Двигател на космически кораби: какви хора ще летят в дълбокото пространство

Много експерти смятат английския проект за най-революционния: ако Съединените щати и СССР развият традиционната ракетна технология, заложена от Вернер фон Браун, Великобритания реши да създаде принципно нов космически самолет. Самият апарат се управлява от British Aerospace, а Rolls-Royce трябва да разработи уникален реактивен двигател. Планирано беше HOTOL да излети от ускоряваща се летищна количка, двигателят ще започне да работи във въздушно реактивен режим (до над 28 км надморска височина), използвайки извънбордов въздух като окислител, след което ще премине към класическия ракетен двигател. Създаването на такъв двигател вече е почти фантастична задача, така че какво да кажем за осемдесетте години. Доста скоро Ролс-Ройс се сблъска с редица трудности, които предизвикаха непланирано увеличение на разходите за изследвания. В резултат на това British Aerospace реши да се откаже от революционния двигател и да влезе в сътрудничество със СССР, преименувайки проекта на временен HOTOL. Апаратът беше планиран да бъде оборудван със съветски ракетни двигатели и изстрелян от модифициран самолет Ан-225. Сътрудничеството започва през 1991 г., но през същата година Съветският съюз прекратява съществуването си, като погребва съвместен проект под развалините си.

HOTOL Безпилотният автомобил е проектиран да достави полезен товар от около 7-8 тона в ниска орбита с височина 300 км. Той трябваше да излети от пистата, разположена на фюзелажа на голям самолетен самолет с ракетни усилватели, които трябваше да помогнат за ускоряване на устройството до скорости, оптимални за работата на неговите двигатели. Двигателите трябваше да преминат от въздушно-ракетна в ракетна работа, когато апаратът достигна скорост 5-7 М.

Три в едно

Не всички са съгласни с това състояние на нещата. След ограничаването на работата по RB545 през 1989 г., водещият дизайнер на двигатели Алън Бонд взе двама инженери на Rolls-Royce със себе си и основава собствена компания Reaction Engines. Тя се съсредоточи върху създаването на хибриден двигател SABER (Synergistic Air-Breathing Rocket Engine) и разработването на други технологии за изпълнение на проекта за космически план Skylon. Много експерти смятат, че проектът SABER е в състояние да преобърне съвременната астронавтика и да направи възможно създаването на едноетапен космически кораб. Той може да работи на първия етап на полета като турбореактивен двигател, приемайки извънбордов въздух като окислител. На втория етап - като раметонен двигател, а на третия - като конвенционален ракетен двигател, използващ вътрешен борден окислител.

Идеята за едноетапен аерокосмически апарат за многократна употреба (SSTO, Single Stage to Orbit) далеч не е нова, но редица препятствия стоят на пътя на неговото прилагане - ниското ниво на връщане на теглото на конструкцията и недостатъчният специфичен импулс на съществуващите ракетни двигатели. Това са взаимосвързани параметри: чрез увеличаване на специфичния импулс (който показва колко секунди даден двигател ще може да генерира 1 N тяга, докато харчите 1 кг гориво), можете да получите същата тяга с по-малко гориво и окислител, което ви позволява да направите по-голяма маса дизайн. Съществуващите ракетни двигатели с течно гориво обаче имат специфичен импулс във вакуум от около 400 s (рекордът за кислород-водород HPC1 и RL-10 е 462 s, двигатели с екзотични компоненти - например, използвайки водород-литий-флуор - могат да получат още сто, но с има толкова много проблеми, че играта не си струва свещта).

Сравнителни размери на кораби за многократна употреба Проектите на кораби с SABER двигатели на фона на съществуващи совалки изглеждат като звездни кораби от Star Wars. Това са наистина коренно различни космически кораби.

