2200 339s در سطح دریا و 436s در فضا، RS-2200 قرار بود 347s در سطح دریا و 455s در فضا داشته باشد. RS-25 363s در سطح دریا و 453s در فضا و موتور رپتور 330s در سطح دریا و 350s در فضا است.
اکنون همانطور که اشاره کردیم، یک عامل بزرگ در ضربه خاص یک موتور، نسبت انبساط است. بنابراین بیایید ببینیم که آیا یک همبستگی قوی بین نسبت های گسترش و تکانه خاص آنها وجود دارد یا خیر. J-2 27:1 بود، J-2S 40:1 بود، J-2T 80:1 بود، XRS-2200 – 58:1 بود، RS-2200 173:1 دیوانه کننده بود، RS-25 69:1 و Raptor 35:1 است. لازم به ذکر است که اگرچه J-2s نسبت انبساط بالاتری دارد، اما ابعاد آن تقریباً مشابه J-2 است. این به این دلیل است که قطر گلو در J-2S در واقع کوچکتر از J-2 است تا نسبت انبساط را افزایش دهد، اما همچنین همان ابعاد کلی را حفظ کند که باعث کاهش جایگزینی آن می شود.
و در آخر، بیایید به نسبت رانش به وزن آنها نگاه کنیم. اکنون در این مورد قطعاً باید به شما یادآوری کنیم که این اعداد ممکن است اندکی کاهش یابد زیرا هر شرکت ممکن است موتور را با مقادیر مختلف سخت افزار نقل قول کند یا معیارهای متفاوتی برای این کار داشته باشد، اما به طور کلی، ما می توانیم از این اعداد به عنوان یک معیار مناسب استفاده کنیم. حساب سرانگشتی. J-2 73:1 بود، و اگرچه J-2S بدون پیش سوز ساده تر بود، اما کمی سنگین تر بود، احتمالاً به دلیل نازل بزرگتر آن و سرعت چرخش 69:1، J-2T 63:1 بود. XRS-2200 35:1 بود، RS-2200 قصد داشت 83:1 ضربه بزند، اما برای اینکه قابلیت های SSTO خود را ممکن کند، باید 75:1 می زد، RS-25 73:1 است و رپتور 107:1 است.
بنابراین اکنون که همه این اعداد را داریم، واقعاً میتوانیم ببینیم که اسپایکهای هوا در مقایسه با موتورهای سنتیتر چگونه هستند. به طور کلی، J-2T و XRS-2200 باید با J-2S مقایسه شوند، زیرا این واقعاً چیزی بود که جایگزین J-2 می شد. وقتی این کار را انجام می دهیم، قطعاً می توانیم بفهمیم که چرا هر دوی این موتورها سودمند بودند. آنها عملکرد خلاء عالی ارائه می دهند و هنوز هم می توان از آنها در سطح دریا استفاده کرد، کاری که J-2S از نظر فیزیکی قادر به انجام آن نبود. و در این مورد، حتی به نظر میرسد که J-2T برای ارتقاء به J-2 نسبت به J-2 در تمام معیارها به جز نسبت رانش به وزن، انتخاب بهتری بوده است. گزینه قانع کننده ای بود!
و اکنون وقتی همه اینها را با موتور رپتور مقایسه میکنیم، به وضوح میبینیم که موتور رپتور با نازل سطح دریا و متالوکس در خلاء کارآمد نیست، اما با نسبت رانش به وزن و سطح دریا جامد. ISP، به خودی خود وجود دارد.
حالا اگر RS-2200 واقعاً پیشرفت کرده بود و واقعاً به همه این اعداد رسیده بود، یک موتور بسیار چشمگیر بود. نه تنها بهترین راندمان خلاء را دارد، بلکه توانسته است نسبت رانش به وزن RS-25 را نیز شکست دهد. همانطور که گفته شد، من از چندین منبع شنیده ام که لاکهید فقط به RS-25 برای Venturestar چسبیده است، به همان اندازه گزینه خوبی بود و در مقایسه با RS-2200 یک موتور کامل بود. هنوز یک توسعه پر ریسک و پرهزینه در پیش داشت.
