Hybrydowy silnik SABRE. Za atmosferę i za przestrzeń
Przekrój silnika SABRE
Od kilku lat brytyjska firma Reaction Engines Limited (REL), we współpracy z innymi organizacjami, rozwija projekt SABRE (Synergetic Air Breathing Rocket Engine). Celem tego projektu jest stworzenie całkowicie nowego silnika hybrydowego zdolnego do wykorzystywania powietrza atmosferycznego i ciekłego utleniacza. Do tej pory projekt odniósł pewien sukces.
Opracowanie projektu
Koncepcja silnika SABRE firmy REL opiera się na pomysłach opracowanych i częściowo przetestowanych w latach osiemdziesiątych. W tym czasie brytyjscy specjaliści opracowywali samolot kosmiczny HOTOL, do którego zaproponowano silnik hybrydowy typu LACE. Ten projekt nie mógł zostać zrealizowany, ale jego propozycje zostały wykorzystane w nowych opracowaniach.
Projekt SABRE w obecnej formie rozpoczął się na przełomie ostatnich dziesięcioleci. Przeprowadzono kilka badań, które umożliwiły ukształtowanie ogólnego wyglądu silnika hybrydowego i określenie sposobów jego rozwoju. W przyszłości REL był w stanie zainteresować potencjalnych klientów i uzyskać wsparcie, co przyspieszyło prace.
Jednostki wewnętrzne bez obudowy i owiewki. Od lewej do prawej: główna komora spalania, sprężarka i chłodnica wstępna
Do tej pory firma REL opracowała większość dokumentacji projektowej i rozpoczęła testowanie poszczególnych elementów silnika. Do testowania produktów wykorzystywane są dwa wewnętrzne ośrodki testowe w Wielkiej Brytanii i USA.
Część komponentów i koncepcji została przetestowana w praktyce i potwierdziła ich potencjał. W niedalekiej przyszłości powinien pojawić się pełnoprawny prototyp silnika hybrydowego, zawierający wszystkie testowane podzespoły. Jego testy w warunkach stoiska rozpoczną się w latach 2020-21. Moment pojawienia się silnika nadającego się do montażu w prawdziwym samolocie pozostaje nieznany. Prawdopodobnie nastąpi to dopiero w drugiej połowie lat dwudziestych.
Hybrydowy projekt
Produkt SABRE musi działać w atmosferze i poza nią, rozwijając wymagany ciąg i zapewniając przyspieszenie do dużych prędkości. Takie wymagania doprowadziły do konieczności zastosowania specjalnej konstrukcji o charakterystycznych cechach. Zawiera elementy charakterystyczne dla silników turboodrzutowych, strumieniowych i rakietowych na ciecz. Ich zastosowanie w różnych kombinacjach pozwala na posiadanie kilku trybów pracy dla różnych etapów lotu.
Zasada działania silnika w trybie strumieniowym. Małe niebieskie strzałki wskazują ruch schłodzonego powietrza, czerwone - nieschłodzone, dostarczane do komory z bezpośrednim przepływem
Silnik SABRE zawiera kilka głównych elementów umieszczonych w jednej obudowie. Część czołowa produktu znajduje się pod przednim wlotem powietrza z korpusem centralnym. Ta ostatnia wykonana jest w formie stożkowej owiewki i może poruszać się wzdłuż osi silnika, aby zmienić dopływ powietrza do układu. W niektórych trybach dopływ powietrza jest całkowicie zablokowany.
Bezpośrednio za urządzeniem dolotowym znajduje się układ chłodzenia powietrza wlotowego. Oczekuje się, że podczas lotu z dużą prędkością powietrze wlotowe zostanie podgrzane do temperatury 1000°C lub wyższej. Specjalna chłodnica wstępna z kilkoma tysiącami cienkich rurek wypełnionych ciekłym helem powinna w ułamku sekundy obniżyć temperaturę powietrza do wartości ujemnych. Zapewniony jest system przeciwoblodzeniowy.
Centralną część silnika zajmuje tzw. rdzeń - specjalny kompresor przeznaczony do sprężania wchodzącego powietrza przed wysłaniem do komory spalania. SABRE jest pod tym względem podobny do tradycyjnych silników turboodrzutowych, brakuje mu jednak turbiny za komorą spalania i kilku innych elementów. Napęd sprężarki zapewnia turbina pobierająca energię z układu chłodzenia powietrzem.
Komora spalania SABRE jest podobna do silników rakietowych na paliwo ciekłe. Za pomocą turbopompy proponuje się dostarczanie paliwa i utleniacza - gazowego powietrza lub ciekłego tlenu, w zależności od trybu pracy. W obu trybach jako paliwo wykorzystywany jest skroplony wodór.
Prototypowy system chłodzenia powietrzem
Wokół głównej komory spalania znajduje się druga komora podobna do silnika strumieniowego. Jest przeznaczony do pracy w określonych trybach i zwiększania całkowitego ciągu silnika. Podobnie jak główna komora spalania, pomocnicza z bezpośrednim przepływem zasilana jest wodorem.
