SABRE ( синергетический воздушно-реактивный ракетный двигатель [4] ) — концепция, разрабатываемая компанией Reaction Engines Limited для гиперзвукового предварительно охлажденного гибридного воздушно-реактивного ракетного двигателя . [5] [6] Двигатель предназначен для достижения одноступенчатой возможности вывода на орбиту, выводя предлагаемый космический самолет Skylon на низкую околоземную орбиту. SABRE — это эволюция серии проектов Алана Бонда , подобных LACE , которые были начаты в начале/середине 1980-х годов для проекта HOTOL . [7]
Конструкция включает в себя один комбинированный цикл ракетного двигателя с двумя режимами работы. [3] Воздушно-реактивный режим объединяет турбокомпрессор с легким предварительным воздушным охладителем, расположенным сразу за входным конусом . На высоких скоростях этот предварительный охладитель охлаждает горячий, сжатый прямоточным двигателем воздух, который в противном случае достиг бы температуры, которую двигатель не смог бы выдержать, [8] что приводит к очень высокому коэффициенту давления внутри двигателя. Сжатый воздух затем подается в камеру сгорания ракеты , где он воспламеняется вместе с сохраненным жидким водородом . Высокий коэффициент давления позволяет двигателю обеспечивать высокую тягу на очень высоких скоростях и высотах. Низкая температура воздуха позволяет использовать конструкцию из легких сплавов и обеспечивает очень легкий двигатель, что необходимо для достижения орбиты. Кроме того, в отличие от концепции LACE, предварительный охладитель SABRE не сжижает воздух , позволяя ему работать более эффективно. [2]
После перекрытия входного конуса на скорости 5,14 Маха и на высоте 28,5 км [3] система продолжает работу как высокопроизводительный ракетный двигатель замкнутого цикла , сжигающий жидкий кислород и жидкий водород из бортовых топливных баков, что потенциально позволяет гибридной концепции космоплана, такой как Skylon, достичь орбитальной скорости после выхода из атмосферы на крутом подъеме.
Двигатель, созданный на основе концепции SABRE под названием Scimitar, был разработан для гиперзвукового пассажирского самолета A2 , предлагаемого компанией в рамках финансируемого Европейским Союзом исследования LAPCAT . [9]
Концепция предварительного охладителя возникла из идеи, предложенной Робертом П. Кармайклом в 1955 году. [10] За ней последовала идея двигателя с жидкостным воздушным циклом (LACE), которая первоначально была исследована компанией General Dynamics в 1960-х годах в рамках усилий ВВС США по созданию аэрокосмических самолетов . [2]
Система LACE должна была быть размещена за сверхзвуковым воздухозаборником, который сжимал бы воздух посредством сжатия рампы, затем теплообменник быстро охлаждал бы его, используя часть жидкого водородного топлива, хранящегося на борту. Полученный жидкий воздух затем обрабатывался для отделения жидкого кислорода для сгорания. Количество нагретого водорода было слишком велико, чтобы сгореть с кислородом, поэтому большую его часть следовало выбросить, что давало бы полезную тягу, но значительно снижало потенциальную эффективность. [ необходима цитата ]
Вместо этого, в рамках проекта HOTOL , был разработан двигатель RB545 на основе жидкостного воздушного цикла (LACE) с более эффективным циклом. Двигателю было присвоено название Rolls-Royce «Swallow». [11] В 1989 году, после прекращения финансирования HOTOL, Бонд и несколько других основали Reaction Engines Limited для продолжения исследований. Предварительный охладитель RB545 имел проблемы с хрупкостью и избыточным потреблением жидкого водорода, и был обременен как патентами, так и Законом Великобритании о государственной тайне , поэтому Бонд разработал вместо него SABRE. [12]
В 2016 году проект получил 60 млн фунтов стерлингов в виде финансирования от правительства Великобритании и ЕКА на демонстрационный образец, включающий полный цикл. [13] В июле 2021 года Космическое агентство Великобритании выделило еще 3,9 млн фунтов стерлингов на продолжение разработки. [14]
Как и RB545 , конструкция SABRE не является ни обычным ракетным двигателем , ни обычным реактивным двигателем , а гибридом, который использует воздух из окружающей среды на низких скоростях/высотах и хранящийся жидкий кислород на большей высоте. Двигатель SABRE «опирается на теплообменник, способный охлаждать входящий воздух до −150 °C (−238 °F), чтобы обеспечить кислород для смешивания с водородом и обеспечить реактивную тягу во время полета в атмосфере перед переключением на заправленный жидкий кислород в космосе».
