- Три в одному
- Чи не ракета, що не літак
- Найпотужніший холодильник в світі
- Дуже швидкий гібрид
- запарилися
- Клин клином
- одні проблеми
Через десять років після вдалого штурму космосу кілька країн затіяли надзвичайно амбітні проекти по його подальшого освоєння. У 1971 році США запустили програму Space Shuttle, через п'ять років СРСР почав розробку системи «Енергія - Буран», а ще через шість років до гонки підключилася Великобританія з проектом HOTOL (Horizontal Take-Off and Landing).
Багато фахівців вважають саме англійська проект найреволюційнішим: якщо США і СРСР розвивали традиційні ракетні технології, закладені ще Вернером фон Брауном, то Великобританія вирішила створити принципово новий повітряно-космічний літак. Самим апаратом займалася British Aerospace, а унікальний повітряно-реактивний двигун мала розробити компанія Rolls-Royce. Планувалося, що HOTOL буде злітати з розгінної аеродромної візки, двигун почне працювати в повітряно-реактивному режимі (до висоти близько 28 км), використовуючи в якості окислювача забортний повітря, після чого перейде в режим класичного ракетного рідинного двигуна. Створення такого двигуна і зараз завдання майже фантастична, що ж говорити про вісімдесятих роках. Досить скоро Rolls-Royce зіткнулася з низкою труднощів, які спричинили незапланований зростання витрат на дослідницькі роботи. В результаті British Aerospace вирішила відмовитися від революційного двигуна і вступити в кооперацію з СРСР, перейменувавши проект в Interim HOTOL. Апарат планували оснастити радянськими ЖРД і запускати з модифікованого літака Ан-225. Співпраця почалася в 1991-му, проте в цьому ж році Радянський Союз припинив своє існування, поховавши під своїми уламками і спільний проект.
HOTOL Безпілотний апарат був призначений для доставки корисного навантаження масою близько 7-8 т на низьку орбіту висотою 300 км. Він повинен був злітати з злітно-посадкової смуги, розміщуючись на фюзеляжі великого літака-носія з ракетними прискорювачами, які повинні були допомогти розігнати апарат до швидкостей, оптимальних для роботи його двигунів. Двигуни повинні були перемикатися з повітряно-реактивного на ракетний режим роботи при досягненні апаратом швидкості в 5-7 М.
Три в одному
Не всі були згодні з таким станом справ. Після згортання робіт над RB545 в 1989 році провідний конструктор двигуна Алан Бонд забрав з собою двох інженерів Rolls-Royce і заснував власну компанію - Reaction Engines. Вона зосередилася на створенні гібридного двигуна SABRE (Synergistic Air-Breathing Rocket Engine) і розробці інших технологій для втілення проекту космоплана Skylon. Багато експертів вважають, що проект SABRE здатний перевернути сучасну космонавтику і зробити можливим створення одноступінчатого космічного апарату. Він може працювати на першому етапі польоту як турбореактивний двигун, як окислювач забираючи забортний повітря. На другому етапі - як прямоточний двигун, а на третьому - як звичайний ракетний двигун, використовуючи внутрішній бортовий окислювач.
Ідея одноступінчастого багаторазового повітряно-космічного апарату (SSTO, Single Stage to Orbit) далеко не нова, але на шляху її втілення стоїть низка перешкод - низький рівень ваговій віддачі конструкції і недостатній питома імпульс існуючих ракетних двигунів. Це взаємопов'язані параметри: підвищивши питомий імпульс (який показує, скільки секунд даний двигун зможе створювати тягу в 1 Н, витративши при цьому 1 кг палива), ви можете отримати ту ж тягу з меншою витратою палива і окислювача, що дозволяє зробити конструкцію більшої маси. Однак існуючі рідинні ракетні двигуни мають питомий імпульс в вакуумі близько 400 с (рекорд для киснево-водневих КВД1 і RL-10 становить 462 с, двигуни на екзотичних компонентах - наприклад, використовують водень-літій-фтор - дозволяють отримати на сотню більше, проте з ними стільки проблем, що гра не варта свічок).
Порівняльні розміри багаторазових кораблів Проекти кораблів з двигунами SABRE на тлі існуючих човників виглядають як зорельоти з «Зоряних воєн». Це дійсно принципово інші космічні апарати.
