Motor sinergetic pentru rachete cu respirație de aer

SABRE
Motor SABRE Foto: ESA Reaction Engines ltd ©
Descriere generala
Constructor	Reaction Engines Limited
Designer	Alan Bond
Tip	Endoreattore motor hipersonic cu jet hibrid pre- răcit cu jet de motor
Duză	Duza convergentă-divergentă
Combustie
Combustor	inelar
Răcire	heliu
Compresor	axial- undă de șoc
Ieșire
Împingere	SL ~ 1.960 kN VAC ~ 2.940 kN
Rapoarte de compresie
Rap. comprimare	140
Performanţă
Eu sp	VAC 460 s SL 3500 s
Raportul putere-greutate	14
Utilizatori	Skylon
intrări de motor pe Wikipedia

SABER (Synergetic Air-Breathing Rocket Engine) ^[1] este un proiect dezvoltat de Reaction Engines Limited pentru un endoreator cu motor cu reacție hipersonic cu motor cu reacție pre-răcit ^[2] . Motorul a fost proiectat pentru a atinge capacitatea unei singure etape pe orbită ( SSTO) pentru un prototip de avion de lansare Skylon . SABER este o evoluție a seriei de motoare cu ciclu de aer lichefiat (LACE) dezvoltată de Alan Bond din prima jumătate a anilor 1980 pentru proiectul HOTOL .

Operațiune

Proiectul implică un motor rachetă cu ciclu combinat cu două moduri de funcționare. ^[3]

Modul exoreactor combină un turbo-compresor cu un motor cu jet ușor pre-răcit, poziționat în aval de admisia dinamică a aerului . La viteze mari, răcirea aerului încălzit datorită presiunii ridicate de stagnare datorită încetinirii (și compresiei) fluxului în admisia de aer este garantată de un schimbător de căldură care scade temperatura în câteva fracțiuni de secundă. Aerul este apoi comprimat în continuare de compresor și apoi alimentat în camera de ardere unde este amestecat cu hidrogen și se aprinde. Pre-răcirea permite motorului să continue să ofere o forță puternică la altitudini și turații foarte mari. Temperaturile scăzute garantate de schimbul de căldură cu hidrogen lichid , permit utilizarea aliajelor ușoare în construcția motorului, de obicei imposibil de utilizat în ramete, obținând astfel motoare ușoare esențiale pentru a ajunge pe orbită. Spre deosebire de prototipurile LACE, pre-răcirea SABER-ului nu lichefiază aerul permițând un flux mai eficient. ^{[4] [5]}

Reprezentarea SABER-ului montat pe planul spațial Skylon

După închiderea admisiei de aer la Mach 5.14, la o altitudine de 28,5 km, ^[3] motorul funcționează ca un motor rachetă cu buclă închisă de înaltă performanță prin arderea oxigenului și hidrogenului lichid depozitat la bord, permițând potențial un prototip de navă spațială hibridă. , cum ar fi Skylon , pentru a ajunge pe orbită după părăsirea atmosferei cu un profil de urcare treptată.

Un motor derivat din SABER numit Scimitar a fost proiectat pentru compania de transport hipersonic de tip A2 , propus pentru studiul LAPCAT , finanțat de Uniunea Europeană . ^[6]

Istoria proiectului

Pre-răcirea a evoluat dintr-o idee din 1955 a lui Robert P. Carmichael. ^[7] Această idee a fost explorată inițial prin intermediul motorului de aer lichefiat (LACE) Marquardt și General Dynamics în anii 1960, ca parte a programului Forței Aeriene a Statelor Unite (USAF) în câmpul avionului spațial. ^[4]

Sistemul LACE ar fi trebuit să fie poziționat în aval de admisia de aer supersonică. Schimbătorul de căldură ar răci aerul prin hidrogen lichid stocat la bord ca combustibil. Aerul lichid obținut a fost apoi procesat prin separarea oxigenului lichid care urmează să fie utilizat la combustie. Cantitatea de hidrogen încălzit a fost prea mare pentru a fi utilizată în procesul de ardere, astfel încât o parte din hidrogen a fost pur și simplu expulzată, obținându-se o forță utilă, care a scăzut însă semnificativ eficiența generală a motorului. ^{[ fără sursă ]}

