Raumfahrzeugmotor: Welche Menschen in den Weltraum fliegen werden

Viele Experten halten das englische Projekt für das revolutionärste: Wenn die USA und die UdSSR die von Werner von Braun entwickelte traditionelle Raketentechnologie entwickelten, entschied sich Großbritannien für die Schaffung eines grundlegend neuen Flugzeugs für die Luft- und Raumfahrt. Der Apparat selbst wurde von British Aerospace gehandhabt, und Rolls-Royce sollte ein einzigartiges Strahltriebwerk entwickeln. Es war geplant, dass HOTOL von einem beschleunigenden Flugplatzwagen abhebt, der Motor in einem luftreaktiven Modus (bis zu einer Höhe von etwa 28 km) mit Außenbordluft als Oxidationsmittel zu arbeiten beginnt und anschließend auf den klassischen Raketentriebwerk umschaltet. Die Entwicklung eines solchen Motors ist mittlerweile fast eine fantastische Aufgabe. Wie sieht es also mit den achtziger Jahren aus? Schon bald hatte Rolls-Royce mit einer Reihe von Schwierigkeiten zu kämpfen, die zu einem ungeplanten Anstieg der Forschungskosten führten. Infolgedessen beschloss British Aerospace, den revolutionären Motor aufzugeben und mit der UdSSR zusammenzuarbeiten. Das Projekt wurde in Interim HOTOL umbenannt. Der Apparat sollte mit sowjetischen Raketentriebwerken ausgerüstet und von einem modifizierten An-225-Flugzeug aus gestartet werden. Die Zusammenarbeit begann 1991, doch im selben Jahr beendete die Sowjetunion ihr Bestehen, indem sie ein gemeinsames Projekt unter den Trümmern begrub.

HOTOL Das unbemannte Fahrzeug wurde entwickelt, um eine Nutzlast von ca. 7-8 Tonnen in einer niedrigen Umlaufbahn mit einer Höhe von 300 km zu liefern. Es sollte von der Startbahn starten, die sich auf dem Rumpf eines großen Trägerflugzeugs mit Raketenboostern befand, um das Gerät auf Geschwindigkeiten zu beschleunigen, die für den Betrieb seiner Motoren optimal waren. Die Triebwerke mussten bei einer Geschwindigkeit von 5-7 M von Luft- auf Raketenbetrieb umschalten.

Drei in eins

Nicht alle waren mit dieser Situation einverstanden. Nach einer Kürzung der Arbeiten am RB545 im Jahr 1989 nahm der leitende Motorenentwickler Alan Bond zwei Rolls-Royce-Ingenieure mit und gründete seine eigene Firma, Reaction Engines. Sie konzentrierte sich auf die Entwicklung eines SABRE-Hybridtriebwerks (Synergistic Air-Breathing Rocket Engine) und andere Technologien zur Umsetzung des Weltraumplanprojekts Skylon. Viele Experten glauben, dass das SABRE-Projekt die moderne Astronautik umstürzen und die Schaffung eines einstufigen Raumfahrzeugs ermöglichen kann. Es kann in der ersten Flugphase als Turbojet-Triebwerk arbeiten und Außenbordluft als Oxidationsmittel verwenden. In der zweiten Stufe - als Staustrahltriebwerk und in der dritten - als herkömmliches Raketentriebwerk, das ein internes Oxidationsmittel an Bord verwendet.

Die Idee eines einstufigen wiederverwendbaren Luft- und Raumfahrtgeräts (SSTO, Single Stage to Orbit) ist alles andere als neu, aber eine Reihe von Hindernissen stehen seiner Umsetzung im Wege - die geringe Gewichtsrendite der Struktur und der unzureichende spezifische Antrieb bestehender Raketentriebwerke. Hierbei handelt es sich um miteinander verbundene Parameter: Durch Erhöhen des spezifischen Impulses (der angibt, wie viele Sekunden ein Motor bei einem Kraftstoffverbrauch von 1 kg einen Schub von 1 N erzeugen kann) können Sie denselben Schub mit weniger Kraftstoff und Oxidationsmittel erzielen, wodurch Sie eine größere Masse erzielen können. Bestehende Flüssigkeitsraketenmotoren haben jedoch einen spezifischen Impuls im Vakuum von etwa 400 s (der Rekord für Sauerstoff-Wasserstoff-HPC1 und RL-10 liegt bei 462 s), Motoren mit exotischen Komponenten - beispielsweise mit Wasserstoff-Lithium-Fluor - können aber mit 100 s mehr erreichen Es gibt so viele Probleme, dass das Spiel die Kerze nicht wert ist.

