Гибридный двигатель SABRE. Для атмосферы и для космоса
Двигатель SABRE в разрезе
На протяжении нескольких последних лет британская компания Reaction Engines Limited (REL) в сотрудничестве с другими организациями ведет разработку проекта SABRE (Synergetic Air Breathing Rocket Engine – «Гибридный воздушный ракетный двигатель»). Целью этого проекта является создание принципиально нового гибридного двигателя, способного использовать атмосферный воздух и жидкий окислитель. К настоящему времени проект успел показать некоторые успехи.
Развитие проекта
В основе концепции двигателя SABRE от REL лежат идеи, заложенные и частично проверенные еще в восьмидесятых годах. В то время британские специалисты разрабатывали космоплан HOTOL, для которого предлагался гибридный двигатель типа LACE. Тот проект не удалось реализовать, но его предложения нашли применение в новых разработках.
Проектирование SABRE в его нынешнем виде началось на рубеже последних десятилетий. Были проведены некоторые исследования, позволившие сформировать общий облик гибридного двигателя и определить пути его развития. В дальнейшем REL удалось заинтересовать потенциальных заказчиков и получить поддержку, что ускорило работы.
Внутренние агрегаты без корпуса и обтекателя. Слева направо: основная камера сгорания, компрессор и предохладитель
К настоящему времени компания REL разработала основную часть проектной документации и начала испытания отдельных компонентов двигателя. Для проверки изделий используются два собственных испытательных комплекса в Великобритании и США.
Часть компонентов и концепций были проверены на практике и подтвердили свой потенциал. В ближайшем будущем должен появиться полноценный опытный образец гибридного двигателя, включающий все испытанные компоненты. Его тестирование в условиях стенда начнется в 2020-21 гг. Сроки появления двигателя, пригодного к установке на реальные летательные аппараты, остаются неизвестными. Вероятно, это произойдет не ранее второй половины двадцатых годов.
Гибридная конструкция
Изделие SABRE должно работать в атмосфере и за ее пределами, развивая требуемую тягу и обеспечивая разгон до высоких скоростей. Такие требования привели к необходимости использования особой конструкции с характерными особенностями. В ней присутствуют элементы, свойственные турбореактивным, прямоточным и жидкостным ракетным двигателям. Их использование в разных комбинациях позволяет иметь несколько режимов работы для разных стадий полета.
Принцип действия двигателя на воздушно-реактивном режиме. Малые синие стрелки указывают движение охлаждаемого воздуха, красные — неохлаждаемого, подаваемого к прямоточной камере
Двигатель SABRE включает несколько основных элементов, размещенных в едином корпусе. Головная часть изделия отдается под лобовой воздухозаборник с центральным телом. Последнее выполнено в виде конического обтекателя и может перемещаться вдоль оси двигателя для изменения подачи воздуха в систему. На отдельных режимах подача воздуха полностью перекрывается.
Непосредственно за заборным устройством помещается система охлаждения поступающего воздуха. По расчетам, при полете с высокими скоростями воздух на входе должен разогреваться до температуры 1000°C или выше. Особый предохладитель с несколькими тысячами тонких трубок, заполненных жидким гелием, должен за доли секунды снижать температуру воздуха до отрицательных значений. Предусматривается антиобледенительная система.
Центральную часть двигателя занимает т.н. ядро – специальный компрессор, предназначенный для сжатия поступающего воздуха перед отправкой в камеру сгорания. В этом отношении SABRE похож на традиционные турбореактивные двигатели, однако в нем отсутствует турбина за камерой сгорания и некоторые другие элементы. Привод компрессора обеспечивается турбиной, отбирающей энергию из системы охлаждения воздуха.
Камера сгорания из состава SABRE похожа на агрегаты жидкостных ракетных двигателей. При помощи турбонасоса в нее предлагается подавать топливо и окислитель – газообразный воздух или жидкий кислород, в зависимости от режима работы. На обоих режимах в качестве горючего используется сжиженный водород.
Опытный образец системы охлаждения воздуха
Вокруг основной камеры сгорания располагается вторая камера по типу прямоточного воздушно-реактивного двигателя. Она предназначается для работы на некоторых режимах и повышения общей тяги двигателя. Как и основная камера сгорания, вспомогательная прямоточная работает на водороде.