Не ракета, не самолет

В същото време двигателите на съвременните авиолинии имат специфичен импулс с порядък по-висок, приближаващ се до цифрата от 6000 s, а дори и „глупавият“ свръхзвуков двигател Concorde имаше специфичен импулс само два пъти по-нисък - 3000 s (почти десет пъти по-икономичен от космическата ракета). Тази радикална разлика се дължи на различен принцип на работа: двигателят с въздушна струя използва 14 части въздух за всяка част от горивото (ако горивото е водород, тогава 30), а ракетният двигател трябва да събере всичко от резервоарите, които ще излетят в дюзата.

Разбира се, можете да използвате двигател с въздушна струя в частта на траекторията за отстраняване, която преминава през плътните слоеве на атмосферата, с нейната ефективност и липсата на нужда от окислител. Но не е толкова просто. Космическата ракета има склонност да преминава бързо през плътните слоеве на атмосферата, пробивайки ги по вертикална част от траекторията и едва след това запълвайки траекторията хоризонтално. Устройство с WFD не може да си позволи такъв лукс - трябва да увеличи максимално използването на безплатен окислител зад борда, тъй като траекторията му е нежна и отнема много време в плътни слоеве на атмосферата, с висока скорост на полета в тази зона. През цялото това време устройството е под влиянието на високоскоростното налягане на насрещния поток, което изисква укрепване на конструкцията и повишаване на ефективността на термичната защита - и двете теглят увеличение на теглото. Има и друг трик - възможността да се използва повдигане на крило: ако ракета с вертикален изстрел виси на тягата на двигателя и при изкачване тягата трябва да бъде по-голяма от теглото му, тогава крилатото превозно средство с аеродинамично качество 5 за изкачване трябва да има само повече от 1/5 от тягата тегло. Крилата обаче също са допълнително увеличение на теглото на конструкцията. Всичко това се вписва в тясно кълбо от противоречия, които са трудни за разрешаване на съвременното технологично ниво, като са получили предимства пред многоетапна система.

Най-мощният хладилник в света

Алън Бонд с екипа си се сблъскаха със същите проблеми като предшествениците си: сред целия набор от съществуващи типове реактивни двигатели няма комби, всеки от тях е различен по ефективност, всеки е добър в обхвата на скоростта си, има един вид тясна специализация. Турбореактивният двигател работи отлично в диапазона от 0 до 3 М, но ускоряването с него до високи скорости е трудно: при спиране на входящия въздух той се нагрява толкова много, че по-нататъшното компресиране от компресора води до повишаване на температурата до стойности, които надхвърлят термичната стабилност на материалите на горивната камера и турбини. Реактивният двигател и хиперзвуковият раметоносен двигател (последният се характеризира със свръхзвуков поток в горивната камера) работят добре при високи скорости (X-43A достигна 10 M), но те не работят при ниски скорости. Турбореактивните двигатели имат ниско съотношение на импулса и теглото / теглото (тежки са за тягата, която създават). По едно време големи надежди бяха възложени на двигател с втечняване на кислород (LACE, Tequid Air Cycle Engine), при който криогенното гориво тече през топлообменник, поемайки топлина от входящия поток до температурата на втечняване на въздуха, след това през сепаратор, където кислородът се отделя от азота и се подава към горивна камера. Такъв двигател обаче е тежък, структурно сложен (сбогом, надеждност) и има повишен разход на гориво (повече водород се изразходва за охлаждане, отколкото може да се изгори в горивната камера с получения течен кислород, а това е загубата на специфичен импулс). От LACE обаче Алън Бонд реши да заеме идеята за охлаждане на въздушния поток в топлообменника.

Една от най-сложните и важни части на SABER е криогенният топлообменник. Той трябва да охлажда почти моментално входящия въздух, който се нагрява чрез компресия до 1000 ° C, до температура около -140 ° C. Досега никой не е успял.

