Войти
 Модель SABRE | |
| Страна происхождения | Соединенное Королевство |
|---|---|
| Designer | Reaction Engines Limited |
| Приложение | Одноступенчатый выход на орбиту |
| Связанное L / V | Skylon |
| Предшественник | RB545 |
| Статус | Исследования и разработки |
| Двигатель на жидком топливе | |
| Топливо | Воздух или жидкий кислород / жидкий водород |
| Цикл | Комбинированный цикл реактивный двигатель с предварительным охлаждением и ракетный двигатель замкнутого цикла |
| Рабочие характеристики | |
| Тяга (в вакууме) | Прибл. 2940 кН (660 000 фунтов f) |
| Усилие (SL) | Прибл. 1960 кН (440 000 фунтов f) |
| Отношение тяги к весу | До 14 (атмосферное давление) |
| Isp (в вакууме) | 460 секунд (4,5 км / с) |
| Isp (SL) | 3600 секунд (1,0 фунт / (фунт-сила⋅ч); 35 км / с) |
SABRE (Synergetic Air Breathing Rocket Engine ) - это концепция, разрабатываемая Reaction Engines Limited для гиперзвукового гибридного с предварительным охлаждением воздухо- дышащий ракетный двигатель. Двигатель разрабатывается для обеспечения возможности одноступенчатого вывода на орбиту, приводя в движение предлагаемый Skylon космический самолет на низкую околоземную орбиту. SABRE - это эволюция серии двигателя с жидкостным воздушным циклом (LACE) и конструкции, подобной LACE, разработанной Аланом Бондом, которая началась в начале / середине 1980-е годы для проекта HOTOL.
Конструкция включает один ракетный двигатель комбинированного цикла с двумя режимами работы. В воздушно-реактивном режиме сочетается турбо- компрессор с легким воздушным предварительным охладителем p расположен сразу за входным конусом . На высоких скоростях этот предварительный охладитель охлаждает горячий сжатый воздух, который в противном случае достиг бы температуры, которую двигатель не смог бы выдержать, что привело бы к очень высокому коэффициенту давлений внутри двигателя. Затем сжатый воздух подается в камеру сгорания ракеты , где он воспламеняется вместе с накопленным жидким водородом. Высокая степень сжатия позволяет двигателю обеспечивать высокую тягу на очень высоких скоростях и высотах. Низкая температура воздуха позволяет использовать конструкцию из легкого сплава и очень легкий двигатель, необходимый для достижения орбиты. Кроме того, в отличие от концепции LACE, предварительный охладитель SABRE не сжижает воздух, позволяя ему работать более эффективно.
После закрытия впускного конуса на Мах 5,14, и на высоте 28,5 км система продолжает работать как высокоэффективный ракетный двигатель замкнутого цикла, сжигающий жидкий кислород и жидкий водород из бортового топлива. танки, потенциально позволяющие гибридному космическому самолету, например, Skylon, достичь орбитальной скорости после выхода из атмосферы на крутом подъеме.
Двигатель, созданный на основе концепции SABRE, под названием Scimitar был разработан для A2 гиперзвукового пассажирского реактивного самолета компании , финансируемого Европейским союзом Исследование LAPCAT.
Концепция предварительного охлаждения возникла из идеи, выдвинутой Робертом П. Кармайклом в 1955 году. За ней последовала идея двигателя с жидкостным воздушным циклом (LACE), которая первоначально была исследована General Dynamics в 1960-х годах в рамках усилий ВВС США по аэрокосмическому самолету.
Система LACE должна была быть размещена за сверхзвуковым воздухозаборник, который сжимал бы воздух за счет сжатия поршня, тогда теплообменник быстро охладите его, используя некоторое количество жидкого водорода топлива, хранящегося на борту. Полученный жидкий воздух затем обрабатывали для отделения жидкого кислорода для сжигания. Количество нагретого водорода было слишком большим, чтобы сгореть вместе с кислородом, поэтому большая часть должна была быть удалена, давая полезную тягу, но значительно снижая потенциальную эффективность.
