Απόδοση ενός καλλιτέχνη του ενσωματωμένου Powerhead Demonstrator. Πιστωτική εικόνα: NASA. Κάντε κλικ για μεγέθυνση.
Όταν σκέφτεστε τη μελλοντική τεχνολογία πυραύλων, πιθανώς σκεφτείτε την πρόωση ιόντων, τους κινητήρες αντιύλης και άλλες εξωτικές ιδέες.
Οχι τόσο γρήγορα! Το τελευταίο κεφάλαιο για τους παραδοσιακούς πυραύλους με υγρά καύσιμα δεν έχει ακόμη γραφτεί. Η έρευνα βρίσκεται σε εξέλιξη για μια νέα γενιά σχεδίων πυραύλων με υγρά καύσιμα που θα μπορούσαν να διπλασιάσουν την απόδοση σε σχέση με τα σημερινά σχέδια, βελτιώνοντας παράλληλα την αξιοπιστία.
Οι πύραυλοι με υγρά καύσιμα υπάρχουν εδώ και πολύ καιρό: Η πρώτη εκτόξευση με υγρά πραγματοποιήθηκε το 1926 από τον Robert H. Goddard. Αυτός ο απλός πύραυλος παρήγαγε περίπου 20 κιλά ώθησης, αρκετά για να τον μεταφέρει περίπου 40 πόδια στον αέρα. Από τότε, τα σχέδια έχουν γίνει εξελιγμένα και ισχυρά. Οι τρεις ενσωματωμένοι κινητήρες του διαστημικού λεωφορείου, για παράδειγμα, μπορούν να ασκήσουν πάνω από 1,5 εκατομμύρια λίβρες συνδυασμένης ώσης καθ 'οδόν προς τη Γήινη τροχιά.
Μπορείτε να υποθέσετε ότι, μέχρι τώρα, πρέπει να έχει γίνει κάθε πιθανή βελτίωση σε σχέδια πυραύλων με υγρά καύσιμα. Θα κάνατε λάθος Αποδεικνύεται ότι υπάρχει περιθώριο βελτίωσης.
Με επικεφαλής την Πολεμική Αεροπορία των ΗΠΑ, μια ομάδα που αποτελείται από τη NASA, το Υπουργείο Άμυνας, και πολλούς συνεργάτες της βιομηχανίας εργάζονται για καλύτερα σχέδια κινητήρων. Το πρόγραμμά τους ονομάζεται Integrated High Payoff Rocket Propulsion Technologies, και εξετάζουν πολλές πιθανές βελτιώσεις. Ένα από τα πιο πολλά υποσχόμενα μέχρι στιγμής είναι ένα νέο σχήμα ροής καυσίμου:
Η βασική ιδέα πίσω από έναν πύραυλο υγρού καυσίμου είναι μάλλον απλή. Ένα καύσιμο και ένα οξειδωτικό, και τα δύο σε υγρή μορφή, τροφοδοτούνται σε θάλαμο καύσης και αναφλέγονται. Για παράδειγμα, το λεωφορείο χρησιμοποιεί υγρό υδρογόνο ως καύσιμο και υγρό οξυγόνο ως οξειδωτικό. Τα θερμά αέρια που παράγονται από την καύση διαφεύγουν γρήγορα μέσω του ακροφυσίου σε σχήμα κώνου, παράγοντας έτσι ώθηση.
Οι λεπτομέρειες, φυσικά, είναι πολύ πιο περίπλοκες. Πρώτον, τόσο το υγρό καύσιμο όσο και ο οξειδωτής πρέπει να τροφοδοτούνται στο θάλαμο πολύ γρήγορα και υπό μεγάλη πίεση. Οι κύριοι κινητήρες του λεωφορείου θα εξαντλούν μια πισίνα γεμάτη καύσιμα σε μόλις 25 δευτερόλεπτα!
Αυτός ο εκτοξευόμενος χείμαρρος καυσίμου οδηγείται από ένα turbopump. Για την τροφοδοσία του στροβιλοσυμπιεστή, μια μικρή ποσότητα καυσίμου «προ-καύση», δημιουργώντας έτσι θερμά αέρια που οδηγούν το στροβιλοαντλία, το οποίο με τη σειρά του αντλεί το υπόλοιπο καύσιμο στον κύριο θάλαμο καύσης. Μια παρόμοια διαδικασία χρησιμοποιείται για την άντληση του οξειδωτή.
