Еволюційна історія сопла

Коли людина вперше використовувала сопло? вже в i столітті герон олександрійський запропонував реактивне сопло для свого “еоліпіла”. У ньому два різноспрямованих парових сопла обертали порожнисту металеву кулю реактивною силою. Через 1200 років в китаї робили порохові ракети — для феєрверків і бойові, — освоївши реактивний рух на практиці. У середні століття бойові ракети стали літати в європі. У російській армії хіх століття ракетна зброя зросла до регулярних піших і кінних ракетних команд, що запускали ракети зі спеціальних пускових верстатів; масових ракет на флоті, великих ракетних заводів типу найбільшого в європі заводу в миколаєві. Перший пуск бойових ракет з підводного положення ракетного підводного човна стався ще за життя пушкіна, 29 серпня 1834 року, на неві, в 40 верстах вище санкт-петербурга.

Сопло-пристрій для розгону потоку рідини або газу. Навіщо його розганяти? в одних випадках потрібен сам швидкий потік, який використовується далі. В інших потрібен не потік, а сила, що виникає при його викиді, — реактивна. Таке силове сопло називають реактивним. Саме реактивні сопла були практично освоєні першими з виникненням перших ракет.

Одночасно з широкою експлуатацією ракет парова техніка кінця хіх століття дійшла до парових турбін, якими оберталися гвинти суден. Для обтікання лопаток турбін була потрібна високошвидкісний струмінь, і чим швидше була швидкість парового струменя, тим більшу силу вона створювала на лопатках турбіни, підвищуючи її потужність. Сопло тут було потрібно не для реактивної сили (яка, звичайно, теж виникала, але як побічний, невикористовуваний ефект), а для створення потоку великої швидкості. Через нього енергія, кинута соплом у вигляді маси пари, потрапить на лопатки і зробить на них роботу, прокрутивши з силою. Загальне зусилля лопаток передається на гребний гвинт.

Працюючи над високошвидкісним паровим соплом турбіни, шведський інженер карл густав патрік де лаваль в 1890 році запропонував принципово новий тип сопла. Воно змогло розганяти потік до надзвукових швидкостей, чого раніше ніколи не вдавалося зробити. Так був перейдений надзвуковий рубікон, відразу подвоїв швидкості закінчення.

Надзвуковий рубікон

І у сопел еоліпіла герона, і у наконечника пожежного брандспойта (а це сопло для розгону струменя води) канал течії звужується. У такому каналі потік робочого тіла-пара, газу або рідини розганяється. Чому? витрата (кількість робочого тіла, що проходить через перетин за секунду) в будь – якому місці каналу однаковий-скільки втікає через початковий перетин, стільки має і вийти через кінцеве. Адже поточне по каналу речовина не зменшується і не додається, в стінках немає отворів, що підводять або відводять його. І закон збереження маси робить однаковим витрата речовини через будь-яке місце сопла.

І рідина, і дозвуковий потік газу практично не змінюють свого обсягу, тому наближено розглядаються як нестисливі, коли до швидкості звуку ще далеко. Незмінний витрата їх маси означає незмінний витрата їх обсягу. Потоку доводиться поквапитися, щоб прогнати той же обсяг через місце, що звузилося. Газ змушений прискорюватися.

надзвукові струмені двигунів ракети-носія «протон-м”, пуск 31 липня 2020 року з космодрому байконур. Фото: роскосмос.

Текти його змушує перепад тисків-потік тече в бік низького тиску, штовхається ззаду високим. У звужується каналі безперервно падають тиск і температура потоку, зате зростає його швидкість. Відбувається перекачування потенційної енергії тиску і температури газу в енергію руху, в його розгін. Чим вище перепад тисків між початком і зрізом сопла, тим більше розгін і швидкість закінчення. Для її зростання піднімають тиск перед соплом. Це ж вірно і для перепаду температур, і газ намагаються сильніше нагріти спалюванням паливних компонентів.

Але у швидкості закінчення виявився свій принциповий межа. Це витікання зі швидкістю звуку. Він не долається ніяким підвищенням тиску на вході з сопло. Скільки б його не піднімали, в два, чотири або десять разів, в межах звужується сопла потік не перевищить швидкість звуку.