Чи не ракета, що не літак
У той же час двигуни сучасних авіалайнерів мають питомий імпульс на порядок вище, наближаючись до цифри 6000 з, і навіть «ненажерливий» двигун надзвукового Concorde мав питомий імпульс всього в два рази нижче - 3000 с (майже в десять разів економічніше космічної ракети). Така радикальна різниця через іншого принципу роботи: повітряно-реактивний двигун на кожну частину палива використовує 14 частин повітря (якщо паливо - водень, то 30), а ракетному доводиться черпати з баків все, що потім полетить в сопло.
Можна, звичайно, використовувати повітряно-реактивний двигун на частини траєкторії виведення, яка проходить крізь щільні шари атмосфери, з його економічністю і відсутністю необхідності в окислювачі. Але не все так просто. Космічна ракета прагне пройти щільні шари атмосфери швидко, проткнув їх на вертикальній ділянці траєкторії, а вже потім завалюючи траєкторію горизонтально. Апарат з ВРД не може дозволити собі такої розкоші - він повинен максимально використовувати безкоштовний окислювач за бортом, тому його траєкторія полога і довгий час проходить в щільних шарах атмосфери, з великою швидкістю польоту на цій ділянці. Весь цей час апарат знаходиться під впливом швидкісного напору потоку, що набігає, що вимагає зміцнення конструкції і підвищення ефективності теплозахисту - і те й інше тягне за собою збільшення ваги. Є ще одна хитрість - можливість використовувати підйомну силу крила: якщо ракета з вертикальним стартом висить на тязі двигунів і при наборі висоти тяга повинна бути більше її ваги, то крилатий апарат з аеродинамічним якістю 5 для набору висоти повинен мати тягу всього лише більше 1/5 ваги. Однак крила - це теж додаткове зростання ваги конструкції. Все це затягується в тугий клубок протиріч, вирішити які на сучасному технологічному рівні, отримавши переваги над багатоступінчастої системою, досить складно.
Найпотужніший холодильник в світі
Алан Бонд зі своєю командою зіткнувся з тими ж проблемами, що і його попередники: серед усієї множини існуючих типів повітряно-реактивних двигунів немає універсалу, кожен з них відрізняється різною ефективністю, кожен хороший в своєму діапазоні швидкостей, має свого роду вузькою спеціалізацією. Турбореактивний двигун відмінно працює в діапазоні від 0 до 3 М, але розгін з його допомогою до великих швидкостей скрутний: повітря при гальмуванні в воздухозаборнике нагрівається так сильно, що подальше стиснення його компресором призводить до зростання температури до величин, які виходять за межі термостійкості матеріалів камери згоряння і турбіни. Прямоточний повітряно-реактивний двигун і гіперзвукової прямоточний повітряно-реактивний двигун (останній відрізняється надзвуковим плином в камері згоряння) відмінно працюють на великих швидкостях (Х-43А досяг 10 М), однак не працюють на малих. Турборакетние двигуни мають низький питомим імпульсом і тяговооруженности (вони важкі для тієї тяги, що створюють). Свого часу великі надії покладали на двигун зі скраплення кисню (LACE, Liquid Air Cycle Engine), в якому кріогенне паливо йде через теплообмінник, забираючи тепло у набігаючого потоку до температури зрідження повітря, далі через сепаратор, де кисень відділяється від азоту і подається в камеру згоряння. Однак такий двигун важкий, конструктивно складний (прощай, надійність) і має підвищену витрату палива (водню на охолодження витрачається більше, ніж можна спалити в камері згоряння з отриманим рідким киснем, а це втрати питомої імпульсу). Втім, від LACE Алан Бонд вирішив запозичити ідею охолоджувати повітряний потік в теплообміннику.
Одна з найбільш складних і важливих деталей SABRE - вакуумний теплообмінник. Він повинен практично миттєво охолоджувати вхідне повітря, яке нагрівається при стискуванні до 1000 ˚C, до температури порядку -140 ˚C. До сих пір це нікому не вдавалося.
