Silnik odrzutowy Sabre
Rząd Wielkiej Brytanii oświadczył, że jest gotów zainwestować 60 mln funtów (prawie 3 mld rubli) w projekt prywatnej firmy Reaction Engines. Inżynierowie firmy chcą zbudować działający model zupełnie nowego komercyjnego silnika odrzutowego. Silnik ten będzie nosił nazwę Sabre - skrót od wyrażenia Synergetic Air-Breathing Rocket Engine (synergiczny silnik rakietowy z oddychaniem powietrzem). Obecnie testy laboratoryjne prototypów nowego silnika zostały już pomyślnie zakończone, co stało się dodatkowym bodźcem dla państwa do inwestowania w ten projekt.
Samolot napędzany silnikami Sabre będzie mógł dolecieć na skraj stratosfery w zaledwie 15 minut, a dystans np. z Australii do Stanów Zjednoczonych pokonać w zaledwie 4 godziny. Prędkość takiego samolotu natychmiast przekroczyłaby prędkość dźwięku o 5 razy. Reaction Engines planuje obecnie napędzać swój słynny samolot Skylon nowym silnikiem, który potencjalnie może osiągnąć prędkość 5635 km/h. Według przedstawicieli brytyjskiej firmy Skylon ma wszelkie szanse stać się prawdziwym „statekiem kosmicznym” i latać na niskiej orbicie okołoziemskiej.
Tradycyjne silniki, które są dziś używane w lotnictwo, wymagają przewożenia specjalnych zbiorników wypełnionych ciekłym tlenem, jeżeli samolot rozwija w locie prędkość większą niż 3000 km/h. Takie samoloty nie mogą „oddychać” zwykłym powietrzem, gdyż rozgrzałyby się do bardzo wysokich temperatur. Jednocześnie silnik Sabre pozwala na użycie powietrza zamiast ciekłego tlenu: jest wyposażony w cały system rurek wypełnionych helem. Gdy powietrze przechodzi przez te rurki, hel chłodzi je, a tlen o odpowiedniej temperaturze (-150 stopni Celsjusza zamiast pierwotnych 1000 stopni) jest dostarczany bezpośrednio do silnika.
Opracowany przez Reaction Engines silnik Sabre może działać w 2 trybach: jako silnik odrzutowy i jako silnik rakietowy. Według przedstawicieli firmy zastosowanie tego silnika w samolocie Skylon pozwoli mu 5-krotnie przekroczyć prędkość dźwięku w ziemskiej atmosferze, a na otwartej przestrzeni 25-krotnie. Kluczowym elementem tego silnika, który pozwoli mu efektywnie pracować w atmosferze, jest chłodnica wstępna, w której napływające powietrze zaburtowe o temperaturze około 1000 stopni jest schładzane do temperatury -150 stopni w zaledwie jednej setnej sekundy.
Gdy Skylon wejdzie w kosmos, można go wprowadzić w tak zwany „tryb kosmiczny”. W takim przypadku samolot będzie mógł pozostać na niskiej orbicie okołoziemskiej przez 36 godzin. Ten czas jest więcej niż wystarczający np. na wystrzelenie satelity. Będzie to jednak technologia bardzo opłacalna. Według Alana Bonda, który jest założycielem firmy, ilość potrzebna do wystrzelenia satelitów i innych podobnych misji może zostać natychmiast zmniejszona o 95%, jeśli zostanie uruchomiona komercyjna produkcja silników Sabre.
Ponadto nowe statki kosmiczne zbudowane na silnikach odrzutowych mogą stać się bardzo dobrą perspektywą na rynku turystyki kosmicznej. W tym przypadku brytyjska firma Reaction Engines mogłaby stać się bardzo silnym konkurentem dla Virgin Galactic, której właścicielem jest Richard Branson. Teraz miliarder oferuje wszystkim możliwość obejrzenia naszej planety przez okno za jedyne 121 tysięcy funtów (prawie 6 milionów rubli). Przedstawiciele Reaction Engines twierdzą, że lot ich statkiem kosmicznym Skylon będzie kosztował turystów kosmicznych znacznie mniej, chociaż nie mówią jeszcze o tym, ile dokładnie. Więcej szczegółów na temat planów rządu Wielkiej Brytanii dotyczących finansowania tego ambitnego projektu poznamy podczas specjalnej konferencji kosmicznej (UK Space Conference) w Glasgow.
