Deru roket pergi ke luar angkasa, pilar api raksasa, kekuatan kolosal yang melebihi gaya gravitasi. Deru afterburner dari pesawat tempur. Perangkat tenaga manusia paling keras dan paling kuat. Semua ini adalah saluran dengan bentuk khusus dan sifat khusus yang secara radikal mengubah umat manusia. Apa esensinya dan bagaimana kelahiran supersonik yang sulit - baca di materi kami.
Sejarah evolusi nosel
Kapan seseorang pertama kali menggunakan nosel? Sudah di abad ke-1, Heron dari Alexandria mengusulkan nosel jet untuk "eolipil" -nya. Di dalamnya, dua nozel uap yang diarahkan secara berlawanan memutar bola logam berongga dengan gaya reaktif. Setelah 1200 tahun, China membuat roket bubuk - untuk kembang api dan militer - setelah menguasai propulsi jet dalam praktiknya. Pada Abad Pertengahan, rudal tempur mulai terbang di Eropa. Pada abad kesembilan belas tentara Rusia, senjata roket tumbuh menjadi tim roket kaki dan terpasang biasa, meluncurkan roket dari peluncur khusus; rudal besar di armada, pabrik roket besar seperti pabrik terbesar di Eropa di Nikolaev. Peluncuran rudal tempur pertama dari posisi bawah air kapal selam rudal terjadi selama masa hidup Pushkin, pada 29 Agustus 1834, di Neva, 40 ayat di atas St. Petersburg.
Nozzle - alat untuk mempercepat aliran cairan atau gas. Mengapa overclock? Dalam beberapa kasus, aliran cepat itu sendiri diperlukan, yang digunakan lebih lanjut. Di tempat lain, bukan aliran yang dibutuhkan, tetapi kekuatan yang muncul saat dikeluarkan - reaktif. Nosel daya seperti itu disebut nosel jet. Itu adalah nozel jet yang praktis dikuasai oleh yang pertama dengan munculnya rudal pertama.
Bersamaan dengan eksploitasi roket yang meluas, teknologi uap pada akhir abad ke-19 mencapai turbin uap, yang memutar baling-baling kapal. Sebuah jet berkecepatan tinggi diperlukan untuk mengalir di sekitar bilah turbin, dan semakin cepat kecepatan pancaran uap, semakin banyak kekuatan yang dihasilkannya pada bilah turbin, meningkatkan kekuatannya. Nosel diperlukan di sini bukan untuk gaya reaktif (yang, tentu saja, juga muncul, tetapi sebagai efek samping, yang tidak digunakan), tetapi untuk menciptakan aliran berkecepatan tinggi. Melalui itu, energi yang dilemparkan oleh nosel dalam bentuk massa uap akan jatuh pada bilah dan melakukan pekerjaan pada mereka, berputar dengan kekuatan. Gaya total bilah ditransmisikan ke baling-baling.
Bekerja pada nozzle turbin uap berkecepatan tinggi, insinyur Swedia Carl Gustav Patrick de Laval mengusulkan jenis nozzle yang secara fundamental baru pada tahun 1890. Itu mampu mempercepat aliran ke kecepatan supersonik, yang belum pernah mungkin terjadi sebelumnya. Jadi Rubicon supersonik dilintasi, yang segera menggandakan kecepatan aliran keluar.
Rubikon Supersonik
Dan di nozel eolipil bangau, dan di ujung selang kebakaran (dan ini adalah nosel untuk mempercepat aliran air), saluran aliran menyempit. Dalam saluran seperti itu, aliran fluida kerja - uap, gas atau cairan - dipercepat. Mengapa? Laju aliran (jumlah fluida kerja yang melewati bagian per detik) adalah sama di mana saja di saluran - berapa banyak yang mengalir melalui bagian awal, begitu banyak yang harus keluar melalui bagian akhir. Lagi pula, zat yang mengalir melalui saluran tidak berkurang atau bertambah, tidak ada lubang di dinding yang memasok atau melepaskannya. Dan hukum kekekalan massa membuat konsumsi materi sama melalui setiap tempat nosel.
Aliran cairan dan gas subsonik praktis tidak mengubah volumenya, oleh karena itu, mereka dianggap tidak dapat dimampatkan ketika kecepatan suara masih jauh. Konsumsi konstan massa mereka berarti konsumsi konstan volume mereka. Aliran harus bergegas untuk mendorong volume yang sama melalui ruang yang menyempit. Gas dipaksa untuk mempercepat.
