Почему вакуумные двигатели не включаются после 1 Маха?

Однако мне кажется, что как только транспортное средство достигнет скорости 1 Маха, воздух не сможет попасть в сопло, потому что транспортное средство движется быстрее, чем скорость, с которой будет всасываться воздух.

Несколько причин.

Одной из причин является фронт ударной волны, огибающий ракету-носитель. Это воздушная яма, удаленная из транспортного средства, которое движется со скоростью 1 Маха или выше относительно транспортного средства. Вблизи автомобиля воздух движется с дозвуковой скоростью. Как только транспортное средство превышает скорость звука (по отношению к воздуху, удаленному от транспортного средства), фронт ударной волны возникает перед транспортным средством и вокруг него. Внутри ударного фронта скорость воздуха по отношению к аппарату остается дозвуковой. Это делает недействительной основную посылку вопроса.

Другая причина – критичность к безопасности. В большинстве ракет-носителей вторая ступень скрыта до отделения первой ступени. Было бы очень плохой идеей зажечь двигатель второй ступени, пока он остается закрытым. Это означало бы залить топливные баки первой ступени горячим выхлопом второй ступени. Это яркий пример функции, которая «не должна работать».

Важнейшие для безопасности функции классифицируются как «должны работать» или «не должны работать», при этом категоризация может меняться от одной к другой в зависимости от фазы полета. Например, зажигание второй ступени в типичной ракете-носителе (транспортном средстве, в котором вторая ступень заключена в кожух) переходит из функции «не должна работать» до отделения первой ступени в функцию «должна работать» после первой ступени. разделение стадий.

Космический шаттл был единственным известным мне транспортным средством, в котором вакуумные двигатели могли быть запущены до разделения ступеней. Даже на космическом шаттле запуск двигателей орбитальной системы маневрирования был функцией, которая «не должна работать» ниже высоты 70000 футов (21,4 км). Ниже этой высоты существовал риск разрушения сопла из-за чрезмерного расширения выхлопных газов . Множественные запреты не позволяли двигателям СУО шаттла запускаться ниже этой высоты.

Ваша идея о том, что «воздух не сможет попасть в сопло, потому что транспортное средство движется быстрее, чем скорость, с которой будет всасываться воздух», неверна. Но скорость автомобиля здесь не имеет значения.

Ответ довольно хорошо изложен в верхнем ответе здесь , как кто-то еще связался, но переформулировать его:

Двигатели с оптимизированным вакуумом не работают в атмосфере из-за отрыва потока в сопле, что приводит к большим боковым нагрузкам (на стенки сопла) и неустойчивости сопла, что может привести к разрушению конструкции или разрушению сопла. Разделение потока также может вызвать толчки внутри сопла, что также приведет к разрушению конструкции.

Отрыв потока происходит, когда давление на выходе из сопла значительно ниже атмосферного давления; давление на выходе ниже атмосферного давления называется перерасширением. Не существует точного соотношения, при котором происходит отрыв потока, но общие оценки находятся в диапазоне P_exit/P_ambient = 0,2-0,4. Разность давлений на выходе из сопла приводит к тому, что выхлопные газы с более низким давлением «защемляются» по направлению к центральной оси окружающим газом с более высоким давлением. Если эта сила станет слишком большой, вероятно, в диапазоне указанных соотношений, поток сопла будет отрываться от стенок сопла, что называется отрывом потока.

Чтобы оптимизировать характеристики сопла ракеты, давление на выходе должно быть как можно ближе к атмосферному давлению; поскольку вакуумные двигатели оптимизированы для использования в космосе, давление на выходе чрезвычайно низкое. Давление на выходе будет контролироваться коэффициентом расширения или коэффициентом площади сопла (A_exit/A_throat); для вакуумных двигателей мы видим гораздо большие сопла, чтобы максимизировать степень расширения и минимизировать давление на выходе.

Итак, коротко отвечая на ваш вопрос:

• Скорость ракеты (или число Маха) не совпадает со скоростью на выходе из сопла.
• Разделение потока («всасываемый воздух») зависит от отношения давления на выходе из сопла к давлению окружающей среды, а не от скорости выхода ракеты или сопла.
• Даже на больших высотах вакуумное сопло, как правило, все равно будет чрезмерно расширено, что может привести к отрыву потока.