Obecnie celem projektu SABRE jest opracowanie silnika hybrydowego o wystarczająco wysokich osiągach i ograniczonych wymiarach. Gotowy produkt musi być nie większy niż seryjny Pratt & Whitney F135 - nie dłuższy niż 5,6 m i mniej niż 1,2 m średnicy. Jednocześnie należy zapewnić wszechstronność i wysoką wydajność.
W zależności od trybu pracy, ta wersja SABRE będzie mogła latać z prędkością do M=25. Maksymalny ciąg w trybie „powietrznym” osiągnie 350 kN, w trybie rakietowym - 500 kN. Główną pozytywną cechą będzie możliwość rozwiązania wszystkich problemów za pomocą jednego silnika.
Tryby działania
Silnik SABRE może być stosowany w pojazdach różnych klas, przede wszystkim w samolotach kosmicznych. Obecność kilku trybów działania zapewni możliwość poziomego startu i lądowania, lotu w atmosferze i wejścia na orbitę.
„Rdzeń” silnika. Widoczne koło kompresora
Start i lot w atmosferze musi odbywać się w pierwszym trybie pracy silnika. W takim przypadku wlot powietrza jest otwarty, a „rdzeń” dostarcza sprężone powietrze do komory spalania. Po przyspieszeniu do wysokich prędkości naddźwiękowych włącza się komora spalania o przepływie bezpośrednim. Zastosowanie dwóch torów, według obliczeń, zapewnia prędkość lotu do M=5,4.
Do dalszego podkręcania używany jest trzeci tryb. Na nim wlot powietrza jest zablokowany, a ciekły tlen jest dostarczany do głównej komory spalania. W rzeczywistości SABRE staje się w tej konfiguracji jak tradycyjny silnik rakietowy. Ten tryb zapewnia maksymalną wydajność lotu.
Сферы применения
Do tej pory silnik hybrydowy od REL istnieje tylko w formie dokumentacji i pojedynczych jednostek, ale jego zakres został już zdefiniowany. Takie elektrownie powinny być interesujące w kontekście dalszego rozwoju lotnictwo i kosmonautyka, m.in. na skrzyżowaniu tych dwóch kierunków.
SABRE lub podobny produkt przyda się w tworzeniu zaawansowanych hipersonicznych samolotów atmosferycznych o różnym przeznaczeniu. Przy użyciu takich technologii możliwe jest tworzenie samolotów transportowych, pasażerskich czy bojowych.
Jednostki zewnętrzne głównej komory spalania
Pełen potencjał silnika hybrydowego można odblokować za pomocą samolotu lotniczego. W tym przypadku SABRE zapewni poziomy start i lądowanie, a także osiągnięcie wymaganych wysokości, a następnie przyspieszenie i lot na orbitę. Kosmonolot z silnikami hybrydowymi powinien mieć istotne zalety, które ułatwią jego obsługę.
Rozwiązania SABRE mogą być wdrażane jako oddzielne komponenty. Tak więc w REL wierzą, że opracowany system chłodzenia powietrza wlotowego może być wykorzystany w modernizacji istniejących lub w rozwoju obiecujących silników turboodrzutowych. Najciekawsze wyniki z tego można uzyskać w dziedzinie lotnictwa dużych prędkości.
W swej istocie projekt SABER oferuje zestaw kluczowych technologii do budowy hybrydowego silnika wielotrybowego. Na ich podstawie możesz stworzyć prawdziwy produkt o wymaganych wymiarach o określonych cechach. Do pierwszych testów powstaje średniej wielkości SZABLA o wysokiej wydajności. W przypadku zainteresowania klientów mogą pojawić się nowe modyfikacje spełniające określone wymagania.
Ćwiczyć
Pierwsze badania i testy w ramach projektu SABRE miały miejsce na początku dziesiątych lat i miały na celu poszukiwanie optymalnych rozwiązań konstrukcyjnych. Do tej pory firma REL zakończyła rozwój projektu i rozpoczęła proces testowania poszczególnych elementów silnika hybrydowego.
Chłodnica wstępna na stojaku. Wskazano główne cechy jego pracy
Kilka tygodni temu firma deweloperska ogłosiła testy laboratoryjne układu chłodzenia powietrzem. W trakcie badania prędkość powietrza na wlocie do urządzenia osiągnęła М=5, temperatura wynosiła 1000°C. Poinformowano, że prototyp z powodzeniem poradził sobie ze swoimi zadaniami i zapewnił ostry i szybki spadek temperatury przepływu. Nie podano jednak żadnych konkretnych liczb.
Wcześniej informowano o kontrolach innych elementów silnika. Ukończenie wszystkich tych czynności pozwala firmie REL przejść do montażu pełnoprawnego silnika eksperymentalnego. Jego pojawienie się ma nastąpić w latach 2020-21. Równolegle odbędą się testy stanowiskowe, na podstawie których będzie można określić realne perspektywy rozwoju.
Reaction Engines Limited bardzo docenia swój nowy projekt i wierzy, że ma przed sobą wspaniałą przyszłość. Na ile obiektywne są takie oceny i czy odpowiadają rzeczywistości, nie jest do końca jasne. Odpowiedź na takie pytania można udzielić dopiero za kilka lat, po wykonaniu wszystkich niezbędnych działań i stworzeniu prawdziwego samolotu z silnikami SABRE.
informacja