În 1989, după ce s-a încheiat finanțarea pentru proiectul HOTOL, Bond și unii dintre ceilalți colegi ai săi de proiect au fondat Reaction Engines Limited pentru a continua cercetarea. Pre-răcitorul RB545 a avut probleme serioase din cauza fragilității hidrogenului și a consumului excesiv de hidrogen , precum și a problemelor legate de unele brevete și Legea secretelor oficiale, astfel încât Bond a început să dezvolte SABER. ^[8]

Modelul la scară al motorului SABER

Motorul SABER se bazează pe un schimbător de căldură capabil să răcească fluxul de aer care intră în motor aproape instantaneu până la -150 ° C; acest flux este apoi comprimat și introdus în camera de ardere împreună cu hidrogenul producând, prin ardere, o forță în timpul zborului în atmosferă, pentru a trece apoi la oxigenul lichid depozitat în timpul fazelor de zbor extra-atmosferice.

În noiembrie 2012, Reaction Engines a anunțat succesul unei serii de teste care dovedesc validitatea tehnologiei de pre-răcire a fluxului de aer, unul dintre principalele obstacole în calea finalizării proiectului.Agenția Spațială Europeană (ESA) a evaluat schimbătorul de căldură de pre-răcire a motorului SABER, afirmând că tehnologiile necesare pentru continuarea dezvoltării motorului au fost pe deplin demonstrate. ^{[9] [10]} Testele efectuate în 2011 au arătat că schimbătorul de căldură este capabil să extragă suficient oxigen din atmosferă pentru operațiunile de altitudine mică și performanță ridicate cerute de motor. ^{[10] [11]}

Testele ulterioare, lansate în Colorado la HTX în 2019, au demonstrat la sfârșitul aceluiași an eficiența pre-răcitorului SABER, precum și capacitatea sa de a gestiona fluxurile de intrare cel puțin până la Mach 5. ^{[12] [13 ]}

În urma tuturor confirmărilor teoretice și experimentale, a fost anunțat începutul unui studiu conceptual pentru dezvoltarea unui banc de testare de zbor pentru a testa motorul în condiții reale de funcționare, la 5 mai 2020; acest studiu a fost inițiat de Agenția Spațială din Regatul Unit și va fi realizat în cadrul Programului Tehnologic de Sprijin General al Agenției Spațiale Europene (GSTP) și vede, de asemenea, implicarea directă a Cranfield Aerospace Solutions. ^[14]

Finanțare

În 2011, ca o consecință a eșecului de a strânge suficiente fonduri pentru a construi Skylon, s-a decis concentrarea activităților de cercetare și dezvoltare ulterioare în principal numai pe motoare, proiect în care ESA investise deja 1 milion de euro la acea vreme. ^[15]

În iulie 2013, Regatul Unit, în urma rezultatelor colectate de la testele efectuate de ESA cu privire la principalele tehnologii care stau la baza funcționării motorului, a alocat 60 de milioane de lire sterline pentru continuarea dezvoltării și construirea unui prototip pe scară largă. ^[16]

În august 2015, Comisia Europeană a aprobat un împrumut de 50 de milioane de lire sterline, ^{[17] în} timp ce, în octombrie 2015, conglomeratul britanic de apărare BAE Systems a încheiat un acord cu Reaction Engines în temeiul căruia va investi 20,6 milioane de lire sterline în REL pentru a dobândi 20% din capitalul său social, precum și pentru a ajuta la dezvoltarea motorului SABER. ^[18]

În iulie 2016, ESA a aprobat a doua subvenție de 10 milioane GBP. ^[19]

La 25 septembrie 2017, s-a anunțat că Agenția pentru Proiecte de Cercetare Avansată în Apărarea Statelor Unite ( DARPA ) a atribuit un contract pentru finanțarea și efectuarea testelor cu fluxuri de aer de temperatură și viteză ridicate la sediul său, în Statele Unite din Colorado, denumit HTX. ^{[12] [13]}

Tehnică

La fel ca RB545 , SABER nu este nici un motor rachetă convențional , nici un turboreactor , ci un hibrid care arde oxigenul atmosferic la turații și altitudini mici și trece la oxigenul lichid depozitat la bord la altitudini mai mari.