Historia wystąpienia
Pomysł zaprojektowania wstępnie chłodzonego silnika pojawił się po raz pierwszy w 1955 r. Robert Carmichael. Pomysł ten został poprzedzony pomysłem na ciekły silnik powietrzny (LACE), który został pierwotnie opracowany przez Marquardt i General Dynamics w latach 60. XX wieku w ramach prac US Air Force nad projektem Aerospaceplane.
Jednak prace nad projektem nowego silnika Sabre rozpoczęły się dopiero w 1989 roku iw tym roku powstała firma Reaction Engines Limited. Specjaliści firmy kontynuowali prace nad projektem, rozwijając przedstawione wcześniej pomysły. W rezultacie stworzenie hybrydowego silnika Sabre zajęło 22-osobowemu zespołowi badawczo-rozwojowemu 30 lata. Owocem ich wysiłków była budowa makiety silnika, która została zamontowana w samolocie Skylon, który był pokazywany na Farnborough Air Show.
Najnowsze testy przeprowadzone przez Reaction Engines dotyczyły technologii wstępnego chłodzenia powietrza. Obecnie specjaliści tej firmy, mając w rękach sprawną technologię, opracowują prototypowy układ chłodzenia. Próbka ta powinna mieć stosunkowo niską wagę, a także wykazywać stabilność aerodynamiczną, wysoką wytrzymałość mechaniczną i odporność na silne wibracje. Zgodnie z planami firmy, testy prototypowej chłodnicy miały rozpocząć się w sierpniu 2012 roku.
Do listopada 2012 r. firma Reaction Engines zakończyła testy sprzętu w ramach projektu technologii wymienników ciepła o znaczeniu krytycznym dla projektu hybrydowego silnika rakietowego z powietrzem i ciekłym tlenem. Był to bardzo ważny etap w procesie tworzenia silnika hybrydowego, który udowodnił wszystkim potencjalnym inwestorom projektu wykonalność prezentowanych technologii. Silnik Sabre jest oparty na wymienniku ciepła, który może schłodzić wchodzące powietrze do -150°C (-238°F). Podczas pracy schłodzone powietrze miesza się z ciekłym wodorem, po czym spalając zapewnia niezbędny ciąg do lotu atmosferycznego, przed przejściem na ciekły tlen ze zbiorników podczas lotu poza ziemską atmosferę. Pomyślnie przeprowadzone testy tej dość krytycznej technologii potwierdziły w praktyce, że wymiennik ciepła jest w stanie zaspokoić potrzeby silnika hybrydowego w zakresie pozyskiwania niezbędnej ilości tlenu z atmosfery do pracy z wysoką wydajnością w warunkach lotu na małych wysokościach.
Na Farnborough Air Show w 2012 roku David Willetts, który jest brytyjskim ministrem uniwersytetów i nauki, pochwalił ten rozwój. W szczególności minister powiedział, że ten hybrydowy silnik może naprawdę wpłynąć na warunki gry, które ukształtowały się dziś w przemyśle kosmicznym. Udany test układu wstępnego chłodzenia silnika był potwierdzeniem wysokiego uznania proponowanej koncepcji, którą w 2010 roku wygłosiła brytyjska Agencja Kosmiczna. Minister zwrócił też uwagę na fakt, że jeśli kiedyś uda im się wykorzystać tę technologię do organizacji własnych lotów komercyjnych, to niewątpliwie będzie to wydarzenie fantastyczne pod względem skali.
David Willetts zwrócił również uwagę na to, że są małe szanse, aby Europejska Agencja Kosmiczna zgodziła się na finansowanie projektu Skylon. Z tego powodu Wielka Brytania musi być przygotowana na to, że będzie musiała zbudować statek kosmiczny w większości z własnych środków.
produktywność
Zakłada się, że obliczony stosunek ciągu do masy hybrydowego silnika Sabre wynosi ponad 14 jednostek. Warto zauważyć, że stosunek ciągu do masy zwykłych silników odrzutowych mieści się w granicach 5 jednostek, a tylko 2 jednostki w przypadku naddźwiękowych silników strumieniowych. Ten wysoki poziom osiągów osiągnięto dzięki zastosowaniu superschłodzonego powietrza, które staje się bardzo gęste i wymaga mniejszej kompresji, a co ważniejsze, niskie temperatury robocze umożliwiły stosowanie wystarczająco lekkich stopów w większości konstrukcji silników hybrydowych.
Silnik ma wysoki impuls właściwy w atmosferze, który sięga 3500 sekund. Dla porównania, zwykły silnik rakietowy ma impuls właściwy, który w najlepszym przypadku wynosi około 450 sekund, a nawet „termiczny” silnik rakietowy, który uchodzi za obiecujący, obiecuje osiągnąć wartość zaledwie 900 sekund.