Perbedaan tekanan membuatnya mengalir - aliran mengalir ke arah tekanan rendah, didorong dari belakang oleh yang tinggi. Di saluran yang menyempit, tekanan dan suhu aliran terus menurun, tetapi kecepatannya meningkat. Energi potensial tekanan dan suhu gas dipompa menjadi energi gerak, ke dalam percepatannya. Semakin tinggi perbedaan tekanan antara awal dan keluar dari nozzle, semakin besar percepatan dan laju aliran. Untuk pertumbuhannya, tekanan di depan nozzle dinaikkan. Hal yang sama berlaku untuk perbedaan suhu, dan mereka mencoba memanaskan gas lebih banyak dengan membakar komponen bahan bakar.
Namun tingkat kedaluwarsa ternyata memiliki batas fundamentalnya sendiri. Ini adalah aliran keluar dengan kecepatan suara. Hal ini tidak diatasi dengan peningkatan tekanan pada saluran masuk ke nosel. Tidak peduli berapa banyak dinaikkan, dua, empat atau sepuluh kali, dalam batas-batas nosel konvergen, aliran tidak akan melebihi kecepatan suara.
Mari kita ingat apa itu gerak subsonik dan supersonik. Kecepatan suara (segel gelombang lemah dalam gas) tergantung pada banyak faktor - komposisi gas, densitas dan tekanannya. Tetapi yang paling penting, itu tergantung pada suhu. Dalam kondisi tertentu, kecepatan suara mengambil nilai lokal tertentu. Membandingkan kecepatan aliran dengan kecepatan suara lokal, angka Mach, membagi kecepatan aliran dengan kecepatan suara. Nilainya dilambangkan M dan menunjukkan berapa kali kecepatan arus lebih besar atau lebih kecil dari kecepatan suara. Ketika M kurang dari satu, alirannya lebih lambat dari suara - subsonik. Pada M = 1, aliran mengalir tepat pada kecepatan suara. Untuk M> 1, alirannya supersonik.
Dimungkinkan untuk mengatasi batas suara hanya dengan menggunakan prinsip khusus. Ini disebut prinsip pembalikan pengaruh.
Dalam dinamika gas, ada konsep dampak. Ini adalah efek pada aliran gas, yang mengubah parameternya, termasuk kecepatan. Penyempitan saluran adalah efek geometris, perubahan geometri aliran. Dan ada prinsip membalikkan dampak. Menurutnya, satu tindakan yang sama dapat mengubah kecepatan arus hanya hingga kecepatan suara. Terlebih lagi, ini berlaku untuk akselerasi dan deselerasi (jika alirannya supersonik). Maksimum yang dicapai oleh tumbukan yang sama akan selalu menjadi kecepatan suara, M = 1. Menjadi penghalang suara yang tidak dapat diatasi untuk dampak ini. Lebih dari batas ini, dampak kekuatan apa pun tidak akan bisa berbuat apa-apa.
Untuk melangkahi M = 1 dan terus mempercepat atau memperlambat aliran, Anda perlu mengubah efeknya ke arah sebaliknya. Dengan efek geometris (penyempitan saluran), tandanya harus diubah. Untuk overclocking, ini adalah perubahan penyempitan untuk ekspansi. Di mana harus berubah kapan? Setelah aliran mencapai kecepatan suara. Di bagian yang mengembang, aliran akan menjadi supersonik dan semakin cepat. Mengapa?
Setelah menjadi supersonik, aliran memperoleh sifat yang sangat berbeda. Inkompresibilitas subsonik digantikan oleh kompresibilitas dan kemampuan ekspansi yang lebih besar. Ekspansi gas begitu besar sehingga menyalip ekspansi geometris saluran. Pembengkakan gas dipaksa untuk mengalir lebih cepat dan lebih cepat bahkan melalui penampang saluran yang semakin besar. Oleh karena itu, kecepatan aliran dalam ekspansi supersonik nosel meningkat dan densitas gas berkurang. Laval mengusulkan bentuk nosel ini dan memperoleh aliran supersonik di pintu keluar. Sebuah nozzle dengan geometri kontraksi-ekspansi disebut nozzle Laval.
Cara untuk mencapai suara supersonik
Perhatikan bahwa tidak hanya perubahan geometri dari nozzle Laval yang dapat mempercepat aliran menjadi supersonik. Nozel supersonik dengan geometri saluran konstan dimungkinkan, hanya dengan pipa lurus. Ada tiga jenis dari mereka: massa, termal dan mekanik. Dan mereka semua bekerja berdasarkan prinsip pembalikan dampak. Nosel massa memiliki dinding berlubang. Di bagian subsonik pipa, gas dipompa ke dalam melalui perforasi dinding. Untuk melewatkan peningkatan jumlah gas melalui pipa, gas dipercepat, mencapai kecepatan suara. Dan setelah kecepatan suara, efeknya berubah menjadi sebaliknya - gas dipompa keluar dari pipa melalui lubang-lubang di dinding. Apa yang menyebabkan ekspansi (ada banyak setelah pemompaan) dan percepatan gas yang tersisa di dalam pipa. Untuk mempercepat aliran, laju aliran massa gas berubah - oleh karena itu, nosel disebut massa.
