에어로스피크 엔진

Aerospike engine
스테니스 우주센터에서 테스트 중인 X-33 프로그램용 XRS-2200 선형 에어로스피크 엔진

에어로스피크 엔진은 광범위한 고도에서 공기역학적 효율을 유지하는 로켓 엔진의 일종이다.[1]그것은 노즐 엔진을 보상하는 고도 등급에 속한다.에어로스피크 엔진이 장착된 차량은 대부분의 임무에서 추력을 가장 많이 필요로 [2]하는 낮은 고도에서 25-30%의[definition needed] 연료를 덜 사용한다.에어로스피크 엔진은 여러 해 동안 연구되어 왔고 많은 SSO(단일 스테이지 투 오빗) 설계의 기본 엔진이며 또한 우주왕복선 메인 엔진의 강력한 경쟁자였다.그러나 일부 대형 에어로스페이스는 시험 단계에 있지만 상업용 엔진은 없다.[3]

이 주제를 둘러싼 문헌의 용어는 다소 혼란스럽다. - 원래 에어로스피크라는 용어는 매우 거친 원뿔 테이퍼와 약간의 가스 주입이 있는 잘린 플러그 노즐에 사용되었으며 플러그 꼬리의 부재를 보충하는 데 도움이 되는 "공기 스파이크"를 형성했다.그러나 종종 전신 플러그 노즐을 이제는 에어로스피크라고 부른다.

원칙

엔진 벨의 목적은 로켓 엔진의 배기를 한 방향으로 유도하여 반대 방향으로 추력을 발생시키는 것이다.고온의 기체 혼합물인 배기는 효과적인 무작위 운동량 분포(즉, 배기가스가 할 수 있는 모든 방향으로 밀어 넣음)를 가지고 있다.이 형태로 배기가스가 빠져나갈 수 있게 되면 흐름의 작은 부분만이 올바른 방향으로 이동하게 되어 앞으로 추력을 일으키는 원인이 된다.벨은 배기가스를 잘못된 방향으로 움직여서 올바른 방향으로 추력을 발생시킨다.외기압은 또한 배기구가 엔진에서 나갈 때 "우측" 방향으로 계속 이동하도록 돕기 위해 배기구에 작은 압력을 전달한다.차량이 대기를 통해 위쪽으로 이동하면 외기압이 낮아진다.이로 인해 추력 발생 배기가스가 종 가장자리 바깥으로 팽창하기 시작한다.이 배기가스는 "잘못된" 방향(즉, 주배기 플룸에서 바깥쪽으로)으로 이동하기 시작하므로, 이 배출 배기가스는 더 이상 엔진의 추력에 기여하지 않기 때문에 로켓이 이동할 때 엔진의 효율은 감소한다.한 항공 로켓 엔진은 효율성의 손실을 제거하려고 한다.[1]

벨노즐로켓(왼쪽)과 에어로켓(오른쪽)의 디자인 비교

종 중간에 있는 작은 구멍에서 배기가스를 발사하는 대신, 에어로빅 엔진은 전통적인 엔진 벨과 같은 기능을 하는 쐐기 모양의 돌출부 '스파이크'의 바깥 가장자리를 따라 발사함으로써 이러한 무작위 분배를 피한다.스파이크는 "가상" 벨의 한 면을 형성하고, 다른 한 쪽은 외부 공기에 의해 형성된다.[1]

에어로스피크 설계의 이면에 있는 아이디어는 낮은 고도에서 주변 압력이 스파이크에 대한 배기를 압축한다는 것이다.스파이크의 베이스 존의 배기 재순환은 그 구역의 압력을 거의 주변으로 상승시킬 수 있다.차량 앞쪽의 압력이 주변이기 때문에 스파이크 밑면의 배기가스가 차량이 경험하는 드래그와 거의 균형을 이룬다는 것을 의미한다.전체적인 추력을 주지는 않지만 노즐의 이 부분도 부분적인 진공을 형성해 추력을 잃지 않는다.노즐의 베이스 부분의 추력은 낮은 고도에서 무시할 수 있다.[1]

