Kanapowy Inżynier 1 - Silnik wywrócony na lewą stronę

Ostrzeżenie - artykuł zawiera liczne uproszczenia. Może wywołać skoki ciśnienia u ekspertów.

Udało mi się. To był trudny wyścig. Wyścig o którym nie wiedział mój konkurent - Tim Dodd. Chyba od półtora roku chciałem napisać o aerospike. Ale dopiero kilka miesięcy temu usłyszałem, że Everyday Astronaut (czyli Tim Dodd właśnie), też chce zrobić o tym swój materiał. Potraktowałem to jako źródło motywacji, postanowiłem napisać coś zanim on przygotuje swój filmik. Tak więc pozwólcie, że zapoznam Was z dość ciekawym pomysłem na silnik rakietowy.

W tym celu musimy zacząć od klasycznych silników rakietowych i jednej z ich słabości. Napędzają one rakiety dzięki trzeciemu prawu dynamiki newtona - “odpychają się” od gazów wyrzucanych w przeciwnym kierunku. Innymi słowy produkty spalania paliwa pod ogromnym ciśnieniem kierowane są np. w dół przez co reszta rakiety jest popychana w górę. Działa to najlepiej (najbardziej wydajnie) jeśli spaliny poruszają się w jednym kierunku z jak największą prędkością. W praktyce jednak do głosu dochodzi ciśnienie atmosferyczne, które “naciska” na strumień z dyszy z zewnątrz. Im wyżej znajduje się rakieta, tym niższe ciśnienie, więc spaliny wychodzą z dyszy pod coraz szerszym kątem, więc część ciągu “marnuje się”. W końcu interesuje nas jedynie składowa ruchu zgodna z kierunkiem lotu. Kształt dyszy, może być dostosowany tylko do jednej wysokości nad poziomem morza… chyba, że wywrócimy go na lewą stronę.

Tak wiem, tytuł notki mówi o wywróceniu silnika, a tak naprawdę chodzi tylko o dyszę. Musicie mi wybaczyć - tak brzmiało znacznie fajniej. Normalna dysza oddziela spaliny od powietrza parabolicznym “dzwonem”. W silniku aerospike kierowane są one na paraboliczny stożek na środku do którego dociska je ciśnienie samej atmosfery. Klasyczny design jest lepszy na swojej “dedykowanej” wysokości (większość silników zaprojektowana jest na ciśnienie na poziomie morza). Aerospike może się pochwalić jedynie około 90% wydajności klasycznego silnika na tej wysokości. Jego przewaga polega na tym, że podczas gdy wydajność klasycznych silników spada na innych wysokościach, aerospike działa na nich równie dobrze. Od poziomu morza aż po próżnię.

W teorii szpic centralnego stożka powinien być nieskończenie długi, tak samo dzwon silnika dostosowanego do pracy w próżni też powinien ciągnąć się w nieskończoność. Realnie jednak oczywiście trzeba go gdzieś zakończyć. Krótsza dysza będzie lżejsza więc może być znacznie lepsza od teoretycznie bardziej wydajnej, długiej. Podobnie ze stożkiem. Pod ściętym stożkiem tworzy się strefa recyrkulacji, która jednak nie zakłóca pracy ani spowalnia rakiety, a na wyższych wysokościach może nawet poprawiać ciąg. Niektóre projekty zawierają również dodatkowe odprowadzanie gazów z tego punktu. W ten sposób dodatkowo oszczędzano masę - dodatkowy strumień spalin zastępował dłuższy stożek.

Aerospike ma dwa główne warianty. Poza wspomnianym powyżej, gdzie spaliny są skierowane na stożek istnieje wersja liniowa. W tym wypadku zamiast parabolicznego stożka/szpica mamy paraboliczny kształt ściętej litery V. Taki projekt pozwalał na modularną budową, doczepianie kolejnych silników i łatwiejszą kontrolę ciągu (polegałaby na włączaniu i wyłączaniu kolejnych sekcji).