В результаті інженери прийшли до необхідності комбінованої силової установки з різних двигунів, в якій кожен працює на своїй ділянці (наприклад, для старту використовується турбореактивний, для високошвидкісного розгону - прямоточний, для позаатмосферних польоту - ракетний). Ракетний двигун - необхідний компонент коктейлю, інші на смак, в різних комбінаціях. Однак це породжує певні проблеми: на всіх режимах польоту потрібно везти мертвий вантаж у вигляді двигуна для іншої ділянки траєкторії, зростає аеродинамічний опір через сопел непрацюючих двигунів. Альтернатива - гібридна силова установка, яка поєднує в собі якості (і агрегати) всіх типів двигуна. Сопло адже потрібно всім? Так навіщо тягти кілька, використовуємо одне для всіх. Повітрозабірник потрібен всім, крім ракетного? Використовуємо один, а потім закриємо урівень, щоб опору не створював. У цьому напрямку і рухалася світова конструкторська думка (навіть силова установка літака SR-71 Blackbird - гібрид турбореактивного і прямоточного двигунів, деякі зенітні ракети використовують ракетно-прямоточний).
Дуже швидкий гібрид
Двигун компанії Reaction Engines - SABRE - цілком підходить на роль ключової технології, за допомогою якої можна розрубати гордіїв вузол протиріч і реалізувати одноступінчатий повітряно-космічний апарат. Цей гібрид поєднує в собі якості турбореактивного (хоча турбіну компресора крутитися не вихлопні гази, а гарячий гелій в замкнутому циклі), прямоточного і ракетного двигунів і працює з достатньою ефективністю на всіх ділянках траєкторії, від злітної смуги до орбіти. Розрахунки Reaction Engines показують, що в разі застосування ЖРД загальна вага корабля і корисного навантаження повинен становити 13% від стартового ваги для виведення корисного навантаження 15 т на низьку опорну орбіту. Двигун SABRE дозволяє при тих же умовах довести вагу корабля з корисним навантаженням до 22% - цифра цілком досяжна при сучасному рівні технологій.
Революційний двигун SABRE розробляється Reaction Engines за підтримки BAE Systems. Очікується, що він зможе підняти літак у повітря і розігнати його до 5 М, після чого перейде в реактивний режим роботи - для швидкостей до 25 М.
SABRE, як і його попередник RB545, - гібридний повітряно-реактивний двигун з предохлажденіем потоку. Тут, як і в LACE, за повітрозабірником варто кріогенний теплообмінник, однак входить потік не зріджується, всього лише охолоджуючись до низьких температур. Далі повітря з температурою близько -140 ° С (до цього він нагрівся при гальмуванні понад 1000 ° С) надходить в простий турбокомпресор з легких сплавів (низька температура повітряного потоку дозволила полегшити його на три чверті в порівнянні з компресором турбореактивного двигуна), що стискає гази до тиску камери згоряння, в якій газоподібний повітря змішується з рідким воднем. При виході з щільних шарів атмосфери повітрозабірник закривається стулками, а камера згоряння харчується рідким киснем з внутрішніх баків. Оскільки витрата водню на охолодження більше, ніж окислювача в отриманому повітрі, надлишок (2/3 потоку, що пройшов теплообмінник) дожигается в другому контурі, змішуючись з тією частиною повітря, яка не надійшла в теплообмінник.
Однак принципова схема в порівнянні з RB545 дещо змінилася: додалася проміжна петля з рідким гелієм - тепер водень охолоджує гелій, а гелій вже відбирає тепло у повітря і, нагрівшись, крутить турбіну компресора і насосів, після чого надходить на повторне охолодження. Це дозволило уникнути проблем водневої крихкості в температурно-напруженому теплообміннику повітрозабірника. Компонування космічного апарату теж змінилася: тонке веретено корпусу оснащено трикутним крилом зі злегка викривленими мотогондолами на його кінцях.
