การทบทวนเทคโนโลยีหัวฉีด aerospike อย่างครอบคลุมได้จุดประกายการอภิปรายอย่างเข้มข้นในหมู่ผู้ที่ชื่นชอบการบินอวกาศและวิศวกรเกี่ยวกับความท้าทายในทางปฏิบัติที่ทำให้เครื่องยนต์ที่ปรับตัวตามความสูงเหล่านี้ไม่ได้รับการนำมาใช้อย่างแพร่หลาย ในขณะที่หัวฉีด aerospike สัญญาว่าจะมีประสิทธิภาพที่เหนือกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับหัวฉีดแบบระฆังแบบดั้งเดิมในระดับความสูงที่แตกต่างกัน การถกเถียงของชุมชนเผยให้เห็นว่าทำไมพวกมันจึงยังคงอยู่ในระดับทฤษฎีเป็นหลักแม้จะมีการพัฒนามาหลายทศวรรษ
การจัดการความร้อนปรากฏเป็นอุปสรรคหลัก
อุปสรรคที่สำคัญที่สุดต่อการนำ aerospike มาใช้มีจุดศูนย์กลางอยู่ที่ความท้าทายในการจัดการความร้อนที่ทำให้เครื่องยนต์เหล่านี้ไม่เหมาะสมสำหรับการใช้งานในโลกแห่งความเป็นจริง ไม่เหมือนกับหัวฉีดแบบระฆังที่รวมความร้อนไว้ในพื้นที่ที่จัดการได้ การออกแบบ aerospike สร้างการไหลของความร้อนที่รุนแรงทั่วทั้งพื้นผิวของ spike ทำให้ระบบระบายความร้อนมีความซับซ้อนและหนักเป็นพิเศษ รูปทรงที่แคบของ spike ทำให้ปัญหานี้รุนแรงขึ้น เนื่องจากวิศวกรต้องดิ้นรนเพื่อส่งสารหล่อเย็นที่เพียงพอผ่านโครงสร้างโดยไม่เพิ่มน้ำหนักที่ห้ามใช้
Heat flux: อัตราการถ่ายเทพลังงานความร้อนผ่านพื้นผิว วัดเป็นวัตต์ต่อตารางเมตร
การเปรียบเทียบ Aerospike กับ Bell Nozzle
- การปรับตัวตามความสูง: Aerospike รักษาประสิทธิภาพได้ตลอดช่วงความสูงต่างๆ ในขณะที่ bell nozzle ถูกออกแบบให้เหมาะสมกับความสูงเฉพาะ
- ความซับซ้อนในการผลิต: Aerospike ต้องการห้องเผาไหม้ขนาดเล็กหลายห้อง ส่วน bell nozzle ใช้การออกแบบห้องเผาไหม้เดียวที่เรียบง่ายกว่า
- การจัดการความร้อน: Aerospike มีความร้อนกระจายไปทั่วทั้งส่วนแหลม ขณะที่ bell nozzle มีความร้อนเข้มข้นในบริเวณที่จัดการได้
- ความต้องการระบบระบายความร้อน: Aerospike ต้องการระบบแจ็คเก็ตระบายความร้อนที่ซับซ้อน ส่วน bell nozzle ใช้วิธีการระบายความร้อนที่พิสูจน์แล้ว
- น้ำหนัก: Aerospike มักจะหนักกว่าเนื่องจากระบบระบายความร้อน ขณะที่ bell nozzle เบากว่าและเรียบง่ายกว่า
- ต้นทุน: Aerospike มีค่าใช้จ่ายในการผลิตสูงกว่ามาก ส่วน bell nozzle ใช้กระบวนการผลิตที่พิสูจน์แล้วและคุ้มค่า
เครื่องยนต์ Rotating Detonation เสนอทางแก้ไขที่เป็นไปได้
สมาชิกบางคนในชุมชนเห็นความหวังในการรวมเทคโนโลยี aerospike เข้ากับเครื่องยนต์ rotating detonation ( RDEs ) ซึ่งในทางทฤษฎีสามารถกระจายความร้อนได้อย่างสม่ำเสมอมากขึ้นทั่วพื้นผิว spike อย่างไรก็ตาม แนวทางนี้เผชิญกับความสงสัยเนื่องจากลักษณะการทดลองของเทคโนโลยีทั้งสองและความเป็นจริงที่ว่าเครื่องยนต์ที่ใช้การระเบิดจริงๆ แล้วผลิตการไหลของความร้อนที่สูงกว่าการออกแบบแบบดั้งเดิม
Rotating Detonation Engine: ประเภทเครื่องยนต์ทดลองที่การเผาไหม้เกิดขึ้นเป็นคลื่นการระเบิดต่อเนื่องที่หมุนรอบห้องเผาไหม้แบบวงแหวน
ความฝัน SSTO พบกับความเป็นจริงทางวิศวกรรม
