Главная / Технологии

Космический корабль будущего Skylon: новый двигатель значительно облегчит космические путешествия

Антон Пальцев - 22.11.20 (обновлено 22.11.20)

Давняя мечта конструкторов о самолете, который мог бы отправиться в космос, стала ближе, чем когда-либо прежде. Однако разработка и создание инновационного двигателя настолько сложна, что все еще находится на пределе наших возможностей. Но британская компания Reaction Engines не сдается.

Строительство орбитальных носителей обходится очень дорого, поэтому практически каждая космическая компания пытается найти способ снизить цены. Вероятно, лучшим является SpaceX, которая может сохранять части своих ракет и повторно использовать их. Не секрет, что долгосрочная цель космонавтики – транспортная система, работающая на принципах воздушного транспорта.

На один градус в космос

Мечты о самолете, который мог бы отправиться в космос, действительно давние. Во время Второй мировой войны Ойген Зенгер, ракетный инженер с чешскими корнями, придумал идею космического бомбардировщика Silbervogel, или «серебряной птицы», но эта идея так и не покинула чертежных досок.

Фото: https://naked-science.ru/

Однако концепция космического корабля Skylon из мастерской британской компании Reaction Engines смогла добиться успеха. Уникальная машина может выйти на орбиту без каких-либо дополнительных или вспомогательных двигателей. Таким образом, это в основном одноступенчатая система (Single Stage to Orbit, SSTO), которая еще не была реализована в истории космонавтики. Однако ситуация может измениться относительно скоро: программа разработки первого в мире ракетного двигателя, который работает на технологии тяги и может извлекать кислород из окружающей атмосферы, сделала еще один значительный шаг вперед. Это подготовило почву для серии серьезных испытаний, которые состоятся в ближайшие годы.

Синергетический воздушно-реактивный ракетный двигатель SABRE предназначен для перекачивания атмосферного воздуха на начальном этапе полета. Достигнув скорости 5 Махов, то есть в пять раз больше скорости звука, и высоты около 25 км, он переходит в чисто ракетный режим. Затем он начинает забирать окислитель из дополнительных баков в середине фюзеляжа, чтобы без проблем попасть в космос. Но это не так просто, как может показаться. Инженеры годами охлаждали всасываемый воздух, который может быть выше 1000 °C на скорости выше 5 Махов. Следовательно, он не может попасть в двигатель, потому что тепло может повредить, например, лопасти турбонасоса или стенки сердечника приводного устройства.

Таким образом, есть два варианта: построить двигатель из прочных, но тяжелых материалов, таких как никель, что, однако, резко увеличит вес и снизит эффективность. Второй вариант – попробовать остудить горячим воздухом. Для этого следует использовать предохладитель со стенками тоньше ворса. Для огромных и быстрых изменений температуры воздуха он использует циркуляцию гелия под высоким давлением в лабиринте тонкостенных трубок, общая длина которых составляет 50 км в одном блоке. Теплообменник HX3, который отводит тепло, обеспечивает правильную температуру вещества в системе. Затем гелий охлаждается с помощью жидкого водорода, который служит топливом.

Остудить, нажать, крутить

Реакция Engines еще не разглашает подробности, что понятно, поскольку это новая технология. Тем не менее, мы постараемся просто объяснить весь цикл. Двигатель втягивает воздух через впускной конус специальной конструкции, который замедляет его. Затем деталь попадает в предохладитель, где быстро охлаждается до -140 °C. Помимо снижения температуры теплообменник должен предотвращать образование опасного льда.

Турбонагнетатель, аналогичный обычным реактивным двигателям, сжимает предварительно охлажденный воздух и отправляет его в камеру предварительного сгорания, где он подается с жидким водородом из резервуаров. Газ, образующийся после зажигания, раскручивает турбину, приводящую в движение насосы и компрессоры; затем он поступает в основную камеру сгорания ракетного двигателя, смешивается с другим водородом и происходит полное сгорание. Воздух, не прошедший через предохладитель, обходит камеру сгорания и попадает в камеру тягового двигателя или ПВРД через компрессор низкого давления. Затем это создает еще один дополнительный ход. По имеющейся информации, упомянутый турбонагнетатель приводится в действие газовой турбиной, работающей на отходящем тепле гелиевого контура.