Вместо этого как часть HOTOL был разработан двигатель RB545 на основе жидкостного воздушного цикла (LACE) с более эффективным циклом. Двигатель получил в Rolls Royce название «Swallow». В 1989 году, после прекращения финансирования HOTOL, Бонд и несколько других создали Reaction Engines Limited для продолжения исследований. Предварительный охладитель RB545 имел проблемы с охрупчиванием и избыточным потреблением жидкого водорода, и был ограничен как патентами, так и британским Законом о государственной тайне, поэтому Бонд вместо этого разработал SABER.
В 2016 году на проект было выделено 60 млн фунтов стерлингов от правительства Великобритании и ЕКА для демонстрации полного цикла.
Упрощенная блок-схема двигателя SABER Как и RB545, конструкция SABRE не является ни обычным ракетным двигателем, ни обычным реактивным двигателем, а гибридом, который использует воздух из окружающей среды на малых скоростях / высотах и хранит жидкость. кислород на большей высоте. Двигатель SABRE «основан на теплообменнике, способном охлаждать поступающий воздух до -150 ° C (-238 ° F), обеспечивать кислород для смешивания с водородом и обеспечивать реактивную тягу во время полета в атмосфере перед переключением на заправленный жидким кислородом в космосе. "
В режиме воздушного дыхания воздух поступает в двигатель через впускное отверстие. Система байпаса направляет часть воздуха через предварительный охладитель в компрессор, который впрыскивает его в камеру сгорания, где он сгорает вместе с топливом, продукты выхлопа ускоряются через сопла для обеспечения тяги. Оставшаяся часть всасываемого воздуха проходит через байпасную систему к кольцу пламегасителей, которые действуют как прямоточный воздушно-реактивный двигатель для части режима полета с воздушным дыханием. Гелиевый контур используется для передачи тепла от предварительного охладителя к топливу и привода насосов и компрессоров двигателя.
В передней части двигателя в концептуальных конструкциях предлагается простой поступательный осесимметричный впускной конус, который сжимает и замедляет воздух (относительно двигателя), чтобы дозвуковые скорости с использованием двух отражений ударной волны. Разгон воздуха до скорости двигателя вызывает лобовое сопротивление. В результате ударов, сжатия и ускорения всасываемый воздух нагревается до 1000 ° C (1830 ° F) при 5,5 Маха.
Bayern-Chemie через ESA провела работы по совершенствованию и тестированию систем впуска и байпаса
Поскольку воздух входит в двигатель на сверхзвуковой или гиперзвуковых скоростях, из-за эффектов сжатия он становится горячее, чем может выдержать двигатель. Реактивные двигатели, которые имеют ту же проблему, но в меньшей степени, решают ее за счет использования тяжелых материалы на основе меди или никеля за счет уменьшения степени давления двигателя и за счет дросселирования двигателя на более высоких скоростях полета во избежание плавления. Однако для космоплана с одноступенчатым выводом на орбиту (SSTO) такие тяжелые материалы непригодны для использования, и максимальная тяга необходима для выхода на орбиту в самое раннее время, чтобы минимизировать гравитационные потери. Вместо этого, используя контур теплоносителя с газообразным гелием, SABRE резко охлаждает воздух в теплообменнике с 1000 ° C (1830 ° F) до -150 ° C (-238 ° F), избегая при этом разжижение воздуха или блокировка замерзающего водяного пара.
Предыдущие версии предварительных охладителей, такие как HOTOL, пропускали водородное топливо непосредственно через предварительный охладитель. SABRE вставляет контур гелиевого охлаждения между воздухом и холодным топливом, чтобы избежать проблем с водородной хрупкостью в предварительном охладителе.
Резкое охлаждение воздуха создало потенциальную проблему: необходимо предотвратить блокировку предварительного охладителя от замерзшего водяного пара и других фракций воздуха. В октябре 2012 года охлаждающий раствор был продемонстрирован в течение 6 минут с использованием замораживающего воздуха. Охладитель состоит из тонкого трубчатого теплообменника с 16 800 тонкостенными трубками и охлаждает горячий входящий атмосферный воздух до требуемых -150 ° C (-238 ° F) за 0,01 с. Система предотвращения обледенения была тщательно охраняемым секретом, но REL раскрыла напечатанный на 3D-принтере антиобледенитель с впрыском метанола через патенты, поскольку им были нужны партнерские компании и они не могли хранить секрет, работая в тесном сотрудничестве с
В сентябре 2017 года было объявлено, что проект перспективных исследований Министерства обороны США (DARPA) заключил контракт с Reaction Engines Inc. на строительство испытательного центра для высокотемпературных воздушных потоков в аэропорту Фронт-Рейндж недалеко от Уоткинса, штат Колорадо. Контракт DARPA заключается в испытании теплообменника предварительного охлаждения двигателя Sabre (HTX).