SABRE: історія і передісторія 1903
Перший політ літака братів Райт, оснащеного двигуном
1935
Поява одного з наймасовіших транспортних літаків в історії, Douglas DC-3
тисячу дев'ятсот п'ятьдесят два
Початок комерційної експлуатації реактивного пасажирського авіалайнера de Havilland Comet
тисяча дев'ятсот шістьдесят-два
Запуск першого в світі комерційного супутника Telstar 1
1969
Турбореактивні двоконтурні двигуни роблять Boeing 747 першим далекомагістральним широкофюзеляжним пасажирським літаком
1981
Початок польотів кораблів Space Shuttle
1990
Початок розробки SABRE
2003
Успішне вирішення проблеми обмерзання повітрозабірника
2012
Успішні випробування теплообмінника для системи попереднього охолодження
2013
Британський уряд направляє на підтримку проекту 50 млн фунтів стерлінгів
2015
BAE Systems інвестує в Reaction Engines 20 млн фунтів для створення і випробувань прототипу
запарилися
Історія створення SABRE - це перш за все історія розробки та вдосконалення теплообмінника, оскільки все зав'язано на його характеристики. Він повинен отримати з повітря до 400 МВт тепла, при цьому мати мінімальну вагу, малі габарити, малий гідравлічний опір (щоб забезпечити задану витрату холодоагенту без установки важких насосів), працювати в умовах величезного перепаду температур і тисків, зберігши цілісність протягом усього життєвого циклу апарату, і бути технологічним у виготовленні. За словами Алана Бонда, сучасні промислові теплообмінники такої потужності мають вагу в 30 разів більше, ніж допустимо для застосування на борту одноступінчастого космічного апарату (18 т проти 600 кг, закладених в конструкцію SABRE). Відповідь, як часто буває, підказала природа. Зябра риб мають розгалужену систему капілярів, в яких більш тонка мережу трубочок вливається в товсті судини. Це виявилося саме тим рішенням, яке дозволяє знизити опір току рідини при достатній площі теплообміну. Існуючі теплообмінники, як правило, мають набір трубок рівного діаметра, в новій же конструкції застосовуються вигнуті тонкостінні трубки діаметром 0,9 мм з товщиною стінок 30 нм зі сплаву Inсonel 718, які з'єднують основні трубопроводи більшого діаметра. Для виготовлення застосовується пайка, а отвори в основних трубопроводах пропалює лазером. Був виготовлений дослідний зразок теплообмінника, який помістили перед встановленим на стенді реактивним двигуном Rolls-Royce Viper. Інженери провели цикл наземних випробувань, в яких модуль пройшов 200 робочих циклів по 5 хвилин кожен - більше, ніж за планований життєвий цикл апарату Skylon.
Схема SKYLON 1. Керамічний обтічник; 2. Носові стабілізатори; 3. Бак з рідким киснем; 4. Бак з рідким воднем; 5. Вантажний відсік; 6. Блок управління; 7. Воздухозаборник; 8. Теплообмінник; 9. Двигун SABRE; 10. Орбітальні маневрові двигуни.
При охолодженні повітря до -140 ° С неминуче виникає проблема обмерзання: весь пар (а при цій температурі вже не тільки пар, але і вуглекислий газ), який містився в навколишньому повітрі, перетворюється на лід. При першому пробному запуску теплообмінник за лічені секунди покрився суцільний кіркою льоду, який повністю забив всі канали для повітря. За заявою Reaction Engines, в даний час проблема вирішена, проте компанія уникає навіть найменших натяків на те, яким чином це вдалося, посилаючись на комерційну таємницю. Певне уявлення можна отримати, подивившись, як з обмерзанням справлялися в проекті RB545. Охолодження потоку там проводилося в дві стадії: перший теплообмінник охолоджував повітря до +10 ° С, перетворюючи майже весь пар в туман, а потім уприскування рідкого кисню моментально знижував температуру потоку до -50 ° С. Вся залишилася волога (перед цим опціонально стояв ще Влагоуловітель) моментально перетворювалася в дрібнодисперсні кристали льоду, які не намерзнув на трубки теплообмінника.
Оскільки двигун має високу термодинамічної ефективністю, розробники використовували простий і легкий осесиметричних повітрозабірник з двухскачковой системою гальмування повітряного потоку з підвищенням його тиску до 1,3 бару. Альтернативою був варіант з плоским клином стиснення, представлений на ескізах HOTOL. Він володіє більшою ефективністю (більше число косих стрибків ущільнення мінімізує втрати повного тиску на вході), однак при зміні числа Маха необхідно регулювати кути нахилу безлічі поверхонь, щоб все скачки зійшлися в одну точку. Ця механізація з шарнірами і приводами тягне за собою додаткову вагу. У осесимметричном двухскачковом воздухозаборнике завдання вирішується тільки переміщенням конуса взад-вперед.
