從這裡讀懂空天
一、氣動塞式噴管發動機由來
1 9 9 6 年 7 月 2 日美國副總統 G o r e 宣佈新一代可重複使用發射運載器計劃選定了Venturestar 為優先方案 , 從而正式啟動了X-33 計劃的第二階段工作 , 這也顯示了美國航天局 NASA對研製天地往返運輸系統的新策略與新方針. Golidn局長指明它“有可能使航天發生革命性的變化”,而空間運輸部主任Payotn則強調“我們不怕冒風險”航天界專家們經過多年論證 , 一致認為進入低地球軌道 ( L E O ) 的最好方式是研製一種可完全重複使用的發射運載器 (R V L ) . Venturestar 便是一種高度一體化的RVL 系統,其基本構架為:“升力體運載器 + 直排型氣動塞式噴管發動機”。[1] 該發動機按要求是要完全重複使用，壽命是完成100次任務，而當時的航天飛機每執行3次任務就要大修了。
氣動塞式發動機的選用是導致X-33計劃，技術風險高和價格昂貴的根源。NASA最終以“開支超出獲利”為由，做出了終止這個項目
,迄今為止，NASA共在X-33項目上投資9.12億美元。二、氣動塞式噴管原理
聽這個名字我們知道，氣動塞式噴管發動機是按照噴管形式來命名的發動機。在往期“航發小知識”中我們有介紹到收斂、收擴等噴管形式，對於火箭一般都是不可調節的收擴噴管（拉法爾噴管），它是火箭發動機推力室的重要組成部分，這種噴管擴張段都是鐘形，我們把這種傳統的火箭噴管叫鍾型噴管，鐘形噴管是目前火箭最常使用的噴管。
氣動塞式噴管發動機，可以說是為火箭單級入軌而生。（單級入軌：是指從地面起飛並能加速到第一宇宙速度直接把有效載荷送入軌道並返回地面可重複使用的單級火箭。）對於單級入軌發射運載器的技術挑戰是:確保火箭發動機在海平面、高低空都能高效地工作當火箭發動機排放的燃氣在噴管出口處壓力等於環境背壓時(此即設計狀態) , 其性能達到最佳值。而運載器上升過程中高程變化導致的環境背壓巨大差異會嚴重地影響發動機的效能。當然傳統火箭發動機可以採用固定噴管的多級火箭或者可調噴管的單級火箭來補償，但是這樣會增加發動機質量，降低系統運行可靠性。
於是有了憑藉自身結構巧妙設計來自適應環境的塞式噴管。我們先來看下塞式噴管截面結構圖。
圖片引自參考文獻[1]
圖片來自左側為鐘形噴管，右側為塞式噴管。我們看到塞式噴管沒有外側約束噴管壁，這只是截面圖，塞式噴管是線性直列的（像掃帚，即噴管截面為矩形）。這就是它結構的妙處了，結構的變化往往直接引起氣動的變化，氣動的需要又反過來促進結構（材料）的發展。
圖片引自參考文獻[1]燃氣主流從燃燒室排放出來膨脹並形成“半受限”射流,其外側發展為自由邊界 , 而內側受柱塞壁面約束 ; 當燃氣射流越過柱塞底部拐角後 , 在射流內邊界和底部流之間形成自由剪切層 ; 燃氣主射流在下游中心軸線處再附並通過一個尾激波再壓縮 ; 燃氣從底部端緣拐角處分離的自由剪切層將底部區低速回流包圍在其中, 從底部引射的二次流還會使該“分離氣泡進一步伸長 , 形成一個類似於被截掉部分柱塞的“氣動”型面 . 這就是“氣動塞” 名稱的由來。[1]
簡而言之就是利用了這種直列線性噴管結構，一側約束受限產生推力，另一側由於不受限能膨脹到當地大氣壓，如此自適應了不同飛行環境。一個不恰當的比喻，就好比一種政治中的自治區這種概念。利用這用結構反倒達成了平衡，得到優異的高空性能。
圖片引自參考文獻[1]
氣動塞式噴管發動機有兩種結構，一種是連續式，另一種是模塊式（由多個結構相同的小發動機組合而成）。多模塊組合式的結構還可以實現推力矢量控制。本文主要是簡單介紹這種發動機的核心“氣動塞”，關於該發動機具體結構和X-33就不具體介紹了，有興趣的小夥伴可以深入瞭解下。雖然下馬了，但是對於NASA這種“創新”作者還是肯定的。以上就是本期全部內容，敬請繼續關注閱讀！
參考文獻：
[1]一種單級入軌 火 箭發 動機概念一 氣動 塞式 噴管發 動 機. 作者王柏懿 郭唐穩 王世芬
空天知識局
從這裡讀懂空天
閱讀更多 空天知識局 的文章