Dua lainnya murni teoritis. Nosel panas - saat bergerak melalui pipa konstan, gas memanas, mencapai kecepatan suara. Dan setelah itu, gas didinginkan dengan percepatan supersonik. Nosel mekanis memasok energi ke gas dengan gaya mekanis, dan di belakang kecepatan suara, nosel itu juga secara mekanis menghilangkan energi untuk mempercepat aliran supersonik.
Nosel Laval adalah kasus khusus dari prinsip pembalikan pengaruh, avatar geometrisnya. Dua corong yang berlawanan dengan hambatan yang sama. Nosel inilah yang banyak digunakan dalam hal-hal praktis. Sejak mencapai kecepatan suara secara radikal mengubah perilaku aliran, kecepatan suara disebut kecepatan kritis. Dan bagian nosel (selalu yang terkecil), di mana kecepatan suara dicapai, disebut bagian kritis dari nosel.
Di bagian subsonik nosel yang konvergen, kerapatan gas berubah tidak signifikan, sedikit mengembang. Tetapi tekanan dan suhunya berkurang secara signifikan - kecepatannya meningkat terutama karena mereka. Parameter ini jatuh paling tajam di bagian kritis nosel, di zona kecepatan suara. Perubahan aksi membuat aliran ini berubah lebih jauh di bagian supersonik dengan menambahkan ekspansi gas. Oleh karena itu, laju aliran terus meningkat di kedua bagian nosel - baik subsonik maupun supersonik.
Aliran gas subsonik berperilaku seperti aliran sungai, cairan yang tidak dapat dimampatkan yang mempertahankan volumenya. Sangat? Tidak, saat kecepatan meningkat, udara yang mengalir di sekitar tubuh secara bertahap dikompresi, tetapi tidak signifikan; rasio kompresi tidak melebihi sepuluh persen pertama. Ini tidak secara mendasar mengubah pola aliran, meninggalkannya dalam kerangka hidrodinamika, atau "hidrodinamika untuk udara" - aerodinamika. Gambarnya tetap seperti ini sampai terdengar Rubicon.
Dinamika gas terletak di balik kecepatan suara. Di sini kompresibilitas gas dimanifestasikan sepenuhnya: ia berkontraksi dan mengembang berkali-kali, berkali-kali dan puluhan kali. Ini secara radikal mengubah volume yang mengalir dan menciptakan perubahan kritis dalam gambar.
Aliran supersonik berperilaku dengan cara yang berlawanan dengan aliran subsonik - melambat dalam kontraksi, dan mempercepat dalam ekspansi. Jika melambat, ia melakukannya dengan tiba-tiba dan seketika, selalu dengan kompresi volume dan pemanasan, membentuk batas-batas pemadatan yang tajam di dalam dirinya sendiri. Dan akhirnya, aliran supersonik dapat mengalir menuju tekanan tinggi - misalnya, ke dalam segel ini.
Sifat lain dari kekuatan pendorong memungkinkan aliran supersonik mengalir melawan penurunan tekanan. Yang berlaku bukanlah tekanan gas, seperti dalam aliran subsonik, tetapi gaya inersia gerak. Perilaku aliran subsonik dikendalikan oleh esensi termal - energi potensial dari tekanan gas, dan sifat supersonik aliran diciptakan oleh bentuk energi lain - energi kinetik gerak.
Pinggang tawon dan ekstensi berlebihan
Nozel mesin roket klasik adalah lancip berbentuk corong dan suar dengan pinggang tawon sempit di antaranya. Itu sempit karena kepadatan tinggi di ruang bakar. Gas terkompresi dapat mengembang berkali-kali, sambil tetap mempertahankan dampak nyata pada dinding nosel dan menciptakan daya dorong. Ekspansi utama dimulai ketika mendekati kecepatan suara dan berlanjut di seluruh bagian supersonik nosel. Di mana rasio area akhir dengan area awal, yaitu area keluar nosel dan bagian tenggorokan, disebut rasio ekspansi nosel. Berapa banyak Anda dapat mengembangkan (dan karenanya mempercepat) gas di dalam nosel? Di ruang angkasa, penghalusan aliran di pintu keluar nosel membawa manfaat yang praktis dapat diperoleh kembali - sementara penambahan daya dorong pada perpanjangan nosel membenarkan peningkatan massanya. Tekanan sisa yang tidak terpakai dibuang ke ruang hampa.