В воздушно-реактивном режиме воздух поступает в двигатель через впускное отверстие. Обходная система направляет часть воздуха через предварительный охладитель в компрессор, который впрыскивает его в камеру сгорания, где он сжигается с топливом, продукты выхлопа ускоряются через сопла, обеспечивая тягу. Оставшийся всасываемый воздух продолжает движение через обходную систему к кольцу пламегасителей, которые действуют как прямоточный воздушно-реактивный двигатель для части режима воздушно-реактивного полета. Гелиевый контур используется для передачи тепла от предварительного охладителя к топливу и приведения в действие насосов и компрессоров двигателя.
В передней части двигателя концептуальные конструкции предлагают простой трансляционный осесимметричный впускной конус ударной волны , который сжимает и замедляет воздух (относительно двигателя) до дозвуковых скоростей с помощью двух отражений ударной волны. Ускорение воздуха до скорости двигателя вызывает лобовое сопротивление . В результате ударов, сжатия и ускорения всасываемый воздух нагревается, достигая около 1000 °C (1830 °F) при числе Маха 5,5.
Bayern-Chemie совместно с ESA провела работу по совершенствованию и тестированию систем впуска и байпаса [15]
Когда воздух поступает в двигатель на сверхзвуковой или гиперзвуковой скорости, он становится горячее, чем двигатель может выдержать из-за эффектов сжатия. [8] Реактивные двигатели , которые имеют ту же проблему, но в меньшей степени, решают ее, используя тяжелые материалы на основе меди или никеля , уменьшая степень повышения давления в двигателе и снижая обороты двигателя на более высоких скоростях воздуха, чтобы избежать плавления. Однако для одноступенчатого орбитального космического самолета (SSTO) такие тяжелые материалы непригодны, и для выхода на орбиту в кратчайшие сроки необходима максимальная тяга, чтобы минимизировать потери гравитации . Вместо этого, используя контур газообразного гелия для охлаждения, SABRE резко охлаждает воздух с 1000 °C (1830 °F) до -150 °C (-238 °F) в противоточном теплообменнике, избегая при этом сжижения воздуха или закупорки замерзающим водяным паром. Противоточный теплообменник также позволяет гелию выходить из двигателя при достаточно высокой температуре для приведения в действие насосов и компрессоров для жидкого водородного топлива и самого гелиевого рабочего тела.
Предыдущие версии предохладителей, такие как HOTOL, пропускали водородное топливо непосредственно через предохладитель. SABRE вставляет гелиевый контур охлаждения между воздухом и холодным топливом, чтобы избежать проблем с водородной хрупкостью в предохладителе.