차량이 더 높은 고도까지 올라갈수록 배기가스를 스파이크에 고정시키는 기압이 감소하며, 차량 앞의 드래그도 감소한다.스파이크 하단부의 재순환 존은 차량 앞의 진공에 가까운 부분보다 높은 1bar의 비율로 그 구역의 압력을 유지하므로 고도가 증가할 때 추가 추력을 부여한다.이는 기압이 떨어지면 자동으로 벨 크기가 보상된다는 점에서 사실상 '고도 보상기'처럼 작용한다.[1]

에어로스파이크의 단점은 스파이크를 위한 추가적인 무게인 것 같다.또한 냉각된 면적이 클수록 노즐에 가해지는 압력을 줄임으로써 이론적 수준 이하의 성능을 감소시킬 수 있다.에어로스페이스는 마하 1~3 사이에 비교적 잘 작동하지 않는데, 이때 차량 주위의 기류가 압력을 줄여 추력을 감소시켰다.[4]

변형

그 디자인의 몇 가지 버전이 존재하며, 그 모양에 따라 구별된다.토로이드 에어로스피크의 스파이크는 볼 모양이며, 배기가스는 바깥 테두리 둘레에 있는 고리로 빠져나간다.이론적으로 이것은 최고의 효율을 위해 무한히 긴 스파이크를 필요로 하지만, 더 짧은 잘린 스파이크의 중심에서 소량의 가스를 불음으로써 (포탄의 베이스 블리딩과 같은) 유사한 것을 얻을 수 있다.

선형 에어로스피크에서 스파이크는 테이퍼형 쐐기 모양의 판으로 구성되며, 배기가스는 "두께" 끝에서 양쪽으로 배출된다.이 설계는 적층할 수 있다는 장점이 있어 여러 개의 소형 엔진을 일렬로 배치하여 하나의 큰 엔진을 만들 수 있는 동시에 개별 엔진 스로틀 제어를 사용하여 조향 성능을 향상시킨다.

퍼포먼스

Rocketdyne은 다양한 디자인에 대해 1960년대에 긴 일련의 테스트를 실시했다.이러한 엔진의 후기 모델은 신뢰성이 매우 높은 J-2 엔진 기계를 기반으로 했으며, 기존 엔진과 동일한 종류의 추력 수준을 제공했다. J-2T-200k의 경우 20만 lbf(890 kN), J-2T-250k의 경우 25만 lbf(1.1 MN)이다.30년 후 그들의 작업은 NASA의 X-33 프로젝트에 사용하기 위해 부활되었다.이 경우 약간 업그레이드된 J-2S 엔진 기계가 선형 스파이크와 함께 사용되어 XRS-2200이 생성되었다.더 많은 개발과 상당한 시험 후에, X-33의 복합 연료 탱크가 반복적으로 고장 나면서 이 프로젝트는 취소되었다.

CSULB 에어로스피크 엔진

X-33 프로그램 동안 3대의 XRS-2200 엔진이 제작되었고 NASA의 스테니스 우주센터에서 테스트를 받았다.단일 엔진 테스트는 성공적이었지만, 두 엔진 설정에 대한 테스트가 완료되기 전에 프로그램이 중단되었다.XRS-2200은 해수면에서 I가sp 339초인 204,420lbf(909,300N)의 추력과 진공에서 I가sp 436.5초인 266,230lbf(1,184,300N)의 추력을 생산한다.

RS-2200 선형 에어로스피크 엔진은[5] XRS-2200에서 파생되었다.RS-2200은 VentureStar 단단계부터 비트까지의 차량에 동력을 공급하기 위한 것이었다.최신 설계에서는 각각 54만2000파운드(2,410kN)의 힘을 생산하는 7대의 RS-2200이 벤처스타를 저궤도로 끌어올릴 것이다.RS-2200에 대한 개발은 2001년 초 X-33 프로그램이 우주 발사 이니셔티브 자금을 받지 못하면서 공식적으로 중단되었다.록히드 마틴은 NASA의 자금 지원 없이는 벤처스타 프로그램을 계속하지 않기로 결정했다.이런 종류의 엔진은 앨라배마 헌츠빌에 있는 NASA 마셜 우주비행센터(NASA Marshall Space Flight Center)의 야외 전시장에 전시되어 있다.

