Воздушно-реактивный двигатель Sabre
Правительство Великобритании сделало заявление о том, что готово вложит 60 млн. фунтов стерлингов (почти 3 млрд. рублей) в проект частной фирмы Reaction Engines. Инженеры данной компании рассчитывают построить рабочую модель совершенно нового коммерческого воздушно-реактивного двигателя. Данный двигатель будет носить имя Sabre – аббревиатура от словосочетания Synergetic Air-Breathing Rocket Engine (синергичный воздушно-реактивный ракетный двигатель). В настоящее время лабораторные тесты прототипов нового двигателя уже успешно завершены, что стало дополнительным стимулом, для того чтобы государство вложилось в данный проект.
Самолет на основе двигателей Sabre сможет долететь до границы стратосферы всего за 15 минут, а преодолеть расстояние, к примеру, от Австралии до США всего за 4 часа. Скорость подобного самолета превысила бы скорость звука сразу в 5 раз. В настоящее время в планы Reaction Engines входит оснащение новым двигателем их известного самолета Skylon, который потенциально мог разогнаться бы до 5635 км/ч. По словам представителей английской компании, у Skylon есть все шансы, для того чтобы стать настоящим «космолетом» и совершать полеты по низкой околоземной орбите.
Традиционные двигатели, которые сегодня применяются в авиации, требуют переноски спецрезервуаров, наполненных жидким кислородом, если самолет развивает в полете скорость более 3000 км/ч. Такие самолеты не могут «дышать» обыкновенным воздухом, так как он нагревался бы до очень высоких температур. В то же время двигатель Sabre позволяет применять воздух вместо жидкого кислорода: он оснащен целой системой трубок, которые наполняются гелием. Когда воздух проходит сквозь эти трубки, гелий охлаждает его, и кислород необходимой температуры (-150 градусов по Цельсию вместо изначальных 1000 градусов) доставляется прямиком в двигатель.
Разработанный компанией Reaction Engines двигатель Sabre в состоянии работать в 2-х режимах: как реактивный двигатель и как ракетный двигатель. По словам представителей компании, использование данного двигателя на самолете Skylon позволит ему в 5 раз превысить скорость звука в атмосфере Земли и в 25 раз в открытом космическом пространстве. Ключевым элементом данного двигателя, который позволит ему эффективно работать в пределах атмосферы, является предварительный охладитель, в котором поступающий забортный воздух с температурой порядка 1000 градусов охлаждается до температуры -150 градусов всего за одну сотую секунды.
Как только Skylon попадает в космос, его можно будет перевести в так называемый «космический режим». В таком случае самолет сможет находиться на низкой околоземной орбите в течение 36 часов. Этого времени более чем достаточного, к примеру, для запуска спутника. При этом это будет очень выгодная технология. По словам Алана Бонда, являющегося основателем компании, суммы, которые требуются для запуска спутников и других похожих миссий, могут уменьшиться сразу на 95% в том случае, если будет налажено коммерческое производство двигателей Sabre.
Помимо этого новые космолеты построены на воздушно-реактивных двигателях смогут стать очень хорошей перспективой на рынке космического туризма. В этом случае английская фирма Reaction Engines может стать очень сильным конкурентом для Virgin Galactic, которая принадлежит Ричарду Брэнсону. Сейчас миллиардер предлагает всем желающим увидеть нашу планету в иллюминаторе всего за 121 тысячу фунтов стерлингов (практически 6 млн. рублей). Представители компании Reaction Engines заявляют о том, что полет на их космолете Skylon обойдется космическим туристам существенно дешевле, правда, пока не говорят о том, насколько именно. Более подробно о планах правительства Великобритании касательно финансирования данного амбициозного проекта станет известно, когда в Глазго состоится специальная Космическая конференция (UK Space Conference).
История появления
Идея проектирования двигателя с предварительным охлаждением впервые появилась у Роберта Кармайкла еще в далеком 1955 году. За этой идеей последовала идея создания двигателя с сжижением воздуха (LACE), которая первоначально прорабатывалась компаниями Marquardt и General Dynamics в 60-х годах прошлого века, как часть работ US Air Force над проектом Aerospaceplane.