Резкое охлаждение воздуха создало потенциальную проблему: необходимо предотвратить блокировку предварительного охладителя замерзшим водяным паром и другими фракциями воздуха. В октябре 2012 года охлаждающее решение было продемонстрировано в течение 6 минут с использованием замороженного воздуха. [16] Охладитель состоит из тонкотрубного теплообменника с 16 800 тонкостенными трубками, [17] и охлаждает горячий втекающий атмосферный воздух до требуемой температуры −150 °C (−238 °F) за 0,01 с. [18] Система предотвращения образования льда была тщательно охраняемым секретом, но REL раскрыла метанол -инжектор, напечатанный на 3D-принтере, в 2015 году посредством патентов, поскольку им нужны были компании-партнеры, и они не могли сохранить секрет, работая в тесном сотрудничестве с посторонними лицами. [19] [20] [21]
Ниже пятикратной скорости звука и высоты 25 километров, что составляет 20% от скорости и 20% от высоты, необходимых для достижения орбиты , охлажденный воздух из предварительного охладителя проходит в модифицированный турбокомпрессор , аналогичный по конструкции тем, которые используются в обычных реактивных двигателях, но работающий при необычно высокой степени сжатия , что стало возможным благодаря низкой температуре входящего воздуха. Компрессор подает сжатый воздух под давлением 140 атмосфер в камеры сгорания главных двигателей. [22]
В обычном реактивном двигателе турбокомпрессор приводится в действие газовой турбиной, работающей на отработавших газах. SABRE приводит в действие турбину с помощью гелиевого контура, который питается теплом, улавливаемым в предварительном охладителе и предварительной камере сгорания. [22]
«Горячий» гелий из предварительного охладителя воздуха перерабатывается путем охлаждения его в теплообменнике с жидким водородным топливом. Контур образует самозапускающийся двигатель цикла Брайтона , охлаждающий критические части двигателя и приводящий в действие турбины. [ требуется цитата ] Тепло переходит из воздуха в гелий. Эта тепловая энергия используется для питания различных частей двигателя и для испарения водорода, который затем сжигается в прямоточных воздушно-реактивных двигателях . [3] [23]
Камеры сгорания в двигателе SABRE охлаждаются окислителем (воздух/жидкий кислород), а не жидким водородом [24], что позволяет еще больше сократить использование жидкого водорода в системе по сравнению со стехиометрическими системами.
Наиболее эффективное атмосферное давление, при котором работает обычное сопло, задается геометрией соплового колокола . В то время как геометрия обычного колокола остается статичной, атмосферное давление изменяется с высотой , и поэтому сопла, рассчитанные на высокую производительность в нижних слоях атмосферы, теряют эффективность по мере достижения больших высот. В традиционных ракетах это преодолевается путем использования нескольких ступеней, рассчитанных на атмосферное давление, с которым они сталкиваются.
Двигатель SABRE должен работать как в условиях низких, так и больших высот. Для обеспечения эффективности на всех высотах используется своего рода подвижное, расширяющееся сопло . Сначала при полете на малых высотах с воздушной реакцией колокол располагается сзади, соединяясь с тороидальной камерой сгорания, окружающей верхнюю часть сопла, вместе образуя отклоняющее сопло расширения . Когда SABRE позже переходит в ракетный режим, колокол перемещается вперед, увеличивая длину колокола внутренней камеры сгорания ракеты, создавая гораздо большее, высотное сопло для более эффективного полета. [25]
Избегание сжижения повышает эффективность двигателя, поскольку генерируется меньше энтропии и, следовательно, меньше жидкого водорода выкипает. Однако простое охлаждение воздуха требует больше жидкого водорода, чем может быть сожжено в ядре двигателя. Избыток выбрасывается через ряд горелок, называемых « горелками прямоточного воздушно-реактивного двигателя с проточным каналом », [3] [23] , которые расположены по кольцу вокруг центрального ядра. Они подают воздух, который обходит предохладитель. Эта система прямоточного воздушно-реактивного двигателя с обходом предназначена для уменьшения негативных эффектов сопротивления, возникающих из-за воздуха, который проходит во впускные отверстия, но не подается в основной ракетный двигатель, а не создает тягу. На низких скоростях отношение объема воздуха, поступающего во впускное отверстие, к объему, который компрессор может подать в камеру сгорания, является максимальным, что требует ускорения обводного воздуха для поддержания эффективности на этих низких скоростях. Это отличает систему от турбопрямоточного двигателя , где выхлоп турбинного цикла используется для увеличения потока воздуха, чтобы прямоточный воздушно-реактивный двигатель стал достаточно эффективным, чтобы взять на себя роль первичного двигателя. [26]
Испытания были проведены в 2008 году компанией Airborne Engineering Ltd на сопле с дефлекторным расширением под названием STERN, чтобы предоставить данные, необходимые для разработки точной инженерной модели для преодоления проблемы нединамического расширения выхлопных газов. Это исследование было продолжено с соплом STRICT в 2011 году.