Saat mulai dari permukaan Bumi, atmosfer menekan ke dalam nosel, mencegah aliran keluar. Jet terbang keluar dari nosel atmosfer mengembang lebih kuat - kepadatan dan tekanan jet lebih rendah dari atmosfer. Jet seperti itu disebut overexpanded, dan nozzle beroperasi dalam mode overexpanded. Semakin halus aliran di pintu keluar nosel, semakin besar penurunan tekanan dengan atmosfer dan penangkalnya terhadap jet. Pancaran supersonik yang terlalu besar, karena kecepatannya yang tinggi, meninggalkan nosel pada setetes setengah atmosfer, atau bahkan lebih. Dan itu dihambat oleh atmosfer di belakang nosel.
Ini dia, sifat kerja aliran supersonik untuk bergerak menuju tekanan yang lebih tinggi. Jika perbedaan ini semakin besar, tekanan atmosfer akan masuk ke dalam nosel dan mulai mendorong jet menjauh dari dinding, "mematikan" bagian nosel ini. Jadi, untuk memperlambat jet saat masih dalam ekspansi nosel, tidak membiarkan daya dorong tumbuh - mode pemblokiran nosel oleh tekanan eksternal akan dimulai. Mengapa memperluas aliran di pintu keluar nosel di bawah tekanan atmosfer? Karena tekanannya turun dengan cepat dengan meningkatnya ketinggian, di mana segala sesuatu yang cepat akan meninggalkan roket.
Lima puluh kilometer pertama vertikal akan dengan mulus meniadakan tekanan balik atmosfer.
Aliran di pintu keluar nosel akan menjadi lebih padat daripada atmosfer yang berkurang, membuang tekanan berlebih yang tidak berguna. Aliran, yang terkompresi lebih padat daripada atmosfer, berkembang lebih rendah hingga setara dengannya. Dia akan memperluas kabut asapnya, membuat dorongannya sedikit lebih kuat. Ini adalah mode underexpansion. Untuk mengurangi pelepasan yang tidak perlu dari tekanan nosel yang tidak digunakan, rasio ekspansi dioptimalkan. Artinya, dihitung sehingga kerugian integral selama pengoperasian nosel menaik minimal, dan pekerjaan yang dilakukan oleh gaya reaktif paling besar untuk seluruh segmen penerbangan.
Untuk ini, tekanan di pintu keluar nosel dihitung sama dengan tekanan atmosfer pada ketinggian 8-12 km. Di sini, pengoperasian nosel optimal - tidak ada penurunan tekanan dengan atmosfer, dan tidak ada kerugian. Ekspansi berlebih awal berkurang dengan lancar seiring ketinggian, memusatkan perhatian pada mode aliran keluar optimal sebesar 10-12 km, setelah itu ekspansi bawah akan meningkat secara bertahap. Jadi nosel, saat roket naik, melewati tiga mode operasinya. Dan pilihan tekanan pada pintu keluar nosel memberikan kerugian integral terkecil sampai ke titik mati.
Pada tahap kedua dan ketiga roket antarbenua dan ruang angkasa, mesin diluncurkan tanpa adanya tekanan atmosfer yang terlihat. Oleh karena itu, perluasan nozel mereka membuat b. yang nyata HAIlebih ringan dari tahap pertama. Mesin roket luar angkasa juga memiliki rasio ekspansi besar - manuver orbital, orientasi. Bagian supersonik mereka menyerupai gelas besar dengan mata bagian kritis kecil.
Keluarga besar, atau Ragam dinamika gas nozzle
Prinsip kehadiran bagian kritis diimplementasikan dalam berbagai macam bentuk. Dua corong klasik, yang mentransmisikan aliran satu sama lain melalui penggabungan simpul, dapat berubah tanpa bisa dikenali. Nosel berlubang adalah saluran datar dengan kontraksi dan ekspansi. Nozel bodi tengah hampir tidak dapat mengubah diameter luar; tubuh pusat bagian dalam mendefinisikan geometri saluran. Itu bisa berbentuk kerucut atau peluru, dan berakhir di pintu keluar nosel, dan bagian kritisnya ternyata berbentuk lingkaran. Tubuh pusat dapat sangat bervariasi, benar-benar mengubah bentuk nosel.