Vergleichsgrößen von wiederverwendbaren Schiffen Projekte von Schiffen mit SABRE-Motoren vor dem Hintergrund bestehender Shuttles sehen aus wie Raumschiffe aus Star Wars. Dies sind wirklich grundlegend andere Raumschiffe.

Keine Rakete, kein Flugzeug

Gleichzeitig haben die Triebwerke moderner Verkehrsflugzeuge einen um eine Größenordnung höheren spezifischen Impuls, der sich dem Wert von 6000 s nähert, und selbst das „gefräßige“ Concorde-Überschalltriebwerk hatte einen spezifischen Impuls von nur zwei Mal weniger - 3000 s (fast zehn Mal sparsamer als eine Weltraumrakete). Dieser radikale Unterschied ist auf ein anderes Funktionsprinzip zurückzuführen: Ein Luftstrahltriebwerk verbraucht 14 Teile Luft für jeden Teil des Kraftstoffs (wenn der Kraftstoff Wasserstoff ist, dann 30), und das Raketentriebwerk muss alles aus den Tanks aufnehmen, das dann in die Düse abfliegt.

Sie können natürlich ein Luftstrahltriebwerk für den Teil der Entfernungstrajektorie verwenden, der durch die dichten Schichten der Atmosphäre verläuft, und zwar mit seiner Effizienz und dem Verzicht auf ein Oxidationsmittel. Aber nicht so einfach. Eine Weltraumrakete neigt dazu, die dichten Schichten der Atmosphäre schnell zu durchdringen, sie auf einem vertikalen Abschnitt der Flugbahn zu durchbohren und erst dann die Flugbahn horizontal aufzufüllen. Ein Gerät mit einer WRRL kann sich einen solchen Luxus nicht leisten - es sollte die Verwendung eines freien Oxidationsmittels über Bord maximieren, da seine Flugbahn sanft ist und in dichten Schichten der Atmosphäre mit einer hohen Fluggeschwindigkeit in diesem Bereich eine lange Zeit in Anspruch nimmt. Während dieser gesamten Zeit ist das Gerät dem Hochgeschwindigkeitsdruck des ankommenden Stroms ausgesetzt, was eine Verbesserung des Designs und eine Erhöhung der Effizienz des Wärmeschutzes erforderlich macht - beides führt zu einer Gewichtszunahme. Es gibt noch einen anderen Trick - die Möglichkeit des Tragflächenlifts: Wenn eine Rakete mit vertikalem Start beim Motorschub hängen bleibt und der Schub beim Steigen größer sein sollte als das Gewicht, sollte das Tragflächenfahrzeug mit der aerodynamischen Qualität 5 für den Steigflug nur mehr als 1/5 des Schubes haben gewicht. Flügel erhöhen jedoch zusätzlich das Gewicht der Konstruktion. All dies führt zu einer Ansammlung von Widersprüchen, die auf dem modernen technologischen Niveau schwer zu lösen sind und Vorteile gegenüber einem mehrstufigen System haben.

