Реактивный двигатель с предварительным охлаждением — это концепция, которая позволяет использовать реактивные двигатели с турбомашинами , в отличие от прямоточных воздушно-реактивных двигателей, на высоких скоростях. Предварительное охлаждение частично или полностью восстанавливает ухудшение производительности компрессора двигателя (путем предотвращения остановки вращения/запирания/снижения расхода), а также производительности всего газогенератора (путем поддержания значительного повышения температуры камеры сгорания в пределах фиксированного предела температуры турбины). что в противном случае предотвратило бы полет при высоких температурах плунжера.
Роберт П. Кармайкл в 1955 году разработал несколько циклов двигателей, в которых использовался жидкий водород для предварительного охлаждения воздуха, поступающего в двигатель, перед использованием его в качестве топлива. [1] : 138
Интерес к двигателям с предварительным охлаждением возник в Великобритании в 1982 году, когда Алан Бонд создал конструкцию ракетного двигателя с предварительно охлажденным воздухом, которую он назвал SATAN. [ нужна цитация ] Идея была разработана в рамках проекта космического самолета HOTOL SSTO и стала Rolls-Royce RB545. В 1989 году, после того как проект HOTOL был прекращен, некоторые инженеры RB545 создали компанию Reaction Engines Ltd, чтобы развить эту идею в двигателе SABRE и связанном с ним космическом самолете Skylon .
В 1987 году Н. Танацугу опубликовал «Аналитическое исследование космического самолета с турбонаддувом и охладителем впускного воздуха». часть японского исследования ISAS (ныне JAXA ) по воздушно-турбо прямоточному воздушно-реактивному двигателю (ATR, позже ATREX после добавления расширительного цикла), предназначенному для питания первой ступени космического самолета TSTO . На смену ATREX пришли исследования турбореактивного двигателя с предварительным охлаждением (PCTJ) и гиперзвукового турбореактивного двигателя. Испытательный двигатель для сжигания водорода с предварительным охлаждением жидким азотом был запущен на скорости 2 Маха на аэрокосмическом исследовательском поле Тайки в сентябре 2010 года. [2]
Для более высоких скоростей полета предварительное охлаждение может включать теплообменник, охлаждаемый криогенным топливом , прежде чем воздух попадет в компрессор. После получения тепла и испарения в теплообменнике топливо (например, H 2 ) сгорает в камере сгорания . Предварительное охлаждение с помощью теплообменника не использовалось в полете, но, по прогнозам, будет иметь значительно высокую тягу и эффективность на скоростях до 5,5 Маха. Циклы реактивных двигателей с предварительным охлаждением были проанализированы Робертом П. Кармайклом в 1955 году . это.
Для более низких скоростей полета предварительное охлаждение можно выполнить с помощью впрыска массы, известного как WIPCC (охлаждение предварительного компрессора с впрыском воды) [3]. Этот метод использовался для кратковременного (из-за ограниченной емкости охлаждающей жидкости) увеличения нормальной максимальной скорости самолета. «Операция Skyburner», в ходе которой был установлен мировой рекорд скорости с помощью McDonnell Douglas F-4 Phantom II , [4] и Микоян Е-266 ( Mig 25 ) [5], оба использовали водно-спиртовой спрей для охлаждения воздуха впереди себя. компрессор.
Предварительное охлаждение (а также впрыск воды в камеру сгорания) используется на самых низких скоростях полета, т. е. во время взлета, для увеличения тяги при высоких температурах окружающей среды.
Одним из основных преимуществ предварительного охлаждения является (как предсказывает закон идеального газа ) для данной общей степени сжатия происходит значительное снижение температуры нагнетания компрессора (T3), что задерживает достижение предела T3 до более высокого числа Маха. Следовательно, условия на уровне моря (скорректированный поток) могут поддерживаться после предварительного охладителя в очень широком диапазоне скоростей полета, тем самым максимизируя полезную тягу даже на высоких скоростях. Компрессор и воздуховоды после впуска подвергаются воздействию гораздо более низких и более стабильных температур и, следовательно, могут быть изготовлены из легких сплавов. Это уменьшает вес двигателя, что еще больше улучшает соотношение тяги и веса.
Водород является подходящим топливом, поскольку он является жидким при глубоко криогенных температурах и в диапазоне его полезного использования имеет очень высокую общую удельную теплоемкость , [1] : 108 , включая скрытую теплоту испарения, выше, чем у воды. Однако низкая плотность жидкого водорода отрицательно влияет на остальную часть машины, и машина физически становится очень большой, [1] : 108 , хотя вес на ходовую часть и нагрузка на крыло могут оставаться низкими.
Водород вызывает структурное ослабление многих материалов, известное как водородное охрупчивание .
Вес предварительного охладителя увеличивает вес двигателя, тем самым уменьшая соотношение его тяги и веса . Прохождение всасываемого воздуха через предохладитель увеличивает сопротивление на впуске, тем самым уменьшая полезную тягу двигателя и, таким образом, уменьшая соотношение тяги к весу.
В зависимости от требуемого объема охлаждения, несмотря на его высокую теплоемкость, для охлаждения воздуха может потребоваться больше водорода, чем можно сжечь вместе с охлажденным воздухом. [ нужна цитата ] В некоторых случаях часть избыточного водорода может быть сожжена в прямоточном воздушно-реактивном воздушном двигателе с неохлажденным воздухом, чтобы уменьшить эту неэффективность.
В отличие от двигателя LACE, предварительно охлажденному двигателю не требуется сжижать кислород, поэтому степень охлаждения уменьшается, поскольку нет необходимости прикрывать плавление кислорода и требуется меньшее общее падение температуры. Это, в свою очередь, уменьшает количество водорода, используемого в качестве теплоотвода, но не поддающегося сжиганию. Кроме того, конденсатор не требуется, что дает экономию веса.
{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)