Однако работы над проектом нового двигателя Sabre стартовали лишь в 1989 году, в этом году и была образована компания Reaction Engines Limited. Специалисты компании продолжили работу над проектом, развивая представленные ранее идеи. В итоге создание гибридного двигателя Sabre потребовало 22 года времени у научно-исследовательской команды из 30 человек. Плодом их усилий стала постройка макета двигателя, который был установлен на самолет Skylon, который демонстрировался на авиасалоне Фарнборо.
Предметом последних испытаний, которые проводились компанией Reaction Engines, были технологии предварительного охлаждения воздуха. В настоящее время специалисты данной фирмы, имея в своих руках работоспособную технологию, занимаются разработкой опытного образца системы охлаждения. Данный образец должен обладать сравнительно небольшим весом, а также демонстрировать аэродинамическую стабильность, высокую механическую прочность, и устойчивость к сильной вибрации. Согласно планам компании, испытания опытного образца охладителя должны были начаться еще в августе 2012 года.
К ноябрю 2012 года, компания Reaction Engines завершила тестирование оборудования в рамках проекта «Технология теплообменника, критичная для гибридного ракетного двигателя, питаемого воздухом и жидким кислородом». Это был очень важный этап в процессе создания гибридного двигателя, который доказал всем потенциальным инвесторам проекта жизнеспособность представленных технологий. Двигатель Sabre основан на теплообменнике, который в состоянии охладить поступающий воздух до температуры -150°C (-238°F). В процессе работы охлажденный воздух смешивается с жидким водородом после чего, сгорая, он обеспечивает необходимую тягу для атмосферного полета, до переключения на жидкий кислород из баков, при полете вне земной атмосферы. Успешно проведенные испытания данной, достаточно критической технологи, подтвердили на практике, что теплообменник в состоянии обеспечить потребности гибридного двигателя в получении необходимого количества кислорода из атмосферы для функционирования с высокой эффективностью в условиях низковысотного полета.
На авиасалоне Фарнборо в 2012 году Дэвид Уиллетс, являющийся министром по делам университетов и науки Великобритании, высоко оценил данную разработку. В частности министр сказал, что данный гибридный двигатель, может самым реальным образом повлиять на условия игры, которые сформировались сегодня в космической отрасли. Завершившиеся успехом испытания системы предварительного охлаждения двигателя стали подтверждением высокой оценки предложенной концепции, которую сделало Космическое агентство Великобритании в 2010 году. Также министр отметил тот факт, что если однажды им удастся применить данную технологию для организации собственных полетов коммерческого назначения, то это, несомненно, станет фантастическим по масштабу событием.
Дэвид Уиллетс также отметил тот факт, что существует небольшая вероятность того, что Европейское космическое агентство согласится финансировать проект Skylon. По этой причине Великобритания должна быть готова к тому, что ей придется заниматься постройкой космолета по большей части на собственные денежные средства.
Производительность
Расчетная тяговооруженность гибридного двигателя Sabre предполагается на уровне более 14 единиц. Стоит отметить, что тяговооруженность обыкновенных реактивных двигателей находится в пределах 5 единиц, и всего лишь 2 единиц для сверхзвуковых прямоточных двигателей. Такой высокий уровень производительности удалось получить за счет применения сверхохлажденного воздуха, который становится очень плотным и требует меньшего сжатия, и, что еще более значимо, благодаря низким рабочим температурам возможным стало применение достаточно легких сплавов для большей части конструкции гибридного двигателя.
Двигатель обладает высоким удельным импульсом в атмосфере, который достигает 3500 секунд. Для сравнения обыкновенный ракетный двигатель обладает удельным импульсом, который в лучшем случае составляет порядка 450 секунд, и даже считающийся перспективным «тепловой» ядерный ракетный двигатель обещает добраться до величины лишь в 900 секунд.
Комбинация низкой массы двигателя и высокой топливной эффективности дает перспективному самолету Skylon возможность добраться до орбиты в одноступенчатом режиме, при этом двигатель работает как воздушно-реактивный до скорости М=5,14 и высоты полета 28,5 км. Одновременно с этим аэрокосмический аппарат в состоянии достичь орбиты с очень большой полезной нагрузкой относительно взлетного веса самого самолета. Чего ранее нельзя было достигнуть ни одним неядерным летательным аппаратом.