Der leistungsstärkste Kühlschrank der Welt

Alan Bond und sein Team hatten die gleichen Probleme wie seine Vorgänger: Unter den vorhandenen Triebwerkstypen gibt es keinen Wagen, jeder von ihnen hat einen anderen Wirkungsgrad, jeder ist in seinem Geschwindigkeitsbereich gut, er hat eine Art enge Spezialisierung. Ein Turbojet-Triebwerk arbeitet im Bereich von 0 bis 3 M einwandfrei, aber es ist schwierig, mit ihm auf hohe Geschwindigkeiten zu beschleunigen: Wenn der Lufteinlass gebremst wird, erwärmt es sich so stark, dass eine weitere Verdichtung durch den Kompressor zu einem Temperaturanstieg auf Werte führt, die über die thermische Stabilität der Brennkammermaterialien hinausgehen und Turbinen. Das Ramjet-Triebwerk und das Hyperschall-Ramjet-Triebwerk (letzteres ist durch eine Überschallströmung in der Brennkammer gekennzeichnet) funktionieren gut bei hohen Geschwindigkeiten (X-43A erreicht 10 m), funktionieren jedoch nicht bei niedrigen Geschwindigkeiten. Turbojet-Triebwerke haben ein niedriges spezifisches Impuls- und Schub-Gewichts-Verhältnis (sie sind schwer für den Schub, den sie erzeugen). Zu einer Zeit wurden große Hoffnungen auf einen Motor mit Sauerstoffverflüssigung (LACE, Liquid Air Cycle Engine) gesetzt, bei dem kryogener Kraftstoff durch einen Wärmetauscher strömt, Wärme vom ankommenden Strom zur Luftverflüssigungstemperatur abführt und dann durch einen Abscheider, wo Sauerstoff vom Stickstoff getrennt und zugeführt wird Brennkammer. Ein solcher Motor ist jedoch schwer, baulich komplex (auf Wiedersehen, Zuverlässigkeit) und hat einen erhöhten Kraftstoffverbrauch (mehr Wasserstoff wird für die Kühlung aufgewendet, als mit dem gewonnenen flüssigen Sauerstoff im Brennraum verbrannt werden kann, und dies ist der Verlust eines bestimmten Impulses). Alan Bond entschloss sich jedoch, von LACE die Idee der Kühlung des Luftstroms in einem Wärmetauscher auszuleihen.

Einer der komplexesten und wichtigsten Teile von SABRE ist der Kryo-Wärmetauscher. Es sollte die einströmende Luft, die durch Kompression auf 1000 ° C erwärmt wird, fast augenblicklich auf eine Temperatur von etwa -140 ° C abkühlen. Bisher ist es niemandem gelungen.

Infolgedessen stellten die Ingenieure den Bedarf an einem kombinierten Kraftwerk mit verschiedenen Motoren fest, bei dem jeder in einem eigenen Bereich arbeitet (z. B. mit einem Turbojet zum Starten, einem Direktstrom für Hochgeschwindigkeitsbeschleunigung und einer Rakete für einen Flug außerhalb der Atmosphäre). Der Raketenantrieb ist ein notwendiger Bestandteil des Cocktails, der Rest zum Abschmecken, in verschiedenen Kombinationen. Dies führt jedoch zu gewissen Problemen: In allen Flugmodi ist es erforderlich, eine tote Last in Form eines Triebwerks für einen anderen Teil der Flugbahn zu befördern, wobei der aerodynamische Widerstand aufgrund von Düsen ausfallender Triebwerke zunimmt. Eine Alternative ist ein Hybridantrieb, der die Eigenschaften (und Baugruppen) aller Motortypen kombiniert. Braucht denn jeder eine Düse? Warum also ein paar ziehen, eins für alle verwenden. Braucht jeder außer einer Rakete einen Lufteinlass? Wir verwenden eines und schließen es dann bündig, damit es keinen Widerstand erzeugt. Die weltweite Designidee ging in diese Richtung (selbst das Kraftwerk des SR-71 Blackbird ist ein Hybrid aus Turbo- und Direktströmungsmotoren, einige Flugabwehrraketen verwenden Direktströmungsraketen).