Сейчас целью проекта SABRE является разработка гибридного двигателя с достаточно высокими характеристиками и ограниченными габаритами. Готовое изделие должно быть не крупнее серийного Pratt & Whitney F135 – длина не более 5,6 м и диаметр менее 1,2 м. При этом следует обеспечить универсальность и высокие характеристики.
В зависимости от режима работы, такой вариант SABRE сможет обеспечивать полет со скоростями до М=25. Максимальная тяга на «воздушном» режиме достигнет 350 кН, на ракетном – 500 кН. Главной положительной особенностью станет возможность решения всех задач при помощи единого двигателя.
Режимы работы
Двигатель SABRE может использоваться на технике разных классов, прежде всего на воздушно-космических летательных аппаратах. Наличие нескольких режимов работы обеспечит возможность горизонтального взлета и посадки, полета в атмосфере и выхода на орбиту.
"Ядро" двигателя. Видна крыльчатка компрессора
Взлет и полет в атмосфере должны выполняться за счет первого режима работы двигателя. В этом случае воздухозаборник открыт, а «ядро» подает сжатый воздух в камеру сгорания. После разгона до высоких сверхзвуковых скоростей в работу включается прямоточная камера сгорания. Применение двух контуров, по расчетам, обеспечивает скорость полета до М=5,4.
Для дальнейшего разгона используется третий режим. На нем воздухозаборник перекрывается, а в основную камеру сгорания подается жидкий кислород. По сути, в такой конфигурации SABRE становится подобием традиционного ЖРД. Этот режим обеспечивает максимальные летные характеристики.
Сферы применения
Пока гибридный двигатель от REL существует только в виде документации и отдельных агрегатов, но сферы его применения уже определены. Такие силовые установки должны представлять интерес в контексте дальнейшего развития авиации и космонавтики, в т.ч. на стыке этих двух направлений.
SABRE или аналогичное изделие будет полезным при создании перспективных гиперзвуковых атмосферных летательных аппаратов разного назначения. С применением таких технологий можно создавать транспортные, пассажирские или боевые самолеты.
Внешние агрегаты основной камеры сгорания
Весь потенциал гибридного двигателя можно раскрыть при помощи воздушно-космического самолета. В этом случае SABRE обеспечит горизонтальные взлет и посадку, а также выход на требуемые высоты с последующим разгоном и полетом на орбиту. Космоплан с гибридными двигателями должен иметь важные преимущества, упрощающие его эксплуатацию.
Наработки по SABRE могут реализовываться в виде отдельных компонентов. Так, в REL считают, что разработанная система охлаждения поступающего воздуха может использоваться при модернизации существующих или при разработке перспективных ТРД. Наиболее интересные результаты от этого можно получить в сфере высокоскоростной авиации.
По своей сути, проект SABRE предлагает набор ключевых технологий для построения гибридного многорежимного двигателя. На их основе можно создать реальное изделие требуемых габаритов с заданными характеристиками. Для первых испытаний создается SABRE средних размеров с высокими характеристиками. При наличии интереса со стороны заказчиков могут появиться новые модификации, отвечающие конкретным требованиям.
Практическая отработка
Первые исследования и испытания в рамках проекта SABRE прошли еще в начале десятых годов и предназначались для поиска оптимальных конструкторских решений. К настоящему времени REL завершила разработку проекта и начала процесс испытаний отдельных компонентов гибридного двигателя.
Предохладитель на стенде. Указаны основные особенности его работы
Несколько недель назад компания-разработчик сообщила о проведении стендовых испытаний системы охлаждения воздуха. В ходе теста скорость воздуха на входе в устройство достигла М=5, температура – 1000°C. Сообщается, что опытное изделие успешно справилось со своими задачами и обеспечило резкое и быстрое снижение температуры потока. Впрочем, конкретные числа не назывались.
Ранее сообщалось о проверках других компонентов двигателя. Завершение всех этих мероприятий позволяет компании REL перейти к сборке полноценного опытного двигателя. Его появление ожидается в 2020-21 гг. Тогда же пройдут стендовые испытания, по результатам которых удастся определить реальные перспективы разработки.
Компания Reaction Engines Limited высоко оценивает свой новый проект и считает, что его ждет большое будущее. Насколько объективными являются такие оценки и соответствуют ли они действительности, до конца не ясно. Ответ на подобные вопросы можно будет дать только через несколько лет, после завершения всех необходимых мероприятий и создания реального летательного аппарата с двигателями SABRE.
Информация