SABRE ( Synergetic Air Breathing Rocket Engine [4] ) — концепция гиперзвукового гибридного воздушно-реактивного ракетного двигателя с предварительным охлаждением , разрабатываемая компанией Reaction Engines Limited . [5] [6] Двигатель разрабатывается для достижения возможности одноступенчатого вывода на орбиту , выводя предлагаемый космический самолет Скайлон на низкую околоземную орбиту. SABER — это эволюция серии LACE -подобных моделей Алана Бонда , которая началась в начале/середине 1980-х годов для проекта HOTOL . [7]
В конструкции использован единый парогазовый ракетный двигатель с двумя режимами работы. [3] Режим воздушного дыхания сочетает в себе турбокомпрессор с легким предохладителем воздуха , расположенным сразу за впускным конусом . На высоких скоростях этот предохладитель охлаждает горячий, сжатый поршнем воздух, который в противном случае достиг бы температуры, которую двигатель не смог бы выдержать, [8] что привело к очень высокому перепаду давления внутри двигателя. Сжатый воздух впоследствии подается в камеру сгорания ракеты , где воспламеняется вместе с запасенным жидким водородом . Высокая степень сжатия позволяет двигателю обеспечивать высокую тягу на очень высоких скоростях и высотах. Низкая температура воздуха позволяет использовать конструкцию из легких сплавов и создать очень легкий двигатель, необходимый для выхода на орбиту. Кроме того, в отличие от концепции LACE, предохладитель SABRE не сжижает воздух , что позволяет ему работать более эффективно. [2]
После закрытия входного конуса на скорости 5,14 Маха и на высоте 28,5 км [3] система продолжает работать как высокопроизводительный ракетный двигатель замкнутого цикла , сжигающий жидкий кислород и жидкий водород из бортовых топливных баков, что потенциально позволяет гибридная концепция космического самолета , такая как Skylon, для достижения орбитальной скорости после выхода из атмосферы на крутом подъеме.
Двигатель, созданный на основе концепции SABRE, под названием Scimitar , был разработан для предложения компании по гиперзвуковому пассажирскому самолету A2 для исследования LAPCAT , финансируемого Европейским Союзом . [9]
Концепция предварительного охладителя возникла из идеи, выдвинутой Робертом П. Кармайклом в 1955 году. [10] За ней последовала идея двигателя с жидкостно-воздушным циклом (LACE), которая первоначально исследовалась компанией General Dynamics в 1960-х годах в составе ВВС США . усилия по созданию аэрокосмического самолета . [2]
Система LACE должна была быть размещена за сверхзвуковым воздухозаборником, который сжимал бы воздух за счет поршневого сжатия, а затем теплообменник быстро охлаждал бы его, используя часть жидкого водородного топлива, хранящегося на борту. Полученный жидкий воздух затем обрабатывался для отделения жидкого кислорода для сжигания. Количество нагретого водорода было слишком велико, чтобы сгореть вместе с кислородом, поэтому большую его часть пришлось выбросить, что дало полезную тягу, но значительно снизило потенциальную эффективность. [ нужна цитата ]
Вместо этого в рамках проекта HOTOL был разработан двигатель RB545 с жидкостно-воздушным циклом (LACE) с более эффективным циклом. Двигатель получил фирменное название Rolls-Royce «Ласточка». [11] В 1989 году, после прекращения финансирования HOTOL, Бонд и несколько других основали Reaction Engines Limited для продолжения исследований. У предварительного охладителя RB545 были проблемы с охрупчиванием и чрезмерным потреблением жидкого водорода, и он был обременен как патентами, так и Законом Великобритании о государственной тайне , поэтому вместо этого Бонд разработал SABRE. [12]
В 2016 году проект получил 60 миллионов фунтов стерлингов от правительства Великобритании и ЕКА на демонстрацию полного цикла. [13] В июле 2021 года Космическое агентство Великобритании выделило еще 3,9 миллиона фунтов стерлингов на дальнейшее развитие. [14]
Как и RB545 , конструкция SABRE не является ни обычным ракетным двигателем , ни обычным реактивным двигателем , а представляет собой гибрид, который использует воздух из окружающей среды на низких скоростях/высотах и хранит жидкий кислород на большей высоте. Двигатель SABRE «полагается 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 жидкий кислород в баллонах в космосе. "
В воздушно-реактивном режиме воздух поступает в двигатель через воздухозаборник. Байпасная система направляет часть воздуха через предохладитель в компрессор, который впрыскивает его в камеру сгорания, где он сжигается вместе с топливом, а продукты выхлопа ускоряются через сопла для создания тяги. Остальная часть всасываемого воздуха проходит через перепускную систему к кольцу держателей пламени, которые действуют как прямоточный воздушно-реактивный двигатель на части режима полета с воздушным дыханием. Гелиевый контур используется для передачи тепла от предварительного охладителя топливу и привода насосов двигателя и компрессоров.
