Войти

Воздушно-реактивный двигатель Sabre

7376
6
+2
Sabre
Двигатель Sabre, разработанный компанией Reaction Engines.
Источник изображения: Военное обозрение

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).


Изображение космолёта Skylon и его гиперзвукового комбинированного воздушно-реактивного/ракетного двигателя с предварительным охлаждением SABRE. Источник: Reaction Engines

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.


Двигатель Sabre, разработанный компанией Reaction Engine
Источник: Военное обозрение

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.


Рисунок самолета Skylon
Источник: Военное обозрение

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.


Реактивный двигатель SABRE (synergistic air-breathing rocket engine). Источник: aviationweek.com

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



Юферев Сергей

Права на данный материал принадлежат
Материал размещён правообладателем в открытом доступе
  • В новости упоминаются
Похожие новости
08.07.2019
В погоне за скоростью
28.03.2019
Почему даже модернизированный Abrams никогда не догонит "Армату"
01.02.2016
Идея многоразовой космической техники переживает ренессанс
27.01.2016
Бурлаки на орбите
25.05.2015
Оружие для "холодной войны"
6 комментариев
№0
29.07.2013 21:38
Красиво!
+1
Сообщить
№0
29.07.2013 21:58
И только.
Мне например не понятно, за счет чего они сжижают кислород, ведь для того, что бы что-то охладить, надо где-то что-то нагреть. Закон сохранения энергии, его никто еще не отменял, разве что нашим "эффективным менеджерам" это удалось :).
Я все понимаю, теплообменник, который ???????
Можно конечно предположить, что им удалось реализовать схему теплового насоса при условиях полета, вплоть до Мн=5. Но опять же для этого нужна энергия, а откуда ее взять?
Красиво конечно, но непонятно.
0
Сообщить
№0
29.07.2013 23:19
Цитата
Можно конечно предположить, что им удалось реализовать схему теплового насоса

Последние годы предлагаются оригинальные схемы, напр. установка Потапова - в результате перераспределения энергии из окружающего пространства при комнатной температуре с помощью электродвигателя в 1кВт локально она дает до -30 С за 4с (если память не изменяет). Возможно ребята из RE таки придумали что-то на порядок мощнее. Проект, безусловно, красивый. Но при его рисках - во сколько же он обойдется?! 60млн. фунтов это - капля в море...
0
Сообщить
№0
29.07.2013 23:43
Петрович, из второй ссылки под статьёй:

    "По состоянию на ноябрь 2012 года, было завершено тестирование оборудования в рамках темы «Технология теплообменника, критичная для гибридного ракетного двигателя, питаемого воздухом и жидким кислородом». Это был важный этап в процессе разработки SABRE, который продемонстрировал потенциальным инвесторам жизнеспособность технологии. Двигатель основан на теплообменнике, способном охладить поступающий воздух до -150°C (-238°F).
   Охлажденный воздух смешивается с жидким водородом и сгорая, обеспечивает тягу для атмосферного полета, перед переключением на жидкий кислород из баков, при полете вне атмосферы. Успешные испытания этой, столь критической технологи, подтвердили что теплообменник может обеспечить потребности двигателя в получении достаточного количества кислорода из атмосферы для работы с высокой эффективностью в условиях низко-высотного полета.
   LACE система ( охлаждения ) располагается непосредственно за сверхзвуковым воздухозаборником – таким образом сжатый воздух попадает сразу в теплообменник где моментально охлаждается с использование некоторого количества жидкого водорода, хранящегося на борту в качестве топлива. Полученный жидкий воздух затем обрабатывается, для извлечения жидкого кислорода, который поступает в двигатель. Однако количество прошедшего через теплообменник и нагретого водорода, значительно больше, чем может быть сожжено в двигателе, и его избыток просто сливается за борт (тем не менее он тоже дает некоторый прирост тяги).
   Поначалу теплообменник двигателя RB545 (который предполагалось использовать в проекте HOTOL) имел некоторые проблемы с хрупкостью конструкции, а так же относительно высоким расходом жидкого водорода.
   Предыдущие версии теплообменника, например применяемые в проекте HOTOL пропускали водородное топливо непосредственно через теплообменник, но использование гелия как промежуточного контура между воздухом и холодным топливом сняло проблему водородной хрупкости конструкции теплообменника. Однако резкое охлаждение воздуха сулит определенные проблемы – необходимо предотвратить блокировку теплообменника замороженным водяным паром и иными фракциями. В ноябре 2012 года был продемонстрирован образец теплообменника, способный охладить атмосферный воздух до -150°C за 0,01 с.
   Одной из инноваций теплообменника SABRE служит спиральное размещение трубок с хладагентом, что значительно обещает поднять его эффективность."

   Там два контура: гелий-воздух и гелий-водород. " ...турбокомпрессор приводится в действие турбиной, расположенной в гелиевом контуре, а не от действия продуктов сгорания, как в обычных турбореактивных двигателей. Таким образом турбокомпрессор работает на тепле, полученным гелем в теплообменнике.

Гелиевый цикл

Тепло переходит от воздуха к гелию. Горячий гелий из теплообменника «гелий-воздух» охлаждается в теплообменнике «гелий-водород», отдавая тепло жидкому водородному топливу. Контур, в котором циркулирует гелий, работает согласно циклу Брайтона, как охлаждая двигатель в критических местах, так и для привода энергетических турбин и многочисленных агрегатов двигателя. Остаток тепловой энергии используется для испарения части водорода, который сжигается в внешнем, прямоточном контуре.