Успешные испытания камеры сгорания с охлаждением окислителем (воздухом и кислородом) были проведены EADS-Astrium в Институте космического движения в 2010 году.
В 2011 году были завершены аппаратные испытания технологии теплообменника, «имеющей решающее значение для гибридного ракетного двигателя [SABRE], работающего на воздухе и жидком кислороде», что показало, что эта технология жизнеспособна. [27] [28] Испытания подтвердили, что теплообменник может работать так, как необходимо двигателю, чтобы получать достаточное количество кислорода из атмосферы для поддержания высокопроизводительной работы на малых высотах. [27] [28]
В ноябре 2012 года компания Reaction Engines объявила об успешном завершении серии испытаний, которые подтверждают технологию охлаждения двигателя, одно из главных препятствий на пути к завершению проекта. Европейское космическое агентство (ESA) провело оценку теплообменника предварительного охлаждения двигателя SABRE и приняло заявления о том, что технологии, необходимые для продолжения разработки двигателя, были полностью продемонстрированы. [27] [29] [30]
В июне 2013 года правительство Великобритании объявило о дальнейшей поддержке разработки полномасштабного прототипа двигателя SABRE, [31] предоставив 60 млн фунтов стерлингов финансирования в период с 2014 по 2016 год [32] [33], а ЕКА выделило еще 7 млн фунтов стерлингов. [34] Общая стоимость разработки испытательного стенда оценивается в 200 млн фунтов стерлингов. [32]
К июню 2015 года разработка SABRE продолжилась с помощью проекта Advanced Nozzle Project в Уэсткотте. Испытательный двигатель, эксплуатируемый Airborne Engineering Ltd., используется для анализа аэродинамики и производительности усовершенствованных сопел, которые будет использовать двигатель SABRE, в дополнение к новым технологиям производства, таким как система впрыска топлива, напечатанная на 3D-принтере. [35]
В апреле 2015 года концепция двигателя SABRE прошла теоретическую экспертизу осуществимости, проведенную Исследовательской лабораторией ВВС США . [36] [37] [38] Вскоре после этого лаборатория должна была представить концепцию двухступенчатого орбитального SABRE, поскольку они посчитали, что одноступенчатый орбитальный космический самолет Skylon «технически очень рискован в качестве первого применения двигателя SABRE». [39]
В августе 2015 года антимонопольный орган Европейской комиссии одобрил финансирование правительством Великобритании в размере 50 миллионов фунтов стерлингов для дальнейшей разработки проекта SABRE. Это было одобрено на том основании, что денег, привлеченных из частного капитала, было недостаточно для завершения проекта. [40] В октябре 2015 года британская компания BAE Systems согласилась купить 20% акций компании за 20,6 миллионов фунтов стерлингов в рамках соглашения о помощи в разработке гиперзвукового двигателя SABRE. [41] [42] В 2016 году генеральный директор Reaction Марк Томас объявил о планах по созданию наземного испытательного двигателя размером с четверть дюйма, учитывая ограниченность финансирования. [43]
В сентябре 2016 года агенты, действующие от имени Reaction Engines, подали заявку на получение разрешения на планирование строительства испытательного центра ракетных двигателей на месте бывшего Rocket Propulsion Establishment в Уэсткотте, Великобритания [44] , которое было предоставлено в апреле 2017 года, [45] а в мае 2017 года состоялась церемония закладки фундамента , на которой было объявлено о начале строительства испытательного центра двигателей SABRE TF1, который, как ожидается, будет запущен в эксплуатацию в 2020 году. [46] [47] Однако с тех пор разработка центра TF1 была тихо прекращена, и теперь площадку взяла на себя аэрокосмическая и оборонная группа Nammo . [48]
