SABER (rakettmotor) - SABRE (rocket engine)

SABEL
Sabre-modell.jpg
En modell av SABER
Opprinnelsesland Storbritannia
Designer Reaction Engines Limited
applikasjon En-trinns-til-bane
Tilhørende LV Skylon
Forgjenger RB545
Status Forskning og utvikling
Flytende drivstoffmotor
Drivmiddel Luft eller flytende oksygen / flytende hydrogen
Syklus Kombinert syklus forkjølt jetmotor og rakettmotor med lukket syklus
Opptreden
Trykk (vakuum) Ca. 2940 kN (660 000 lb f )
Kraft (havnivå) Ca. 1.960 kN (440.000 lb f )
Trykk-til-vekt-forhold Opptil 14 (atmosfærisk)
Spesifikk impuls (vakuum) 460 sekunder (4,5 km/s)
Spesifikk impuls (havnivå) 3600 sekunder (1,0 lb/(lbf⋅h); 35 km/s)

SABER ( Synergetic Air Breathing Rocket Engine ) er et konsept under utvikling av Reaction Engines Limited for en hypersonisk forkjølt hybrid luftpustende rakettmotor . Motoren blir designet for å oppnå enkelttrinns-til-bane- evne, og driver det foreslåtte Skylon- romflyet til lav bane rundt jorden. SABER er en utvikling av Alan Bonds serie LACE -lignende design som startet tidlig/midten av 1980 -tallet for HOTOL -prosjektet.

Designet består av en enkelt kombinert syklus rakettmotor med to driftsmåter. Luftpustemodusen kombinerer en turbo- kompressor med en lett luftforkjølere plassert like bak innløpskeglen . Ved høye hastigheter avkjøler denne forkjøleren den varme, ramkomprimerte luften, som ellers ville nå en temperatur som motoren ikke kunne tåle, noe som fører til et veldig høyt trykkforhold inne i motoren. Den komprimerte luft blir deretter matet inn i rakettbrennkammeret , hvor det blir antent sammen med lagrede flytende hydrogen . Høytrykksforholdet tillater motoren å gi høyt trykk ved svært høye hastigheter og høyder. Den lave temperaturen i luften tillater konstruksjoner av lett legering og tillater en veldig lett motor - avgjørende for å nå bane. I tillegg, i motsetning til LACE -konseptet, flyter ikke SABREs forkjøler luften og lar den gå mer effektivt.

Etter å ha stengt innløpskonusen av på Mach  5,14, og i en høyde på 28,5 km, fortsetter systemet som en lukket syklus med høy ytelse rakettmotor brenning flytende oksygen og flytende hydrogen fra omborddrivstofftanker, noe som muliggjør en hybrid spaceplane konsept som Skylon for å nå banehastigheten etter å ha forlatt atmosfæren på en bratt stigning.

En motor avledet fra SABER -konseptet kalt Scimitar er designet for selskapets A2 hypersoniske passasjerflyforslag for den EU -finansierte LAPCAT -studien.

Historie

Den kjøler konsept utviklet seg fra en idé stammer av Robert P. Carmichael i 1955. Dette ble etterfulgt av flytende luft takts motor (LACE) idé som opprinnelig ble utforsket av General Dynamics i 1960 som en del av US Air Force 's aerospaceplane innsats .

LACE -systemet skulle plasseres bak et supersonisk luftinntak som ville komprimere luften gjennom kompresjon, deretter ville en varmeveksler raskt avkjøle den ved å bruke noe av det flytende hydrogenbrenselet som er lagret om bord. Den resulterende flytende luften ble deretter behandlet for å skille flytende oksygen for forbrenning. Mengden oppvarmet hydrogen var for stor til å brenne med oksygenet, så det meste skulle bli utvist, noe som gir nyttig kraft, men reduserte den potensielle effektiviteten kraftig.