NASA의 Toroidal Aerosposke 노즐

2001년 연방정부가 록히드마틴 X-33을 취소하면서 자금 가용성이 떨어졌지만, 항공기 엔진은 여전히 활발한 연구 분야로 남아 있다.예를 들어, 2003년 9월 20일 캘리포니아 주립대학교, 롱비치(CSULB), 가비우주선사의 공동 학술/산업팀이 모하비 사막에서 액화-프로펠러 동력 에어로스피크 엔진의 비행시험을 성공적으로 수행했을 때 이정표가 달성되었다.CSULB 학생들은 1,000파운드f(4.4kN) LOX/에탄올 에어로스피크 엔진을 사용하여 프로스펙터 2(P-2) 로켓을 개발했다.이 작업은 계속 되고 있다; 10인용 항공기 엔진인 프로스펙터-10은 2008년 6월 25일에 시험 발사되었다.[6]

노즐 성능 비교 - 벨과 에어로스피크 노즐

2004년 3월 캘리포니아주 칼스바드에 본사를 둔 블랙스키 사가 제조한 고출력 로켓을 사용하여 NASA 드라이든 비행연구센터가 후원한 두 번의 성공적인 실험이 이루어졌다.에어로빅 노즐과 고체 로켓 모터는 온타리오 주 토론토 북부 세사로니 테크놀로지의 로켓 모터 사업부에 의해 개발되고 건설되었다.이 두 로켓은 고체 연료로 구동되었으며, 건조되지 않은 토로이드 에어로이드 노즐을 장착했다.텍사스 주 포트 스톡턴의 페코스 카운티 항공우주개발센터에서 비행한 이 로켓은 26,000피트(7,900m), 마하 1.5의 속도를 달성했다.

하이브리드 로켓 추진체 구성을 이용한 소형 항공기 엔진 개발이 반응연구회 회원들에 의해 진행되어 왔다.

2020년에 TU 드레스덴과 프라운호퍼 IWS는 CFD μA를 시작했다.SAT-첨가제 항공기 개발 프로젝트시제품은 이미 TU 드레스덴 항공우주공학연구소의 테스트 셀에서 시험되어 30초의 화상 시간을 달성했다.[7]

구현

반딧불 항공우주

2014년 7월 '반딧불이 우주시스템'은 1단계를 위해 에어로스피크 엔진을 사용하는 알파 발사체 계획을 발표했다.소형 위성 발사 시장을 겨냥해 기존 발사대에 비해 훨씬 낮은 미화 800만~900만 달러의 가격으로 인공위성을 저지구궤도(LEO)로 발사하도록 설계됐다.[8]

반딧불 알파 1.0은 최대 400kg(880lb)의 적재물을 실어 나르도록 설계됐다.탄소복합재료를 사용하며 두 단계 모두 동일한 기본설계를 사용한다.플러그 클러스터형 에어로스피크 엔진은 추력 9만 파운드(400kN)를 방출한다.엔진에는 종 모양의 노즐이 있는데, 이 노즐은 반으로 잘랐다가, 반노즐이 현재 플러그의 프로필을 이루고 있는 링을 형성하도록 늘어나 있다.[8]

이 로켓 디자인은 결코 발사되지 않았다.이 디자인은 Firefly Space Systems가 파산한 후 폐기되었다.새로운 회사인 Firefly Aerospace는 알파 2.0 디자인에 기존의 엔진으로 대체했다.그러나 이 회사는 부분적으로 재사용할 수 있는 항공기인 '반딧불이 감마(Firefly Gamma)'를 도입했다.

