Что делает вакуумный двигатель Merlin таким глубоко дросселируемым?

Вы правы, именно атмосферное давление на уровне моря ограничивает установку минимальной мощности на земле запускаемых двигателей Мерлина. При атмосферном давлении выхлоп может быть чрезмерно расширен только до момента, когда двигатель начинает создавать отрицательную тягу или очень сильные колебательные нагрузки тяги (из-за отделения выхлопа от стенок сопла), которые могут нагружать двигатель сверх усталостного ресурса сопла. стеновые и упорные рамы.

Чтобы помочь вам понять, где находится точка пересечения, вот немного математики для понимания газовой динамики внутри сопла. По сути, сопло представляет собой ускоритель, превращающий всенаправленное статическое давление в направленную скорость. В вакууме ничто не давит на выхлоп, поэтому теоретически это расширение может быть доведено до максимума, когда статическое давление выхлопа равно нулю. Однако внутри атмосферы внешний воздух давит на поток выхлопных газов. Пока статическое давление выхлопа выше атмосферного, поток ускоряется, однако, как только поток расширяется за пределы атмосферного, атмосферное давление начинает замедлять выхлоп. Это не имело бы большого значения, если бы поток в выхлопе был равномерно высоким. Однако этого не происходит из-за того, что называется пограничным слоем. Пограничный слой представляет собой тонкий слой жидкости вдоль стенки, который снижает скорость потока от полной скорости истечения до нуля у стенки. Именно здесь начинаются проблемы отрыва стенки выхлопа, так как этот поток начинает замедляться, а затем реверсировать после того, как статическое давление в потоке сопла падает ниже атмосферного. Затем это изменение направления потока начинает отрыв газового потока от стенки. Теперь из-за вязкости этот газовый поток будет испытывать силы сдвига, которые раскручивают вихри в газовом слое. Эти водовороты действуют как продувочные насосы, помогая газовому потоку пробиться обратно к стене. Однако, поскольку газ имеет массу, это царапанье зайдет слишком далеко, каждый раз чередуя удары о стену и отрыв от стены, вызывая начало колебаний. Поскольку отношение скорости потока к вязкости потока очень велико (это называется числом Рейнольдса),

У проектировщика есть два варианта, чтобы гарантировать, что эти колебания остаются управляемыми: 1) Минимизировать длину сопла, чтобы у колебаний не было шансов стать слишком большими и создать огромные боковые нагрузки. 2) Придайте соплу правильную форму, чтобы слегка приподнять газовый поток над стенкой и ускорить его за счет уменьшения трения, испытываемого потоком.

Вариант 1 до некоторой степени выполним, потому что поток все равно придется поворачивать, причем делать это несколько постепенно, чтобы избежать образования ударной волны внутри сопла. Колокольное сопло, разработанное Rocketdyne в 60-х годах, по-прежнему является лучшей конструкцией для этого, но некоторые конструкции аэродинамических сопел обещают еще больше уменьшить длину.

Вариант 2 - это то, где было сделано много достижений с использованием нестационарной газовой динамики. Был обнаружен класс форм, которые структурируют пограничный слой таким образом, чтобы сформировать серию валиков жидкости за ступенями, обращенными назад, которые отрывают поток от стены и позволяют ему ускоряться, помогая отсрочить точку, где поток реверсируется. начинается.

Теперь, если вы хотите избежать поврежденных двигателей, через которые вам придется пройти во время тестирования, лучше вообще избежать этой проблемы. Следовательно, лучше эксплуатировать двигатели на полной мощности или близкой к ней (полное давление в камере сгорания), чем дросселировать их глубоко в атмосфере. Вероятно, поэтому двигатель Merlin имеет меньший диапазон мощностей в атмосфере, чем снаружи, потому что SpaceX не хотела тратить время и деньги на разработку геометрии сопла посредством статических испытаний двигателей.