Motor de nave espacial: lo que la gente volará al espacio profundo

Muchos expertos consideran que el proyecto inglés es el más revolucionario: si Estados Unidos y la URSS desarrollaron la tecnología de cohetes tradicional establecida por Werner von Braun, el Reino Unido decidió crear un avión aeroespacial fundamentalmente nuevo. El aparato en sí fue manejado por British Aerospace, y Rolls-Royce iba a desarrollar un motor a reacción único. Se planeó que HOTOL despegaría de un carrito de aeródromo acelerado, el motor comenzaría a funcionar en un modo reactivo con el aire (hasta una altitud de aproximadamente 28 km), utilizando aire externo como oxidante, después de lo cual cambiaría al motor de cohete clásico. La creación de un motor de este tipo ahora es casi una tarea fantástica, entonces, ¿qué pasa con los años ochenta? Muy pronto, Rolls-Royce enfrentó una serie de dificultades que causaron un aumento no planificado en los costos de investigación. Como resultado, British Aerospace decidió abandonar el motor revolucionario y entrar en cooperación con la URSS, renombrando el proyecto como HOTOL interino. Se planeó que el aparato estuviera equipado con motores de cohetes soviéticos y se lanzó desde un avión An-225 modificado. La cooperación comenzó en 1991, pero en el mismo año la Unión Soviética puso fin a su existencia enterrando un proyecto conjunto bajo sus escombros.

HOTOL El vehículo no tripulado fue diseñado para entregar una carga útil de aproximadamente 7-8 toneladas en órbita baja con una altura de 300 km. Se suponía que despegaría de la pista, ubicada en el fuselaje de un gran avión de transporte con propulsores de cohetes, que se suponía que ayudarían a acelerar el dispositivo a velocidades óptimas para el funcionamiento de sus motores. Los motores tuvieron que cambiar de operación de cohete de aire a cohete cuando el aparato alcanzó una velocidad de 5-7 M.

Tres en uno

No todos estuvieron de acuerdo con este estado de cosas. Después de reducir el trabajo en el RB545 en 1989, el diseñador principal de motores Alan Bond llevó a dos ingenieros de Rolls-Royce con él y fundó su propia compañía, Reaction Engines. Se centró en crear un motor híbrido SABRE (Synergistic Air-Breathing Rocket Engine) y desarrollar otras tecnologías para implementar el proyecto del plan espacial Skylon. Muchos expertos creen que el proyecto SABRE es capaz de anular la astronáutica moderna y hacer posible la creación de una nave espacial de una sola etapa. Puede funcionar en la primera etapa del vuelo como un motor turborreactor, tomando el aire externo como agente oxidante. En la segunda etapa, como un motor ramjet, y en la tercera, como un motor de cohete convencional que utiliza un oxidante interno a bordo.

La idea de un aparato aeroespacial reutilizable de una sola etapa (SSTO, Single Stage to Orbit) está lejos de ser nueva, pero una serie de obstáculos se interponen en su implementación: el bajo nivel de retorno de peso de la estructura y el impulso específico insuficiente de los motores de cohetes existentes. Estos son parámetros interrelacionados: al aumentar el impulso específico (que muestra cuántos segundos un motor determinado podrá producir 1 N de empuje, mientras gasta 1 kg de combustible), puede obtener el mismo empuje con menos combustible y oxidante, lo que le permite hacer un diseño de masa más grande. Sin embargo, los motores de cohete propulsores líquidos existentes tienen un impulso específico en el vacío de aproximadamente 400 s (el récord de oxígeno-hidrógeno HPC1 y RL-10 es 462 s, los motores con componentes exóticos, por ejemplo, que usan hidrógeno-litio-flúor) pueden obtener cientos más, pero con hay tantos problemas que el juego no vale la pena).

Tamaños comparativos de barcos reutilizables Los proyectos de barcos con motores SABRE en el contexto de los transbordadores existentes parecen naves espaciales de Star Wars. Estas son naves espaciales realmente fundamentalmente diferentes.

Ni un cohete, ni un avión

Al mismo tiempo, los motores de los aviones modernos tienen un impulso específico un orden de magnitud mayor, acercándose a la cifra de 6000 s, e incluso el motor supersónico Concorde "glotón" tuvo un impulso específico de solo dos veces menor: 3000 s (casi diez veces más económico que un cohete espacial). Esta diferencia radical se debe a un principio de funcionamiento diferente: un motor de chorro de aire usa 14 partes de aire para cada parte del combustible (si el combustible es hidrógeno, luego 30), y el motor del cohete debe recoger todo, desde los tanques que luego volarán hacia la boquilla.

