Квадратные двигатели на космических кораблях

Короткий ответ: да, будут. Более длинная версия выглядит следующим образом. Я заполнил более подробную информацию, чтобы разместить тег точных наук.

Ракетный двигатель в основном работает за счет расширения газа и выброса его из задней части двигателя на высокой скорости. На практике это означает, что когда газ расширяется в результате сгорания топлива, он выталкивается во всех направлениях почти одинаково. То, что делает раструб на задней части двигателя, дает газу одно направление выхода, в значительной степени толкая двигатель вперед.

Теперь, как выясняется, это не так просто, как кажется, и есть проблема, называемая Оптимальным расширением , которая определяет эффективность ракеты с точки зрения того, как ракета выбрасывает свой газ, благодаря характеру ее охлаждения сразу после Реакция.

Характер этого эффекта означает, что наиболее эффективной конструкцией сопла будет сопло колокола , которое представляет собой параболическую кривую, учитывающую расширяющийся газ, тот факт, что часть газа не выходит в точно правильном направлении, и правильно «формирует» выхлоп. Это самые сложные в изготовлении сопла (и самые дорогие), но они используются во всем, где вес является важным фактором, то есть в больших ракетных двигателях, таких как «Сатурн-5», «Спейс шаттл» и т. д.

Что делает корпус колокола, так это формирует выхлоп по мере его выхода, направляя все угловые выпуски так, чтобы они двигались назад практически в одном направлении, даже с учетом изменения температуры и давления выхлопа. Таким образом, он удерживает тягу двигателя точно направленной и повышает эффективность двигателя за счет минимизации количества газа, который толкает в наклонном направлении до желаемого угла тяги.

Квадратный корпус этого не сделает.

Самый простой ответ на вопрос, почему, заключается в том, что если газ расширяется и высвобождается в общем направлении, газ будет расширяться радиально , образуя (по сути) круговую импульсную волну. По сути, это означает, что давление внутри квадратного корпуса теперь неравномерно, что приводит к увеличению давления, особенно в конструктивно слабых углах корпуса, что значительно увеличивает вероятность выхода из строя, как и в иллюминаторах самолетов.

Поскольку весь газ выходит из центра корпуса раструба, круглый корпус во всех случаях автоматически формирует блуждающие векторы. Квадратный будет делать это только в некоторых случаях, а именно посередине сторон и в углах. Во всех других случаях сторона корпуса касается наклонных векторов газа, создавая неэффективность и (потенциально) смещенные всплески тяги от мощности двигателя, что также делает его менее точным.

Причина этой проблемы заключается в давлении в камере . На Saturn V двигатели F1 имели рабочее давление в камере 70 бар, что в 70 раз превышает давление атмосферы на уровне моря. Это может звучать не так уж и много, но тогда у вас есть огромное количество газа, стремящегося вырваться, и он выходит из сопла и попадает в корпус раструба, оказывая давление на внутренние стенки сопла. Как было указано Марком, когда у вас генерируются тангенциальные векторы, газ может быть направлен в эти углы в несколько более высоких концентрациях, а углы являются естественной точкой напряжения, как вы подчеркнули выше. Это означает, что у вашего подруливающего устройства меньше шансов выдержать нагрузки от сгорания двигателя, чем у круглого раструба.

В заключение, как было задокументировано в комментариях, возможен «своего рода» квадратный двигатель в виде двигателей Aerospike , который вполне может соответствовать вашим требованиям. Их часто называют двигателями «наизнанку» из-за их конструкции, но они вполне могут удовлетворить ваши потребности в квадратных соплах. Конечно, с точки зрения науки, вы можете просто объявить, что ваши корабли используют этот тип двигателя, и двигаться дальше; они настоящие (хотя пока не используются активно), и они настолько близки к той форме, которую вы хотите, насколько я подозреваю, вы получите.

Если ваш подруливающий элемент не рассчитан на высокое давление, он может иметь любую форму.

https://www.nasa.gov/centers/glenn/technology/Ion_Propulsion1.html

На фото экспериментальный ионный двигатель. В отличие от большого количества горячего топлива, расширяющегося с умеренно высокой скоростью (как реактивный самолет), в ионных двигателях используется очень небольшое количество ионов, движущихся с чрезвычайно высокой скоростью.

Это не научная фантастика. Разрабатываются настоящие космические корабли, использующие их. Это хорошо тем, что топливо тяжелое, а энергия — нет, а тяга увеличивается пропорционально квадрату скорости, поэтому быстрее и меньше — лучше.