I stedet, som en del av HOTOL -prosjektet, ble den flytende luftsyklusmotoren (LACE) basert på RB545 -motoren utviklet med en mer effektiv syklus. Motoren fikk Rolls Royce -navnet "Swallow". I 1989, etter at finansiering for HOTOL opphørte, dannet Bond og flere andre Reaction Engines Limited for å fortsette forskningen. RB545s forkjøler hadde problemer med sprøhet og overdreven forbruk av flytende hydrogen, og ble beheftet av både patenter og Storbritannias lov om offisielle hemmeligheter , så Bond utviklet SABER i stedet.

I 2016 mottok prosjektet 60 millioner pund i midler fra den britiske regjeringen og ESA for en demonstrant som involverte hele syklusen.

Konsept

Forenklet flytskjema for SABER 3 -motor

Som RB545 er SABER -designen verken en konvensjonell rakettmotor eller en konvensjonell jetmotor , men en hybrid som bruker luft fra omgivelsene ved lave hastigheter/høyder, og lagret flytende oksygen i større høyder. SABER -motoren "er avhengig av en varmeveksler som er i stand til å kjøle innkommende luft til −150 ° C (−238 ° F), for å gi oksygen for blanding med hydrogen og gi jetkraft under atmosfærisk flyging før du bytter til flytende oksygen på tank når du er i rommet. "

I luftpustemodus kommer luft inn i motoren gjennom et innløp. Et bypass -system leder noe av luften gjennom en forkjøler inn i en kompressor, som injiserer den i et forbrenningskammer der den brennes med drivstoff, eksosproduktene akselereres gjennom dyser for å gi skyvekraft. Resten av inntaksluften fortsetter gjennom bypass -systemet til en ring av flammeholdere som fungerer som en ramjet for en del av luftpusten. En heliumsløyfe brukes til å overføre varmen fra forkjøleren til drivstoffet og drive motorpumper og kompressorer.

Innløp

På forsiden av motoren foreslår konseptdesignene et enkelt oversettende aksesymmetrisk sjokk -innløp som komprimerer og bremser luften (i forhold til motoren) til subsoniske hastigheter ved hjelp av to sjokkrefleksjoner. Å akselerere luften til motorens hastighet medfører støtmotstand . Som et resultat av støt, kompresjon og akselerasjon varmes inntaksluften opp og når rundt 1000 ° C (1.830 ° F) ved Mach  5.5.

Bayern-Chemie , gjennom ESA, har påtatt seg arbeid for å forfine og teste inntaks- og bypass-systemene

Forkjøleren

Når luften kommer inn i motoren med supersonisk eller hypersonisk hastighet, blir det varmere enn motoren tåler på grunn av kompresjonseffekter. Jetmotorer , som har det samme problemet, men i mindre grad, løser det ved å bruke tunge kobber- eller nikkelbaserte materialer, ved å redusere motorens trykkforhold og ved å stryke motoren tilbake ved høyere lufthastigheter for å unngå smelting. Imidlertid, for et ett-trinns-til-bane (SSTO) romfly, er slike tunge materialer ubrukelige, og maksimal skyvekraft er nødvendig for orbitalinnsetting på det tidligste tidspunktet for å minimere gravitasjonstap . I stedet, ved hjelp av en gassformet helium -kjølevæske, kjøler SABER luften dramatisk fra 1000 ° C (1830 ° F) ned til −150 ° C (−238 ° F) i en motstrøms varmeveksler mens du unngår kondensering av luften eller blokkering fra frysing Vann damp. Motstrømsvarmeveksleren lar også heliumet gå ut av motoren ved en tilstrekkelig høy temperatur for å drive pumper og kompressorer for selve flytende hydrogenbrensel og helium -arbeidsvæske.

Tidligere versjoner av forkjølere som HOTOL legger hydrogenbrenselet direkte gjennom forkjøleren. SABER setter inn en helium -kjølesløyfe mellom luften og det kalde drivstoffet for å unngå problemer med hydrogenskjørhet i forkjøleren.