Згадаймо, що таке дозвуковий і надзвуковий рух. Швидкість звуку (слабких хвильових ущільнень в газі) залежить від багатьох факторів – складу газу, його щільності і тиску. Але найбільше вона залежить від температури. У конкретних умовах швидкість звуку приймає конкретне місцеве значення. Порівнює швидкість потоку з місцевою швидкістю звуку число маха, ділячи швидкість потоку на швидкість звуку. Його значення позначається м і показує, у скільки разів швидкість течії більше або менше швидкості звуку. Коли м менше одиниці, потік повільніше звуку-дозвуковий. При м=1 потік тече рівно зі швидкістю звуку. При м>1 потік надзвуковий.

У газодинаміці є поняття впливу. Це вплив на течію газу, що змінює його параметри, в тому числі швидкість. Звуження каналу – це геометричні вплив, зміна геометрії течії. І є принцип звернення впливу. Згідно з ним, одним і тим же впливом можна змінювати швидкість течії тільки до швидкості звуку. Причому це вірно як для розгону, так і для гальмування (якщо потік надзвуковий). Максимум, що досягається одним і тим же впливом, завжди буде швидкістю звуку, м=1. Стаючи непереборним для цього впливу звуковим бар’єром. Більше цієї межі вплив будь-якої потужності не зможе зробити нічого.

пуск ракети-носія ” союз-2.1 а» з вантажним кораблем «прогрес мс-14». 25 квітня 2020 року, байконур. Видно, як жовтим полум’ям зовні потоку догорає надлишковий вуглець на периферії реактивного струменя в кисні навколишнього повітря. Саме це зовнішнє догорання робить струмінь такою яскравою; в безкисневій атмосфері вона б не світилася і виглядала малопомітною сірою стрічкою. Звідки на периферії соплового потоку надлишок вуглецю, і що ще видно на цих струменях – тут. Фото: роскосмос.

Щоб переступити за м=1 і продовжити розгін або гальмування потоку, потрібно змінити вплив на протилежне. При геометричному впливі (звуження каналу) потрібно змінити його знак. Для розгону це зміна звуження на розширення. Де змінити, коли? після досягнення потоком швидкості звуку. У розширюється частині потік стане надзвуковим і буде розганятися далі. Чому?

Ставши надзвуковим, потік отримує критично інші властивості. Дозвукова нестисливість змінюється на велику стисливість і розширюваність. Розширення газу настільки велике, що обганяє геометричне розширення каналу. Розпухаючий газ змушений все швидше протікати навіть через зростаючі перетину каналу. Тому швидкість потоку в надзвуковому розширенні сопла зростає, а щільність газу знижується. Лаваль запропонував цю форму сопла і отримав на виході надзвуковий потік. А сопло з геометрією звуження-розширення назвали соплом лаваля.

Шляхи досягнення надзвуку

Відзначимо, що розігнати потік до надзвуку може не тільки мінлива геометрія сопла лаваля. Можливі надзвукові сопла з незмінною геометрією каналу, просто з рівною трубою. Їх три типи: масове, теплове і механічне. І всі вони працюють за принципом звернення впливу. Масове сопло має продірявлені стінки. У дозвуковой частини труби через перфорацію стінок всередину закачується газ. Для проходу через трубу приростаючого кількості газ прискорюється, досягаючи швидкості звуку. А після швидкості звуку вплив змінюється на протилежне-газ через отвори в стінках відкачується з труби. Що викликає розширення (є куди після відкачування) і розгін залишається в трубі газу. Для розгону потоку змінюється витрата маси газу-тому сопло називається масовим.

Два інших типи чисто теоретичні. Теплове сопло – при русі по незмінній трубі газ нагрівається, досягаючи швидкості звуку. А після неї газ охолоджується з надзвуковим розгоном. Механічне сопло підводить енергію в газ силовим механічним впливом, а за швидкістю звуку так само механічно відводить енергію для розгону надзвукового потоку.

Сопло лаваля-окремий випадок принципу звернення впливу, його геометричний аватар. Дві протилежні воронки із загальним вузьким місцем. Саме таке сопло широко використовують в практичних справах. Оскільки досягнення швидкості звуку радикально змінює поведінку потоку, швидкість звуку назвали критичною швидкістю. А перетин сопла (завжди найменше), в якому досягається швидкість звуку, назвали критичним перетином сопла.

У звужується дозвуковой частини сопла щільність газу змінюється незначно, він розширюється мало. Зате істотно знижуються його тиск і температура – швидкість зростає в основному за рахунок них. Крутіше за все ці параметри падають в критичній частині сопла, в зоні швидкості звуку. Зміна впливу зберігає ці зміни потоку і далі, в надзвуковий частини, додаючи розширення газу.Тому швидкість потоку безперервно зростає в обох частинах сопла-і дозвуковий, і надзвуковий.