Тестовые работы, начатые в 2018 году, были сосредоточены на работе теплообменника при температурах, имитирующих 5 Маха, превышающих 1000 ° C (1830 ° F).
Испытательная установка HTX была завершена 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 имитации условий на входе 3,3 Маха, что позволило успешно снизить температуру 420 ° C. (788 ° F) поток газов до 100 ° C (212 ° F) менее чем за 1/20 секунды. Были запланированы дальнейшие испытания, моделирующие скорость 5 Маха, при этом ожидается снижение температуры с 1000 ° C (1830 ° F). Эти дальнейшие тесты были успешно завершены к октябрю 2019 года.
Успешный тест HTX может привести к появлению дополнительных приложений предварительного охлаждения, которые могут быть разработаны до того, как будет завершен масштабируемый демонстратор SABER; Предлагаемые варианты использования заключаются в расширении возможностей газовых турбин в усовершенствованных турбовентиляторных двигателях, гиперзвуковых транспортных средствах и промышленных приложениях.
Ниже пятикратного размера скорость звука и высота 25 километров, что составляет 20% скорости и 20% высоты, необходимой для достижения орбиты, охлажденный воздух из предварительного охладителя проходит в модифицированный турбо- компрессор, аналогичный по конструкции компрессорам, используемым в обычных реактивных двигателях, но работающий с необычно высоким перепадом давления, что стало возможным благодаря низкой температуре входящего воздуха. Компрессор подает сжатый воздух с давлением 140 атмосфер в камеры сгорания главных двигателей.
Турбокомпрессор приводится в действие газовой турбиной , работающей на гелии. петли, а не газами сгорания, как в обычном реактивном двигателе. Турбокомпрессор приводится в действие отходящим теплом, собираемым гелиевым контуром.
«Горячий» гелий из предварительного охладителя воздуха рециркулирует, охлаждая его в теплообменнике вместе с жидкостью. водородное топливо. Контур образует самозапускающийся двигатель цикла Брайтона, охлаждающий критически важные части двигателя и приводящий в действие турбины. Тепло переходит из воздуха в гелий. Эта тепловая энергия используется для питания различных частей двигателя и испарения водорода, который затем сжигается в ПВРД.
Камеры сгорания в двигателе SABRE охлаждаются окислителем ( воздух / жидкий кислород), а не жидким водородом, чтобы еще больше сократить использование жидкого водорода в системе 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 изменяется с высотой, и поэтому сопла, рассчитанные на высокие рабочие характеристики в нижних слоях атмосферы, теряют эффективность по мере достижения большей высоты. В традиционных ракетах это преодолевается за счет использования нескольких ступеней, рассчитанных на атмосферное давление, с которым они сталкиваются.
Двигатель SABRE должен работать как на малой, так и на большой высоте. Для обеспечения эффективности на всех высотах используется своего рода подвижное сопло . Во-первых, при полете с реактивным двигателем на малой высоте колокол расположен сзади и соединен с тороидальной камерой сгорания, окружающей центральную камеру сгорания ракеты. Когда SABRE затем переходит в ракетный режим, раструб перемещается вперед, увеличивая длину раструба внутренней камеры сгорания ракеты, создавая гораздо большее высотное сопло для более эффективного полета.
