КОМБИНИРОВАННЫЕ СИЛОВЫЕ УСТАНОВКИ

Комбинированные силовые установки, функционирующие в различных режимах, позволяют существенно улучшить технико-эксплуатационные характеристики аэрокосмических систем. Так, например, двигатели с воздушно-реактивным и ракетным циклами способны обеспечить выведение транспортной космической системы на околоземную орбиту. Для аппарата с такой силовой установкой предусматривается следующая схема полета. При взлете и до достижения скорости М=2,5-4 двигатель работает как ЖРД с некоторым потреблением атмосферного кислорода, затем как прямоточный двигатель с дозвуковым горением, а в диапазоне М=5-10 как СПВРД; за пределами атмосферы двигатель вновь переключается в режим ЖРД.

Работы по комбинированным двигательным установкам ведутся различными подразделениями NASA. Основные усилия Центра Маршалла сосредоточены на создании ракетно-прямоточного двигателя ISTAR (Integrated Systems Test of an Air-breathing Rocket), работающего на углеводородном горючем. Контракт стоимостью 16,6 млн. долл. на эскизное проектирование изделия был подписан с консорциумом RBC3 или RBCCC (Rocket-Based Combined Cycle Consortium), организованном тремя ведущими двигателестроительными компаниями Aerojet, Pratt and Whitney и Rocketdyne. В 2003 г. начался этап опытно-конструкторских работ стоимостью 123,4 млн. долл. В ходе их выполнения предполагается провести стендовую отработку основных компонентов двигателя с тем, чтобы в 2006 г. приступить к огневым испытаниям его экспериментального образца.

Силовая установка ISTAR проектируется на базе комбинированного двигателя Strutjet, разработкой которого с конца 1980-х годов занимается фирма Aerojet. Отличительной особенностью последнего изделия является практически неизменяемая при всех режимах работы форма воздушного канала, что позволяет существенно упростить конструкцию и снизить нагрузки на изделие при переходных процессах. В начале воздушного канала установлены клинообразные стойки (struts), одновременно являющиеся и воздухозаборниками, и конструктивными элементами, на которых смонтированы высокоскоростные форсунки и жидкостные двигатели.

Экспериментальная газодинамическая пушка

Запатентованные фирмой Aerojet форсунки, как элемент ПВРД установленные на боковых поверхностях стоек, обеспечивают каскадный впрыск горючего. Система подачи топлива к форсункам оснащена высокоэффективными фильтрами, позволяющими не только задерживать посторонние фрагменты, но и дробить крупные молекулярные структуры горючего. Также на стойках предусмотрены механические средства регулировки геометрии воздухозаборников нижней и верхней кромками.

Схема работы ракетно-прямоточного двигателя Strutjet

1 — стоечные ЖРД, 2 - воздушный поток, 3 — высокоскоростные форсунки

В зависимости от области применения двигатель Strutjet может работать на разных типах горючего. Жидкий водород предпочтителен для средств выведения космических аппаратов, углеводородные горючие типа JP-7 и JP-10 для крылатых ракет, пропан для трансатмосферных боевых аппаратов дальнего действия.

Старт одноступенчатой МТКС с двигательной установкой Strutjet должны обеспечить ЖРД, встроенные в тыльную часть стоек. Избыток горючего в пламени двигателей на начальном этапе полета будет дожигаться за счет атмосферного кислорода, проходящего через воздушный канал. По мере увеличения скоростного напора и изменения соотношения компонентов топлива в сторону окислителя должны постепенно включаться форсуночные головки ПВРД.

После достижения скорости примерно М=2,4 жидкостные двигатели будут отключены и силовая установка станет работать в режиме прямоточного ВРД, при этом ее удельный импульс возрастет до 3800 с. При функционировании установки Strutjet в режиме ПВРД со сверхзвуковым горением на скоростях М=5-10 стабильность потока в воздушном канале предполагается поддерживать механическими средствами. В дальнейшем эффективность применения ПВРД падает, и поэтому будут вновь включены ЖРД, которые обеспечат выход транспортного аппарата на околоземную орбиту.