Den dramatiske avkjølingen av luften skapte et potensielt problem: det er nødvendig å forhindre blokkering av forkjøleren fra frossen vanndamp og andre luftfraksjoner. I oktober 2012 ble kjøleløsningen demonstrert i 6 minutter ved bruk av iskald luft. Kjøleren består av en fin varmeveksler for rørledninger med 16 800 tynne vegger, og kjøler ned den varme atmosfæriske luften som siver ned til den nødvendige −150 ° C (−238 ° F) på 0,01  s. Isforebyggingssystemet hadde vært en nøye bevart hemmelighet, men REL avslørte en metanol- injiserende 3D-trykt de-icer i 2015 gjennom patenter, ettersom de trengte partnerbedrifter og ikke kunne holde hemmeligheten mens de jobbet tett med utenforstående.

Kompressor

Under fem ganger lydens hastighet og 25 kilometer høyde, som er 20% av hastigheten og 20% ​​av høyden som trengs for å komme i bane , passerer den avkjølte luften fra forkjøleren til en modifisert turbo- kompressor , lignende design som den brukes på konvensjonelle jetmotorer, men kjører med et uvanlig høyt trykkforhold muliggjort av den lave temperaturen på innløpsluften. Kompressoren tilfører trykkluften ved 140 atmosfærer til forbrenningskamrene til hovedmotorene.

I en konvensjonell jetmotor drives turbo-kompressoren av en gassturbin som drives av forbrenningsgasser. SABER driver turbinen med en heliumsløyfe, som drives av varme fanget i forkjøleren og en forbrenner.

Heliumsløyfe

Det 'varme' heliumet fra luftforkjøleren resirkuleres ved å avkjøle det i en varmeveksler med flytende hydrogenbrensel. Sløyfen danner en selvstartende Brayton-syklusmotor , som kjøler kritiske deler av motoren og driver turbiner. Varmen går fra luften inn i heliumet. Denne varmeenergien brukes til å drive forskjellige deler av motoren og fordampe hydrogen, som deretter brennes i ramjets .

Brennkammer

Brennkamrene i SABER -motoren blir avkjølt av oksidanten (luft/flytende oksygen) i stedet for av flytende hydrogen for å ytterligere redusere systemets bruk av flytende hydrogen sammenlignet med støkiometriske systemer.

Dyser

Den mest effektive atmosfærisk trykk ved hvilket en konvensjonell driv dyse gjerninger er bestemt av geometrien av den dysen bell . Mens geometrien til den konvensjonelle klokken forblir statisk, endres atmosfæretrykket med høyden, og derfor mister dyser designet for høy ytelse i den lavere atmosfæren effektiviteten når de når høyere høyder. I tradisjonelle raketter blir dette overvunnet ved å bruke flere stadier designet for atmosfæretrykket de møter.

SABER -motoren må fungere i både lav og høy høyde. For å sikre effektivitet i alle høyder brukes en slags bevegelse, ekspanderende dyse . Først i lav høyde, luftpustende flyging, er klokken plassert bakover, koblet til et toroidalt forbrenningskammer som omgir den øvre delen av dysen, og danner sammen en ekspansjonsavbøyningsdyse . Når SABER senere går over i rakettmodus, flyttes klokken fremover og strekker seg lengden på bjellen i det indre rakettforbrenningskammeret, noe som skaper en mye større dyse i stor høyde for mer effektiv flyging.