Сопло в режиме воздушного дыхания 
Форсунка в ракетном режиме Предотвращение ожижения повышает эффективность двигателя, поскольку генерируется меньше энтропии и, следовательно, меньше жидкого водорода испаряется. Однако для простого охлаждения воздуха требуется больше жидкого водорода, чем может быть сожжено в активной зоне двигателя. Избыток удаляется через серию горелок, называемых «прямоточными горелками ПВРД », которые расположены кольцом вокруг центрального сердечника. Это подаваемый воздух, который обходит предварительный охладитель. Эта система прямоточного воздушно-реактивного двигателя с байпасом предназначена для уменьшения отрицательного эффекта лобового сопротивления, возникающего в результате прохождения воздуха в воздухозаборники, но не поступающего в главный ракетный двигатель, вместо создания тяги. На низких скоростях отношение объема воздуха, поступающего во впускной канал, к объему, который компрессор может подавать в камеру сгорания, является самым высоким, что требует ускорения обходного воздуха для поддержания эффективности на этих низких скоростях. Это отличает систему от турбореактивного двигателя, в котором выхлоп турбинного цикла используется для увеличения воздушного потока, чтобы ПВРД стал достаточно эффективным, чтобы взять на себя роль первичного двигателя.
Последняя конструкция двигателя SABRE. В 2008 году компания Airbourne Engineering Ltd провела испытания расширительного отклоняющего сопла под названием STERN, чтобы получить данные, необходимые для разработки точной инженерной модели для решения проблемы нединамическое расширение выхлопных газов. Эти исследования были продолжены с соплом STRICT в 2011 году.
Успешные испытания охлаждаемой окислителем (воздухом и кислородом) камеры сгорания были проведены EADS-Astrium в Институте космического движения в 2010 году
В 2011 году было завершено аппаратное тестирование технологии теплообменника, «критически важной для [] гибридного ракетного двигателя [SABRE], дышащего воздухом и жидким кислородом», что продемонстрировало жизнеспособность этой технологии. Испытания подтвердили, что теплообменник может работать так, как необходимо двигателю для получения достаточного количества кислорода из атмосферы для поддержки высокопроизводительной работы на малых высотах.
В ноябре 2012 года Reaction Engines объявила об успешном завершении серия испытаний, подтверждающих, что технология охлаждения двигателя является одним из основных препятствий на пути к завершению проекта. Европейское космическое агентство (ESA) провело оценку теплообменника предохладителя двигателя SABRE и приняло утверждения о том, что технологии, необходимые для продолжения разработки двигателя, были полностью продемонстрированы.
В июне 2013 года США Правительство Королевства объявило о дальнейшей поддержке разработки полномасштабного прототипа двигателя SABRE, выделив 60 миллионов фунтов стерлингов в период с 2014 по 2016 год, а ЕКА предоставило дополнительные 7 миллионов фунтов стерлингов. Общая стоимость разработки испытательного стенда оценивается в 200 миллионов фунтов стерлингов.
К июню 2015 года разработка SABRE продолжилась в рамках проекта Advanced Nozzle Project в Westcott. Испытательный двигатель, эксплуатируемый Airborne Engineering Ltd., используется для анализа аэродинамики и характеристик усовершенствованных форсунок, которые будут использоваться в двигателе SABRE, в дополнение к новым производственным технологиям, таким как 3D-печатное топливо. система впрыска.
В апреле 2015 года концепция двигателя SABRE прошла теоретический анализ осуществимости, проведенный исследовательской лабораторией ВВС США . Вскоре после этого лаборатория должна была раскрыть концепцию двухступенчатого вывода на орбиту SABRE, поскольку они посчитали, что космический самолет Skylon с одноступенчатым выводом на орбиту «технически очень рискован как первое применение двигателя SABRE».
В августе 2015 года антимонопольный орган Европейской комиссии одобрил выделение правительством Соединенного Королевства финансирования 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. В октябре 2015 года британская компания BAE Systems согласилась купить 20% акций компании за 20,6 млн фунтов стерлингов в рамках соглашения о помощи в разработке гиперзвукового двигателя SABRE. В 2016 году генеральный директор Reaction Engines Марк Томас объявил о планах построить наземный испытательный двигатель размером в четверть с учетом ограничений финансирования.
В сентябре 2016 года агенты, действующие от имени Reaction Engines, подали заявку на согласие на планирование создания испытательного ракетного двигателя. объект на территории бывшего завода по производству ракетных двигателей в Уэсткотте, Великобритания, который был предоставлен в апреле 2017 года, а в мае 2017 года состоялась церемония закладки фундамента , чтобы объявить о начале строительства Центр испытаний двигателей SABRE TF1, который, как ожидается, начнет работать в 2020 году.