Οι σημερινοί πύραυλοι με υγρά καύσιμα στέλνουν μόνο μια μικρή ποσότητα καυσίμου και οξειδωτή μέσω των προπαρασκευαστών. Ο όγκος ρέει κατευθείαν στον κύριο θάλαμο καύσης, παρακάμπτοντας εντελώς τους προπαρασκευαστές.
Μία από τις πολλές καινοτομίες που δοκιμάζονται από την Πολεμική Αεροπορία και τη NASA είναι η αποστολή όλου του καυσίμου και του οξειδωτή μέσω των αντίστοιχων προπαρασκευαστών τους. Εκεί καταναλώνεται μόνο μια μικρή ποσότητα - αρκετή για να τρέχει τα turbos. το υπόλοιπο ρέει στον θάλαμο καύσης.
Αυτός ο σχεδιασμός «πλήρους ροής σταδιακού κύκλου» έχει ένα σημαντικό πλεονέκτημα: με περισσότερη μάζα να διέρχεται μέσω του στροβίλου που οδηγεί το turbopump, το turbopump κινείται σκληρότερα, επιτυγχάνοντας έτσι υψηλότερες πιέσεις. Οι υψηλότερες πιέσεις ισοδυναμούν με μεγαλύτερη απόδοση από τον πύραυλο.
Ένας τέτοιος σχεδιασμός δεν έχει χρησιμοποιηθεί ποτέ σε πύραυλο υγρού καυσίμου στις ΗΠΑ πριν, σύμφωνα με τον Gary Genge στο Κέντρο Διαστημικής Πτήσης Marshall της NASA Ο Genge είναι ο Αναπληρωτής Διαχειριστής Έργου για το Ενσωματωμένο Powerhead Demonstrator (IPD) - μια δοκιμαστική μηχανή για αυτές τις ιδέες.
«Αυτά τα σχέδια που διερευνούμε θα μπορούσαν να ενισχύσουν την απόδοση με πολλούς τρόπους», λέει ο Genge. "Ελπίζουμε για καλύτερη απόδοση καυσίμου, υψηλότερη αναλογία ώσης προς βάρος, βελτιωμένη αξιοπιστία - όλα με χαμηλότερο κόστος."
"Ωστόσο, σε αυτήν τη φάση του έργου, προσπαθούμε απλώς να λειτουργήσει σωστά αυτό το εναλλακτικό μοτίβο ροής", σημειώνει.
Ήδη έχουν επιτύχει έναν βασικό στόχο: έναν πιο δροσερό κινητήρα «Τα Turbopumps που χρησιμοποιούν παραδοσιακά μοτίβα ροής μπορούν να θερμάνουν έως τους 1800 C», λέει ο Genge. Αυτό είναι πολύ θερμικό στρες στον κινητήρα. Το turbopump "πλήρους ροής" είναι πιο δροσερό, γιατί με περισσότερη μάζα που διατρέχει αυτό, μπορούν να χρησιμοποιηθούν χαμηλότερες θερμοκρασίες και να επιτευχθεί καλή απόδοση. «Μειώσαμε τη θερμοκρασία κατά αρκετές εκατοντάδες βαθμούς», λέει.
Το IPD προορίζεται μόνο ως βάση για νέες ιδέες, σημειώνει ο Genge. Ο ίδιος ο διαδηλωτής δεν θα πετάξει ποτέ στο διάστημα. Αλλά αν το έργο είναι επιτυχές, μερικές από τις βελτιώσεις του IPD θα μπορούσαν να βρουν το δρόμο τους στα οχήματα εκτόξευσης του μέλλοντος.
Σχεδόν εκατό χρόνια και χιλιάδες εκτοξεύσεις μετά τον Goddard, οι καλύτεροι πύραυλοι με υγρά καύσιμα μπορεί να μην έχουν έρθει ακόμη.
Πρωτότυπη πηγή: Επιστημονικό άρθρο της NASA