В сентябре 2017 года было объявлено, что Агентство перспективных исследовательских проектов обороны США (DARPA) заключило контракт с Reaction Engines Inc. на строительство испытательного стенда с высокотемпературным потоком воздуха в аэропорту Фронт-Рейндж недалеко от Уоткинса, штат Колорадо. [49] Контракт DARPA заключается в испытании теплообменника предварительного охлаждения (HTX) двигателя Sabre. Строительство испытательных стендов и испытательных образцов началось в 2018 году, а испытания были сосредоточены на работе HTX при температурах, имитирующих воздух, проходящий через дозвуковой воздухозаборник со скоростью 5 Махов или около 1800 °F (1000 °C), начиная с 2019 года. [50] [51]
Испытательный блок HTX был завершен в Великобритании и отправлен в Колорадо в 2018 году, где 25 марта 2019 года выхлоп турбореактивного двигателя F-4 GE J79 был смешан с окружающим воздухом для воспроизведения условий на входе Маха 3,3, успешно охладив поток газов с температурой 420 °C (788 °F) до 100 °C (212 °F) менее чем за 1/20 секунды. Были запланированы дальнейшие испытания, имитирующие Маха 5, с ожидаемым снижением температуры с 1000 °C (1830 °F). [8] [17] Эти дальнейшие испытания были успешно завершены к октябрю 2019 года. [52] [53] [54]
Успешное испытание HTX может привести к появлению дополнительных приложений для предварительного охлаждения, которые могут быть разработаны до завершения масштабируемого демонстратора SABRE; предлагаемые варианты использования — расширение возможностей газовых турбин , в современных турбовентиляторных двигателях , гиперзвуковых транспортных средствах и промышленных приложениях. [55] В марте 2019 года предварительный обзор проекта ядра демонстрационного двигателя UKSA и ESA подтвердил, что тестовая версия готова к внедрению. [56]
В 2019 году компания Airborne Engineering провела испытательную кампанию по использованию малогабаритных инжекторов воздуха/водорода для камер предварительного сгорания SABRE. [57]
В 2020 году компания Airborne Engineering провела испытательную кампанию на «модуле HX3» (предкамера с гелиевым контуром теплообменника) [58]
В 2022 году были проведены зарубежные сравнительные испытания теплообменника предварительного охлаждения Reaction. Испытания были успешно завершены дочерней компанией компании в США (Reaction Engines Incorporated – REI) и Исследовательской лабораторией ВВС США (AFRL). «Программа испытаний FCT значительно расширила продемонстрированные возможности нашей технологии предварительного охлаждения двигателя», – сказал директор по инжинирингу REI Эндрю Пиотти. «В ходе этих недавних испытаний предварительный охладитель успешно достиг нашей цели – более 10 мегаватт переданной тепловой энергии из высокотемпературного воздушного потока, что в три раза превышает нашу предыдущую программу испытаний». [59]
Благодаря статической тяге гибридного ракетного двигателя, аппарат может взлетать в воздушно-реактивном режиме, как и обычный турбореактивный двигатель . [3] По мере того, как аппарат поднимается и давление наружного воздуха падает, все больше и больше воздуха поступает в компрессор, поскольку эффективность сжатия поршня падает. Таким образом, реактивные двигатели могут работать на гораздо большей высоте, чем это было бы возможно обычно.
При скорости 5,5 Маха воздушно-реактивная система становится неэффективной и отключается, заменяясь бортовым кислородом, который позволяет двигателю разгоняться до орбитальных скоростей (около 25 Маха). [22]
Разработано для использования с HOTOL.
Двигатель не имел возможности создания статической тяги, необходимой для взлета, и зависел от ракетной тележки.
Разработано для использования со Skylon A4.
Двигатель не имел возможности создания статической тяги, как в воздушно-реактивном режиме, полагаясь на двигатели RATO.
Разработано для использования со Skylon C1.
Двигатель не имел возможности создания статической тяги и использовал жидкий кислород до тех пор, пока не был введен воздушно-реактивный цикл. [ необходима цитата ]
Разработано для использования со Skylon C2.