Дозвуковий потік газу поводиться течією річки, нестисливою рідиною,що зберігає об’єм. Абсолютно? ні, у міру зростання швидкості повітря при обтіканні тіла потроху стискається, але незначно; ступінь стиснення не перевищує перших десятків відсотків. Це принципово не змінює картину обтікання, залишаючи її в рамках гідродинаміки, або “гідродинаміки для повітря” – аеродинаміки. Картина залишається такою до звукового рубікону.

Надзвуковий потік поводиться протилежно дозвуковому – в звуженні він гальмується, а в розширенні розганяється. Якщо він гальмується, то робить це стрибкоподібно і миттєво, завжди зі стисненням обсягу і розігрівом, утворюючи всередині себе різкі межі ущільнення. І, нарешті, надзвуковий потік може текти в бік високого тиску – наприклад, в це саме ущільнення.

Текти назустріч перепаду тиску надзвукового потоку дозволяє інша природа рушійної сили. Переважаючим стає не тиск газу, як в дозвуковому потоці, а сила інерції руху. Поведінкою дозвукового потоку управляє теплова сутність-потенційна енергія тиску газу, а надзвукові властивості потоку створює інша форма енергії – кінетична енергія руху.

Осина талія і перерозширення

Класичні сопла ракетних двигунів – це воронкоподібні звуження і розширення з вузькою осикою талією між ними. Вузька вона завдяки великій щільності в камері згоряння. Стиснутий газ може розширюватися в багато разів, все ще зберігаючи відчутний вплив на стінки сопла і створюючи тягу. Основне розширення починається при підході до швидкості звуку і триває у всій надзвукової частини сопла. В якій відношення кінцевої площі до початкової, тобто площі зрізу сопла і критичного перетину, назвали ступенем розширення сопла. Наскільки можна розширювати (і значить розганяти) газ всередині сопла? у космосі розрідженість потоку на зрізі сопла доводять до практично витягується користі – поки добавка тяги на продовженні сопла виправдовує приріст його маси. Невикористані залишки тиску скидаються в порожнечу космосу.

При старті з поверхні землі в сопло тисне атмосфера, перешкоджаючи закінченню. Струмінь вилітає з сопла розширеної сильніше атмосфери-щільність і тиск струменя нижче атмосферних. Такий струмінь називається перерахованої, а сопло працює в режимі перерахування. Чим разреженнее потік на зрізі сопла, тим більше перепад тиску з атмосферою і її протидія струменю. Перерахована надзвукова струмінь за рахунок високої швидкості виходить з сопла проти перепаду в половину атмосфери, а то і більше. І гальмується атмосферою вже за соплом.

Ось воно, працююче властивість надзвукового потоку рухатися в бік більшого тиску. Якщо цей перепад виросте ще більше, атмосферний тиск втиснеться в сопло і почне віджимати струмінь від стінок, “вимикаючи” цю ділянку сопла. Тим самим гальмувати струмінь ще в розширенні сопла, не даючи виростати тязі – почнеться режим замикання сопла зовнішнім тиском. Навіщо ж розширювати потік на зрізі сопла нижче тиску атмосфери? тому що її тиск швидко падає з ростом висоти, в яку все стрімке буде йти ракета.

Потік на зрізі сопла стане щільніше спадної атмосфери, викидаючи надлишок тиску без користі. Стиснутий щільніше атмосфери потік недоросширений до рівності з нею. Він би сильніше розшириться зміг, зробивши і тягу трохи сильніше. Це режим недоросширення. Щоб зменшити марний скидання невикористаного тиску з сопла, ступінь розширення оптимізують. Тобто розраховують так, щоб інтегральні за час роботи піднімається сопла втрати були мінімальні, а зроблена робота реактивної сили найбільшою для всієї ділянки польоту.

Для цього тиск на зрізі сопла розраховують рівним атмосферному на висотах 8-12 км.тут робота сопла оптимальна – немає перепадів тиску з атмосферою, немає і їх втрат. Стартове перерахування плавно зменшується з висотою, обнуляючись в оптимальному режимі закінчення на 10-12 км, за якими буде плавно наростати недоросширення. Так сопло в міру підйому ракети проходить три режими своєї роботи. А вибір тиску на зрізі сопла дає найменші інтегральні втрати на всьому шляху до точки виключення.