Połączenie niskiej masy silnika i wysokiej wydajności paliwowej daje obiecującemu samolotowi Skylon możliwość wchodzenia na orbitę w trybie jednostopniowym, podczas gdy silnik pracuje jako silnik odrzutowy do prędkości M=5,14 i wysokości lotu 28,5 km. Jednocześnie pojazd lotniczy jest w stanie wejść na orbitę z bardzo dużym ładunkiem w stosunku do masy startowej samego samolotu. Czego wcześniej nie mógł osiągnąć żaden samolot niejądrowy.
Zalety silnika
W przeciwieństwie do swoich tradycyjnych odpowiedników rakietowych i innych typów silników odrzutowych, nowy brytyjski hybrydowy silnik odrzutowy może wykorzystywać powietrze do spalania paliwa, co zmniejsza wymaganą masę paliwa przy jednoczesnym zwiększeniu masy ładunku. Scramjet (ramjet) i naddźwiękowy silnik strumieniowy (scramjet) muszą spędzić wystarczająco dużo czasu w niższej atmosferze, aby osiągnąć prędkość wystarczającą do osiągnięcia orbity, co z kolei wysuwa na pierwszy plan problem intensywnego nagrzewania się silnika przy prędkościach naddźwiękowych, a także możliwych strat ze względu na złożoność ochrony termicznej i znaczną wagę.
Jednocześnie hybrydowy silnik odrzutowy, taki jak Sabre, musi tylko osiągnąć niską prędkość hipersoniczną (warto przypomnieć, że hipersoniczny to wszystko po M=5) w niższych warstwach atmosfery Ziemi, zanim przejdzie w zamknięty cykl działania i wykona strome wspinać się z przyspieszenia w trybie rakietowym.
W przeciwieństwie do tradycyjnych silników strumieniowych lub scramjet, nowy silnik English Sabre jest w stanie zapewnić wysoki ciąg od prędkości zerowej do M=5,14 włącznie, w całym zakresie wysokości, z bardzo dobrą wydajnością w całym zakresie wysokości. Ponadto zdolność do generowania ciągu nawet przy zerowej prędkości wskazuje na możliwość przetestowania silnika hybrydowego na ziemi, co znacznie obniża koszty rozwoju.
Szacunkowa charakterystyka silnika Sabre:
Ciąg na poziomie morza - 1960 kN
Nacisk w pustkę - 2940 kN
Stosunek ciągu do masy - około 14 (w atmosferze)
Impuls właściwy w próżni wynosi 460 sekund.
Impuls właściwy na poziomie morza wynosi 3600 sekund.
Źródła informacji:
-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
Samolot napędzany silnikami Sabre będzie mógł dolecieć na skraj stratosfery w zaledwie 15 minut, a dystans np. z Australii do Stanów Zjednoczonych pokonać w zaledwie 4 godziny. Prędkość takiego samolotu natychmiast przekroczyłaby prędkość dźwięku o 5 razy. Reaction Engines planuje obecnie napędzać swój słynny samolot Skylon nowym silnikiem, który potencjalnie może osiągnąć prędkość 5635 km/h. Według przedstawicieli brytyjskiej firmy Skylon ma wszelkie szanse stać się prawdziwym „statekiem kosmicznym” i latać na niskiej orbicie okołoziemskiej.
Tradycyjne silniki, które są dziś używane w lotnictwo, wymagają przewożenia specjalnych zbiorników wypełnionych ciekłym tlenem, jeżeli samolot rozwija w locie prędkość większą niż 3000 km/h. Takie samoloty nie mogą „oddychać” zwykłym powietrzem, gdyż rozgrzałyby się do bardzo wysokich temperatur. Jednocześnie silnik Sabre pozwala na użycie powietrza zamiast ciekłego tlenu: jest wyposażony w cały system rurek wypełnionych helem. Gdy powietrze przechodzi przez te rurki, hel chłodzi je, a tlen o odpowiedniej temperaturze (-150 stopni Celsjusza zamiast pierwotnych 1000 stopni) jest dostarczany bezpośrednio do silnika.
Opracowany przez Reaction Engines silnik Sabre może działać w 2 trybach: jako silnik odrzutowy i jako silnik rakietowy. Według przedstawicieli firmy zastosowanie tego silnika w samolocie Skylon pozwoli mu 5-krotnie przekroczyć prędkość dźwięku w ziemskiej atmosferze, a na otwartej przestrzeni 25-krotnie. Kluczowym elementem tego silnika, który pozwoli mu efektywnie pracować w atmosferze, jest chłodnica wstępna, w której napływające powietrze zaburtowe o temperaturze około 1000 stopni jest schładzane do temperatury -150 stopni w zaledwie jednej setnej sekundy.