В передней части двигателя концептуальные конструкции предлагают простой поступательный осесимметричный воздухозаборник ударного конуса , который сжимает и замедляет воздух (относительно двигателя) до дозвуковых скоростей, используя два отражения ударной волны. Ускорение воздуха до скорости двигателя вызывает сопротивление плунжера . В результате ударов, сжатия и ускорения всасываемый воздух нагревается, достигая температуры около 1000 ° C (1830 ° F) при скорости 5,5 Маха.
Bayern-Chemie через ESA провела работу по доработке и тестированию систем впуска и байпаса [15].
Когда воздух поступает в двигатель на сверхзвуковой или гиперзвуковой скорости, он становится более горячим, чем двигатель может выдержать из-за эффектов сжатия. [8] Реактивные двигатели , которые сталкиваются с той же проблемой, но в меньшей степени, решают ее за счет использования тяжелых материалов на основе меди или никеля , снижения степени сжатия двигателя и дросселирования двигателя на более высоких скоростях полета, чтобы избежать плавления. Однако для одноступенчатого космического самолета (SSTO) такие тяжелые материалы непригодны для использования, и для вывода на орбиту в кратчайшие сроки необходима максимальная тяга, чтобы минимизировать гравитационные потери . Вместо этого, используя газообразный гелиевый контур 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 из-за замерзания. водяной пар. Противоточный теплообменник также позволяет гелию выходить из двигателя при достаточно высокой температуре для привода насосов и компрессоров жидкого водородного топлива и самого рабочего тела - гелия.
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, связанных с водородным охрупчиванием в предварительном охладителе.
Резкое охлаждение воздуха создало потенциальную проблему: необходимо не допустить блокировки предохладителя замерзшими водяными парами и другими фракциями воздуха. В октябре 2012 года охлаждающее решение было продемонстрировано в течение 6 минут с использованием замораживающего воздуха. [16] Охладитель состоит из тонкостенного теплообменника с 16 800 тонкостенными трубками, [17] и охлаждает горячий атмосферный воздух до требуемой температуры -150 °C (-238 °F) за 0,01 с. [18] Система предотвращения обледенения была тщательно охраняемым секретом, но REL раскрыла в 2015 году антиобледенитель с впрыском метанола , напечатанный на 3D-принтере, через патенты, поскольку им нужны были партнерские компании, и они не могли хранить секрет, работая в тесном сотрудничестве с посторонними. [19] [20] [21]
Ниже пятикратной скорости звука и высоты 25 километров, что составляет 20% скорости и 20% высоты, необходимой для достижения орбиты , охлажденный воздух из предохладителя поступает в модифицированный турбокомпрессор , по конструкции аналогичный тем, которые используются для достижения орбиты. используется в обычных реактивных двигателях, но работает при необычно высокой степени сжатия, что стало возможным благодаря низкой температуре впускного воздуха. Компрессор подает сжатый воздух под давлением 140 атмосфер в камеры сгорания главных двигателей. [22]
В обычном реактивном двигателе турбокомпрессор приводится в движение газовой турбиной , работающей на газах сгорания. SABRE приводит в движение турбину с помощью гелиевого контура, который питается за счет тепла, улавливаемого в предварительном охладителе и предварительной камере сгорания. [22]
«Горячий» гелий из воздухоохладителя перерабатывается путем охлаждения его в теплообменнике жидким водородным топливом. Контур образует самозапускающийся двигатель с циклом Брайтона , охлаждающий критические части двигателя и питающий турбины. [ нужна 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] , чтобы еще больше снизить использование системы жидкого водорода по сравнению со стехиометрическими системами.