Taki silnik miał napędzać VentureStar, następcę promów kosmicznych. Koncepcja aerospike nie jest nowa. Sięga połowy zeszłego stulecia. Chęć napisania notki na ten temat przyszła półtora roku temu, częściowo dlatego, że ożywiła wspomnienie z lat 90tych. Może niektórzy z Was pamiętają, gdy Discovery było kanałem o nauce i technice a nie o krzyczących na siebie motocyklistach. To właśnie wtedy po raz pierwszy widziałem aerospike, naturalnie nie bardzo rozumiałem o co chodzi, ale widok “nowego promu” w kształcie grotu strzały, z silnikiem prosto z filmu SF pozostał mi gdzieś w pamięci.

VentureStar miał być zupełnie nową jakością. Były to czasy po katastrofie Challengera. Amerykanie mieli świadomość, że promy, w pewnym sensie były niewypałem. Nie zrozumcie mnie źle, era wahadłowców pchnęła znacznie eksplorację kosmosu ale np. koszt ich eksploatacji był jakies 70 raz większy od planowanego. VentureStar miał spełnić obietnicę wahadłowca. Bez dodatkowych stopni, na jednym silniku od ziemi aż po orbitę, całkowicie wielokrotnego użytku...

Co się zatem stało? Lockheed Martin miał ściąć dziesięciokrotnie koszt wynoszenia materiału na orbitę. W latach 90tych silnik aerospike zbliżał się do etapu lotów, jednak pęczniejące koszty i niepowodzenia w testach doprowadziły do wycofania się USA z finansowania projektu w 2001 roku. Lockheed Martin kontynuował prace jeszcze przez osiem lat zanim dał za wygraną.

Co z innymi firmami? Niestety jako, że nikt nie doszedł do etapu latania takimi rakietami (poza małymi rakietami z cylindrycznym wariantem aerospike), praca nad tą koncepcją oznaczałaby ogromne koszty R&D. To wciąż niemal jak projektowanie rakiety od podstaw. A mimo swoich zalet aerospike boryka się z licznymi problemami jak choćby chłodzenie centralnej części tak by nie uległa stopieniu. Jego zaleta w postaci wydajności i oszczędzania paliwa okazuje się nie być aż tak atrakcyjna. SpaceX, odzyskując pierwszy stopień swoich Falconów oszczędza nieporównywalnie więcej niż oszczędziłby na paliwie, które stanowi ułamek procenta kosztu rakiety.

Kto wie, może druk 3D, coraz lepsze możliwości projektowania cyfrowego i rosnąca wartość sektora kosmicznego sprawią, że aerospike wyskoczy w którymś momencie z kapelusza i wstrząśnie rynkiem. Póki co, pozostaje ciekawostką, która zbiera kurz na półce i czasem przewija się w popkulturze.

W notce całkowicie pominąłem jak fascynującym tematem jest projektowanie dyszy i mechanizm stojący za Dyszą de Lavala (chodzi o operowanie ciśnieniem i prędkością spalin w silniku) oraz milion innych aspektów. Nie wspomniałem też o alternatywach dla radzenia sobie z kwestią różnego ciśnienia atmosferycznego na różnych wysokościach, ani o tym dlaczego gif po prawej jest z czapy (w skrócie - bo nie taki mechanizm nie dałby rady z temperaturą i ciśnieniem silnika rakietowego). Może kiedyś przyjdzie czas na to by napisać o tym wszystkim, bo nie bez powodu rocket science jest synonimem czegoś skomplikowanego. To fascynujący temat, który zaniedbywałem na Węglowym i chciałbym to kiedyś nadrobić. Oczywiście jeśli jesteście zainteresowani o czym możecie dać znać poniżej lub na fanpage.



Źródła:
AerospaceWeb.org
Curious Droid
Schematy (te na niebieskim tle): Rocketdyne: Powering Humans into Space (1999)
Składowe strumienia dorysowałem na fotce z misji SSO-A
Pióropusz na róznych wysokościach to też kilka klatek z tego samego lotu


Podoba Ci się to co robię? Wpłyń na rozwój strony i zostań patronem Węglowego.