Gdy Skylon wejdzie w kosmos, można go wprowadzić w tak zwany „tryb kosmiczny”. W takim przypadku samolot będzie mógł pozostać na niskiej orbicie okołoziemskiej przez 36 godzin. Ten czas jest więcej niż wystarczający np. na wystrzelenie satelity. Będzie to jednak technologia bardzo opłacalna. Według Alana Bonda, który jest założycielem firmy, ilość potrzebna do wystrzelenia satelitów i innych podobnych misji może zostać natychmiast zmniejszona o 95%, jeśli zostanie uruchomiona komercyjna produkcja silników Sabre.
Ponadto nowe statki kosmiczne zbudowane na silnikach odrzutowych mogą stać się bardzo dobrą perspektywą na rynku turystyki kosmicznej. W tym przypadku brytyjska firma Reaction Engines mogłaby stać się bardzo silnym konkurentem dla Virgin Galactic, której właścicielem jest Richard Branson. Teraz miliarder oferuje wszystkim możliwość obejrzenia naszej planety przez okno za jedyne 121 tysięcy funtów (prawie 6 milionów rubli). Przedstawiciele Reaction Engines twierdzą, że lot ich statkiem kosmicznym Skylon będzie kosztował turystów kosmicznych znacznie mniej, chociaż nie mówią jeszcze o tym, ile dokładnie. Więcej szczegółów na temat planów rządu Wielkiej Brytanii dotyczących finansowania tego ambitnego projektu poznamy podczas specjalnej konferencji kosmicznej (UK Space Conference) w Glasgow.
Historia wystąpienia
Pomysł zaprojektowania wstępnie chłodzonego silnika pojawił się po raz pierwszy w 1955 r. Robert Carmichael. Pomysł ten został poprzedzony pomysłem na ciekły silnik powietrzny (LACE), który został pierwotnie opracowany przez Marquardt i General Dynamics w latach 60. XX wieku w ramach prac US Air Force nad projektem Aerospaceplane.
Jednak prace nad projektem nowego silnika Sabre rozpoczęły się dopiero w 1989 roku iw tym roku powstała firma Reaction Engines Limited. Specjaliści firmy kontynuowali prace nad projektem, rozwijając przedstawione wcześniej pomysły. W rezultacie stworzenie hybrydowego silnika Sabre zajęło 22-osobowemu zespołowi badawczo-rozwojowemu 30 lata. Owocem ich wysiłków była budowa makiety silnika, która została zamontowana w samolocie Skylon, który był pokazywany na Farnborough Air Show.
Najnowsze testy przeprowadzone przez Reaction Engines dotyczyły technologii wstępnego chłodzenia powietrza. Obecnie specjaliści tej firmy, mając w rękach sprawną technologię, opracowują prototypowy układ chłodzenia. Próbka ta powinna mieć stosunkowo niską wagę, a także wykazywać stabilność aerodynamiczną, wysoką wytrzymałość mechaniczną i odporność na silne wibracje. Zgodnie z planami firmy, testy prototypowej chłodnicy miały rozpocząć się w sierpniu 2012 roku.
Do listopada 2012 r. firma Reaction Engines zakończyła testy sprzętu w ramach projektu technologii wymienników ciepła o znaczeniu krytycznym dla projektu hybrydowego silnika rakietowego z powietrzem i ciekłym tlenem. Był to bardzo ważny etap w procesie tworzenia silnika hybrydowego, który udowodnił wszystkim potencjalnym inwestorom projektu wykonalność prezentowanych technologii. Silnik Sabre jest oparty na wymienniku ciepła, który może schłodzić wchodzące powietrze do -150°C (-238°F). Podczas pracy schłodzone powietrze miesza się z ciekłym wodorem, po czym spalając zapewnia niezbędny ciąg do lotu atmosferycznego, przed przejściem na ciekły tlen ze zbiorników podczas lotu poza ziemską atmosferę. Pomyślnie przeprowadzone testy tej dość krytycznej technologii potwierdziły w praktyce, że wymiennik ciepła jest w stanie zaspokoić potrzeby silnika hybrydowego w zakresie pozyskiwania niezbędnej ilości tlenu z atmosfery do pracy z wysoką wydajnością w warunkach lotu na małych wysokościach.