Наиболее эффективное атмосферное давление, при котором работает обычное сопло , определяется геометрией раструба сопла . Хотя геометрия обычного колокола остается неизменной, атмосферное давление меняется с высотой , и поэтому сопла, предназначенные для высокой производительности в нижних слоях атмосферы, теряют эффективность по мере достижения больших высот. В традиционных ракетах эта проблема решается за счет использования нескольких ступеней, рассчитанных на атмосферное давление, с которым они сталкиваются.
Двигатель SABRE должен работать как на малых, так и на больших высотах. Для обеспечения эффективности на любой высоте используется своего рода подвижное расширяющееся сопло . Сначала на малой высоте при воздушно-реактивном полете раструб расположен сзади и соединен с тороидальной камерой сгорания, окружающей верхнюю часть сопла, вместе образуя расширяющееся отклоняющее сопло . Когда SABRE позже переходит в ракетный режим, раструб перемещается вперед, увеличивая длину раструба внутренней камеры сгорания ракеты, создавая гораздо большее сопло на большой высоте для более эффективного полета. [25]
Отказ от сжижения повышает эффективность двигателя, поскольку генерируется меньше энтропии и, следовательно, выпаривается меньше жидкого водорода. Однако для простого охлаждения воздуха требуется больше жидкого водорода, чем можно сжечь в активной зоне двигателя. Избыток выбрасывается через серию горелок, называемых «прямоточными горелками с каналом сброса », [3] [23] , которые расположены кольцом вокруг центрального ядра. В них подается воздух, который обходит предохладитель. Эта двухконтурная система ПВРД предназначена для уменьшения негативного воздействия сопротивления, возникающего из-за того, что воздух попадает в воздухозаборники, но не подается в главный ракетный двигатель, а не создает тягу. На низких скоростях отношение объема воздуха, поступающего на впуск, к объему, который компрессор может подать в камеру сгорания, максимально, поэтому для поддержания эффективности на этих низких скоростях требуется ускорение перепускаемого воздуха. Это отличает систему от турбо прямоточного воздушно-реактивного двигателя , в котором выхлоп турбинного цикла используется для увеличения воздушного потока, чтобы прямоточный воздушно-реактивный двигатель стал достаточно эффективным, чтобы взять на себя роль основной тяги. [26]
В 2008 году компания Airborne Engineering Ltd провела испытания отклоняющего сопла под названием STERN, чтобы получить данные, необходимые для разработки точной инженерной модели, позволяющей преодолеть проблему нединамического расширения выхлопных газов. Эти исследования продолжились с насадкой STRICT в 2011 году.
Успешные испытания камеры сгорания с окислительным (воздушным и кислородным) охлаждением были проведены компанией 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], дышащего воздухом и жидким кислородом», что продемонстрировало жизнеспособность этой технологии. [27] [28] Испытания подтвердили, что теплообменник может работать так, как необходимо двигателю для получения достаточного количества кислорода из атмосферы для поддержания высокопроизводительной работы на малой высоте. [27] [28]
В ноябре 2012 года компания Reaction Engines объявила, что успешно завершила серию испытаний, подтверждающих технологию охлаждения двигателя, которая является одним из главных препятствий на пути завершения проекта. Европейское космическое агентство (ЕКА) 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 Соединенного Королевства объявило о дальнейшей поддержке разработки полномасштабного прототипа двигателя SABRE, [31] предоставив 60 миллионов фунтов стерлингов финансирования в период с 2014 по 2016 год [32] [33], а ЕКА предоставило дополнительно 7 миллионов фунтов стерлингов. . [34] Общая стоимость разработки испытательного стенда оценивается в 200 миллионов фунтов стерлингов. [32]
К июню 2015 года разработка SABRE продолжилась проектом усовершенствованного сопла в Весткотте. Испытательный двигатель, эксплуатируемый компанией Airborne Engineering Ltd., используется для анализа аэродинамики и характеристик усовершенствованных сопел, которые будут использоваться в двигателе SABRE, а также новых производственных технологий, таких как система впрыска топлива, напечатанная на 3D-принтере. [35]
В апреле 2015 года концепция двигателя SABRE прошла теоретическое технико-экономическое обоснование, проведенное Исследовательской лабораторией ВВС США . [36] [37] [38] Вскоре после этого лаборатория должна была раскрыть концепцию двухступенчатого вывода на орбиту SABRE, поскольку они считали, что одноступенчатый космический самолет Skylon «технически очень рискован в качестве первого применения». двигателя SABRE». [39]