В резултат на това инженерите излязоха с необходимостта от комбинирана електроцентрала от различни двигатели, в която всеки работи на своя собствена площадка (например, турбореактивният се използва за изстрелване, директен поток за високоскоростно ускорение, ракета за извън атмосферния полет). Ракетният двигател е необходим компонент на коктейла, останалото на вкус, в различни комбинации. Това обаче създава определени проблеми: при всички режими на полет е необходимо да се носи мъртво натоварване под формата на двигател за друга част от траекторията, аеродинамичното съпротивление поради дюзите на неработещите двигатели нараства. Алтернатива е хибридна електроцентрала, която съчетава качествата (и монтажите) на всички видове двигатели. В крайна сметка всеки има нужда от дюза? Така че защо да влачите няколко, използвайте един за всички. Всеки има ли нужда от всмукване на въздух, освен ракета? Използваме такъв и след това го затваряме на флаш, за да не създава съпротива. Световната дизайнерска идея се движеше в тази посока (дори електроцентралата на SR-71 Blackbird е хибрид с турбореактивни двигатели и двигатели с директен поток; някои противовъздушни ракети използват ракети с директен поток).

Много бърз хибрид

Двигателят на реакционните двигатели - SABER - е много подходящ за ролята на ключова технология, с която можете да изрежете гордиевия възел на противоречия и да приложите едноетапен аерокосмически апарат. Този хибрид съчетава качествата на турбореактив (въпреки че турбината на компресора не се задвижва от отработени газове, а горещ хелий в затворен цикъл), двигатели с директен поток и ракети и работи с достатъчна ефективност във всички части на траекторията, от пистата до орбитата. Изчисленията на двигателите на реакцията показват, че ако се използва ракетен двигател, общото тегло на кораба и полезният товар трябва да бъде 13% от стартовото тегло, за да се постави полезният товар от 15 тона в ниска референтна орбита. Двигателят SABER позволява при същите условия теглото на кораба с полезен товар до 22% - цифра, доста постижима при сегашното ниво на технологията.

Революционният SABER двигател е разработен от Reaction Engine с поддръжка от BAE Systems. Очаква се той да успее да вдигне самолета във въздуха и да го разпръсне до 5 М, след което той ще премине в реактивен режим на работа - при скорости до 25 М.

SABER, подобно на своя предшественик, RB545, е предварително охладен хибриден реактивен двигател. И тук, както в LACE, има криогенен топлообменник зад входящия въздух, но входящият поток не се втечнява, а просто се охлажда до ниски температури. Освен това въздухът с температура от порядъка на -140 ° С (преди да се нагрява по време на спиране над 1000 ° С) навлиза в обикновен турбокомпресор, изработен от леки сплави (ниската температура на въздушния поток го улеснява с три четвърти в сравнение с компресора с турбореактивен двигател), който компресира газовете до налягане на горивната камера, в която газообразният въздух се смесва с течен водород. При напускане на плътните слоеве на атмосферата постъпването на въздух се затваря с клапи, а горивната камера се подава с течен кислород от вътрешни резервоари. Тъй като консумацията на водород за охлаждане е по-голяма от тази на окислителя в получения въздух, излишъкът (2/3 от потока, преминаващ през топлообменника), се изгаря във втората верига, смесвайки се с онази част от въздуха, която не е влизала в топлообменника.

Схемата на схемата обаче се промени леко в сравнение с RB545: добавен е междинен контур с течен хелий - сега водородът охлажда хелия и хелият вече черпи топлина от въздуха и при нагряване завърта компресора и турбината на помпата, след което преминава към повторно охлаждане. По този начин се избягват проблемите с водородното охлузване в термообменния топлообменник на входящия въздух. Разположението на космическия кораб също се промени: тънкият шпиндел на корпуса е оборудван с триъгълно крило с леко извити двигателни скоби в краищата му.