Преимущества двигателя
В отличие от своих традиционных ракетных собратьев, и подобно другим типам воздушно-реактивных двигателей, новый английский гибридный реактивный двигатель может применять воздух, для сжигания топлива, что уменьшает необходимый вес ракетного топлива, увеличивая вместе с этим вес полезной нагрузки. Прямоточный воздушный реактивный двигатель (ПВРД) и гиперзвуковой прямоточный воздушный реактивный двигатель (ГПВРД) должны провести достаточно большое количество времени в нижних слоях атмосферы, для того чтобы развить скорость, достаточную для выхода на орбиту, что в свою очередь выводит на первый план проблему интенсивного нагрева двигателя на гиперзвуковой скорости, а так же возможных потерь из-за сложности теплозащиты и существенного веса.
В то же время гибридный реактивный двигатель подобный Sabre нуждается лишь в достижении низкой гиперзвуковой скорости (стоит напомнить, что гиперзвук – это все что после М=5) в нижних слоях атмосферы Земли, перед тем как перейти на закрытый цикл работы и совершить крутой подъем с набором скорости в ракетном режиме.
В отличие от традиционных ПВРД или ГПВРД, новый английский двигатель Sabre в состоянии обеспечить высокую тягу от нулевой скорости и до скорости в М=5,14 включительно, на всем диапазоне высот, с очень хорошей эффективностью во всем диапазоне высот. Помимо этого возможность создания тяги даже при нулевой скорости свидетельствует о возможности проведения испытаний гибридного двигателя на земле, что существенно уменьшает цену разработки.
Предполагаемые характеристики двигателя Sabre:
Тяга на уровне моря – 1960 кН
Тяга в пустоте – 2940 кН
Тяговоруженность – порядка 14 (в атмосфере)
Удельный импульс в вакууме – 460 секунд.
Удельный импульс на уровне моря – 3600 секунд.
Источники информации:
-http://www.vesti.ru/doc.html?id=1107352
-http://thexhs.livejournal.com/6034.html
-http://www.dailytechinfo.org/space/3808-novye-dvigateli-sabre-budut-podnimat-na-orbitu-kosmicheskiy-samolet-skylon.html
Самолет на основе двигателей Sabre сможет долететь до границы стратосферы всего за 15 минут, а преодолеть расстояние, к примеру, от Австралии до США всего за 4 часа. Скорость подобного самолета превысила бы скорость звука сразу в 5 раз. В настоящее время в планы Reaction Engines входит оснащение новым двигателем их известного самолета Skylon, который потенциально мог разогнаться бы до 5635 км/ч. По словам представителей английской компании, у Skylon есть все шансы, для того чтобы стать настоящим «космолетом» и совершать полеты по низкой околоземной орбите.
Традиционные двигатели, которые сегодня применяются в авиации, требуют переноски спецрезервуаров, наполненных жидким кислородом, если самолет развивает в полете скорость более 3000 км/ч. Такие самолеты не могут «дышать» обыкновенным воздухом, так как он нагревался бы до очень высоких температур. В то же время двигатель Sabre позволяет применять воздух вместо жидкого кислорода: он оснащен целой системой трубок, которые наполняются гелием. Когда воздух проходит сквозь эти трубки, гелий охлаждает его, и кислород необходимой температуры (-150 градусов по Цельсию вместо изначальных 1000 градусов) доставляется прямиком в двигатель.
Разработанный компанией Reaction Engines двигатель Sabre в состоянии работать в 2-х режимах: как реактивный двигатель и как ракетный двигатель. По словам представителей компании, использование данного двигателя на самолете Skylon позволит ему в 5 раз превысить скорость звука в атмосфере Земли и в 25 раз в открытом космическом пространстве. Ключевым элементом данного двигателя, который позволит ему эффективно работать в пределах атмосферы, является предварительный охладитель, в котором поступающий забортный воздух с температурой порядка 1000 градусов охлаждается до температуры -150 градусов всего за одну сотую секунды.