Dyse i rakettmodus

Omgå brennere

Å unngå kondensering forbedrer motorens effektivitet siden det genereres mindre entropi og derfor kokes mindre flytende hydrogen av. Imidlertid trenger bare kjøling av luften mer flytende hydrogen enn det som kan brennes i motorkjernen. Overskuddet blir utvist gjennom en serie brennere kalt "spillkanal ramjet -brennere", som er arrangert i en ring rundt den sentrale kjernen. Disse mates med luft som omgår forkjøleren. Dette bypass ramjet -systemet er designet for å redusere de negative effektene av drag som følge av luft som passerer inn i inntakene, men som ikke mates inn i hovedrakettmotoren, i stedet for å generere skyvekraft. Ved lave hastigheter er forholdet mellom luftmengden som kommer inn i inntaket og volumet som kompressoren kan føre til forbrenningskammeret på sitt høyeste, noe som krever at den forbigående luften akselereres for å opprettholde effektiviteten ved disse lave hastighetene. Dette skiller systemet fra en turboramjet der en turbinesyklus eksos brukes til å øke luftstrømmen til at ramjet blir effektivt nok til å overta rollen som primær fremdrift.

Utvikling

Den siste SABER -motorens design.

Tester ble utført i 2008 av Airbourne Engineering Ltd på en ekspansjonsbøyemunnstykke kalt STERN for å gi dataene som trengs for å utvikle en nøyaktig ingeniørmodell for å overvinne problemet med ikke-dynamisk eksosutvidelse. Denne forskningen fortsatte med STRICT -munnstykket i 2011.

Vellykkede tester av et oksidasjonsmiddel (både luft og oksygen) avkjølt forbrenningskammer ble utført av EADS-Astrium ved Institute of Space Propulsion i 2010

I 2011 ble maskinvaretesting av varmevekslerteknologien "avgjørende for [den] hybrid luft- og flytende oksygenpustende [SABER] rakettmotoren" fullført, og demonstrerte at teknologien er levedyktig. Testene bekreftet at varmeveksleren kunne utføre etter behov for at motoren skulle få tilstrekkelig oksygen fra atmosfæren for å støtte den høye, høyytelsesoperasjonen.

I november 2012 kunngjorde Reaction Engines at den med hell hadde avsluttet en serie tester som beviser motorens kjøleteknologi, en av de viktigste hindringene mot gjennomføring av prosjektet. Den europeiske romfartsorganisasjonen (ESA) evaluerte SABRE motorens kjøler varmeveksler, og aksepterte påstander om at de teknologiene som kreves for å fortsette med motorens utvikling hadde vært fullt demonstrert.

I juni 2013 kunngjorde Storbritannias regjering ytterligere støtte til utviklingen av en fullskala prototype av SABER-motoren, og ga 60 millioner pund finansiering mellom 2014 og 2016, mens ESA ga ytterligere 7 millioner pund. Den totale kostnaden for å utvikle en testrigg er anslått til 200 millioner pund.

I juni 2015 fortsatte SABREs utvikling med The Advanced Nozzle Project på Westcott. Testmotoren, som drives av Airborne Engineering Ltd., brukes til å analysere aerodynamikken og ytelsen til de avanserte dysene som SABER-motoren vil bruke, i tillegg til nye produksjonsteknologier som 3D-trykt drivstoffinnsprøytningssystem.

I april 2015 besto SABER -motorkonseptet en teoretisk gjennomførbarhetsgjennomgang utført av US Air Force Research Laboratory . Laboratoriet skulle avsløre to-trinns-til-bane-SABER-konsepter kort tid etterpå, da de mente at et ett-trinns-til-bane-Skylon-romplan er "teknisk veldig risikabelt som en første applikasjon av SABER-motor".

I august 2015 godkjente EU -kommisjonens konkurransemyndighet britiske statlige midler på 50 millioner pund til videreutvikling av SABER -prosjektet. Dette ble godkjent med den begrunnelse at penger hentet fra private equity ikke hadde vært tilstrekkelig til å fullføre prosjektet. I oktober 2015 britiske selskapet BAE Systems avtalt å kjøpe en 20% eierandel i selskapet for £ 20,6 millioner som en del av en avtale om å bidra til å utvikle SABRE hypersoniske motoren. I 2016 kunngjorde Reaction-sjef Mark Thomas planer om å bygge en kvartstor bakketestmotor, gitt begrensninger i finansieringen.