SABER: История и предистория
1903

Първият полет на самолета на братя Райт, оборудван с двигател

1935

Появата на един от най-масовите транспортни самолети в историята, Douglas DC-3

1952

Започване на търговска експлоатация на реактивен пътнически самолет de Havilland Comet

1962

Стартиране на първия в света търговски спътник Telstar 1

1969

Турбореактивните двигатели с две вериги правят Boeing 747 първият пътнически самолет с голям обсег на движение

1981

Старт на космическия совал

1990

Начало на развитието SABER

2003

Успешно решение на проблема с замразяването на въздуха

2012

Успешни тестове за топлообменник за система за предварително охлаждане

2013

Британското правителство харчи 50 милиона паунда за подкрепа на проекта

2015

BAE Systems инвестира 20 милиона паунда в реакционни двигатели за изграждане и тестване на прототип

Износени

Историята на създаването на SABER е на първо място историята на развитието и усъвършенстването на топлообменника, тъй като всичко е обвързано с неговите характеристики. Той трябва да извлича до 400 MW топлина от въздуха, като същевременно има минимално тегло, малки размери, ниско хидравлично съпротивление (за да се осигури зададен дебит на хладилния агент без инсталиране на тежки помпи), работи в условия на огромни разлики в температурата и налягането, запазвайки целостта през целия жизнен цикъл апарат и да бъдат технологични в производството. Според Алън Бонд съвременните индустриални топлообменници с този капацитет имат тегло 30 пъти повече от допустимото за използване на борда на едноетапен космически кораб (18 тона срещу 600 кг, включени в дизайна на SABER). Отговорът, както често се случва, беше предложен от природата. Хрилете на рибата имат разклонена капилярна система, в която по-тънка мрежа от тръби се влива в дебелите съдове. Това се оказа точно решението, което позволява да се намали съпротивлението на течността с достатъчна площ за пренос на топлина. Съществуващите топлообменници, като правило, имат набор от тръби с равен диаметър, докато новият дизайн използва извити тръби с тънък стени с диаметър 0, 9 мм и дебелина на стената 30 nm, изработени от сплав Insonel 718, които свързват основните тръбопроводи с по-голям диаметър. За производството се използва запояване, а дупките в основните тръбопроводи се изгарят с лазер. Направен е прототип на топлообменника, който е поставен пред реактивния двигател Rolls-Royce Viper, монтиран на стойката. Инженерите проведоха цикъл на наземния тест, в който модулът премина през 200 работни цикъла по 5 минути всеки - повече от планирания жизнен цикъл на апарата Skylon.

Схема SKYLON 1. Керамичен обтекател; 2. назални стабилизатори; 3. Резервоар с течен кислород; 4. Резервоар с течен водород; 5. Товарно отделение; 6. блок за управление; 7. Входящият въздух; 8. Топлообменник; 9. Двигател SABER; 10. Орбитални маневрени двигатели.

Когато въздухът се охлади до -140 ° C, неизбежно възниква проблемът с обледеняването: цялата пара (и при тази температура не само пара, но и въглероден диоксид), която се съдържаше в околния въздух, се превръща в лед. При първия тестов цикъл топлообменникът за секунди беше покрит с непрекъсната ледена кора, която напълно запуши всички канали за въздух. Според Reaction Engines проблемът вече е решен, но компанията избягва дори най-малкия намек за това как е било възможно, позовавайки се на търговски тайни. Можете да получите някаква идея, като погледнете как се обработва обледеняването в проекта RB545. Потокът се охлажда там на два етапа: първият топлообменник охлажда въздуха до + 10 ° С, превръщайки почти цялата пара в мъгла, а след това инжектирането на течен кислород незабавно намалява температурата на потока до -50 ° С. Цялата останала влага (преди това беше поставен и незадължителен влагоуловител) мигновено се превърна в фино диспергирани ледени кристали, без да замръзва върху тръбите на топлообменника.

Тъй като двигателят има висока термодинамична ефективност, разработчиците са използвали прост и лек осесиметричен всмукване на въздух с спирачна система с два скока на въздушния поток с повишаване на налягането му до 1, 3 бара. Алтернатива беше опцията за клин с плоска компресия, представена на скиците HOTOL. Той е по-ефективен (по-голям брой наклонени ударни вълни свежда до минимум загубата на общото входящо налягане), но при промяна на броя на Mach е необходимо да се коригират ъглите на наклона на много повърхности, така че всички скокове да се сближат в една точка. Тази механизация с панти и задвижвания привлича допълнително тегло. При осесиметричния всмукване на въздух с двоен скок проблемът се решава само чрез преместване на конуса напред и назад.