Как только Skylon попадает в космос, его можно будет перевести в так называемый «космический режим». В таком случае самолет сможет находиться на низкой околоземной орбите в течение 36 часов. Этого времени более чем достаточного, к примеру, для запуска спутника. При этом это будет очень выгодная технология. По словам Алана Бонда, являющегося основателем компании, суммы, которые требуются для запуска спутников и других похожих миссий, могут уменьшиться сразу на 95% в том случае, если будет налажено коммерческое производство двигателей Sabre.
Помимо этого новые космолеты построены на воздушно-реактивных двигателях смогут стать очень хорошей перспективой на рынке космического туризма. В этом случае английская фирма Reaction Engines может стать очень сильным конкурентом для Virgin Galactic, которая принадлежит Ричарду Брэнсону. Сейчас миллиардер предлагает всем желающим увидеть нашу планету в иллюминаторе всего за 121 тысячу фунтов стерлингов (практически 6 млн. рублей). Представители компании Reaction Engines заявляют о том, что полет на их космолете Skylon обойдется космическим туристам существенно дешевле, правда, пока не говорят о том, насколько именно. Более подробно о планах правительства Великобритании касательно финансирования данного амбициозного проекта станет известно, когда в Глазго состоится специальная Космическая конференция (UK Space Conference).
История появления
Идея проектирования двигателя с предварительным охлаждением впервые появилась у Роберта Кармайкла еще в далеком 1955 году. За этой идеей последовала идея создания двигателя с сжижением воздуха (LACE), которая первоначально прорабатывалась компаниями Marquardt и General Dynamics в 60-х годах прошлого века, как часть работ US Air Force над проектом Aerospaceplane.
Однако работы над проектом нового двигателя Sabre стартовали лишь в 1989 году, в этом году и была образована компания Reaction Engines Limited. Специалисты компании продолжили работу над проектом, развивая представленные ранее идеи. В итоге создание гибридного двигателя Sabre потребовало 22 года времени у научно-исследовательской команды из 30 человек. Плодом их усилий стала постройка макета двигателя, который был установлен на самолет Skylon, который демонстрировался на авиасалоне Фарнборо.
Предметом последних испытаний, которые проводились компанией Reaction Engines, были технологии предварительного охлаждения воздуха. В настоящее время специалисты данной фирмы, имея в своих руках работоспособную технологию, занимаются разработкой опытного образца системы охлаждения. Данный образец должен обладать сравнительно небольшим весом, а также демонстрировать аэродинамическую стабильность, высокую механическую прочность, и устойчивость к сильной вибрации. Согласно планам компании, испытания опытного образца охладителя должны были начаться еще в августе 2012 года.
К ноябрю 2012 года, компания Reaction Engines завершила тестирование оборудования в рамках проекта «Технология теплообменника, критичная для гибридного ракетного двигателя, питаемого воздухом и жидким кислородом». Это был очень важный этап в процессе создания гибридного двигателя, который доказал всем потенциальным инвесторам проекта жизнеспособность представленных технологий. Двигатель Sabre основан на теплообменнике, который в состоянии охладить поступающий воздух до температуры -150°C (-238°F). В процессе работы охлажденный воздух смешивается с жидким водородом после чего, сгорая, он обеспечивает необходимую тягу для атмосферного полета, до переключения на жидкий кислород из баков, при полете вне земной атмосферы. Успешно проведенные испытания данной, достаточно критической технологи, подтвердили на практике, что теплообменник в состоянии обеспечить потребности гибридного двигателя в получении необходимого количества кислорода из атмосферы для функционирования с высокой эффективностью в условиях низковысотного полета.
На авиасалоне Фарнборо в 2012 году Дэвид Уиллетс, являющийся министром по делам университетов и науки Великобритании, высоко оценил данную разработку. В частности министр сказал, что данный гибридный двигатель, может самым реальным образом повлиять на условия игры, которые сформировались сегодня в космической отрасли. Завершившиеся успехом испытания системы предварительного охлаждения двигателя стали подтверждением высокой оценки предложенной концепции, которую сделало Космическое агентство Великобритании в 2010 году. Также министр отметил тот факт, что если однажды им удастся применить данную технологию для организации собственных полетов коммерческого назначения, то это, несомненно, станет фантастическим по масштабу событием.