اما با در نظر گرفتن این موضوع، فکر میکنم وقت آن رسیده است که از کارشناسان واقعی بشنویم که یا روی اسپایکهای هوا کار کردهاند یا مخالف استفاده از آنها هستند.
آنچه کارشناسان می گویند
بنابراین با توجه به اینکه آیا بهتر است از RS-25 به جای RS-2200 استفاده می شد، بیایید ببینیم که Tory Bruno، مدیر اجرایی ULA که در واقع روی برنامه X-33 و Venturestar کار می کرد، چه می گوید.
"سخت ترین بخش در مورد طراحی و عملکرد یک موتور هوا اسپایک مدیریت حرارتی است. یک موتور AS سنتی به شکل مخروطی است و می تواند با گرمایش با کاهش سنبله مشکل کند. طراحی خطی AS، همراه با استراتژی کوتاه کردن مخروطی، راه طولانی را برای سادهسازی این مشکل پیش میبرد، اما همچنان وجود دارد. با این حال، این مزیتهای حرارتی خطی AS در ازای استفاده از موتورهای کوچکتر زیادی که در دو خط چیده شدهاند، انجام میشود، که پیچیدگی قابلتوجهی را به پیکربندی مخروطی (بزرگتر) موتور منفرد (که گاهی اوقات «حلقهای» نامیده میشود) اضافه میکند. موضوع فناوری بعدی مدیریت میدان جریان در سراسر و اطراف انتهای کوتاه است. ما معمولاً میخواهیم مقداری گاز را از طریق سطح ناقص جریان دهیم تا آن را مرتب نگه داریم و جریان را در انتهای سطح شیبدار مختل نکنیم، در حالی که کمی نیروی رانش اضافی را در ارتفاعات بالاتر جمع آوری کنیم.
همچنین از او پرسیدم که آیا فکر میکند RS-2200 میتوانست معیارهایی را که قرار بود به آن بزند، برآورده کند. او گفت:
"اغلب. من مطمئن هستم که موتور کار می کرد و کاربردی بود. با این حال، پیچیدگی بسیاری از موتورهای جداگانه، چالشی برای رشد وزن و همچنین پیچیدگی قابل توجهی در مدیریت جریان پیشرانه ایجاد میکرد.
و من فقط باید از او می پرسیدم که آیا بعد از کار با آئروسپیک ها آیا آنها را دوست دارد یا از آنها متنفر است؟
"من آنها را دوست دارم. اسپایکهای هوای سادهای خنک هستند و هواپایههای خطی جالبترین نوع هستند.»
من موافقم توری! من پرسیدم که چرا he استفاده از موتور هوانوردی را برای چیزی در SpaceX انتخاب نکرده است
بنابراین واقعاً، میتوانید بگویید که بزرگترین تمرکز ایلان روی کارایی احتراق است.
جالب است... شاید واقعاً چیزی در آن وجود داشته باشد! اما شاید بهترین خلاصه ای از هواسپایک از Vector Aerospace باشد که بر روی چندین موتور هوا اسپایک کار کرد، از جمله یکی از اولین موتورهای آنها در آوریل 2002 که در مقابل ایلان ماسک و تام مولر از SpaceX آزمایش شد.
CRS-9 اسپیس ایکس aerospike
متأسفانه موتور فقط 200 میلی ثانیه دوام آورد تا اینکه فیش گرافیت را درست از روی صفحه انژکتور منفجر کرد. اما این آخرین تلاش آنها نبود. آنها به دنبال اسپکهای هوایی مختلف از جمله موتور 10 محفظه، 1300 پوند بادی رانش بودند که متأسفانه در آزمایش پرواز سال 2009 نیز شکست خورد.
در حالی که موتورهای هواسپایک می توانند مزایای عملکردی را ارائه دهند، تعداد بیشتر قطعات و اجزا به این معنی است که آنها معمولاً از نظر رانش به وزن نسبت به همتایان معمولی خود سنگین تر هستند و مهمتر از آن، نیاز به قابلیت اطمینان بسیار بالایی دارند.
اجماع کلی که من از افرادی که روی آیروسپیک کار کرده اند به دست آورده ام این است که ارزشش را ندارد. نه تنها توسعه و تحقیق پرهزینه و مخاطره آمیز است، بلکه سود خالص ممکن است بهتر از یک موتور زنگ معمولی تر و واقعی تر نباشد.
