Почему линейные аэродинамические двигатели не используются повсеместно?

Общеизвестно, что аэрошипы трудно эффективно охлаждать.

При использовании колоколообразного сопла небольшая часть быстро расширяющегося (+ охлаждающего) выхлопа касается широкого, активно охлаждаемого сопла, что означает небольшую теплопроводность, меньший температурный градиент, много места для отвода охлаждающей жидкости снаружи (или внутри) колокол и внешняя область излучают много тепла (или передают его в воздух, находясь в атмосфере), помимо того, что охлаждающая жидкость отводит его.

В аэрошипе давление (и температура) газа остается очень высоким по всей поверхности шипа, а острый наконечник оставляет очень мало места для систем охлаждения. У вас есть много сверхгорячего, очень плотного газа, контактирующего с узким шипом , который должен пропустить весь хладагент и как-то рассеять тепло, чтобы не расплавиться.

Это означает, что короткие испытательные прогоны авиационных двигателей, доказывающие все преимущества, вполне жизнеспособны, но экспериментальные установки останавливают до того, как они перегреются и получат критические повреждения. Они просто не могли работать непрерывно столько времени, сколько требуется обычной ракете для вывода полезной нагрузки на орбиту. Работа над эффективным, безотказным охлаждением двигателей продолжается, но это далеко не так просто, как в случае с колоколообразными форсунками - серьезная проблема, которая серьезно мешает широкому внедрению этого типа двигателей.

Деньги. Большинство конструкций двигателей, которые мы сейчас используем, в той или иной форме являются эволюцией эпохи космических гонок, начиная с тех времен, когда финансирование исследований в области конструкции ракетных двигателей и сопел не было такой проблемой. Линейный шип коренным образом меняет конструкцию ракеты для одной несущей конструкции двигателя и, как таковой, потребует революции в технике, если кто-то ожидает его по дешевке. Постоянная эволюция просто недостаточна, требуемые изменения слишком велики.

Таким образом, либо исследования и разработки ракетных двигателей получат откуда-то огромное вливание денег, либо мы достигнем какого-то инженерного прорыва, который не требует так много денег, например, более надежных инженерных симуляторов ( один прекрасный пример , но этого недостаточно). Если не считать этого, циклы проектирования, сборки и тестирования просто слишком дороги. С инженерной стороны это сложно, но ни один инженер не скажет вам, что это невозможно.

The Everyday Astronaut только что опубликовал часовое видео, посвященное этому вопросу.

Вот некоторые из основных моментов:

• Аэрошипы особенно выгодны для одноступенчатых орбитальных аппаратов, а нынешние космические компании их не строят. На самом деле у SSTO нет преимуществ по сравнению с многоступенчатыми ракетами.
• Преимущество аэрошипов в эффективности на самом деле не так уж велико, если оно вообще существует. Аэрошипы имеют более высокий удельный импульс по сравнению с колокольными соплами, т. е. преобразуют тепло и давление в скорость выхлопа, но множество небольших камер сгорания, которые требуются аэрошипам, снижают эффективность реакции (преобразование химической энергии в тепло и давление) по сравнению с одной большой камерой сгорания. Это было упомянуто Илоном Маском как одна из причин, по которой они не использовали аэродинамические шипы.
• Аэрошипы могут иметь некоторые физические преимущества по сравнению с раструбными соплами, но имеют массу технических недостатков. Целая куча маленьких камер сгорания требует на порядок большего охлаждения, чем одна большая. Хотя это и не является непреодолимым, зачем вкладывать в него средства, если преимущество перед раструбными форсунками невелико или отсутствует.
• Исследование аэрошпилей, финансируемое НАСА, было отменено по причинам, которые не имели большого отношения к самим аэрошпилям, а сводились к политическому выбору и техническим проблемам с другими частями проектов, частью которых они были. Один аэродинамический двигатель должен был стать модернизацией для Saturn V, другой — для Venture Star. Почему эти проекты были отменены, это другой вопрос, но в конечном итоге выбор был за правительством США. Один из инженеров аэродинамического двигателя Venture Star говорит, что он ожидает, что двигатель будет работать нормально и сможет достичь проектных целей, если проект будет завершен.
• Илон Маск из SpaceX говорит, что они изучили это и пришли к выводу, что вкладывать деньги в аэродинамические шипы не стоит по вышеуказанным причинам. Но они хотели бы оказаться неправыми.

Проработав в Rocketdyne много лет, я понял, что, хотя они хотели поставить его на космический шаттл, политика единого источника заставила НАСА написать предложение, для которого требовались обычные ракетные сопла.
На тот момент не было средств для завершения полномасштабной разработки и летных испытаний.

Ответ прост

• отсутствие доказанной надежности

• отсутствие подтвержденного опыта полетов

• отсутствие проверки работоспособности..

  • большая площадь поверхности, подверженная воздействию горячего газа. Так что его нужно охлаждать, что сложно..

Firefly Aerospace будет использовать (кольцевой) аэродинамический двигатель со своей ракетой Alpha. У них запланирован запуск в 2018 году.

Arcaspace строит испытательный двигатель на перекиси водорода, который они надеются запустить позже в 2018 году, с заявленной целью запуска eSSTO RP1/H2O2. https://newatlas.com/arc-aerospike-linear-engine-complete/51431/

Этот ответ дополняет другие отличные ответы здесь.

Это видео Curious Droid также подтверждает, что это всего лишь вопрос времени и денег. Первые несколько слов «История полна решений...» Из-за деталей истории развития колоколообразные сопла были сделаны первыми, и люди застряли с ними.

Это может немного напоминать нынешнее неиспользование ядерной энергии на основе тория , хотя это также связано с необходимостью разработки ядерного оружия.