Proiectarea coloanei vertebrale a SABREI

În timpul fazei de zbor supersonic, o coloană vertebrală axială-simetrică plasată la intrarea motorului încetinește aerul la viteze subsonice prin intermediul a două unde de șoc oblice. O parte din acest aer trece prin schimbătorul de căldură unde este răcit și apoi introdus în miezul motorului, partea rămasă fiind transportată pentru a alimenta motoarele ramjet dispuse inelar în jurul nucleului.

Miezul motorului constă dintr-un compresor acționat de o turbină (care utilizează un ciclu închis de heliu Joule Brayton ) pentru a alimenta camera de ardere în faza de zbor atmosferică. În afara atmosferei (sau, în orice caz, la viteze și altitudini prea mari), oxigenul lichid stocat la bord este introdus în cele patru camere de ardere cu ajutorul unei turbopompe , la fel și combustibilul (hidrogen lichid). Miezul central al motorului este completat de patru duze convergente-divergente , una pentru fiecare cameră de ardere.

Reprezentarea fluxului de aer

Schimbător de căldură SABER

Pre-răcire

Viteza maximă de zbor a unui turboreactor convențional este limitată de temperatura de intrare la compresor. La viteze supersonice și hipersonice, încetinirea și comprimarea fluxului în admisia de aer conduce la o creștere a temperaturii aerului care intră în compresor până la valori apropiate și chiar mai mari de 1000 ° C, incompatibile cu structura structurală rezistența componentelor.

Pentru a depăși această limitare, SABER prevede introducerea, în aval de admisia de aer, a unui schimbător de căldură complex compus din zeci de kilometri de țevi într-un aliaj de nichel ( Inconel ) rezistent la temperaturi ridicate (ai căror pereți au o grosime de numai 40 microni) traversat de heliu la temperatură scăzută și presiune ridicată. Acest schimbător constituie cea mai mare provocare tehnologică în proiectarea motorului, deoarece cerințelor de rezistență, ușurință, compacitate și rezistență la schimbările de temperatură ale acestui sistem se adaugă și capacitatea de a trata un debit vizibil (400 kg pe secundă de aer) fără ca orice umezeală prezentă în mod natural în atmosferă să poată îngheța pe suprafețele sale blocând fluxul. ^[20]

Ciclul heliului

O altă particularitate a acestui motor este interpunerea unui ciclu de heliu între hidrogenul lichid, stocat la temperaturi criogene la bordul aeronavei și aerul care intră în miezul motorului. Pentru a preveni ca problemele de fragilizare a hidrogenului să conducă la rupturi și pierderi în schimbătorul de căldură din aval de admisia de aer cu consecințe catastrofale, heliul este răcit într-un schimbător de căldură prin transferul căldurii în hidrogenul lichid destinat arderii. Heliul cu temperatură scăzută și presiune înaltă este apoi trimis schimbătorului care răcește aerul care intră în motor. Ulterior, heliul trece într-un alt schimbător situat în aval de un precombustor unde este alimentat cu căldură care va elibera oxigen lichid în turbinele turbopompei (când este în afara atmosferei) sau în turbina care deplasează compresorul (la altitudini de zbor reduse). ). ^[21]

Compresor

Datorită temperaturii scăzute a aerului care intră în compresor, este posibil să se obțină un raport de compresie ridicat folosind materiale din aliaj ușor în avantajul greutății totale. În aval de compresor, debitul de aer (comprimat la aproximativ 140 de atmosfere ) ^[21] este împărțit cu o parte care continuă spre camerele principale de ardere și restul deviat către o cameră de pre-combustie unde este reacționat cu hidrogenul destinat camere de ardere principale. Deoarece reacția are loc în exces de combustibil, temperatura acestor produse de ardere va fi mult mai mică decât cea obținută în camerele principale de ardere unde se caută un raport stoichiometric .

