Жидкостные ракетные двигатели могут быть сгруппированы вместе на сцене, но их производительность, вес и размер во многом определяют и ограничивают конструкцию ракеты-носителя. Данные о более новых пусковых установках меньшего размера недоступны, поскольку они находятся в коммерческой разработке. Какие параметры конструкции изменяются в зависимости от масштаба и как это влияет на его вес и производительность? Как можно уменьшить значения больших старых двигателей, чтобы приблизить их к этим меньшим?
Принципиально жидкостный ракетный двигатель состоит из двух частей: камера сгорания/сопло; и турбонасосы.
Камера сгорания / сопло
Камеру сгорания легче уменьшить, чем увеличить. Добиться однородного смешивания топлива и окислителя в большом двигателе сложнее из-за больших расстояний. Большие двигатели страдают нестабильностью сгорания. Эту проблему можно решить, добавив перегородки к пластине форсунки, как это было сделано в двигателях F1 (тяга 7,77 МН), которые приводили в действие Saturn V.
Тем не менее, разработка такой большой камеры сгорания является масштабной задачей, и (за исключением производной F1A с тягой почти 9 МН) камера сгорания / сопло с более высокой тягой никогда не разрабатывались. Следующая по величине камера сгорания находится на RS68 (тяга 3,56 МН).
Советы / русские имеют долгую историю создания двигателей с 4 камерами сгорания / соплами, чтобы избежать как нестабильности сгорания, так и снизить затраты на оснастку / разработку, связанные с большими камерами сгорания. Эта стратегия используется в самом мощном жидкостном ракетном двигателе РД170/РД171. При тяге 7,9 МН он лишь незначительно мощнее, чем F1, но каждое из четырех сопел производит только четверть этой тяги. От этого двигателя произошли РД180 с двумя камерами сгорания, создающими половину тяги, и РД191 с одной камерой сгорания, создающими четверть тяги.
Одна из проблем с уменьшением размеров двигателей заключается в том, что вы получаете пропорционально большую потерю тепла, что делает двигатель менее эффективным. Но процент тепловых потерь на чем-то столь мощном, как ракетный двигатель, в любом случае минимален. Хотя охлаждение двигателя является пропорционально более серьезной проблемой для небольших двигателей, можно использовать более простые решения, чтобы избежать сложности. Например, абляционная форсунка может использоваться вместо более сложной системы охлаждения, включающей циркуляцию топлива по каналам в форсунке.
Турбокомпрессоры
Во всех больших двигателях их турбонасосы питаются одинаково: за счет сгорания той же смеси топлива и окислителя, которая используется в камере сгорания, так как это наиболее эффективный способ. Существуют вариации того, как это делается. Это может быть открытый цикл, когда камера сгорания турбонасоса работает на сбалансированной* смеси топлив и сбрасывает отработавшее топливо за борт, или может быть выполнен закрытый цикл, когда камера сгорания турбонасоса работает на смеси, богатой топливом или окислителем, что является затем подается в камеру сгорания для дальнейшего сжигания.
Некоторые небольшие двигатели используют тот же метод, но есть и другие возможности.
Например, РЛ-10 (тяга 110 кН) использует водородное топливо для охлаждения сопла, а за счет кипячения топлива в каналах сопла получается достаточно энергии для работы всего турбонасосного агрегата. Это возможно для небольшого двигателя, так как отношение площади поверхности к объему больше.
Как правило, чем меньше двигатель, тем сложнее конструкция турбонасоса. Это связано с тем, что создаваемое давление пропорционально плотности жидкости, умноженной на квадрат скорости внешней кромки ротора насоса, поэтому чем меньше диаметр этого компонента, тем быстрее он должен вращаться для достижения того же давления. Те же правила применяются для турбины, которая приводит в действие насос. Он работает на горячем газе, который имеет гораздо меньшую плотность, чем топливо. Это означает, что разработка небольшой эффективной турбины для работы турбонасоса является еще более сложной задачей. Rocket Lab полностью избежала проблемы проектирования такой турбины в своем двигателе Резерфорда (тяга 22 кН, самый маленький керосин, указанный в Википедии), используя электродвигатель для привода турбонасоса.
Двигатель SpaceX Kestrel (на уже снятом с производства Falcon 1) был еще проще и полагался на топливные баки под давлением. При таком подходе для более прочных танков существует штраф за вес, поэтому его нельзя использовать на большом двигателе.
Тяги, используемые в этом ответе, взяты из Википедии и указаны для работы с вакуумом.
*( На практике турбонасосы не работают на идеально сбалансированной смеси топлива и окислителя, даже на двигателях с открытым циклом, потому что температура пламени будет слишком высокой для лопаток турбины. Они намеренно работают с обогащенным топливом или окислителем, чтобы снизить температуру пламени. )
Уве
Раджат Пай
ГиттингГуд
Раджат Пай