Клин клином
Сопло двигуна теж вісокотехнологічній агрегат, Який має Відмінності від класичного дзвони сопла Лаваля, что застосовується на Сучасне рідінніх реактивних двигуна. Суттєвою проблемою.Більше одноступінчатіх апаратів є зміна тиску на зрізі сопла: оптімізоване під вакуум сопло не дасть тієї тяги в атмосфері, и навпаки. В результате вся ділянка Розгон сопло буде працювати то з недорасшіреніем, то з перерасшіренія, что прізведе до Падіння пітомої імпульсу. У багатоступеневих апаратах можна оптимізувати сопло кожного ступеня під тиск на ділянці її роботи (воно теж варіюється, але не в такому широкому діапазоні). У одноступінчатих потрібно або застосовувати сопло змінної геометрії (а це додаткова вага механізмів і приводів), або миритися з втратою ефективності. Вирішити цю проблему дозволяють двигуни з висотної компенсацією, в яких розширюється надзвуковий потік газу тільки з одного боку обмежений стінкою сопла, з іншого ж - зовнішнє середовище. До таких належить кліновоздушний ракетний двигун (aerospike engine, застосовувався в американському проекті Х-33) і expansion-deflection nozzle - саме такий тип сопла розробляється в рамках науково-дослідних програм STERN і STRICT для SABRE. Цей тип сопла має такий же дзвін, як і у сопла Лаваля (правда, коротше і інший геометрії), з центральним тілом по осі, що відхиляє потік до стінок дзвону (за формою схоже на впускний клапан в циліндрі ДВС). За центральним тілом залишається не зайнята вихлопними газами зона, що дозволяє компенсувати вплив тиску навколишнього середовища.
одні проблеми
І це далеко не всі складнощі. Перед інженерами Reaction Engines варто ряд інших завдань: створення систем охолодження камери згоряння (на атмосферному ділянці польоту пропонується охолоджувати повітрям, пропущеним через сорочку, поза атмосферою - рідким киснем), відпрацювання сопел системи орбітального маневрування, проміжного теплообмінника між воднем і гелієм (пропонується використовувати керамічну матрицю), турбіни для рідкого гелію (тут планується застосовувати оригінальну систему з робочими колесами протилежного напрямку обертання) і рішення аеродинамічні їх проблем з конструкцією самого космічного корабля.
Всі ці роботи виконуються в основному на гроші приватних інвесторів з мінімальним залученням бюджетного фінансування. При цьому складність виникаючих проблем перевищує можливості сучасного комп'ютерного моделювання, і багато чого доводиться вирішувати експериментом на натурних стендах (так, для відпрацювання геометрії сопел планується запуск суборбітальній ракети, яка пройде атмосферний ділянку з тим же числом Маха на заданій висоті, в планах і створення літального апарату для відпрацювання компонування мотогондоли). Ще недавно Алан Бонд говорив, що перший політ планується в 2029 році, а зараз називає вже 2024 рік. І це буде літак, який виведе на кругову орбіту 1300 кг. Успіх цих робіт може істотно знизити ціну виведення вантажу на орбіту, зробити ближній космос настільки ж доступним, як Антарктика, а технології двигунів з предохлажденіем можна використовувати і на Землі - для повітряних перевезень з гіперзвукової швидкістю.
Грудня минулого року приніс свіжі новини: поряд з зводяться в Великобританії (Уесткотт, графство Бакінгемшир) випробувальним стендом для двигуна SABRE Reaction Engines почала будівництво ще одного стенду в США. Роботи ведуться на кошти гранту, виділеного DARPA. А це значить, що до фінансування підключився Пентагон. На стенді буде випробовуватися система предохлажденія перспективної силової установки.
Стаття «Двигун для космолета» опублікована в журналі «Популярна механіка» ( №2, Березень 2018 ).
Сопло адже потрібно всім?Повітрозабірник потрібен всім, крім ракетного?