การอภิปรายเผยให้เห็นว่าทำไมยานพาหนะ Single Stage to Orbit ( SSTO ) ซึ่งมักถูกอ้างถึงว่าเป็นการใช้งานที่เหมาะสมสำหรับเครื่องยนต์ aerospike จึงยังคงเป็นสิ่งที่เข้าใจยากแม้จะมีการแสวงหามาหลายทศวรรษ ความท้าทายพื้นฐานอยู่ที่คณิตศาสตร์ที่ไม่ยอมให้อภัยของสมการจรวด - การบรรทุกเชื้อเพลิงทั้งหมดภายในขณะรักษาความสมบูรณ์ของโครงสร้างในช่วงวงจรอุณหภูมิที่รุนแรงพิสูจน์แล้วว่าเป็นไปไม่ได้เกือบจะเป็นไปไม่ได้ด้วยวัสดุในปัจจุบัน แม้แต่ SpaceX ที่เป็นที่รู้จักในด้านการแก้ปัญหาทางวิศวกรรมที่ทะเยอทะยาน ก็หลีกเลี่ยงเทคโนโลยี aerospike เพื่อสนับสนุนการออกแบบหัวฉีดแบบผสมที่ง่ายกว่าโดยใช้เครื่องยนต์แยกต่างหากที่ปรับให้เหมาะสมสำหรับระดับน้ำทะเลและสภาวะสุญญากาศ
เหตุผลหลักที่ aerospikes ไม่สมเหตุสมผลคือคุณกำลังเพิ่มพื้นที่มากขึ้นที่ได้รับการไหลของความร้อนสูงสุดและท่อประปาและเสื้อคลุมระบายความร้อนของคุณกลายเป็นฝันร้าย
ประเภทหัวฉีด Aerospike
- Linear Aerospike (LAS): การออกแบบแบบหัวแหลมเรียบที่มีหัวฉีด de Laval แบบตัดปลายจัดเรียงเป็นแนวเส้นตรง ใช้ในยานทดลอง X-33
- Annular Aerospike (AAS): หัวแหลมรูปกรวยวงกลมที่มีห้องเผาไหม้แบบวงแหวนล้อมรอบ ทดสอบบนเครื่องยนต์ J-2T-250k
- การประยุกต์ใช้: แบบ Linear มักใช้สำหรับเครื่องยนต์ขนาดเล็ก แบบ Annular สำหรับเครื่องยนต์ขนาดใหญ่
- ข้อดี: การออกแบบที่กะทัดรัด การชดเชยความสูง การปรับปรุงแรงผลักดันจำเพาะ
- ข้อเสีย: ต้นทุนการผลิตสูง ความท้าทายในการจัดการความร้อน ความซับซ้อนที่เพิ่มขึ้น
กองกำลังตลาดขับเคลื่อนทางเลือกที่อนุรักษ์นิยม
การที่อุตสาหกรรมการบินอวกาศชอบเทคโนโลยีที่พิสูจน์แล้วมากกว่าข้อได้เปรียบเชิงทฤษฎีกลายเป็นที่ชัดเจนเมื่อตรวจสอบโปรแกรมที่ประสบความสำเร็จ แนวทางของ SpaceX ในการปรับปรุงแบบเพิ่มขึ้นโดยใช้วิธีการที่ได้รับการยอมรับได้พิสูจน์แล้วว่ามีประสิทธิภาพมากกว่าแนวคิดปฏิวัติที่ต้องการเทคโนโลยีที่ไม่ได้รับการพิสูจน์หลายอย่างให้ทำงานพร้อมกัน โปรแกรม X-33 ที่ล้มเหลวซึ่งพยายามรวมเครื่องยนต์ aerospike เข้ากับวัสดุและเทคนิคการผลิตใหม่ ทำหน้าที่เป็นเรื่องเตือนใจเกี่ยวกับการแสวงหานวัตกรรมมากเกินไปในครั้งเดียว
ความซับซ้อนในการผลิตเพิ่มภาระค่าใช้จ่าย
การออกแบบ aerospike สมัยใหม่ต้องการห้องเผาไหม้ขนาดเล็กจำนวนมากและทางเดินระบายความร้อนที่ซับซ้อน ทำให้เกิดความท้าทายในการผลิตที่เกินกว่าเครื่องยนต์แบบดั้งเดิม ความแม่นยำที่จำเป็นสำหรับรูปทรงที่ซับซ้อนเหล่านี้ รวมกับความจำเป็นในการใช้วัสดุแปลกใหม่ที่สามารถทนต่อความเครียดทางความร้อนที่รุนแรง ทำให้เครื่องยนต์ aerospike มีราคาแพงกว่าในการผลิตอย่างมีนัยสำคัญเมื่อเทียบกับคู่หูหัวฉีดแบบระฆัง
ฉันทามติของชุมชนชี้ให้เห็นว่าในขณะที่เทคโนโลยี aerospike ยังคงน่าสนใจทางวิทยาศาสตร์ ข้อจำกัดทางวิศวกรรมในทางปฏิบัติและความเป็นจริงทางเศรษฐกิจยังคงสนับสนุนการออกแบบจรวดแบบดั้งเดิม จนกว่าความก้าวหน้าที่ก้าวล้ำในวิทยาศาสตร์วัสดุหรือเทคนิคการผลิตจะลดความท้าทายในการจัดการความร้อนลงอย่างมาก หัวฉีด aerospike น่าจะยังคงเป็นเชิงอรรถที่น่าสนใจในประวัติศาสตร์การขับเคลื่อนมากกว่าเทคโนโลยีที่เปลี่ยนเกม
อ้างอิง: A Review of Aerospike Nozzles: For use in Terrestrial & Aerospace applications