На других і третіх щаблях міжконтинентальних і космічних ракет двигуни запускаються у відсутності відчутного атмосферного тиску. Тому розширення їх сопел роблять помітно б о льшим, ніж у першого ступеня. Великі ступені розширення і у космічних ракетних двигунів-орбітального маневрування, орієнтації. Їх надзвукові частини нагадують великі кубки з маленьким вічком критичного перетину.

Велика сім’я, або різноманітність соплової газодинаміки

Принцип наявності критичного перетину реалізується у величезній безлічі форм. Класичні дві воронки, що передають потік одна інший через злиття вершин, можуть змінюватися до невпізнання. Щілинне сопло-плоский канал зі звуженням і розширенням. Сопла з центральним тілом можуть майже не змінювати зовнішній діаметр; геометрію каналу задає внутрішнє центральне тіло. Воно буває конічної або кулевидної форми, і до зрізу сопла закінчується, а критична частина виходить кільцевої. Центральне тіло може змінюватися в широких межах, повністю змінюючи вигляд сопла.

Сопло може складатися з одного центрального тіла, що охоплюється вздовж основи кільцевою щілиною. Стиснутий потік з щілини тече по центральному тілу, розширюючись на ньому. Таке сопло має вигляд спрямованого назад увігнутого конуса. Увігнутість працює так само, як чашоподібна опуклість стінки звичайного сопла. Тільки сопло своєю стінкою обжимає краю розходиться потоку в рівну течію, а центральне тіло формує спрямленную серцевину потоку.

Клиноповітряний двигун працює саме так. Його сопло лінійне-центральне тіло витягнуте горизонтально і утворює перевернутий вниз клин, подібний клинку шаблі c двома сторонами, що сходяться до леза. На цих робочих увігнутих сторонах відбувається розширення надзвукового потоку, що створює тягу. Функціонально сторони – це розгорнута в лінію стінка звичайного сопла, точно так же створює тягу.

вогневі випробування клиноповітряного двигуна xrs-2200, створеного за програмою розробки багаторазового космоплана x-33. Фото: ru.wikipedia.org.

Це клин обтікається зверху вниз надзвуковим потоком з невеликих камер згоряння, тісним рядом встановлених вгорі. Кожна сторона клина стає для потоку з камер однією стінкою сопла. Іншою стінкою є атмосфера, що обтискає потік збоку і своїм тиском регулює його розширення. Тому потік на поверхнях клиноповітряно-клиноподібного сопла розширюється оптимально, адаптуючись до зміни тиску атмосфери.

Центральне тіло може стати плоским, як тарілка, і розташуватися в глибині сопла, на початку його розширення. Немов капелюшок цвяха, не до кінця забитого в середину критичного перетину. Простір під капелюшком буде дозвуковой частиною сопла. А краю тарілчастого тіла стануть внутрішньою частиною критичного перетину. Потік розтікається радіально з-під тарілки і розгортається навколо її країв у бік зрізу сопла, обжимаючись стінками і розганяючись в надзвуковий струмінь. Тарільчатое сопло набагато коротше звичайного, і тому легше. Його своєрідна газодинаміка повністю відповідає соплу лаваля.

Менше тиск, більше потужність рекордних гігантів

Високий тиск вимагає міцних і товстих стінок камери згоряння, його простіше замкнути в камері невеликого розміру. Маса великої конструкції з великим тиском буде теж великий. У твердопаливних двигунів весь корпус є камерою згоряння. Тому тиск в них нижче, ніж в рідинних ракетних двигунах, досягаючи лише перших десятків атмосфер. Раз тиск перед соплом нижче-значить, менше ступінь розширення сопла і звуження в критичному перерізі. Наприклад, через критичні перетин сопла твердопаливного прискорювача sls може вільно пройти підліток. При діаметрах зрізу сопла в 3,8 м і критичного перетину 1,37 м ступінь розширення становить близько 7,7. Середній рівень тиску в 39 атмосфер не дозволяє задати велику ступінь розширення.

Тяга створюється не самою по собі швидкістю закінчення, а витратою при цій швидкості. Твердопаливні двигуни можуть створювати величезний витрата робочого тіла через сопло. У них немає подачі палива-все воно подано ще на заводі у всю довжину двигуна, що досягає іноді десятків метрів. У такого паливного масиву величезна площа горіння і відповідні витрати, створює дуже велику реактивну тягу.