Этот двигатель включал в себя камеру предварительного сгорания с обогащенным топливом для увеличения тепла, извлекаемого из воздушного потока, используемого для приведения в действие гелиевого контура, что обеспечивало двигателю возможность создания статической тяги.
SABRE 4 больше не является конструкцией одного двигателя, а представляет собой класс двигателей, например, экземпляр этого двигателя тягой 0,8–2 МН (180 000–450 000 фунтов-сил; 82–204 тс) используется с двигателем SKYLON D1.5 тягой 110 000–280 000 фунтов-сил (0,49–1,25 МН; 50–127 тс) для исследования ВВС США частично многоразового TSTO.
Расчетное отношение тяги к весу SABRE составляет четырнадцать по сравнению с примерно пятью для обычных реактивных двигателей и двумя для гиперзвуковых воздушно-реактивных двигателей . [5] Эта высокая производительность является комбинацией более плотного, охлажденного воздуха, требующего меньшего сжатия, и, что более важно, низких температур воздуха, позволяющих использовать более легкие сплавы в большей части двигателя. Общая производительность намного лучше, чем у двигателя RB545 или гиперзвуковых воздушно-реактивных двигателей.
Топливная эффективность (известная как удельный импульс в ракетных двигателях) достигает пика примерно за 3500 секунд в атмосфере. [3] Типичные ракетные системы достигают пика примерно за 450 секунд, а «типичные» ядерные тепловые ракеты — примерно за 900 секунд.
Сочетание высокой топливной эффективности и маломассивных двигателей позволяет реализовать подход SSTO с воздушно-реактивным двигателем со скоростью 5,14 Маха и выше на высоте 28,5 км (94 000 футов), а также с выходом аппарата на орбиту с большей массой полезной нагрузки на единицу взлетной массы, чем у любой когда-либо предложенной неядерной ракеты-носителя. [ необходима ссылка ]
Предварительный охладитель добавляет массу и сложность системе и является наиболее агрессивной и сложной частью конструкции, но масса этого теплообменника на порядок ниже, чем была достигнута ранее. Экспериментальное устройство достигло теплообмена почти 1 ГВт/м 3 . Потери от переноса дополнительного веса систем, выключенных в режиме замкнутого цикла (а именно предварительного охладителя и турбокомпрессора), а также дополнительного веса крыльев Skylon компенсируются ростом общей эффективности и предлагаемым планом полета. Обычные ракеты-носители, такие как Space Shuttle, тратят около одной минуты на подъем почти вертикально на относительно низких скоростях; это неэффективно, но оптимально для чисто ракетных транспортных средств. Напротив, двигатель SABRE допускает гораздо более медленный и пологий подъем (тринадцать минут для достижения высоты перехода 28,5 км), при этом дыша воздухом и используя свои крылья для поддержки транспортного средства. Это позволяет отказаться от сопротивления гравитации и увеличения веса летательного аппарата в пользу уменьшения массы топлива и выигрыша от аэродинамической подъемной силы, увеличивая долю полезной нагрузки до уровня, при котором становится возможным SSTO.
Гибридному реактивному двигателю, такому как SABRE, нужно только достичь низких гиперзвуковых скоростей в нижних слоях атмосферы , прежде чем включить режим замкнутого цикла во время набора высоты, чтобы набрать скорость. В отличие от прямоточных или гиперзвуковых воздушно-реактивных двигателей, конструкция способна обеспечить высокую тягу от нулевой скорости до числа Маха 5,4 [4] с превосходной тягой на протяжении всего полета, от земли до очень большой высоты, с высокой эффективностью на всем протяжении. Кроме того, эта статическая тяга означает, что двигатель можно реалистично испытать на земле, что резко сокращает расходы на испытания. [5]
В 2012 году REL ожидала, что испытательные полеты начнутся к 2020 году, а эксплуатационные полеты — к 2030 году. [60]