و این زمانی تکرار می شود که شما در مورد هوافضای Firefly که یک موتور هوانوردی بسیار امیدوارکننده به نام FRE-2 داشت، منعکس می شود که قرار بود یک هواپایه حلقوی 12 نازل متان باشد که قرار بود فایرفلای آلفای آنها را تامین کند. پس از تنظیم مجدد شرکت، برنامه های هوا اسپایک از بین رفت و اکنون شرکت در حال برنامه ریزی برای استفاده از نازل زنگ سنتی است... چه خبر است، اسپایک های هوایی ما کجا هستند؟!
چشم انداز آئروسپیک آینده
دو ایده / فناوری بسیار امیدوارکننده وجود دارد که ممکن است در واقع به هواکش ها کمک کند تا جای خود را در انتهای یک موشک مداری پیدا کنند. اولین مورد چاپ سه بعدی است.
خلاصه
باشه وای این مقاله بسیار طولانی تر از چیزی بود که من تصور می کردم. پس بیایید یک جمع بندی سریع انجام دهیم.
اسپایک های هوا. روی کاغذ فوق العاده جالب، مفهومی فوق العاده وسوسه انگیز که به نظر می رسد حتی زیرک ترین مهندسان موشک را به خود جلب می کند، ایده آل برای مفهوم SSTO شما که همچنین ممکن است نیاز به تجدید نظر داشته باشد، و احتمالاً حساب بانکی شما را خالی می کند و باعث می شود چند دهه در تلاش برای توسعه پیر شوید. آی تی. اما... اما... آنها فوق العاده باحال هستند و با پیشرفت علم تولید و مواد، شاید شرکت هایی را ببینیم که بتوانند از مزایای آنها استفاده کرده و بهره برداری کنند و شکاف نازل زنگ را که بر صنعت هوافضا مسلط شده است، ببندند.
شاید بزرگترین دلیلی که معمولاً در دوران مدرن نمیبینیم تعداد زیادی از اسپکهای هوا ظاهر میشوند، ساده است... اگر آنها واقعاً یک مزیت عملکردی واضح ارائه میدهند، تصور میکنم همه در حال توسعه آنها هستند، اما واقعیت این است که آنها به نوعی درست در همان جایی که یک موتور موشک معمولی است، برگردید.
اکنون احتمالاً میتوانید دقیقاً همان چیزی را در مورد موتور رپتور اسپیس ایکس بگویید که از یک چرخه احتراق مرحلهای با جریان کامل استفاده میکند... که قبلاً بسیار دشوار به نظر میرسید که واقعاً ارزش آن را داشته باشد. و آن موتور موشک بسیار پیچیده و باورنکردنی سخت و گران است. اما مسئله این است که چرخه احتراق مرحلهای جریان کامل عملاً در تمام معیارها بهتر از سایر موتورهای موشک عمل میکند. در حالی که aerospike ممکن است در جبران ارتفاع مثلاً مزایایی به دست آورد، اما در مناطق دیگر فاقد مزایایی است که آن را درست در حد موتورهای دیگر قرار می دهد. بنابراین تا آنجا که زمان و تحقیق خود را در کجا صرف کنید، به همین دلیل است که اکثر مهندسان مواردی مانند موتورهای چرخه بسته، چرخه احتراق مرحلهای با جریان کامل یا مسیر آسانترین ساخت و توسعه مانند موتورهای پمپ الکتریکی Rocket Lab را دنبال کردهاند.
و آخرین واقعیت جالب در مورد اسپکهای هوایی، و این به نوعی شبیه به پایان ویدیوی SSTO من است... واقعاً این اسپکهای هوایی نیستند، اما کاربرد آنها در اینجا روی زمین احتمالاً سیاره اشتباهی برای استفاده از آنها است. از قضا، اگر اتمسفر زمین ضخیمتر بود، در واقع حتی برای موشکهای چند مرحلهای بهطور قابل توجهی سودمندتر میشدند، اما با جو زمین، همانطور که هست، نازل زنگ بسیار نزدیک به همان عملکرد است، و این کار را بسیار آسانتر میکند. انتخاب کم خطرتر در صنعت هوافضا اگر به دلیل ماهیت عقب مانده حرارتی آنها نبود، ممکن است مزایای آنها در واقع بر معایب آنها بیشتر باشد، اما شاید تمایل آنها به ذوب بزرگترین دلیلی باشد که ما واقعاً ندیده ایم که یکی از جو زمین را ترک کند.