Sehr schneller Hybrid

Der Motor von Reaction Engines - SABRE - eignet sich hervorragend für die Schlüsseltechnologie, mit der Sie den gordischen Knoten von Widersprüchen durchtrennen und ein einstufiges Luft- und Raumfahrtgerät implementieren können. Dieser Hybrid kombiniert die Eigenschaften eines Turbostrahls (obwohl die Kompressorturbine nicht durch Abgase, sondern durch heißes Helium in einem geschlossenen Kreislauf angetrieben wird), eines Direktstrom- und eines Raketentriebwerks und arbeitet mit ausreichendem Wirkungsgrad in allen Teilen der Flugbahn von der Landebahn bis zur Umlaufbahn. Reaktionsmotorenberechnungen zeigen, dass bei Verwendung eines Raketenmotors das Gesamtgewicht des Schiffes und der Nutzlast 13% des Startgewichts betragen sollte, um die Nutzlast von 15 Tonnen in eine niedrige Referenzbahn zu bringen. Der SABRE-Motor erlaubt es, unter den gleichen Bedingungen das Gewicht des Schiffes mit einer Nutzlast von bis zu 22% zu bringen - eine Zahl, die mit dem gegenwärtigen Stand der Technik durchaus erreichbar ist.

Der revolutionäre SABRE-Motor wird von Reaction Engines mit Unterstützung von BAE Systems entwickelt. Es wird erwartet, dass er das Flugzeug in die Luft heben und auf 5 m verteilen kann, wonach es in den reaktiven Betriebsmodus übergeht - für Geschwindigkeiten von bis zu 25 m.

SABRE ist wie sein Vorgänger, der RB545, ein durchflussgekühltes Hybridtriebwerk. Hier, wie in LACE, befindet sich hinter dem Lufteinlass ein Kryo-Wärmetauscher, aber der einströmende Strom verflüssigt sich nicht, sondern kühlt nur auf niedrige Temperaturen ab. Ferner tritt Luft mit einer Temperatur in der Größenordnung von -140 ° C (bevor sie beim Bremsen über 1000 ° C erwärmt wurde) in einen einfachen Turbolader aus Leichtmetall ein (eine niedrige Luftströmungstemperatur erleichterte die Verdichtung von Gasen um drei Viertel im Vergleich zu einem Turbostrahlkompressor) Druck der Brennkammer, in der gasförmige Luft mit flüssigem Wasserstoff gemischt wird. Beim Verlassen der dichten Schichten der Atmosphäre wird der Lufteinlass durch Klappen verschlossen und die Brennkammer wird mit flüssigem Sauerstoff aus Innentanks gespeist. Da der Verbrauch an Wasserstoff zum Kühlen größer ist als der des Oxidationsmittels in der erhaltenen Luft, wird der Überschuss (2/3 des durch den Wärmetauscher strömenden Stroms) im zweiten Kreislauf verbrannt und mit dem Teil der Luft gemischt, der nicht in den Wärmetauscher gelangt ist.

Das Schaltbild hat sich jedoch gegenüber RB545 geringfügig geändert: Es wurde ein Zwischenkreislauf mit flüssigem Helium hinzugefügt - jetzt kühlt Wasserstoff Helium ab, und Helium entzieht der Luft bereits Wärme, dreht beim Erhitzen den Kompressor und die Pumpturbine und kühlt anschließend wieder ab. Dies vermeidet die Probleme der Wasserstoffversprödung im temperaturbeanspruchten Wärmetauscher des Lufteinlasses. Das Layout des Raumfahrzeugs hat sich ebenfalls geändert: Die dünne Spindel des Rumpfs ist mit einem dreieckigen Flügel ausgestattet, an dessen Enden sich leicht gekrümmte Triebwerksgondeln befinden.

