让NASA耗费巨资的气动塞式发动机是什么?

气动塞式发动机(aerospike engine)是一种火箭发动机，可以在高海拔范围内保持效率。因此，其喷管有时被称为高度补偿喷管。

在低空飞行时，使用气动塞式发动机的飞行器可以减少25-30%的燃料，而低空飞行对推力的需求最大。

气动塞式发动机已经研究了许多年，是许多单级到轨道(SSTO)设计的基准发动机。

然而，虽然有一些大规模的气动塞式发动机正在测试阶段，但还没有商业化生产。

类别

气动塞式发动机的设计有好几个版本，根据它们的形状不同而分类。

环形气动塞式喷管(下称“塞式喷管”)是目前新兴的一种喷管形式，共分为环喉形和环簇形两种。采用曲线型面喷管类型可以使气流更平滑贴于喷管壁面，从而有效提高喷管的效率，在同等条件下增大一部分推力。

在环形气动塞式发动机中，塞式喷管呈碗状，排气沿外环呈环形排出。理论上，这需要一个无限大的塞式喷管来获得最佳效率，但通过在一个较短的截断塞式喷管的中心吹出少量气体，也可以达到类似的效果。

在线性喷管中，塞式喷管由一个锥形的楔形板组成，在两端的“厚”端有排气口。这种设计的优势是可堆叠，允许几个引擎被放置在一排，组合成一个更大的引擎。

(图：截断塞式喷管)

原理

一个普通的火箭发动机使用一个巨大的“发动机钟形喷管”来引导发动机排出的废气与周围的气流结合，从而最大限度地加速，从而获得最大的推力。

然而，钟形喷管的适当设计随外部条件的不同而不同:设计用于在高海拔运行的钟形喷管，那里的气压较低，需要比设计用于低海拔的钟形喷管更大、更锥形。

使用错误设计的损失可能是巨大的。举例来说，航天飞机发动机在太空中可以产生略高于4400 N?s/kg的比推力，但在海平面上只能产生3500 N?s/kg。

在任何火箭设计中，将钟形喷管调到发动机将运行的平均环境是一项重要的任务。气动塞式发动机试图避免这个问题。

它不是在钟形喷管的中间开一个小孔来排气，而是使用几个小的(意味着遭受摩擦)、不完全膨胀的、错误的尖锐钟形喷管。

这就产生了冲击波，借助于锥形或楔形的突起，即“塞式喷管”，冲击波的能量大部分可以转化为推力。

这种塞式喷管形成了“虚拟钟形喷管”的一面，而另一面则由经过航天器的气流形成——因此形成了气动塞式喷管。

气动塞式喷管设计的“诀窍”在于，当飞船爬升到更高的高度时，支撑排气物抵抗塞式喷管的空气压力会降低。这允许废气从塞式喷管移动得更远，虚拟钟形喷管会自动以正确的方式扩张。

从理论上讲，在任何给定的海拔高度上，气动塞式喷管的效率都略低于设计的钟形喷管，但在所有其他海拔高度上，它的性能都大大优于同样的钟形喷管。

这种差别是相当大的，典型的设计声称在所有海拔高度都有超过90%的效率。

相关研究

第一次对塞式喷管的认真研究是在德国与涡喷发动机的发展一起进行的。发动机，如Messerschmitt Me 262上使用的，利用一个塞子中心体，以改变喉区更好的性能。

美国国家航空航天局、美国空军和Rocketdyne在20世纪50年代、60年代和70年代总共花费了5亿多美元开发气动塞式发动机。

Rocketdyne在20世纪60年代对各种设计进行了一系列冗长的测试。

这些发动机后来的模型是基于他们的高度可靠的J-2发动机机械，被提供了相同的推力水平，基于传统发动机：

在J-2T-200k中200,000 lbf (890 kN)，在J-2T-250k中250,000 lbf (1.1 MN) (T指环形燃烧室)。

三十年后，他们的工作又重新回到美国宇航局的X-33项目中。

在这种情况下，轻微升级的j -2发动机机械与一个线性塞式喷管一起使用，创造了RS-2200。

经过更多的开发和大量的测试，这个项目被取消了，因为X-33的复合燃料罐不断失败。

尽管这对气动塞式喷管发动机设计来说是一次挫折，但这并不是故事的结局。

2003年9月20日，来自加州州立大学长滩分校(CSULB)和加维宇宙飞船公司( Garvey Spacecraft Corporation)的一个学术/工业联合小组在莫哈韦沙漠成功地进行了液体推进剂动力悬浮发动机的飞行测试，这是一个里程碑。

CSULB的学生使用1000 lbf (4.4 kN)液态氧/乙醇气动塞式发动机开发了他们的勘探者2 (P-2)火箭。

2004年3月，在NASA德莱顿飞行研究中心进行了两次成功的测试，取得了进一步的进展。

这两枚火箭都是固体燃料驱动，并装有非截断环形气动塞式喷管。它们达到了26000英尺的最高点，速度约为1.5马赫。

除了美国的测试计划外，近年来德国、法国和日本也进行了对气动塞式发动机的基础研究。日本的研究尤其有趣，因为它打算支持H-2A火箭和一种名为HOPE-X的单级进入轨道(SSTO)运载工具。

不幸的是，日本低迷的经济导致该国的太空计划大幅削减，迄今为止，只有一些概念研究和一些基本的实验性能结果产生。

编译/前瞻高端装备研究组

参考资料：

https://engineering.fandom.com/wiki/Aerospike_engine

https://www.sohu.com/a/229103229_100131689

http://www.aerospaceweb.org/design/aerospike/development.shtml