I september 2016 søkte agenter som handler på vegne av Reaction Engines om planleggingstillatelse for å bygge et rakettmotortestanlegg på stedet for det tidligere Rocket Propulsion Establishment i Westcott, Storbritannia som ble gitt i april 2017, og i mai 2017 ble det holdt en banebrytende seremoni å kunngjøre begynnelsen på byggingen av SABER TF1 -motortestanlegget, som forventes å bli aktiv i 2020.

I september 2017 ble det kunngjort at United States Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) hadde inngått avtale med Reaction Engines Inc. om å bygge et høytemperatur luftstrømstestanlegg på Front Range Airport nær Watkins, Colorado. DARPA-kontrakten er å teste Sabre-motorens forkjølere varmeveksler (HTX). Byggingen av testfasilitetene og testartiklene begynte i 2018 med testing med fokus på å kjøre HTX ved temperaturer som simulerer luft som kommer gjennom et subsonisk inntak som reiser ved Mach  5 eller rundt 1800 ° F (1000 ° C) som begynner i 2019.

HTX-testenheten ble fullført i Storbritannia og sendt til Colorado i 2018, hvor den 25. mars 2019 ble en F-4 GE J79 turbojet eksos blandet med omgivelsesluft for å replikere Mach  3.3 innløpsbetingelser, og lykkes med å slukke en 420 ° C (788 ° F) strøm av gasser til 100 ° C (212 ° F) på mindre enn 1/20 sekund. Ytterligere tester som simulerte Mach  5 ble planlagt, med temperaturreduksjon forventet fra 1.000 ° C (1.830 ° F). Disse ytterligere testene ble fullført med hell i oktober 2019.

Den vellykkede HTX-testen kan føre til spin-off-forhåndskjøler-applikasjoner som kan utvikles før en skalerbar SABER-demonstrator er fullført; foreslåtte bruksområder er å utvide kapasiteten til gasturbiner i avanserte turbofans , hypersoniske kjøretøyer og industrielle applikasjoner. I mars 2019 bekreftet UKSA og ESAs foreløpige designgjennomgang av demonstratormotorens kjerne at testversjonen var klar for implementering.

I 2019 gjennomførte Airborne Engineering en testkampanje på subskala luft/hydrogeninjektorer for SABER -forbrennerne.

I 2020 gjennomførte Airborne Engineering en testkampanje på en "HX3 -modul" (forbrenner til heliumsløyfeveksler)

Motor

På grunn av den statiske skyvekraften til hybridrakettmotoren, kan bilen ta av under luftpustemodus, omtrent som en vanlig turbojet . Etter hvert som fartøyet stiger opp og det utvendige lufttrykket synker, blir mer og mer luft ført inn i kompressoren etter hvert som effektiviteten til stempelkomprimeringen synker. På denne måten er jetflyene i stand til å operere til en mye høyere høyde enn det som normalt ville være mulig.

På Mach  5.5 blir luftpustesystemet ineffektivt og slås av, erstattet av det lagrede oksygenet ombord som gjør at motoren kan akselerere til banehastigheter (rundt Mach  25).

Utvikling

RB545

Designet for bruk med HOTOL.

Motoren hadde ingen luftpustende statisk skyvekraft, og stolte på en rakettvogn for å oppnå start

SABEL

Designet for bruk med Skylon A4.

Motoren hadde ingen luftpustende statisk fremdriftsevne, avhengig av RATO-motorer

SABER 2

Designet for bruk med Skylon C1.

Motoren hadde ingen statisk trykkegenskaper, og brukte LOX til luftpustesyklusen kunne ta over.

SABER 3

Designet for bruk med Skylon C2.

Denne motoren inkluderte en drivstoffrik forbrenner for å øke varmen som ble gjenvunnet fra luftstrømmen som ble brukt til å drive heliumsløyfen, noe som gir motoren statisk skyvekraft.