Дэвид Уиллетс также отметил тот факт, что существует небольшая вероятность того, что Европейское космическое агентство согласится финансировать проект Skylon. По этой причине Великобритания должна быть готова к тому, что ей придется заниматься постройкой космолета по большей части на собственные денежные средства.
Производительность
Расчетная тяговооруженность гибридного двигателя Sabre предполагается на уровне более 14 единиц. Стоит отметить, что тяговооруженность обыкновенных реактивных двигателей находится в пределах 5 единиц, и всего лишь 2 единиц для сверхзвуковых прямоточных двигателей. Такой высокий уровень производительности удалось получить за счет применения сверхохлажденного воздуха, который становится очень плотным и требует меньшего сжатия, и, что еще более значимо, благодаря низким рабочим температурам возможным стало применение достаточно легких сплавов для большей части конструкции гибридного двигателя.
Двигатель обладает высоким удельным импульсом в атмосфере, который достигает 3500 секунд. Для сравнения обыкновенный ракетный двигатель обладает удельным импульсом, который в лучшем случае составляет порядка 450 секунд, и даже считающийся перспективным «тепловой» ядерный ракетный двигатель обещает добраться до величины лишь в 900 секунд.
Комбинация низкой массы двигателя и высокой топливной эффективности дает перспективному самолету Skylon возможность добраться до орбиты в одноступенчатом режиме, при этом двигатель работает как воздушно-реактивный до скорости М=5,14 и высоты полета 28,5 км. Одновременно с этим аэрокосмический аппарат в состоянии достичь орбиты с очень большой полезной нагрузкой относительно взлетного веса самого самолета. Чего ранее нельзя было достигнуть ни одним неядерным летательным аппаратом.
Преимущества двигателя
В отличие от своих традиционных ракетных собратьев, и подобно другим типам воздушно-реактивных двигателей, новый английский гибридный реактивный двигатель может применять воздух, для сжигания топлива, что уменьшает необходимый вес ракетного топлива, увеличивая вместе с этим вес полезной нагрузки. Прямоточный воздушный реактивный двигатель (ПВРД) и гиперзвуковой прямоточный воздушный реактивный двигатель (ГПВРД) должны провести достаточно большое количество времени в нижних слоях атмосферы, для того чтобы развить скорость, достаточную для выхода на орбиту, что в свою очередь выводит на первый план проблему интенсивного нагрева двигателя на гиперзвуковой скорости, а так же возможных потерь из-за сложности теплозащиты и существенного веса.
В то же время гибридный реактивный двигатель подобный Sabre нуждается лишь в достижении низкой гиперзвуковой скорости (стоит напомнить, что гиперзвук – это все что после М=5) в нижних слоях атмосферы Земли, перед тем как перейти на закрытый цикл работы и совершить крутой подъем с набором скорости в ракетном режиме.
В отличие от традиционных ПВРД или ГПВРД, новый английский двигатель Sabre в состоянии обеспечить высокую тягу от нулевой скорости и до скорости в М=5,14 включительно, на всем диапазоне высот, с очень хорошей эффективностью во всем диапазоне высот. Помимо этого возможность создания тяги даже при нулевой скорости свидетельствует о возможности проведения испытаний гибридного двигателя на земле, что существенно уменьшает цену разработки.
Предполагаемые характеристики двигателя Sabre:
Тяга на уровне моря – 1960 кН
Тяга в пустоте – 2940 кН
Тяговоруженность – порядка 14 (в атмосфере)
Удельный импульс в вакууме – 460 секунд.
Удельный импульс на уровне моря – 3600 секунд.
Источники информации:
-http://www.vesti.ru/doc.html?id=1107352
-http://thexhs.livejournal.com/6034.html
-http://www.dailytechinfo.org/space/3808-novye-dvigateli-sabre-budut-podnimat-na-orbitu-kosmicheskiy-samolet-skylon.html
Информация