Nosel dapat terdiri dari satu badan pusat, yang tertutup di sepanjang alas oleh slot annular. Aliran terkompresi dari slot mengalir melalui badan pusat, meluas di atasnya. Nosel semacam itu memiliki bentuk kerucut cekung yang diarahkan ke belakang. Kecekungan bekerja dengan cara yang sama seperti tonjolan berbentuk cangkir pada dinding nosel konvensional. Hanya nosel dengan dindingnya yang menekan tepi aliran yang menyimpang menjadi aliran yang rata, dan badan pusat membentuk inti aliran yang diluruskan.
Beginilah cara kerja motor udara baji. Noselnya linier - badan tengah memanjang secara horizontal dan membentuk irisan terbalik, mirip dengan bilah pedang dengan dua sisi menyatu dengan bilah. Pada sisi cekung yang berfungsi ini, aliran supersonik mengembang, menciptakan daya dorong. Secara fungsional, sisi-sisinya adalah dinding nosel konvensional, dilipat dalam satu garis, menciptakan daya dorong dengan cara yang sama.
Baji ini dialirkan dari atas ke bawah oleh aliran supersonik dari ruang pembakaran kecil yang dipasang berjajar di bagian atas. Setiap sisi baji menjadi satu dinding nosel untuk aliran dari bilik. Dinding lainnya adalah atmosfer, yang menekan aliran dari samping dan mengatur ekspansinya dengan tekanannya. Oleh karena itu, aliran pada permukaan nosel berbentuk baji-udara-baji mengembang secara optimal, beradaptasi dengan perubahan tekanan atmosfer.
Tubuh pusat bisa menjadi datar, seperti piring, dan terletak di kedalaman nosel, pada awal ekspansi. Seperti kepala paku, tidak sepenuhnya didorong ke tengah bagian kritis. Ruang di bawah tutup akan menjadi bagian subsonik dari nosel. Dan bagian tepi badan berbentuk cakram akan menjadi bagian dalam dari bagian tenggorokan. Aliran menyebar secara radial dari bawah pelat dan memutar tepinya menuju pintu keluar nosel, terjepit oleh dinding dan berakselerasi menjadi pancaran supersonik. Nosel poppet jauh lebih pendek daripada nosel konvensional dan karenanya lebih ringan. Dinamika gasnya yang khas sepenuhnya konsisten dengan nozzle Laval.
Lebih sedikit tekanan, lebih banyak kekuatan dari raksasa rekor
Tekanan tinggi membutuhkan dinding ruang bakar yang kuat dan tebal, lebih mudah untuk menguncinya di ruang kecil. Massa struktur besar dengan tekanan tinggi juga akan besar. Untuk mesin bahan bakar padat, seluruh tubuh adalah ruang bakar. Oleh karena itu, tekanan di dalamnya lebih rendah daripada di mesin roket berbahan bakar cair, hanya mencapai puluhan atmosfer pertama. Karena tekanan di depan nosel lebih rendah, itu berarti tingkat ekspansi nosel dan penyempitan di bagian tenggorokan lebih sedikit. Misalnya, seorang remaja dapat dengan bebas melewati tenggorokan nosel akselerator bahan bakar padat SLS. Dengan diameter keluar nosel 3, 8 m dan bagian kritis 1, 37 m, rasio ekspansi sekitar 7, 7. Tingkat tekanan rata-rata 39 atmosfer tidak memungkinkan pengaturan rasio ekspansi yang besar.
Dorongan dibuat bukan oleh laju aliran itu sendiri, tetapi oleh laju aliran pada kecepatan ini. Mesin propelan padat dapat menciptakan laju aliran fluida kerja yang besar melalui nosel. Mereka tidak memiliki pasokan bahan bakar - semuanya masih dipasok di pabrik di sepanjang mesin, terkadang mencapai puluhan meter. Massa bahan bakar seperti itu memiliki area pembakaran yang sangat besar dan laju aliran yang sesuai, yang menciptakan daya dorong jet yang sangat besar.
Mesin paling kuat yang pernah dibuat manusia dalam sejarah adalah mesin roket berbahan bakar padat. Dari yang diproduksi secara massal, ini adalah booster untuk kendaraan peluncuran SLS, mantan booster Space Shuttle dengan tambahan bagian bahan bakar kelima. Dengan panjang total 54 m (ini adalah ketinggian bangunan 18 lantai), diameter 3,7 m dan massa 726 ton, daya dorongnya 1620 ton, dan konsumsinya 6 ton per detik. Nosel akselerator semacam itu saat ini adalah nosel serial paling kuat di dunia.
Mesin propelan padat eksperimental bahkan lebih bertenaga. Aerojet AJ-260 SL-1 yang diuji pada tahun 1965 menunjukkan daya dorong 1.800 ton, dan mesin Aerojet AJ-260 SL-3 seharusnya menghasilkan daya dorong 2.670 ton. Nozel tunggal mereka tetap menjadi nozel Laval paling kuat yang pernah dibuat oleh manusia.