   Глушитель

Для охлаждения гелия, его прокачивают через бак с азотом. В настоящее время для тестов используется не жидкий азот а вода, которая испаряется, понижая температуру гелия и глушит шум от выхлопных газов.

Прямоточный контур

   Отказ от сжижения воздуха поднял эффективность работы двигателя, снизив затраты теплоносителя путем снижения энтропии. Однако даже простое охлаждение воздуха требует больше водорода, чем может быть сожжено в первом контуре двигателя.

   Избыток водорода сливается за борт, но не просто так, а сжигается в ряде камер сгорания, которые расположены в внешнем кольцевом воздушном канале, образующем прямоточную часть двигателя, в которую поступает воздух, пошедший в обход теплообменника. Второй, прямоточный контур снижает потери вследствие сопротивления воздуха, не попавшего в теплообменник, и так же дает некоторую часть тяги.
   На низких скоростях в обход теплообменника/компрессора идет очень большое количество воздуха, а с ростом скорости, для сохранения эффективности большая часть воздуха наоборот, попадает в компрессор.
   Это отличает систему от турбопрямоточного двигателя, где все обстоит с точностью до наоборот – на малых скоростях большие массы воздуха идут через компрессор, а на больших – в его обход, через прямоточный контур, который становится настолько эффективным, что берет на себя ведущую роль.

При достижении скорости М=5.5 воздушнореактивный двигатель становится не эффективным и отключается, и теперь в ракетный двигатель поступает хранящийся на борту жидкий кислород и жидкий водород, так вплоть до достижения орбитальной скорости (соизмеримо с М=25).      Турбонасосные агрегаты приводятся тем же гелиевым контуром, который теперь получает тепло в специальных «предварительных камерах сгорания».
   Необычное конструкционное решение системы охлаждения камер сгорания - в качестве охлаждающего вещества используется окислитель (воздух/жидкий кислород) вместо жидкого водорода, во избежание перерасхода водорода и нарушения стехиометрического соотношения (соотношение топлива к окислителю)."

   На рис. 3 видно, что почти вся центральная сигара состоит из запасов водорода - баки спереди и сзади.
На рис. 5 - упрощённая принц. схема работы движка.  Что скажете ?
+4
Сообщить
№0
29.07.2013 23:49
Гражданин СССР.   Там всё очень сильно комбинировано, но в принципе нет ничего, что было бы неизвестно сегодня.
   Ни про какие ноу-хау не сообщается. И похоже у ребят получается. Молодцы. Мне кажется такую схему при желании не очень сложно будет повторить.
0
Сообщить
№0
30.07.2013 16:45
Цитата
На рис. 5 - упрощённая принц. схема работы движка.  Что скажете ?
У нас прорабатывалась аналогичная схема, участвовали и ЦИАМ и НИИТП, но насколько я помню, она теоретически не завязывалась, не хватало хладоресурса залитого водорода.. Причем при дальнейшем увеличении запаса водорода увеличивался размер (и вес) топливного бака, как следствие росло сопротивление ЛА.
Я думаю экспериментальный двигатель на стенде работает и даже выдает неплохие результаты.
Но вот стоит только проанализировать всю схему в комплексе, наверняка выползут неувязки.
Нужна очень точная матмодель такого аппарата, что бы можно было проанализировать его эффективность.
Я вообще очень осторожно всегда относился к сложным техническим системам. Не учтешь какую-либо мелочь, а от нее в корне меняется результат.
Так что подождем, тем более, что мы имеем только заявленные характеристики даже не двигателя в целом, а отдельных его элементов, хоть и ключевых.

А справка интересная.
aav!
Cпасибо за ссылку
+1
Сообщить
Хотите оставить комментарий? Зарегистрируйтесь и/или Войдите и общайтесь!
  • Разделы новостей
  • Обсуждаемое
  • 03.04 20:43
  • 34
Как разбить лоб «Абрамсу»
  • 03.04 20:37
  • 23
Страна не работает до 30 апреля
  • 03.04 20:26
  • 68
Рогозин заявил о готовности России к запуску многоспутниковых орбитальных группировок
  • 03.04 20:15
  • 44
"Из России с любовью": российские вирусологи прибыли в Италию
  • 03.04 19:44
  • 3
Ослепить или сбить: противоспутниковое оружие стало реальной угрозой
  • 03.04 19:29
  • 2
Антирекорд побит: российский самолет вылетел на помощь США
  • 03.04 18:52
  • 5
Трамп обвинил Иран в подготовке нападения на силы США в Ираке
  • 03.04 18:26
  • 4
«Роскосмос» отложил запуск модуля «Наука» на МКС
  • 03.04 17:50
  • 1
Sina: Интеграция деталей фюзеляжа истребителей J-20 безупречна
  • 03.04 17:06
  • 1
Корабль ВМС Венесуэлы потопил сам себя
  • 03.04 16:31
  • 8
Мишустин предложил сконцентрировать до 2024 года закупки авиа- и автотехники, рассчитанные в рамках госпрограммы вооружений до 2027 года
  • 03.04 15:39
  • 13
Ростех: ВКС России на текущий момент эксплуатируют около 70 истребителей Су-35С
  • 03.04 14:35
  • 94
Корабль SpaceX лопнул
  • 03.04 12:49
  • 19
Северный флот оснастят новыми атомными подлодками
  • 03.04 12:01
  • 1
Глава ОСК оценил стоимость возмещения ущерба от пожара на «Адмирале Кузнецове»