Por supuesto, puede utilizar un motor de chorro de aire en la parte de la trayectoria de extracción, que atraviesa las capas densas de la atmósfera, con su economía y la ausencia de la necesidad de un oxidante. Pero no tan simple. Un cohete espacial tiende a atravesar las capas densas de la atmósfera rápidamente, atravesándolas en una sección vertical de la trayectoria, y solo luego llenando la trayectoria horizontalmente. Un dispositivo con WFD no puede permitirse ese lujo: debería maximizar el uso de un oxidante libre por la borda, porque su trayectoria es suave y lleva mucho tiempo en capas densas de la atmósfera, con una alta velocidad de vuelo en esta área. Todo este tiempo, el dispositivo está bajo la influencia de la presión de alta velocidad del flujo que se aproxima, lo que requiere fortalecer el diseño y aumentar la eficiencia de la protección térmica, lo que arrastra un aumento de peso. Hay otro truco: la capacidad de usar el elevador de alas: si un cohete con un lanzamiento vertical cuelga del empuje del motor y al subir, el empuje debe ser mayor que su peso, entonces el vehículo alado con calidad aerodinámica 5 para escalar debe tener solo más de 1/5 de empuje peso Sin embargo, las alas también son un aumento adicional en el peso de la estructura. Todo esto se ve envuelto en una estrecha bola de contradicciones, que son difíciles de resolver a nivel tecnológico moderno, habiendo ganado ventajas sobre un sistema de etapas múltiples.

El refrigerador más poderoso del mundo.

Alan Bond con su equipo se enfrentó a los mismos problemas que sus predecesores: entre el conjunto de tipos de motores a reacción existentes no hay vagón, cada uno de ellos es diferente en eficiencia, cada uno es bueno en su rango de velocidad, tiene una especie de especialización estrecha. Un motor turborreactor funciona bien en el rango de 0 a 3 M, pero acelerar con él a altas velocidades es difícil: al frenar en la entrada de aire, se calienta tanto que una mayor compresión por parte del compresor conduce a un aumento de la temperatura a valores que van más allá de la estabilidad térmica de los materiales de la cámara de combustión. y turbinas. El motor ramjet y el motor ramjet hipersónico (este último se caracteriza por un flujo supersónico en la cámara de combustión) funcionan bien a altas velocidades (X-43A alcanzó 10 M), pero no funcionan a bajas velocidades. Los motores turborreactores tienen un impulso específico bajo y una relación de empuje a peso (son pesados ​​para el empuje que crean). En un momento, se depositaron grandes esperanzas en un motor con licuefacción de oxígeno (LACE, motor de ciclo de aire líquido), en el que el combustible criogénico fluye a través de un intercambiador de calor, llevando el calor del flujo entrante a la temperatura de licuefacción del aire, luego a través de un separador, donde el oxígeno se separa del nitrógeno y se suministra a cámara de combustión Sin embargo, dicho motor es pesado, estructuralmente complejo (adiós, confiabilidad) y tiene un mayor consumo de combustible (se gasta más hidrógeno en el enfriamiento del que se puede quemar en la cámara de combustión con el oxígeno líquido obtenido, y esta es la pérdida de un impulso específico). Sin embargo, de LACE, Alan Bond decidió tomar prestada la idea de enfriar el flujo de aire en un intercambiador de calor.

Una de las partes más complejas e importantes de SABRE es el intercambiador de calor criogénico. Debe enfriar casi instantáneamente el aire entrante, que se calienta por compresión a 1000 ˚C, a una temperatura de aproximadamente -140 ˚C. Hasta ahora, nadie ha tenido éxito.

Como resultado, a los ingenieros se les ocurrió la necesidad de una central eléctrica combinada de diferentes motores, en la que cada uno trabaje en su propia área (por ejemplo, utiliza un turborreactor para arrancar, flujo directo para aceleración a alta velocidad y cohete para vuelo extra-atmosférico). El motor del cohete es un componente necesario del cóctel, el resto al gusto, en diferentes combinaciones. Sin embargo, esto causa ciertos problemas: en todos los modos de vuelo, es necesario llevar una carga muerta en forma de motor para otra parte de la trayectoria, el arrastre aerodinámico debido a las boquillas de los motores inoperativos está creciendo. Una alternativa es un motor híbrido que combina las cualidades (y ensamblajes) de todos los tipos de motores. Después de todo, ¿todos necesitan una boquilla? Entonces, ¿por qué arrastrar algunos? Utilice uno para todos. ¿Todos necesitan una toma de aire excepto un cohete? Usamos uno y luego lo cerramos al ras para que no cree resistencia. La idea de diseño del mundo se movía en esta dirección (incluso la planta de energía del SR-71 Blackbird es un híbrido de motores turborreactores y de flujo directo, algunos misiles antiaéreos usan misiles de flujo directo).