Geometri variabel dalam guntur afterburner
Nozel dengan tekanan yang bahkan lebih rendah, dengan perbedaan hanya beberapa atmosfer dan penyempitan yang sangat kecil, telah tersebar luas dalam penerbangan, menjadi solusi yang sangat diperlukan untuk seluruh kelas mesin. Karena tidak mungkin untuk menyimpan banyak energi dalam tekanan kecil, di sini mereka pergi melalui jalur termal - mereka memompa gas dengan panas api minyak tanah yang kuat.
Afterburner digunakan terutama di pesawat tempur. Mereka menggunakan afterburner saat terbang dengan kecepatan supersonik, untuk mengurangi gulungan lepas landas, pendakian cepat, dan manuver yang intens. Afterburner hampir meningkatkan daya dorong dua kali lipat, dengan peningkatan konsumsi bahan bakar yang berlipat ganda. Itu dibakar dalam aliran umum di belakang turbin, di bagian jalur aliran sebelum memasuki nosel, yang disebut afterburner. Nozelnya membentuk pembakar minyak tanah besar yang memanaskan aliran di depan nosel seribu derajat.
Nosel, sebagai mesin panas, mengubah peningkatan panas menjadi peningkatan kecepatan.
Pemanasan gas tambahan yang begitu kuat akan meningkatkan tekanan di depan nosel. Ini akan mengurangi kecepatan turbin dan kompresor, yang akan segera mengurangi aliran udara ke nozzle. Untuk menghindari runtuhnya operasi mesin, bagian kritis dari nosel diperluas, "membuang" tekanan yang meningkat ke dalamnya. Ini dilakukan oleh lima puluh elemen bergerak - penutup. Pelat cor trapesium dari baja tahan panas dan tahan panas (ini adalah sifat yang berbeda) tumpang tindih, seperti timbangan atau ubin, membentuk permukaan kerja nosel. Bergerak bersama oleh silinder hidrolik, mereka mengubah penyempitan internal, sekaligus mengubah potongan nosel. Berkat desain yang dapat dipindahkan seperti itu, nosel menjaga ekspansi gas mendekati optimal dan menyesuaikan dengan mode pengoperasian engine, memungkinkan peningkatan daya dorong yang kuat selama afterburner. Dan setelah mematikan afterburner, nozel dipindahkan kembali, mengurangi bagian kritis dan ukuran keluar nosel.
Nosel Laval digunakan di berbagai perangkat jet. Dalam semua jenis rudal yang terbang di udara - dari luar angkasa dan antarbenua hingga rudal anti-pesawat dan anti-tank, peluru salvo, granat berpeluncur roket, dan berbagai macam benda terbang berpeluncur roket lainnya. Ada juga peluru jet yang dikenal, dan dari berbagai jenis - misalnya, peluru bawah air eksperimental untuk mesin kapal selam APS, mirip dengan jari-jari hijau tebal dengan mesin jet dengan diameter 5, 45 mm. Atau peluru peluru kendali Gyrojet berputar berdiameter setengah inci (12,7 mm) dengan empat nozel miring kecil, diuji di Vietnam pada awal 1970-an, bersama dengan pistol khusus untuk mereka. Ini adalah rudal tempur terkecil dalam sejarah.
Blok nosel dapat terdiri dari satu saluran, atau beberapa, atau lusinan nozel. Dimensi, bentuk, jumlah, lokasi, kemiringan, daya dorong, tujuan nozel ini bervariasi pada rentang terluas. Nozel jet mengalihkan kursi pilot ejeksi dari pesawat, dengan lembut mendaratkan peralatan pendaratan dan kendaraan turun, mempercepat suar dan sinyal, mengurangi rekoil senjata recoilless, melempar kabel detonasi untuk ranjau, menyisihkan kuk peluncuran selama peluncuran tambang ICBM, dan melakukan sejumlah tugas lain, gaya reaktif.
Nozel non-reaktif
Seseorang menghasilkan aliran supersonik dengan nozzle Laval hampir di mana pun dia menggunakannya. Dalam turbin, nozel Laval slotted mempercepat aliran untuk disuplai ke bilah rotor. Dalam turbin jet supersonik, saluran di antara bilah-bilah piringan yang dapat digerakkan juga ditempatkan nozel Laval, yang mempercepat gas ke kecepatan supersonik. Setiap dua bilah yang berdekatan membentuk dengan permukaannya saluran nosel Laval datar yang ditekuk ke belakang pada suatu sudut. Aliran di dalamnya dipercepat dan mengalir kembali ke gerakan, menciptakan gaya reaktif untuk bilah. Turbin supersonik digunakan dalam penerbangan dan astronotika, teknologi dan navigasi darat, produksi energi dan energi.