SABER 4

SABER 4 er ikke lenger en enkelt motordesign, men en klasse med motorer, for eksempel en 0,8–2 MN (180 000–450 000 lbf; 82–204 tf) forekomst av denne motoren brukes med SKYLON D1.5, en 110 000–280 000 lbf (0,49–1,25 MN; 50–127 tf) for en USAF -studie av en delvis gjenbrukbar TSTO.

Opptreden

Det konstruerte vekt-vekt-forholdet på SABER er fjorten sammenlignet med omtrent fem for konvensjonelle jetmotorer, og to for scramjets . Denne høye ytelsen er en kombinasjon av den tettere, avkjølte luften, som krever mindre kompresjon, og enda viktigere, de lave lufttemperaturene som gjør at lettere legeringer kan brukes i store deler av motoren. Samlet ytelse er mye bedre enn RB545 -motoren eller scramjets.

Drivstoffeffektiviteten (kjent som spesifikk impuls i rakettmotorer) når en topp på omtrent 3500  sekunder i atmosfæren. Typiske helrakettsystemer har en topp på rundt 450 sekunder og til og med "typiske" kjernefysiske termiske raketter på omtrent 900 sekunder.

Kombinasjonen av høy drivstoffeffektivitet og lavmassemotorer tillater en SSTO-tilnærming, med luftpust til Mach  5.14+ i 28,5 km høyde, og med kjøretøyet som kommer i bane med mer nyttelastmasse per startmasse enn bare om ethvert ikke - atomkjøretøy som noen gang er foreslått.

Forkjøleren tilfører systemet masse og kompleksitet og er den mest aggressive og vanskelige delen av designet, men massen til denne varmeveksleren er en størrelsesorden lavere enn det som er oppnådd tidligere. Den eksperimentelle enheten oppnådde varmeveksling på nesten 1 GW/m 3 . Tapene ved å bære den ekstra vekten av systemer stengt under lukket syklusmodus (nemlig forkjøler og turbo-kompressor) samt ekstra vekt på Skylons vinger oppveies av gevinsten i total effektivitet og den foreslåtte flyplanen. Konvensjonelle oppskytningsbiler som romfergen bruker omtrent ett minutt på å klatre nesten vertikalt ved relativt lave hastigheter; Dette er ineffektivt, men optimalt for biler med rene raketter. Derimot tillater SABER -motoren en mye langsommere, grunnere stigning (tretten minutter for å nå overgangshøyden på 28,5 km), mens den puster luft og bruker vingene til å støtte kjøretøyet. Dette handler om gravitasjonsmotstand og en økning i kjøretøyets vekt for reduksjon i drivmassen og en gevinst fra aerodynamisk løft som øker nyttelastfraksjonen til det nivået hvor SSTO blir mulig.

En hybrid jetmotor som SABER trenger bare å nå lave hypersoniske hastigheter inne i den nedre atmosfæren før den aktiverer den lukkede syklusmodusen mens du klatrer for å bygge hastighet. I motsetning til ramjet- eller scramjet -motorer, er designet i stand til å gi høy skyvekraft fra null hastighet opp til Mach  5.4, ​​med utmerket skyvekraft over hele flyet, fra bakken til veldig stor høyde, med høy effektivitet gjennomgående. I tillegg betyr denne statiske skyvekraften at motoren realistisk kan testes på bakken, noe som reduserer testkostnadene drastisk.

I 2012 forventet REL testflyvninger innen 2020 og operasjonelle flyvninger innen 2030.

Ressurser

  • "Skylon Space plane" (PDF) . Reaction Engines Limited . Arkivert fra originalen (PDF) 15. juni 2011.
  • "Skylon Spaceplane: Progress To Realization" (PDF) . Reaction Engines Limited . Arkivert fra originalen (PDF) 15. juni 2011.
  • "En sammenligning av fremdriftskonsepter for SSTO gjenbrukbare bæreraketter" (PDF) . Reaction Engines Limited . Arkivert fra originalen (PDF) 15. juni 2011.

Se også

Referanser

Eksterne linker