Spre deosebire de un turboreactor convențional, turbina care deplasează compresorul nu exploatează direct gazele provenite din camera de ardere, ci expansiunea heliului încălzit în precombustor. La turații și altitudini mari, atunci când nu există flux de aer prin motor, circuitul de heliu ocolește turbina compresorului și extinde oxigenul lichid stocat în rezervoarele aeronavei în turbina cu turbopompa. ^[22]

Combustori

Hidrogenul reacționează cu aerul și cu oxigenul stocat la bord în trei zone diferite: cameră de pre-combustie, camere principale de combustie și motoare cu ramjet.

În precombustor, tot hidrogenul destinat camerelor principale de ardere este reacționat cu o mică parte a aerului care vine din compresor (în funcțiune atmosferică) sau cu oxigen provenit din rezervoare (în afara atmosferei). Căldura dezvoltată este transferată, prin intermediul unui schimbător, către heliu care, la rândul său, o transferă prin expansiunea în turbina care mută compresorul sau în cea a turbopompei cu oxigen lichid.

În cele patru camere principale de ardere, produsele de ardere din precombustor (care conțin încă un exces semnificativ de hidrogen) reacționează cu aerul sau oxigenul rămas completând astfel arderea.

O serie de motoare ramjet sunt dispuse la exteriorul miezului motorului și sunt alimentate cu hidrogen și o parte din aerul comprimat de la admisia de aer în timpul fazei de zbor supersonice în atmosferă.

Duze de evacuare

Geometria conductei de evacuare a unui motor rachetă este dictată nu numai de debitul gazelor și de temperatura acestora în camera de ardere, ci și de presiunea externă la care funcționează motorul. De fapt, într-un endoreactor, forța teoretică maximă se obține atunci când, în corespondență cu secțiunea de ieșire, presiunea este egală cu cea atmosferică (sau zero dacă este în vid). O duză convențională de clopot este de obicei proiectată pentru o anumită presiune (și, prin urmare, altitudine) dincolo de care performanțele sale scad.

În SABER, care trebuie să funcționeze de la nivelul mării până la orbită, este prevăzut un sistem care să „adapteze” în anumite limite presiunea la ieșirea duzei la cea atmosferică. Proiectul STERN a fost dezvoltat pentru a proiecta o duză „Expansion-Deflection” (sau „ED”) care, la fel ca o duză aerospike , este capabilă să compenseze variația presiunii externe cu variația altitudinii, precum și să fie mai scurtă decât o duză de clopot convențională. Spre deosebire de acesta din urmă, duza ED are un corp central (sau ștecher) care deviază fluxul radial împotriva clopotului (în loc de interior ca în aerospike) creând o zonă separată de debit în partea centrală a duzei, imediat în aval de ștecher în sine. Duza ED se adaptează datorită variațiilor în volumul debitului supersonic din duză cauzate de trezirea din aval a corpului central care crește sau scade în funcție de presiunea atmosferică. ^[23]

Motoare Ramjet

Chiar dacă pre-răcirea necesită o cantitate mai mică de hidrogen decât cea necesară pentru lichefierea aerului, este întotdeauna mai mare decât cea necesară arderii cu masa aerului tratat. Excesul de hidrogen este apoi alimentat într-o serie de motoare ramjet dispuse într-un inel în jurul nucleului central al motorului unde este ars cu aer comprimat de la admisia de aer ocolind schimbătorul de căldură. ^[21]

Notă

Alte proiecte

• Wikimedia Commons conține imagini sau alte fișiere despre Synergistic Air-Breathing Rocket Engine

linkuri externe

• Site-ul oficial , pe reactionengines.co.uk .

Portalul de astronautică

Portalul aviației

Portal de inginerie