Концепт применения гиперзвукового ПВРД для КА-накопителя газов PROFAC. Часть 1
Click to viewКонцепт работы гиперзвукового прямоточного двигателя орбитального КА-накопителя газов (и аэрозолей) с искусственной подачей окислителя при помощи многоразовой суборбитальной ракеты.
.
Кислород заключен в газ-холдер - тонкостенную цилиндрическую оболочку из сверхпрочного полиэтилена. Плотность газообразного кислорода 0,01 кг/м3. Масса оболочки - 6-10% массы кислорода. Оболочка одноразовая - разрушается ударной волной (в анимации во второй сцене условно показана неразрушаемой). Стоимость материала оболочки 15 долл./кг.
.
Для повышения эффективности гиперзвукового прямоточного двигателя, газ-холдер должен быть разогнан в горизонтальном направлении до 3000 м/с, что бы КА проходил оболочку с газом с относительной скоростью 5000 м/с (~17 М). Это желательно по следующей причине. Уменьшение относительной скорости важно, т.к. в случае использования в газ-холдерах, к примеру, не чистого кислорода, а воздуха, кинетическая энергия воздуха, поступающего в гиперзвуковой двигатель, является большей по сравнению с энергией, выделяющейся в результате сгорания топлива в атмосферном воздухе. При скорости 25М тепло, выделяющееся в результате сгорания топлива в воздухе, составляет только около 10% от общей энтальпии потока, а при использовании баллонов с чистым кислородом доля тепла составит уже 45%. При приблизительно 17 М (~5000 м/с) кинетическая энергия окислителя и теоретическая полезная тепловая энергия от сгорания топлива будут равняться друг другу, тогда как при использовании атмосферного воздуха равенство энергий ограничивается 8 М.
.
На видео-схеме суборбитальная ракета-носитель поднимает свернутую оболочку на заданную высоту, где её разворачивают и наполняют газом из микробалонов, прикрепленных к оболочке (ракета возвращается на стартовую площадку). К моменту достижения наивысшей точки подъема, оболочка максимально наполняется. В точке остановки подъема включаются коррекционные двигатели, размещенные равномерно вдоль оболочки, чтобы обеспечить зависание на заданной высоте, которая соответствует высоте орбиты КА с прямоточным двигателем. Время зависания - 5-10 секунд. В таком положении оболочка образует газонаполненный канал на пути КА с прямоточным двигателем. КА проходит оболочку и получает разгонный импульс за счет тяги прямоточного двигателя, питаемого кислородом из газ-холдера. Диаметр оболочки больше диаметра КА и поэтому масса оболочки не используется в качестве рабочего тела двигателя.
.
Приращение скорости КА используется для компенсации тормозного импульса, возникающего при заборе и накоплении аппаратом (типа PROFAC) части кислорода из газ-холдера. Рекомендуемая схема позволяет в 100-1000 раз увеличить удельную массу двигательной установки КА по сравнению с ДУ на основе электрореактивного двигателя.
Домашнее задание френдоблогерам: вызубрить для начала статью "Гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель". Зафиксировать в памяти, что верхний предел скорости гиперзвукового ПВРД (ГПВРД) без использования дополнительного окислителя оценивается в М=12-24.
Рекомендуется обратить внимание на то, что исследования в рамках проекта «X-30» фирмы Роквелл в 80-х годах XX-го века установили верхнее значение скорости для работы ГПВРД, соответствующим М=17 в связи с обеспечением условий для сгорания в двигателе. На основании новой схемы подачи окислителя в ГПВРД, при которой обеспечивается подача 100% чистого кислорода, выполнить расчеты по установлении нового верхнего значения скорости ГПВРД.
P.S. Юбилейное заседание МКК состоится 9 апреля. Начало в 19:00. В этот раз место заседание будет в городском центре, что удобно для приглашенных лиц. В повестке дня два доклада - один мой, по теме использования внеземных энергетических и вещественных ресурсов для выхода из гравитационного колодца Земли в свободное пространство. В основном будет говорится о прямоточных кинетических двигателей с догоняющим потоком вещества, но могут быть упомянуты и гиперзвуковые ПВРД на химическом топливе, некоторые из которых показаны в опубликованном выше видео.
Продолжение (часть 2).