В августе 2015 года антимонопольный орган Европейской комиссии одобрил финансирование правительства Великобритании в размере 50 миллионов фунтов стерлингов для дальнейшего развития проекта SABRE. Это было одобрено на том основании, что денег, полученных от прямых инвестиций, было недостаточно для завершения проекта. [40] В октябре 2015 года британская компания BAE Systems согласилась купить 20% акций компании за £ 20,6 млн в рамках соглашения о помощи в разработке гиперзвукового двигателя SABRE. [41] [42] В 2016 году генеральный директор Reaction Марк Томас объявил о планах построить двигатель для наземных испытаний размером в четверть, учитывая ограничения финансирования. [43]
В сентябре 2016 года агенты, действовавшие от имени Reaction Engines, подали заявку на получение согласия на строительство испытательного стенда для ракетных двигателей на месте бывшего завода по производству ракетных двигателей в Уэсткотте, Великобритания [44] , которое было получено в апреле 2017 года [45] и в мае. В 2017 году была проведена церемония закладки фундамента , на которой было объявлено о начале строительства испытательного стенда для двигателей SABRE TF1, который, как ожидается, начнет функционировать в 2020 году . теперь его взяла на себя аэрокосмическая и оборонная группа Nammo . [48]
В сентябре 2017 года было объявлено , что Агентство перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США (DARPA) заключило контракт с Reaction Engines Inc. на строительство испытательной установки для высокотемпературных испытаний воздушного потока в аэропорту Фронт-Рейндж недалеко от Уоткинса, штат Колорадо. [49] Контракт DARPA заключается в тестировании теплообменника предварительного охлаждения двигателя Sabre (HTX). Строительство испытательных установок и испытательных изделий началось в 2018 году, а в 2019 году начались испытания, направленные на работу HTX при температурах, имитирующих воздух, поступающий через дозвуковой воздухозаборник со скоростью 5 Маха или около 1800 ° F (1000 ° C ) . ]
Испытательная установка HTX была завершена в Великобритании и отправлена в Колорадо в 2018 году, где 25 марта 2019 года выхлоп турбореактивного двигателя F-4 GE J79 был смешан с окружающим воздухом, чтобы воспроизвести условия на входе со скоростью 3,3 Маха, успешно подавив температуру 420 ° C (788 °). F) поток газов до 100 °C (212 °F) менее чем за 1/20 секунды. Были запланированы дальнейшие испытания, имитирующие скорость 5 Маха , с ожидаемым снижением температуры с 1000 ° C (1830 ° F). [8] [17] Эти дальнейшие испытания были успешно завершены к октябрю 2019 года. [52] [53] [54]
Успешный тест HTX может привести к созданию дополнительных приложений предварительного охлаждения, которые можно будет разработать до того, как будет завершен масштабируемый демонстратор SABRE; предлагаемые варианты использования заключаются в расширении возможностей газовых турбин , в современных турбовентиляторных двигателях , гиперзвуковых транспортных средствах и в промышленности. [55] В марте 2019 года предварительная проверка проекта демонстрационного двигателя UKSA и ESA подтвердила, что тестовая версия готова к внедрению. [56]
В 2019 году компания Airborne Engineering провела кампанию по тестированию малогабаритных воздушно-водородных инжекторов для форсунок SABRE. [57]
В 2020 году компания Airborne Engineering провела испытательную кампанию «модуля HX3» (от горелки до гелиевого контурного теплообменника) [58].
В 2022 году проведены зарубежные сравнительные испытания теплообменника предохладителя «Реакция». Испытания успешно завершились американским дочерним предприятием компании (Reaction Engines Incorporated – REI) и Исследовательской лабораторией ВВС США (AFRL). «Программа испытаний FCT значительно расширила продемонстрированные возможности нашей технологии предварительного охлаждения двигателя», - сказал технический директор REI Эндрю Пиотти. «Во время этих недавних испытаний предохладитель успешно достиг нашей цели — более 10 мегаватт переданной тепловой энергии от 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 обычный турбореактивный двигатель . [3] По мере того, как корабль поднимается и давление наружного воздуха падает, в компрессор поступает все больше и больше воздуха, поскольку эффективность сжатия поршня падает. Таким образом, самолеты могут летать на гораздо большей высоте, чем это обычно возможно.