Найпотужніші двигуни, коли-небудь створені людиною за всю історію – ракетні твердопаливні. З серійно вироблених це прискорювачі для ракети-носія sls, колишні прискорювачі space shuttle з доданою п’ятоюПаливною секцією. При загальній довжині 54 м (це висота 18-поверхового будинку), діаметрі 3,7 м і масі 726 тонн їх тяга становить 1620 тонн, а витрата 6 тонн в секунду. Сопло такого прискорювача є сьогодні найпотужнішим серійним соплом в світі.

випробування твердопаливного двигуна qm-2 прискорювача ракети sls, 2016 рік. Випробувальний стенд orbital atk propulsion systems в промонторі, штат юта. (у 2018 році orbital atk була куплена northrop grumman corporation і увійшла до її складу, як спеціалізований підрозділ по двигунах)

Експериментальні твердопаливні двигуни були ще потужнішими. Випробуваний в 1965 році aerojet aj – 260 sl-1 показав тягу 1800 тонн, а двигун aerojet aj-260 sl-3 повинен був виробляти 2670 тонн тяги. Їх поодинокі сопла залишаються найпотужнішими соплами лаваля, коли-небудь створеними людьми.

Змінна геометрія в громі форсажної тяги

Сопла з ще меншим тиском, з перепадом всього пару атмосфер і дуже невеликим звуженням, отримали величезне поширення в авіації, ставши незамінним рішенням для цілого класу двигунів. Оскільки в невеликому тиску багато енергії не запасти, тут йдуть тепловим шляхом-накачують газ жаром потужного гасового вогню.

Форсажні двигуни працюють в основному в бойових літаках. Вони використовують форсаж при польоті на надзвуці, для скорочення розбігу при зльоті, швидкого набору висоти, інтенсивного маневрування. Форсаж-це майже дворазове збільшення тяги, з багаторазовим зростанням витрати палива. Воно спалюється в загальному потоці за турбіною, в шматку проточної частини перед входом в сопло, званому форсажной камерою згоряння. Її форсунки утворюють величезну гасовий пальник, що нагріває потік перед соплом на тисячу градусів.

Настільки сильний додатковий нагрів газу збільшить тиск перед соплом. Це знизить обороти турбіни і компресора, що відразу зменшить подачу повітря до сопла. Щоб уникнути обвалу роботи двигуна, критичний перетин сопла розширюють,» скидаючи ” в нього зростаючий тиск. Це роблять півсотні рухомих елементів-стулок. Трапецієподібної форми литі пластини з жаростійкої і жароміцної (це різні властивості) стали лежать внахлест, подібно лусці або черепиці, утворюючи робочу поверхню сопла. Узгоджено зрушуючись гідроциліндрами, вони змінюють внутрішнє звуження, одночасно змінюючи зріз сопла. Завдяки такій рухомій конструкції сопло зберігає розширення газу близьким до оптимального і підлаштовується під режим роботи двигуна, дозволяючи сильно збільшувати тягу при форсажі. А після виключення форсажу сворки сопла зміщуються назад, зменшуючи критичний перетин і розмір зрізу сопла.

зліт літака eurofighter typhoon на форсажному режимі роботи двигунів. Видно невелике звуження критичного перетину надзвукового сопла. Фото: vk.com.

Сопло лаваля використовується в неосяжному безлічі реактивних пристроїв. У всіх видах ракет, що літають в повітрі-від космічних і міжконтинентальних до зенітних і протитанкових, снарядів залпових систем, реактивних гранат, і нескінченної безлічі інших реактивних літаючих тіл. Відомі і реактивні кулі, причому різних типів-наприклад, експериментальні підводні кулі для підводного автомата апс, схожі на товсті зелені спиці з реактивним двигуном діаметром 5,45 мм.або напівдюймового діаметра (12,7 мм) обертові кулі-ракети «gyrojet» з чотирма крихітними косими соплами, що проходили випробування у в’єтнамі на початку 1970-х разом зі спеціальним пістолетом для них. Це були найменші бойові ракети в історії.