Фото: https://imag.one/

Предохладитель, который охлаждает впускные газы, чтобы тепло не повредило стенки двигателя, является ключевым элементом, а его правильное функционирование – маленькое техническое чудо. Поэтому любая новость относительно устройства привлекает к себе должное внимание. Это не изменилось и после объявления о другом испытании: Reaction Engines недавно успешно протестировали инновационный агрегат, непосредственно при температурах воздушного потока, соответствующих скорости 1715 м/с, что соответствует условиям при 5 Махах. Температура воздуха выше 1000 °C была охлаждена менее чем за 50 миллисекунд.

Этот успех представляет собой еще одну важную веху в разработке революционного двигателя SABRE. Как сказал Марк Форд, глава отдела силовых установок Европейского космического агентства (ESA): «Это не только выдающийся успех сам по себе, но и важный шаг, который приблизил нас к доказательству осуществимости всей концепции двигателя SABRE».

На шаг ближе к космическому кораблю

Испытательный образец предохладителя был изготовлен в Соединенном Королевстве, а затем отправлен компанией для тестирования на свое предприятие в аэрокосмическом порту Колорадо. С 2017 года в тестах участвует и агентство DARPA. Для всего проекта и его продолжения последний успех стал ответом на вопрос, действительно ли возможны двигатели SABRE. Просто поймите, что ничего подобного раньше не случалось. Например, самый быстрый сверхзвуковой транспортный самолет «Конкорд» двигался вдвое медленнее, чем запланированная рабочая скорость двигателей SABRE, и даже легендарный SR-71 Blackbird не приближался к требуемым показателям.

В будущем SABRE может послужить основой для многоразового космического корабля, все еще известного как Skylon. (Однако по неясным причинам компания долгое время не использовала это обозначение.) Благодаря начальному этапу полета, когда машина может развивать скорость в пять раз превышающую скорость звука и подниматься на высоту 25 км, ей для выхода на орбиту потребуется гораздо меньше тяжелого жидкого кислорода. По сравнению с обычными ракетами с сопоставимыми параметрами система могла весить до половины. Преимущество заключается, например, в сокращении финансовых затрат, увеличении частоты взлета и посадки практически из любого места.

ЕКА инвестировало десять миллионов евро в разработку двигателя SABRE, еще 58 миллионов было получено компанией Reaction Engines от Британского космического агентства (UKSA). ESA также выполняет от своего имени технический надзор. В марте 2019 года обе организации рассмотрели и одобрили предварительный проект демонстрационного ядра двигателя, который компания будет использовать для наземных испытаний на недостроенном испытательном полигоне TF1 в Весткотте, Великобритания.

Фото: http://spiderproject.com.ua/

Соучредитель Reaction Engines и технический директор Ричард Варвилл подчеркнул, что последний успех стал кульминацией более чем тридцатилетних усилий: «Это важный момент для Reaction Engines в разработке двигателя SABRE, который может революционизировать как доступ к космосу, так и высоколеты». Однако запуск демонстрационной машины с двигателями SABRE будет иметь большое значение. Первые летные испытания ожидаются около 2025 года и, вероятно, состоятся немного позже. Однако концепция многоразового гиперзвукового самолета, способного выйти в космос, сегодня, безусловно, является самым амбициозным проектом в авиации и космонавтике старого континента.

Через полмира

Двигатели Reaction Engines могут использоваться не только для космических полетов. Их способность развивать в пять раз скорость звука также может быть применена в межконтинентальных путешествиях. Однажды трансатлантический транспорт может увидеть преемника Concord. Предварительные планы предполагают, что аналогичный самолет с 300 пассажирами на борту сможет добраться из Великобритании в Австралию примерно за 4-5 часов. Этот проект, известный как LAPCAT A-2, по сути, представляет собой технико-экономическое обоснование конструкции.

#Будущее #Двигатель #Космический корабль #Космос #Путешествие

Добавить комментарий

* Обязательные поля
1000
изображение Captcha

Комментарии

Комментариев пока нет. Будьте первым!

Последние материалы из раздела "Технологии"

Выбор редакции