При скорости 5,5 Маха воздушно-реактивная система становится неэффективной и отключается, заменяясь имеющимся на борту кислородом, который позволяет двигателю разгоняться до орбитальных скоростей (около 25 Маха). [22]
Предназначен для использования с HOTOL.
Двигатель не имел статической тяги с воздушным дыханием, и для взлета использовалась ракетная тележка.
Предназначен для использования со Skylon A4.
Двигатель не имел статической тяги с воздушным дыханием и был основан на двигателях RATO.
Предназначен для использования со Skylon C1.
Двигатель не имел статической тяги и использовал LOX до тех пор, пока не вступил в действие воздушно-реактивный цикл. [ нужна цитата ]
Предназначен для использования со Skylon C2.
Этот двигатель включал в себя богатую топливом предварительную камеру сгорания для увеличения тепла, извлекаемого из воздушного потока, используемого для приведения в движение гелиевого контура, что придавало двигателю статическую тягу.
SABRE 4 больше не представляет собой конструкцию одного двигателя, а представляет собой класс двигателей, например, экземпляр этого двигателя мощностью 0,8–2 МН (180 000–450 000 фунтов силы; 82–204 тс) используется со SKYLON D1.5, двигателем мощностью 110 000–280 000 фунтов силы. (0,49–1,25 МН; 50–127 тс) для исследования ВВС США частично многоразового TSTO.
Расчетная тяговооруженность SABRE составляет четырнадцать по сравнению с примерно пятью у обычных реактивных двигателей и двумя у ГПВРД . [5] Такая высокая производительность обусловлена сочетанием более плотного, охлажденного воздуха, требующего меньшего сжатия, и, что более важно, низких температур воздуха, позволяющих использовать более легкие сплавы в большей части двигателя. Общие характеристики намного лучше, чем у двигателя RB545 или ГПВРД.
Топливная эффективность (известная как удельный импульс в ракетных двигателях) достигает максимума примерно через 3500 секунд в атмосфере. [3] Типичные цельноракетные системы достигают пика около 450 секунд, а даже «типичные» ядерные тепловые ракеты — около 900 секунд.
Сочетание высокой топливной эффективности и малой массы двигателей позволяет осуществлять заход на посадку SSTO с воздушным дыханием до скорости 5,14+ Маха на высоте 28,5 км (94 000 футов) и выходом аппарата на орбиту с большей массой полезной нагрузки на взлетную массу, чем просто о любой когда-либо предложенной неядерной ракете-носителе. [ нужна цитата ]
Предохладитель добавляет системе массы и сложности и является самой агрессивной и сложной частью конструкции, но масса этого теплообменника на порядок ниже, чем достигалось ранее. Экспериментальная установка достигла теплообмена почти 1 ГВт/м 3 . Потери из-за дополнительного веса систем, отключенных в режиме замкнутого цикла (а именно, предохладителя и турбокомпрессора), а также дополнительного веса крыльев Skylon, компенсируются увеличением общей эффективности и предлагаемым планом полета. Обычные ракеты-носители, такие как «Спейс шаттл» , тратят около одной минуты на подъем почти вертикально на относительно низких скоростях; это неэффективно, но оптимально для чисто ракетных машин. Напротив, двигатель SABRE позволяет совершать гораздо более медленный и пологий набор высоты (тринадцать минут для достижения высоты перехода 28,5 км), вдыхая при этом воздух и используя крылья для поддержки автомобиля. При этом гравитационное сопротивление и увеличение веса транспортного средства заменяются уменьшением массы топлива и выигрышем от аэродинамической подъемной силы, увеличивающей 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 для набора скорости. В отличие от прямоточных или прямоточных воздушно-реактивных двигателей конструкция способна обеспечить высокую тягу от нулевой скорости до 5,4 Маха [4] с отличной тягой на протяжении всего полета, от земли до очень большой высоты, с высоким КПД на всем протяжении. Кроме того, возможность статической тяги означает, что двигатель можно протестировать на земле, что значительно снижает затраты на испытания. [5]
В 2012 году REL ожидала, что испытательные полеты состоятся к 2020 году, а эксплуатационные полеты - к 2030 году. [60]
{{cite web}}: CS1 maint: статус URL ( ссылка ){{cite web}}: CS1 maint: статус URL ( ссылка )