ARCA 스페이스

2017년 3월 ARCA우주공사는 선형 에어로스피크 엔진을 이용해 하스2CA라는 이름의 단단대궤도 로켓(SSTO)을 만들겠다는 뜻을 밝혔다.이 로켓은 한 발당 100만 달러의 가격으로 지구 저궤도로 최대 100kg까지 보내도록 설계되었다.[9]그들은 나중에 그들의 실행자 에어로스피크 엔진이 해수면에서 50,500파운드힘(225kN)의 추력과 73,800파운드힘(328kN)의 추력을 진공에서 생산할 것이라고 발표했다.[10]

2017년 6월, ARCA는 선형 에어로스피커 엔진을 사용하여 시승3 로켓을 우주로 날리겠다고 발표했다.이 로켓은 Haas 2CA의 몇 가지 부품을 더 저렴한 비용으로 시험하기 위해 고안되었다.그들은 2017년 8월 비행을 발표했다.[9]2017년 9월, ARCA는 지연된 후, 선형 에어로스피커 엔진이 시승3 로켓에서 지상 시험과 비행 시험을 수행할 준비가 되었다고 발표했다.[9]

2019년 12월 20일, ARCA는 LAS 25DA 에어로켓 증기 로켓 엔진의 발사 보조 시스템을 시험했다.[11]

KSF 공간과 성간 공간

LA의 KSF 스페이스와 인터스텔라 스페이스에 의한 또 다른 스파이크 엔진 컨셉 모델은 SATERI라는 이름의 궤도 차량을 위해 설계되었다.자금 부족으로 그 개념은 아직 개발되지 않았다.[12]

로켓스타

로켓스타는 2019년 2월 3D프린트 항공로켓을 50마일 고도로 발사할 계획이었으나 안전상의 우려 때문에 발사 3일 전에 이 임무를 취소했다.그들은 현재 두 번째 발사 시도를 하고 있다.[13]

판게아 항공우주

2021년 11월 스페인에 본사를 둔 판게아에어로스페이스는 소규모 실증 메탄산소 에어로스피크 엔진의 열화 시험을 시작했다.[14]

참고 항목

  • 팽창 노즐
  • LASRE – 선형 에어로스피크 SR-71 X-33을 위한 1997/8 NASA 실험
  • 로터리 로켓 – 회사
  • 사브르 – 시너게틱 공기 호흡 로켓 엔진 - 하이브리드 램젯 및 로켓 엔진

참조

  1. ^ a b c d e "NASA - Linear Aerospike Engine fact sheet (08/00)". www.nasa.gov. Retrieved 21 January 2020.
  2. ^ Defusca, Albert; Craddock, Christopher (1 November 2017). "Affordable Access to Low Earth Orbit". DSIAC Journals. 4 (4). Retrieved 16 June 2019.
  3. ^ "Aerospike Engine Homepage". www.hq.nasa.gov.
  4. ^ "Pwrengineering.com". ww17.pwrengineering.com. Archived from the original on 2 April 2010.
  5. ^ "RS-2200". Astronautix.com. Retrieved 4 February 2018.
  6. ^ "CSULB CALVEIN Rocket News and Events". Archived from the original on 15 June 2008.
  7. ^ "TU-Dresden Homepage". tu-dresden.de. Retrieved 23 April 2021.
  8. ^ a b "Firefly Space Systems unveils Alpha launch vehicle design with aerospike engine". Gizmag.com. 14 July 2014. Retrieved 14 July 2014.
  9. ^ a b c "ARCA News". ARCA Space. ARCA Space. Retrieved 30 May 2018.
  10. ^ "Haas 2CA Specs". ARCA Space. ARCA Space. Retrieved 30 May 2018.
  11. ^ "Flight of the Aerospike: Episode 34 - LAS 25DA Aerospike Engine". Youtube. ARCA Space. Archived from the original on 11 December 2021. Retrieved 5 August 2020.
  12. ^ "SATORI Space Vehicle Rocket". KSF Space.
  13. ^ "RocketStar ready for second suborbital flight attempt". SpaceNews. 27 September 2021. Retrieved 14 December 2021.
  14. ^ "Pangea Aerospace tests aerospike engine". SpaceNews. 20 November 2021. Retrieved 2 January 2022.

외부 링크

https://www.youtube.com/watch?v=D4SaofKCYwo