اما در مجموع، فکر میکنم بهترین روشی که میتوانم Aerospike را خلاصه کنم، مقایسه آن با موتور چرخشی است که در خودروهایی مانند مزدا RX-7 و RX-8 و پیشینیان آنها دیده میشود. برای کسانی که با موتور خودرو آشنا هستند، ممکن است در مورد موتورهای دوار اطلاعاتی داشته باشند. آنها بسیار ساده هستند، فقط 3 قسمت متحرک، کوچک، سبک و قدرتمند هستند. روی کاغذ واقعاً باید انتخاب محبوب تری در دنیای خودرو می بود، اما در عمل، آنها یک کابوس برای خنک کردن و روغن کاری هستند و مصرف سوخت افتضاح و طول عمر و قابلیت اطمینان ضعیف دارند.
موتور دوار
همانطور که گفته شد، آنها یک فرقه اصلی را حفظ کردهاند و از برخی جنبهها، هنوز انتخاب خوبی هستند. مردم همیشه این بحث را داشته اند که اگر به اندازه موتور پیستونی مهندسی در موتور دوار انجام می شد، شاید روتاری به اندازه یک موتور پیستونی کارآمد و قابل اعتماد بود.
و به همین ترتیب، مطمئناً، شاید aerospike بتواند با افزایش تحقیق و توسعه، بهبود یابد و انتخاب مناسب تری باشد. اما مخاطمانند موتور دوار، آیا واقعا ارزشش را دارد؟ آیا واقعاً هرگز واقعاً بهتر از جایگزین ها خواهد بود؟ همیشه میشنوید که این را میگویم، علم و مهندسی موشک فقط مجموعهای دیوانهوار پیچیده از مصالحه است. هنر مهندسی موشک، متعادل کردن همه متغیرهای شما، نه تنها در عملکرد، بلکه در قابلیت اطمینان، هزینه، ریسک توسعه، ساخت و گره زدن همه آنها برای انتخاب درست برای وسیله نقلیه شماست.
در پایان، بزرگترین مزیت آئروسپیکها این است که میتوانند یک موتور بهینهسازی شده با خلاء را در سطح دریا روشن کنند، اما در واقعیت، چرا میخواهید این کار را انجام دهید؟ مگر اینکه به هر دلیلی نیاز به انجام SSTO داشته باشید، واقعاً هرگز نیازی به انجام این کار ندارید، زیرا بسیار رایجتر است که فقط یک موتور سطح دریا را در مرحله اول و یک موتور بهینه شده با خلاء را در مرحله بالایی خود روشن کنید.
خب چی فکر می کنی؟ آیا فکر میکنید که اسپکهای هوا برای نادیده گرفتن آن بسیار جالب هستند؟ فکر میکنید ما تا به حال خواهیم دید که یک وسیله نقلیه را به مدار میرساند یا فکر میکنید نازل زنگ انتخاب درستی است؟ نظرات خود را در نظرات زیر به من بگویید. و مطمئن باشید و به من بگویید چه سؤالات دیگری در مورد موتورهای هوانوردی، موتورهای موشکی، یا به طور کلی علوم موشکی دارید و به من بپردازید، زیرا من یک لیست دائماً در حال رشد از مقالات عالی دارم که سعی می کنم آنها را بررسی کنم.
تشکر ویژه از چارلی گارسیا برای اینکه ساعت ها و ساعت ها با من در مورد آئروسپیک گپ زد و به من در درک بسیاری از نکات فنی کمک کرد. او به سراغ دانشمند واقعی موشکی شخصی من می رود و یک کانال یوتیوب فوق العاده دارد، حتماً آن را بررسی کنید و شروع به یادگیری عمیق تر کنید!hope I helped you understand the question. Roham Hesami, sixth
semester of aerospace engineering
رهام حسامی ترم ششم مهندسی هوافضا