Dimungkinkan untuk menggiling material dengan aliran supersonik, mendapatkan penggilingan halus. Bahan curah memasuki jet supersonik. Itu ditangkap dan dipercepat oleh jet yang menabrak penghalang padat, dan menerobosnya dengan kecepatan ratusan meter per detik. Kemurnian penggilingan yang tinggi - bahan itu sendiri menusuk penghalang - memungkinkan Anda menggiling obat-obatan atau bahan kimia yang sangat murni.
Terowongan angin supersonik juga menggunakan nozzle Laval. Jenis tabung supersonik yang paling umum adalah balon. Di sebuah ruangan besar, ada dua atau tiga baris silinder baja tebal setinggi dua lantai, ditutupi oleh rak lantai dua (untuk sampai ke bagian atas silinder bila diperlukan). Beberapa hari sebelum pembersihan, silinder dipompa dengan udara sepanjang hari ke dengungan dan getaran kompresor. Tubuh mereka sangat panas karena kompresi jauh melebihi seratus atmosfer, lalu mendingin dalam semalam.
Pembersihan berlangsung di kotak terpisah dengan pintu baja. Semua udara yang dimasukkan ke dalam silinder dibuang dalam tiga puluh detik. Nosel mengubah udara terkompresi dari silinder menjadi aliran supersonik yang mengalir di bagian kerja pipa. Kecil di penampang, itu dirakit dari elemen baja kuat yang menutupi aliran dengan model yang ditiup. Bonusnya adalah simulasi penerbangan supersonik di ketinggian tinggi dengan embun bekunya - dari perluasan aliran, suhu di bagian uji minus 80 derajat. Jumlah Mach aliran dalam pipa dapat melebihi 5, maka pipa menjadi hipersonik.
Di salah satu universitas Moskow dengan halaman yang luas namun rumit, di salah satu sudutnya, ada stan kisi yang tampak seperti kios. Auditorium departemen bahasa Inggris masuk ke bagian halaman ini. Seminggu sekali, kelas-kelas diinterupsi selama setengah menit oleh dinding yang terus-menerus bergemuruh, yang benar-benar menenggelamkan setiap upaya untuk berbicara oleh guru dan siswa. Bilik kisi menyembunyikan saluran keluar tabung supersonik universitas ini, membanjiri halaman dengan raungan selama pembersihan. Dengan demikian, aerodinamika supersonik menyerbu semua bidang ilmu yang keluar sebagai auditorium ke stan ini.
Ludwig Prandtl, pelopor perhitungan supersonik dan pendiri aerogasdinamika supersonik, mampu menghitung nosel yang memberikan nomor Mach yang diperlukan pada laju aliran yang tersedia. Pada tahun 1909, ia membangun di Jerman, di Göttingen, tempat ia bekerja, tabung supersonik pertama di dunia. Hari ini semua nozel dihitung menurut metodenya menghitung nosel supersonik.
Perhitungan memungkinkan Anda untuk membuat profil nosel. Profil adalah kelengkungan bentuk nosel, yang membedakannya dari kerucut sederhana, geometri nosel yang tepat. Di bagian kritis, ekspansi gas adalah yang paling intens, dan segera setelah itu perlu dengan cepat memberikan volume gas untuk ekspansi. Dinding nosel di sini menyimpang ke samping dengan bel yang melebar tajam. Di ujung nosel, ketika pekerjaan ekspansi dilakukan, aliran diarahkan oleh tepi silindris nosel ke aliran yang hampir paralel.
Transisi yang mulus dari bagian yang melebar tajam ke tepi yang hampir silindris membuat nosel cembung, seperti gelas atau bel. Ini akan menjadi nosel yang diprofilkan. Kelengkungan dinding yang dipilih dengan benar akan memperluas gas secara optimal, dengan percepatan aliran terbesar pada panjang terpendek nosel. Ini adalah berat minimum, permukaan pendinginan, material dan volume pemrosesan, dan biaya. Oleh karena itu, hampir semua nozel diprofilkan hari ini. Profil mereka dihitung sesuai dengan parameter yang diberikan dari gas sumber dan aliran yang diinginkan, sehingga memungkinkan untuk membentuk kelengkungan kapal terbaik untuk supersonik.