Híbrido muy rápido

El motor Reaction Engines, SABRE, se adapta bien al papel de la tecnología clave con la que puede cortar el nudo de contradicciones gordianas e implementar un aparato aeroespacial de una sola etapa. Este híbrido combina las cualidades de un turborreactor (aunque la turbina del compresor no es impulsada por gases de escape, sino helio caliente en un ciclo cerrado), motores de flujo directo y cohetes y funciona con suficiente eficiencia en todas las partes de la trayectoria, desde la pista hasta la órbita. Los cálculos de los motores de reacción muestran que si se utiliza un motor de cohete, el peso total del barco y la carga útil debe ser del 13% del peso inicial para colocar la carga útil de 15 toneladas en una órbita de referencia baja. El motor SABRE permite en las mismas condiciones llevar el peso del barco con una carga útil de hasta el 22%, una cifra bastante alcanzable con el nivel actual de tecnología.

El revolucionario motor SABRE está desarrollado por Reaction Engines con el apoyo de BAE Systems. Se espera que pueda levantar el avión en el aire y dispersarlo a 5 M, después de lo cual entrará en modo de operación reactivo, para velocidades de hasta 25 M.

SABRE, como su predecesor, el RB545, es un motor de jet híbrido preenfriado de flujo. Aquí, como en LACE, hay un intercambiador de calor criogénico detrás de la entrada de aire, pero la corriente entrante no se licua, solo se enfría a bajas temperaturas. Además, el aire con una temperatura del orden de -140 ° С (antes de calentarse durante el frenado por encima de 1000 ° С) ingresa a un turbocompresor simple hecho de aleaciones ligeras (la baja temperatura del flujo de aire lo hizo más fácil en tres cuartos en comparación con un compresor de motor turborreactor), que comprime los gases para presión de la cámara de combustión, en la cual el aire gaseoso se mezcla con hidrógeno líquido. Al salir de las capas densas de la atmósfera, la entrada de aire se cierra mediante aletas y la cámara de combustión se alimenta con oxígeno líquido de los tanques internos. Dado que el consumo de hidrógeno para enfriamiento es mayor que el del agente oxidante en el aire obtenido, el exceso (2/3 de la corriente que pasa a través del intercambiador de calor) se quema en el segundo circuito, mezclándose con esa parte del aire que no ingresó al intercambiador de calor.

Sin embargo, el diagrama del circuito ha cambiado ligeramente en comparación con RB545: se ha agregado un circuito intermedio con helio líquido; ahora el hidrógeno enfría el helio, y el helio ya extrae calor del aire y, cuando se calienta, gira el compresor y la turbina de la bomba, y luego se enfría nuevamente. Esto evitó los problemas de fragilización por hidrógeno en el intercambiador de calor de la entrada de aire sometido a un estrés por temperatura. El diseño de la nave espacial también ha cambiado: el delgado eje del casco está equipado con un ala triangular con góndolas de motor ligeramente curvadas en sus extremos.

SABRE: Historia y antecedentes
1903

El primer vuelo del avión de los hermanos Wright equipado con un motor.

1935

La aparición de uno de los aviones de transporte más masivos de la historia, el Douglas DC-3

1952

Comienzo de la operación comercial del avión de pasajeros jet de Havilland Comet

1962

Lanzamiento del primer satélite comercial del mundo Telstar 1

1969

Los motores turborreactores de doble circuito convierten al Boeing 747 en el primer avión de pasajeros de gran alcance y largo alcance

1981

Inicio del transbordador espacial

1990

Inicio del desarrollo SABRE

2003

Solución exitosa al problema de la formación de hielo en la toma de aire.