Na Farnborough Air Show w 2012 roku David Willetts, który jest brytyjskim ministrem uniwersytetów i nauki, pochwalił ten rozwój. W szczególności minister powiedział, że ten hybrydowy silnik może naprawdę wpłynąć na warunki gry, które ukształtowały się dziś w przemyśle kosmicznym. Udany test układu wstępnego chłodzenia silnika był potwierdzeniem wysokiego uznania proponowanej koncepcji, którą w 2010 roku wygłosiła brytyjska Agencja Kosmiczna. Minister zwrócił też uwagę na fakt, że jeśli kiedyś uda im się wykorzystać tę technologię do organizacji własnych lotów komercyjnych, to niewątpliwie będzie to wydarzenie fantastyczne pod względem skali.
David Willetts zwrócił również uwagę na to, że są małe szanse, aby Europejska Agencja Kosmiczna zgodziła się na finansowanie projektu Skylon. Z tego powodu Wielka Brytania musi być przygotowana na to, że będzie musiała zbudować statek kosmiczny w większości z własnych środków.
produktywność
Zakłada się, że obliczony stosunek ciągu do masy hybrydowego silnika Sabre wynosi ponad 14 jednostek. Warto zauważyć, że stosunek ciągu do masy zwykłych silników odrzutowych mieści się w granicach 5 jednostek, a tylko 2 jednostki w przypadku naddźwiękowych silników strumieniowych. Ten wysoki poziom osiągów osiągnięto dzięki zastosowaniu superschłodzonego powietrza, które staje się bardzo gęste i wymaga mniejszej kompresji, a co ważniejsze, niskie temperatury robocze umożliwiły stosowanie wystarczająco lekkich stopów w większości konstrukcji silników hybrydowych.
Silnik ma wysoki impuls właściwy w atmosferze, który sięga 3500 sekund. Dla porównania, zwykły silnik rakietowy ma impuls właściwy, który w najlepszym przypadku wynosi około 450 sekund, a nawet „termiczny” silnik rakietowy, który uchodzi za obiecujący, obiecuje osiągnąć wartość zaledwie 900 sekund.
Połączenie niskiej masy silnika i wysokiej wydajności paliwowej daje obiecującemu samolotowi Skylon możliwość wchodzenia na orbitę w trybie jednostopniowym, podczas gdy silnik pracuje jako silnik odrzutowy do prędkości M=5,14 i wysokości lotu 28,5 km. Jednocześnie pojazd lotniczy jest w stanie wejść na orbitę z bardzo dużym ładunkiem w stosunku do masy startowej samego samolotu. Czego wcześniej nie mógł osiągnąć żaden samolot niejądrowy.
Zalety silnika
W przeciwieństwie do swoich tradycyjnych odpowiedników rakietowych i innych typów silników odrzutowych, nowy brytyjski hybrydowy silnik odrzutowy może wykorzystywać powietrze do spalania paliwa, co zmniejsza wymaganą masę paliwa przy jednoczesnym zwiększeniu masy ładunku. Scramjet (ramjet) i naddźwiękowy silnik strumieniowy (scramjet) muszą spędzić wystarczająco dużo czasu w niższej atmosferze, aby osiągnąć prędkość wystarczającą do osiągnięcia orbity, co z kolei wysuwa na pierwszy plan problem intensywnego nagrzewania się silnika przy prędkościach naddźwiękowych, a także możliwych strat ze względu na złożoność ochrony termicznej i znaczną wagę.
Jednocześnie hybrydowy silnik odrzutowy, taki jak Sabre, musi tylko osiągnąć niską prędkość hipersoniczną (warto przypomnieć, że hipersoniczny to wszystko po M=5) w niższych warstwach atmosfery Ziemi, zanim przejdzie w zamknięty cykl działania i wykona strome wspinać się z przyspieszenia w trybie rakietowym.
W przeciwieństwie do tradycyjnych silników strumieniowych lub scramjet, nowy silnik English Sabre jest w stanie zapewnić wysoki ciąg od prędkości zerowej do M=5,14 włącznie, w całym zakresie wysokości, z bardzo dobrą wydajnością w całym zakresie wysokości. Ponadto zdolność do generowania ciągu nawet przy zerowej prędkości wskazuje na możliwość przetestowania silnika hybrydowego na ziemi, co znacznie obniża koszty rozwoju.
Szacunkowa charakterystyka silnika Sabre:
Ciąg na poziomie morza - 1960 kN
Nacisk w pustkę - 2940 kN
Stosunek ciągu do masy - około 14 (w atmosferze)
Impuls właściwy w próżni wynosi 460 sekund.
Impuls właściwy na poziomie morza wynosi 3600 sekund.
Źródła informacji:
-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
informacja