Kemungkinan petunjuk untuk roket yang dapat digunakan kembali sepenuhnya
Nosel juga dapat menjadi solusi utama untuk penggunaan kembali kendaraan peluncuran secara menyeluruh. Masalah pengembalian roket tahap kedua adalah karena kecepatan orbitnya yang tinggi. Suhu stagnasi aliran pada kecepatan ini, yang terjadi pada tahap di pintu masuk, mencapai beberapa ribu derajat.
Anda dapat membuat nosel yang memenuhi seluruh ujung bawah anak tangga. Kemudian permukaannya yang tahan api dapat bertindak sebagai pelindung panas. Dalam hal ini, nosel logam didinginkan secara aktif oleh komponen bahan bakar yang mengalir di saluran dindingnya. Dan komponen itu sendiri, yang mengalir keluar tanpa pembakaran melalui nosel, akan menekan bantal udara panas terkompresi dari ujung panggung. Tepi dinding tangga juga dapat ditempati oleh tepi nosel yang didinginkan. Dengan demikian, secara strategis mengintegrasikan nozzle ke dasar langkah. Kemudian nosel akan dapat menyelesaikan dua tugas yang dipisahkan dalam waktu - baik penciptaan daya dorong dan perlindungan termal panggung saat memasuki atmosfer. Mungkin, setelah membentuk tipe baru - nosel pelindung panas reaktif.
Nosel semacam itu akan menambahkan tugas pelindung panas ke fungsi dinamis gas dasarnya (percepatan aliran), meningkatkan nilainya.
Dibutuhkan banyak perhitungan yang akan menemukan optimal dari satu desain untuk kedua masalah. Dengan diameter nosel yang begitu besar, kaca supersonik memanjang konvensional menjadi terlalu besar dan berat. Nosel dengan badan tengah atau nosel kecil akan menjadi jauh lebih mudah. Area mereka beberapa kali lebih kecil, membutuhkan lebih sedikit pendinginan. Anda dapat memberikan pendinginan "tersimpan" ke dinding tangga yang berdekatan. Evaluasi keputusan tersebut akan diberikan oleh perhitungan proyek-proyek tertentu.
Pada tahun 2020, perusahaan Amerika Stoke Space Technologies menerima dua hibah melalui SBIR (Penelitian Inovasi Bisnis Kecil, sebuah program untuk penelitian dan inovasi dalam bisnis kecil). Ini adalah program penelitian dan pengembangan (R&D) pemerintah AS untuk membantu usaha kecil. Tim beranggotakan sembilan orang ini dipimpin oleh Andy Lapsa, direktur dan salah satu pendiri Stoke, yang telah membangun mesin di Blue Origin selama sepuluh tahun. Timnya berfokus pada pengembangan mesin tingkat atas yang dapat dibalik.
Hibah SBIR sebesar $225.000 diberikan oleh National Science Foundation untuk "solusi daya tingkat atas yang terintegrasi dan dapat digunakan kembali." Ringkasan hibah “mengusulkan untuk mengembangkan teknologi baru untuk memungkinkan kendaraan peluncuran ruang angkasa memasuki kembali atmosfer dan mendarat pada titik tertentu dengan penggunaan kembali. Tantangan teknis mencakup kombinasi sistem propulsi yang sangat efisien, perlindungan termal yang andal, dan struktur yang ringan.” Artikel tersebut menganggap "solusi teknis baru yang menggabungkan karakteristik utama panggung dengan efisiensi sistem terpisah (berbicara tentang sistem pendingin. - Catatan penulis), yang memungkinkan penggunaan kembali tahap kedua."
Hibah SBIR lainnya sebesar $125.000 diterima dari NASA untuk "konfigurasi mesin roket baru untuk tahap pendorong dan pendarat planet." Ringkasan hibah berbicara tentang “geometri baru untuk nosel roket, yang belum pernah dipertimbangkan sebelumnya dan menjadi fokus fase pertama. Nozel memberikan rasio ekspansi tinggi dengan dimensi sepuluh kali lebih pendek daripada nozel berbentuk lonceng tradisional, dan memungkinkan pelambatan yang dalam pada tekanan atmosfer. Saat diintegrasikan ke dasar panggung, nosel engine berfungsi sebagai pelindung panas logam yang didinginkan secara aktif selama masuk kembali. Tahap pertama meliputi pengembangan metodologi desain nozzle, peramalan kinerja nozzle dan pembuatan peralatan untuk pengujian parameter.
Betapa bermanfaatnya upaya Stoke, waktu akan membuktikannya. Tetapi perumusan tugas berbicara tentang kebutuhan mendesak untuk terobosan ke tingkat kedua yang dapat digunakan kembali. Dan nozzle adalah solusi kunci yang mungkin untuk roket yang dapat digunakan kembali sepenuhnya.