2012

Pruebas exitosas del intercambiador de calor para el sistema de preenfriamiento

2013

El gobierno británico gasta £ 50 millones en apoyo a proyectos

2015

BAE Systems invierte £ 20 millones en motores de reacción para construir y probar un prototipo

Desgastado

La historia de la creación de SABRE es, en primer lugar, la historia del desarrollo y la mejora del intercambiador de calor, ya que todo está relacionado con sus características. Debe extraer hasta 400 MW de calor del aire, a la vez que tiene un peso mínimo, pequeñas dimensiones, baja resistencia hidráulica (para garantizar un caudal de refrigerante determinado sin instalar bombas pesadas), trabajar en condiciones de enormes diferencias de temperatura y presión, preservando la integridad durante todo el ciclo de vida aparato, y ser tecnológico en la fabricación. Según Alan Bond, los intercambiadores de calor industriales modernos de esta capacidad tienen un peso de 30 veces más de lo que se permite usar a bordo de una nave espacial de una etapa (18 toneladas versus 600 kg incorporados en el diseño SABRE). La respuesta, como suele suceder, fue sugerida por la naturaleza. Las branquias de los peces tienen un sistema capilar ramificado en el que una red más delgada de túbulos fluye hacia los vasos gruesos. Esto resultó ser exactamente la solución que permite reducir la resistencia al flujo de líquido con un área de transferencia de calor suficiente. Los intercambiadores de calor existentes, por regla general, tienen un conjunto de tubos de igual diámetro, mientras que el nuevo diseño utiliza tubos curvos de paredes delgadas con un diámetro de 0.9 mm y un espesor de pared de 30 nm hechos de aleación Insonel 718, que conectan las tuberías principales de mayor diámetro. La soldadura se utiliza para la fabricación, y los agujeros en las tuberías principales se queman con un láser. Se realizó un prototipo de intercambiador de calor, que se colocó frente al motor a reacción Rolls-Royce Viper montado en el soporte. Los ingenieros realizaron un ciclo de prueba en tierra en el que el módulo realizó 200 ciclos de trabajo de 5 minutos cada uno, más que el ciclo de vida planificado del aparato Skylon.

Esquema SKYLON 1. Carenado de cerámica; 2. Estabilizadores nasales; 3. Tanque con oxígeno líquido; 4. Tanque con hidrógeno líquido; 5. Compartimento de carga; 6. unidad de control; 7. La toma de aire; 8. Intercambiador de calor; 9. SABRE del motor; 10. Motores de derivación orbitales.

Cuando el aire se enfría a -140 ° C, inevitablemente surge el problema de la formación de hielo: todo el vapor (y a esta temperatura no solo vapor, sino también dióxido de carbono), que estaba contenido en el aire circundante, se convierte en hielo. En la primera prueba, el intercambiador de calor en cuestión de segundos se cubrió con una corteza continua de hielo, que obstruyó completamente todos los canales de aire. Según Reaction Engines, el problema ya se ha resuelto, pero la compañía evita hasta el más mínimo indicio de cómo fue posible, citando secretos comerciales. Puede hacerse una idea mirando cómo se manejó la formación de hielo en el proyecto RB545. El flujo se enfrió allí en dos etapas: el primer intercambiador de calor enfrió el aire a + 10 ° С, convirtiendo casi todo el vapor en niebla, y luego la inyección de oxígeno líquido redujo instantáneamente la temperatura del flujo a -50 ° С. Toda la humedad restante (antes de esto, también se instaló una trampa de humedad opcional) se convirtió instantáneamente en cristales de hielo finamente dispersos, sin congelarse en los tubos del intercambiador de calor.

Dado que el motor tiene una alta eficiencia termodinámica, los desarrolladores utilizaron una toma de aire simétrica de eje simple y ligera con un sistema de frenado de flujo de aire de dos saltos con un aumento de su presión a 1.3 bar. Una alternativa fue la opción de cuña de compresión plana presentada en los bocetos HOTOL. Es más eficiente (una mayor cantidad de ondas de choque oblicuas minimiza la pérdida de presión de entrada total), sin embargo, al cambiar el número de Mach, es necesario ajustar los ángulos de inclinación de muchas superficies para que todos los saltos converjan en un punto. Esta mecanización con bisagras y unidades tira de peso extra. En la entrada de aire de doble salto axisimétrica, el problema se resuelve solo moviendo el cono hacia adelante y hacia atrás.

Cuña cuña

La boquilla del motor también es una unidad de alta tecnología, que difiere de la campana de boquilla clásica de Laval utilizada en los modernos motores de propulsión líquida. Un problema esencial de los dispositivos de una sola etapa es el cambio de presión a la salida de la boquilla: una boquilla optimizada para vacío no proporcionará esa tracción en la atmósfera, y viceversa. Como resultado, toda la sección de aceleración de la boquilla funcionará con expansión insuficiente o ahora con expansión excesiva, lo que conducirá a una caída en el impulso específico. En dispositivos de etapas múltiples, la boquilla de cada etapa se puede optimizar para la presión en el área de su operación (también varía, pero no en un rango tan amplio). 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).

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