Создает ли Falcon 9 v1.1 ударный ромб во время полета?

Конструкция OctaWeb Falcon 9 v1.1 фактически представляет собой грубое приближение аэродинамического сопла, когда все двигатели работают. Чтобы понять, почему выхлопной шлейф выглядит так на фото, важно понять, как работают раструбы ракетного двигателя.

На этом изображении показано, как сопло расширяет газы для создания тяги. Камеры сгорания ракет объединяют топливо и окислитель для производства газа под высоким давлением. Этот газ на самом деле относительно медленно движется в камере сгорания (ниже 1 Маха). Расширительное сопло принимает газ высокого давления и расширяет его до газа низкого давления и высокой скорости.

На четырех рисунках показано одно и то же сопло с одинаковым коэффициентом расширения в четырех различных рабочих условиях (различное внешнее давление).

Первое сопло недорасширено, где давление выхлопных газов > давления окружающего воздуха. Это означает, что когда выхлопные газы покидают сопло, часть газа расширяется перпендикулярно вектору тяги и, таким образом, не совершает полезной работы над ракетой.

На втором рисунке показано идеальное расширительное сопло, в котором газ расширяется так, что давление выхлопа равно атмосферному давлению, и вся его кинетическая энергия направляется прямо в сторону от ракеты.

На третьем рисунке показано перерасширенное сопло, в котором давление выхлопных газов < атмосферного давления. Выхлоп сжимается окружающим воздухом и теряет некоторую эффективность.

На четвертом рисунке показано сильно перерасширенное сопло, где давление выхлопа < атмосферного давления. Это может привести к нестабильности, так как выхлоп отделяется от стенок сопла.

Идеальным сценарием является давление выхлопных газов = атмосферному давлению, однако этот идеальный сценарий случается нечасто. Ракеты используются для полетов в космос, и по мере того, как они поднимаются на высоту, давление окружающего воздуха падает. Следовательно, сопло, которое «идеально» на уровне моря, будет недорасширяться во время полета ракеты. Большинство производителей ракет проектируют свои двигатели первой ступени так, чтобы они были слегка расширены, чтобы они находились в идеальном диапазоне по мере набора высоты.

Однако одним из способов борьбы с этим является использование сопла с изменяемой геометрией, чтобы оставаться в идеальном диапазоне как можно дольше. Аэроспайк представляет собой форму сопла с изменяемой геометрией и может рассматриваться как перевернутое сопло ракеты. Впрыск топлива осуществляется по конусу (тороидальный) или по клину (линейный). Окружающее давление и стенки шипа создают виртуальное сопло для расширения газов. Этот тип двигателя будет более эффективным, потому что степень расширения изменяется в зависимости от атмосферного давления, поскольку именно атмосферное давление в первую очередь расширяет газы.

Итак, теперь вернемся к Falcon 9 v1.1. Merlin 1D-Sea Level слегка расширен на уровне моря. Когда Falcon поднимается, он достигает идеального расширения, а затем становится недорасширенным. 9 двигателей в OctaWeb создают эффект аэродинамического шипа, когда 8 двигателей на внешнем кольце отталкивают воздух от центрального двигателя и создают область низкого давления. Из-за этого эффекта при взлете средний Мерлин фактически создает большую тягу, чем остальные Мерлины. Шлейф на фото - недорасширение всех двигателей вместе взятых.

Источники: Aerospikes,
расширение ракетного двигателя .