Клин клин

Дюзата на двигателя също е високотехнологична единица, която се различава от класическия звънец на дюзата Laval, използван при съвременните реактивни двигатели с течно гориво. Основен проблем на едноетапните устройства е промяната на налягането на изхода на дюзата: дюзата, оптимизирана за вакуум, няма да даде това сцепление в атмосферата и обратно. В резултат на това цялата секция на ускорението на дюзата ще работи или с недостатъчно разширение, или сега с прекомерно разширяване, което ще доведе до спад в специфичния импулс. В многоетапните устройства дюзата на всеки етап може да бъде оптимизирана за налягане в областта на нейната работа (също варира, но не в толкова широк диапазон). В одноступенчатых нужно или применять сопло изменяемой геометрии (а это дополнительный вес механизмов и приводов), или мириться с потерей эффективности. Решить эту проблему позволяют двигатели с высотной компенсацией, в которых расширяющийся сверхзвуковой поток газа только с одной стороны ограничен стенкой сопла, с другой же — внешняя среда. К таковым относится клиновоздушный ракетный двигатель (aerospike engine, применялся в американском проекте Х-33) и expansion-deflection nozzle — именно такой тип сопла разрабатывается в рамках научно-исследовательских программ STERN и STRICT для SABRE. Этот тип сопла имеет такой же колокол, как и у сопла Лаваля (правда, короче и другой геометрии), с центральным телом по оси, отклоняющим поток к стенкам колокола (по форме похоже на впускной клапан в цилиндре ДВС). За центральным телом остается не занятая выхлопными газами зона, позволяющая компенсировать влияние давления окружающей среды.

Одни проблемы

И это далеко не все сложности. Перед инженерами Reaction Engines стоит ряд других задач: создание систем охлаждения камеры сгорания (на атмосферном участке полета предлагается охлаждать воздухом, пропущенным через рубашку, вне атмосферы — жидким кислородом), отработка сопел системы орбитального маневрирования, промежуточного теплообменника между водородом и гелием (предлагается использовать керамическую матрицу), турбины для жидкого гелия (тут планируется применять оригинальную систему с рабочими колесами противоположного направления вращения) и решение аэродинамических проблем с конструкцией самого космолета.

Все эти работы выполняются в основном на деньги частных инвесторов с минимальным привлечением бюджетного финансирования. При этом сложность возникающих проблем превышает возможности современного компьютерного моделирования, и многое приходится решать экспериментом на натурных стендах (так, для отработки геометрии сопел планируется запуск суборбитальной ракеты, которая пройдет атмосферный участок с тем же числом Маха на заданной высоте, в планах и создание летательного аппарата для отработки компоновки мотогондолы). Еще недавно Алан Бонд говорил, что первый полет планируется в 2029 году, а сейчас называет уже 2024 год. И это будет самолет, который выведет на круговую орбиту 1300 кг. Успех этих работ может существенно снизить цену вывода груза на орбиту, сделать ближний космос столь же доступным, как Антарктика, а технологии двигателей с предохлаждением можно использовать и на Земле — для воздушных перевозок с гиперзвуковой скоростью.

Декабрь ушедшего года принес свежие новости: наряду с возводимым в Великобритании (Уэсткотт, графство Бакингемшир) испытательным стендом для двигателя SABRE Reaction Engines начала строительство еще одного стенда в США. Работы ведутся на средства гранта, выделенного DARPA. А это значит, что к финансированию подключился Пентагон. На стенде будет испытываться система предохлаждения перспективной силовой установки.

Статья «Двигатель для космолета» опубликована в журнале «Популярная механика» (№2, Февраль 2018).

Препоръчано

Военните възстановиха танк NI-1 "На страх"
2019
LEGO Group представя 5 нови комплекта, предназначени за годишнината на LEGO Star Wars
2019
Петел в Австралия убил любовница, като си кълвел вените
2019