В сентябре 2017 года было объявлено, что Агентство перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США (DARPA) заключило контракт с Reaction Engines Inc. построить испытательную установку для высокотемпературного воздушного потока в аэропорту Фронт-Рейндж недалеко от Уоткинса, штат Колорадо. Контракт DARPA заключается в испытании теплообменника предохладителя двигателя Sabre (HTX). Строительство испытательных стендов и образцов для испытаний началось в 2018 году с испытаний, направленных на работу HTX при температурах, имитирующих воздух, проходящий через дозвуковой воздухозаборник, движущийся со скоростью 5 Махов или около 1800 ° F (1000 ° C), начиная с 2019 года.
В марте 2019 года предварительная проверка проекта UKSA и ESA ядра демонстрационного двигателя подтвердила, что тестовая версия готова к внедрению.
Из-за статического электричества Тяговая способность гибридного ракетного двигателя, аппарат может взлетать в воздушном режиме, во многом как обычный турбореактивный двигатель. По мере того, как аппарат поднимается вверх и давление наружного воздуха падает, в компрессор проходит все больше и больше воздуха, так как эффективность сжатия поршня падает. Таким образом, реактивные самолеты могут работать на гораздо большей высоте, чем это было бы возможно.
При скорости 5,5 Маха система воздушного дыхания становится неэффективной и отключается, ее заменяет накопленный на борту кислород, который позволяет двигателю разгоняться до орбитальных скоростей (около 25 Маха).
Расчетная удельная тяговооруженность SABRE составляет четырнадцать по сравнению с примерно пятью для обычных реактивных двигателей и двумя для ГПВД. Эти высокие характеристики являются комбинацией 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 ГПВД.
Топливная эффективность (известная как удельный импульс в ракетных двигателях) достигает пика примерно через 3500 секунд в атмосфере. Типичные ракетные системы достигают максимума около 450 секунд, а даже "типовые" ядерные тепловые ракеты - около 900 секунд.
Сочетание высокой топливной эффективности и маломассовых двигателей позволяет выполнять заход на посадку по SSTO с воздушным движением до 5,14+ Маха на высоте 28,5 км (94000 футов), а также с выходом на орбиту транспортного средства с большей массой полезной нагрузки на взлетная масса, чем любая из когда-либо предлагаемых не- ядерных ракет-носителей.
Предварительный охладитель увеличивает массу и сложность системы и является наиболее агрессивной и сложной частью конструкции, но масса этого теплообменника на порядок меньше, чем было достигнуто ранее. Экспериментальная установка обеспечивает теплообмен почти 1 ГВт / м. Потери от несения дополнительного веса систем, отключенных во время режима замкнутого цикла (а именно, предварительного охлаждения и турбокомпрессора), а также добавленный вес крыльев Skylon компенсируются увеличением общей эффективности и предлагаемым планом полета. Обычные ракеты-носители, такие как Space Shuttle, проводят около одной минуты, поднимаясь почти вертикально на относительно низких скоростях; это неэффективно, но оптимально для чисто ракетных транспортных средств. В отличие от этого, двигатель SABRE позволяет выполнять гораздо более медленный и пологий набор высоты (тринадцать минут для достижения высоты перехода 28,5 км), вдыхая воздух и используя свои крылья для поддержки транспортного средства. В этом случае гравитационное сопротивление и увеличение веса транспортного средства заменяются уменьшением массы топлива и выигрышем от аэродинамической подъемной силы, увеличивающим долю полезной нагрузки до уровня, при котором становится возможным SSTO.
Гибридному реактивному двигателю, подобному SABRE, нужно только достичь низких гиперзвуковых скоростей в нижних слоях атмосферы перед тем, как перейти в режим замкнутого цикла во время набора высоты, чтобы набрать скорость. В отличие от двигателей ПВРД или ПВРД, эта конструкция способна обеспечить высокую тягу от нулевой скорости до 5,4 Маха с отличной тягой на протяжении всего полета, от земли до очень большой высоты. с высокой производительностью во всем. Кроме того, такая статическая тяговая способность означает, что двигатель может быть реально испытан на земле, что резко снижает затраты на испытания.
В 2012 году REL ожидала испытательные полеты к 2020 году, а эксплуатационные полеты - к 2030 году.
| 1 =()| 1 =()| 1 =() | На Викискладе есть материалы, связанные с SABRE (ракетный двигатель). |