Сопловий блок може складатися з одного каналу, або декількох, або з десятків сопел. Розміри, форма, кількість, розташування, нахил, тяга, призначення цих сопел змінюються в найширших межах. Реактивні сопла відводять катапультоване крісло льотчика від літака, м’яко приземляють десантируемую техніку і спускаються апарати, розганяють освітлювальні ракети і сигнали, зменшують віддачу безвідкатних знарядь, закидають детонаційні шнури розмінування, відводять убік стартові бугелі при шахтному пуску мбр, і виконують масу інших завдань, що вирішуються реактивною силою.

Нереактивні сопла

Надзвуковий потік людина видобуває соплом лаваля практично скрізь, де його використовує. У турбінах щілинні сопла лаваля розганяють потік для подачі до лопаток ротора. У надзвукових реактивних турбінах канали між лопатками рухомого диска теж щілинні сопла лаваля, що розганяють газ до надзвукової швидкості. Кожні дві сусідні лопатки утворюють своїми поверхнями канал плоского сопла лаваля, загнутий під кутом назад. Потік в ньому прискорюється і закінчується назад руху, створюючи лопаток реактивну силу. Надзвукові турбіни працюють в авіації та космонавтиці, наземній техніці та мореплавстві, енергетиці та видобутку енергоресурсів.

Можна подрібнювати матеріал надзвуковим потоком, отримавши тонкий млин. У надзвуковий струмінь надходить сипучий матеріал. Він захоплюється і розганяється струменем, що б’є в тверду перешкоду, і розбивається об неї зі швидкістю багатьох сотень метрів в секунду. Висока чистота подрібнення-матеріал сам колеться об перешкоду-дозволяє молоти медикаменти або хімікати високого ступеня очищення.

Надзвукові аеродинамічні труби теж використовують сопло лаваля. Найпоширеніший тип надзвукової труби балонний. У великому приміщенні стоять два-три ряди з товстих сталевих балонів двоповерхової висоти, охоплених стелажним другим поверхом (щоб добиратися до верхівки балонів, коли потрібно). За пару діб до продувки балони весь день накачують повітрям під гул і вібрацію компресора. Їх тіла сильно гріються від стиснення далеко за сотню атмосфер, потім за ніч остигають.

Продування проводиться в окремому боксі зі сталевими дверима. Весь набитий в балони повітря скидається за тридцять секунд. Сопло перетворює стиснене повітря балонів в надзвуковий потік, поточний в робочій частині труби. Невеликого перетину, вона зібрана з міцних сталевих елементів, що містять в собі потік з обдувається моделлю. Бонусом виступає симуляція надзвукового польоту на великій висоті з її морозом-від розширення потоку температура в робочій частині мінус 80 градусів. Значення числа маха потоку в трубі можуть перевищувати 5, тоді труба стає гіперзвукової.

гіперзвукова аеродинамічна труба лабораторії реактивного руху (jpl) nasa, побудована в 1959 році. Вона працювала в діапазоні швидкостей від 4 до 11 м.інженер jpl встановлює модель ракети у випробувальній секції. Дві горизонтальні пластини з нержавіючої сталі були гнучкими і могли переміщатися за допомогою системи гідравлічних домкратів, видимих зверху і знизу, для зміни швидкості та інших параметрів повітряного потоку. Фото: nasa.

В одному з московських вузів з великим, але заплутаним двором в одному з його закутків стояла гратчаста будка, схожа на кіоск. У цю частину двору виходили аудиторії кафедри англійської мови. Раз на тиждень заняття переривалися на півхвилини стіною суцільного гуркоту, геть заглушав будь-які спроби мови викладачів і студентів. Гратчаста будка приховувала вихідний канал надзвукової труби цього вузу, затоплюючи гуркотом двір під час продувки. Так надзвукова аеродинаміка вторгалася в усі галузі наук, що виходили аудиторіями до цієї будки.

Розрахувати сопло, що дає потрібне число маха при наявному витраті, зміг першопроходець надзвукових розрахунків і основоположник надзвукової аерогазодинаміки людвіг прандтль. У 1909 році він побудував у німеччині, в геттінгені, де працював, першу в світі надзвукову трубу. Сьогодні все сопла вважають за його методом розрахунку надзвукового сопла.

Розрахунки дозволяють профілювати сопло. Профіль-це кривизна форми сопла, що відрізняє його від простого конуса, точна геометрія сопла. У критичному перетині розширення газу найінтенсивніше, і відразу за ним треба швидко дати газу обсяг для розширення. Стінки сопла тут розходяться в сторони круто розширюється розтрубом. В кінці сопла, коли робота розширення зроблена, потік направляється циліндричним краєм сопла в майже паралельну струмінь.

