Введение

Синергетический воздушно-реактивный ракетный двигатель – гибридный прямоточный воздушно-реактивный и ракетный двигатель.

Конструкция включает в себя единый двигатель комбинированного цикла с двумя режимами работы. Воздушно-реактивный режим объединяет турбокомпрессор с легким воздушным прехолодителем, расположенным непосредственно за входным конусом. На высоких скоростях этот прехолодитель охлаждает горячий, сжатый воздухом, который в противном случае достиг бы температуры, невыносимой для двигателя, что привело бы к очень высокому коэффициенту сжатия внутри двигателя. Сжатый воздух затем подается в ракетную камеру сгорания, где он воспламеняется вместе с хранящимся жидким водородом. Высокий коэффициент сжатия позволяет двигателю обеспечивать высокую тягу на очень высоких скоростях и высотах. Низкая температура воздуха позволяет использовать легкие сплавы и создать очень легкий двигатель – что необходимо для выхода на орбиту. Кроме того, в отличие от концепции LACE, прехолодитель SABRE не сжижает воздух, обеспечивая более эффективную работу. После закрытия входного конуса на скорости 5,14 Маха и на высоте 28,5 км,

История

Концепция прекулера возникла из идеи, предложенной Робертом П. Кармайклом в 1955 году. Затем последовала идея двигателя с жидким воздушным циклом (LACE), которую компания General Dynamics впервые исследовала в 1960-х годах в рамках программы ВВС США по созданию аэрокосмических аппаратов. В 1989 году, после прекращения финансирования HOTOL, Бонд и другие основали Reaction Engines Limited для продолжения исследований. Прекулер RB545 имел проблемы с охрупчиванием и избыточным расходом жидкого водорода, а также был ограничен патентами и британским Законом об официальной тайне, поэтому Бонд разработал SABRE. В 2016 году проект получил 60 миллионов фунтов стерлингов от правительства Великобритании и ESA на создание демонстратора, включающего полный цикл. В июле 2021 года Космическое агентство Великобритании выделило еще 3,9 миллиона фунтов стерлингов на дальнейшую разработку.

Концепция

Как и RB545, конструкция SABRE не является ни обычным ракетным двигателем, ни обычным реактивным двигателем, а гибридом, использующим воздух из окружающей среды на низких скоростях и высотах, и запас жидкого кислорода на больших высотах. Двигатель SABRE "основан на теплообменнике, способном охлаждать поступающий воздух до температуры , обеспечивая кислород для смешивания с водородом и создавая реактивную тягу во время атмосферного полета, прежде чем переходить на использование запасного жидкого кислорода в космосе". В воздушно-реактивном режиме воздух поступает в двигатель через воздухозаборник. Система обхода направляет часть воздуха через предварительный охладитель в компрессор, который подает его в камеру сгорания, где он смешивается с топливом, а продукты сгорания ускоряются через сопла для создания тяги. Оставшаяся часть поступающего воздуха продолжает движение по системе обхода к кольцу стабилизаторов пламени, которые функционируют как прямоточный воздушно-реактивный двигатель на части режима воздушно-реактивного полета. Гелиевый контур используется для отвода тепла от предварительного охладителя к топливу и для привода насосов и компрессоров двигателя.

Прехолодатель

По мере того, как воздух поступает в двигатель на сверхзвуковой или гиперзвуковой скорости, он нагревается до температуры, превышающей допустимую для двигателя из-за эффектов сжатия. Охладитель состоит из тонкотрубчатого теплообменника с 16 800 трубками с тонкими стенками. Система предотвращения обледенения долгое время была строго охраняемым секретом, но в 2015 году компания REL раскрыла информацию о 3D-печатном антиобледенительном устройстве с системой впрыска метанола через патенты, поскольку ей требовались партнерские компании и она не могла сохранить секретность при тесном сотрудничестве с внешними организациями.

Компрессор

Ниже пяти скоростей звука и на высоте 25 километров, что составляет 20% скорости и 20% высоты, необходимых для выхода на орбиту, охлажденный воздух из предварительного охладителя поступает в модифицированный турбокомпрессор, конструкция которого аналогична турбокомпрессорам обычных реактивных двигателей, но работающий при необычно высоком коэффициенте сжатия, обеспечиваемом низкой температурой входящего воздуха. Компрессор подает сжатый воздух под давлением 140 атмосфер в камеры сгорания основных двигателей. В традиционном реактивном двигателе турбокомпрессор приводится в движение газовой турбиной, работающей на продуктах сгорания. В SABRE турбина приводится в действие гелиевым контуром, который получает энергию от тепла, отводимого предварительным охладителем и предкамерой сгорания.

Камеры сгорания

Камеры сгорания двигателя SABRE охлаждаются окислителем (воздухом/жидким кислородом), а не жидким водородом, для дальнейшего снижения расхода жидкого водорода по сравнению со стехиометрическими двигательными установками.

Дюзы

Наиболее эффективное атмосферное давление, при котором работает обычное сопло, определяется геометрией расширяющей части сопла. Поскольку геометрия обычной расширяющей части остается неизменной, атмосферное давление меняется с высотой, и поэтому сопла, разработанные для высокой производительности в нижних слоях атмосферы, теряют эффективность при подъеме на большую высоту. В традиционных ракетах эта проблема решается использованием многоступенчатых конструкций, оптимизированных для атмосферного давления на каждой высоте. Двигатель SABRE должен функционировать как в условиях низкой, так и высокой высоты. Для обеспечения эффективности на всех высотах используется подвижное расширяющееся сопло. Сначала, на небольшой высоте, в режиме воздушно-реактивного полета, расширяющая часть расположена в задней части и соединена с тороидальной камерой сгорания, окружающей верхнюю часть сопла, образуя вместе сопло с отклонением потока. Когда SABRE переходит в ракетный режим, расширяющая часть перемещается вперед, увеличивая длину расширяющей части внутренней ракетной камеры сгорания и создавая более крупное сопло для более эффективного полета на большой высоте.

Огнетушители

Избегая сжижения, повышается эффективность двигателя, поскольку генерируется меньше энтропии и, следовательно, меньше жидкого водорода испаряется. Однако для простого охлаждения воздуха требуется больше жидкого водорода, чем может быть сожжено в основной камере двигателя. Избыток выбрасывается через серию горелок, называемых "прямоточными воздушно-реактивными горелками сброса".

Двигатель

Благодаря способности гибридного ракетного двигателя создавать статическую тягу, аппарат может взлетать в воздушно-реактивном режиме, подобно обычному турбореактивному двигателю.