Плавний перехід від різко розширюється частини до майже циліндричного краю робить сопло опуклим, схожим на келих або дзвін. Це і буде профільоване сопло. Вірно обрана кривизна стінок розширить газ оптимально, з найбільшим розгоном потоку при найменшій довжині сопла. Це мінімальна маса, поверхня охолодження, обсяг матеріалу і обробки, і вартість. Тому майже всі сопла сьогодні профільовані. Їх профіль розраховується за заданими параметрами вихідного газу і потрібного течії, дозволяючи виліпити найкращу кривизну судини для надзвуку.

Можливий ключ до повної багаторазовості ракети

Сопло може стати і головним рішенням повної багаторазовості ракет-носіїв. Проблема повернення другого ступеня ракети обумовлена її великою орбітальною швидкістю. ТемператураГальмування потоку при такій швидкості, що виникає на ступені при вході, досягає декількох тисяч градусів.

Можна зробити сопло, що займає весь нижній торець ступені. Тоді його не боїться вогню поверхня може грати роль теплозахисного екрану. При цьому металеве сопло активно охолоджується паливним компонентом, поточним в каналах його стінок. А сам компонент, стікаючи без згоряння через сопло, буде віджимати подушку гарячого, ударно стисненого повітря від торця ступені. Край стінки ступені теж можна зайняти охолоджуваним краєм сопла. Таким чином, стратегічно інтегрувавши сопло в основу ступені. Тоді сопло зможе вирішувати дві розділені в часі завдання-і створення тяги, і теплового захисту ступені при вході в атмосферу. Ймовірно, утворивши новий тип-реактивно-теплозахисне сопло.

Таке сопло додасть до своєї базової газодинамічної функції (розгін потоку) ще й теплозахисну задачу, підвищивши свою цінність.

Потрібно багато розрахунків, які знайдуть оптимум однієї конструкції для обох завдань. При такому великому діаметрі сопла звичайний витягнутий надзвуковий келих стає занадто габаритним і важким. В рази легше виявиться сопло з центральним тілом або тарілчасте сопло. Їх площа в рази менше, вимагаючи менше охолодження. Можна» зекономлене ” охолодження віддати прилеглим стінок ступені. Оцінку таких рішень дасть розрахунок конкретних проектів.

У 2020 американська фірма stoke space technologies, отримала два гранти через sbir (small business innovation research, програма досліджень та інновацій в малому бізнесі). Це програма допомоги уряду сша малим підприємствам у дослідженнях і розробках (r&d). Групу з дев’яти осіб очолює енді лапса( andy lapsa), директор і співзасновник stoke, десять років створював двигуни в blue origin. Його команда зосереджена на розробці двигуна повертається верхнього ступеня.

Грант sbir на 225 тисяч доларів видав національний науковий фонд (national science foundation), на «інтегроване силове рішення для верхнього ступеня багаторазового використання». У резюме гранта ” пропонується розробити нову технологію, що дозволяє космічним ракетам-носіям повертатися в атмосферу і здійснювати посадку в заданій точці з повторним використанням. Технічні виклики включають поєднання високоефективної силової установки, надійного теплового захисту і невеликої маси конструкції». Розглядається ” нове технічне рішення, що поєднує основні характеристики ступені з ефективністю окремої системи (мова про систему охолодження. – прима. Автора), що дозволяє повторне використання другого ступеня”.

Інший грант sbir в 125 тисяч доларів отриманий від наса на «нову конфігурацію ракетного двигуна для розгінних ступенів і планетарних посадочних модулів». Резюме гранта говорить про ” нову геометрію сопла ракети, яка раніше не розглядалася і на якій зосереджені зусилля першої фази. Сопло забезпечує велику ступінь розширення при габаритах в десять разів коротше традиційних сопел форми дзвону, і дозволяє працювати з глибоким дроселюванням при тиску атмосфери. При інтеграції в основу ступені сопло двигуна служить активно охолоджуваним металевим теплозахисним екраном під час входу в атмосферу. У першу фазу входить розробка методології проектування сопла, прогноз характеристик сопла і виготовлення обладнання для випробувань параметрів».

Наскільки плідними стануть зусилля stoke, покаже час. Але формулювання завдань говорить про назрілої потреби прориву до багаторазового другого ступеня. І сопло виступає можливим ключовим рішенням для повної багаторазовості ракет.