SABRE: Geschichte und Hintergrund
1903

Der Erstflug des Flugzeugs der Gebrüder Wright mit Triebwerk

1935

Die Entstehung eines der massivsten Transportflugzeuge der Geschichte, der Douglas DC-3

1952

Aufnahme des kommerziellen Betriebs des Passagierflugzeugs de Havilland Comet

1962

Start des weltweit ersten kommerziellen Satelliten Telstar 1

1969

Turbojet-Zweikreismotoren machen die Boeing 747 zum ersten Langstrecken-Großraum-Passagierflugzeug

1981

Start des Space Shuttle

1990

Beginn der Entwicklung SABRE

2003

Erfolgreiche Lösung des Problems der Lufteinlass-Vereisung

2012

Erfolgreiche Wärmetauschertests für Vorkühlsystem

2013

Die britische Regierung gibt 50 Millionen Pfund für Projektunterstützung aus

2015

BAE Systems investiert 20 Mio. GBP in Reaktionsmotoren zum Bau und Testen eines Prototyps

Abgenutzt

Die Entstehungsgeschichte von SABRE ist in erster Linie die Geschichte der Entwicklung und Verbesserung des Wärmetauschers, da alles an seine Eigenschaften gebunden ist. Es muss der Luft bis zu 400 MW Wärme entziehen, dabei ein Mindestgewicht, geringe Abmessungen und einen geringen hydraulischen Widerstand aufweisen (um eine bestimmte Kältemitteldurchflussrate ohne Installation schwerer Pumpen zu gewährleisten) und unter Bedingungen mit enormen Temperatur- und Druckunterschieden arbeiten, wobei die Integrität während des gesamten Lebenszyklus gewahrt bleibt Apparate und technologisch in der Herstellung sein. Laut Alan Bond haben moderne industrielle Wärmetauscher dieser Kapazität ein 30-mal höheres Gewicht als es für den Einsatz an Bord eines einstufigen Raumfahrzeugs zulässig ist (18 Tonnen gegenüber 600 kg im SABRE-Design). Die Antwort wurde, wie so oft, von der Natur vorgeschlagen. Die Kiemen der Fische haben ein verzweigtes Kapillarsystem, in dem ein dünneres Netzwerk von Röhrchen in die dicken Gefäße fließt. Dies hat sich als genau die Lösung herausgestellt, die es ermöglicht, den Widerstand gegen den Flüssigkeitsfluss mit einer ausreichenden Wärmeübertragungsfläche zu verringern. Bestehende Wärmetauscher haben in der Regel einen Satz Rohre mit gleichem Durchmesser, während das neue Design gekrümmte dünnwandige Rohre mit einem Durchmesser von 0, 9 mm und einer Wandstärke von 30 nm aus der Legierung Insonel 718 verwendet, die die Hauptrohrleitungen mit größerem Durchmesser verbinden. Die Herstellung erfolgt durch Löten, und die Löcher in den Hauptrohrleitungen werden mit einem Laser gebrannt. Es wurde ein Prototyp eines Wärmetauschers hergestellt, der vor dem auf dem Ständer montierten Rolls-Royce Viper-Düsentriebwerk platziert wurde. Die Ingenieure führten einen Bodentestzyklus durch, in dem das Modul 200 Arbeitszyklen von jeweils 5 Minuten durchlief - mehr als der geplante Lebenszyklus des Skylon-Geräts.

Schema SKYLON 1. Keramikverkleidung; 2. Nasenstabilisatoren; 3. Tank mit flüssigem Sauerstoff; 4. Tank mit flüssigem Wasserstoff; 5. Laderaum; 6. Steuereinheit; 7. Der Lufteinlass; 8. Wärmetauscher; 9. Engine SABRE; 10. Orbital-Rangiermotoren.

Wenn Luft auf -140 ° C abgekühlt wird, entsteht zwangsläufig das Problem der Vereisung: Der gesamte Dampf (und bei dieser Temperatur nicht nur Dampf, sondern auch Kohlendioxid), der in der Umgebungsluft enthalten war, wird zu Eis. Beim ersten Testlauf war der Wärmetauscher innerhalb von Sekunden mit einer durchgehenden Eiskruste bedeckt, die alle Luftkanäle vollständig verstopfte. Laut Reaction Engines ist das Problem nun behoben, aber das Unternehmen vermeidet unter Berufung auf Geschäftsgeheimnisse auch nur den geringsten Hinweis darauf, wie es möglich war. Sie können sich ein Bild davon machen, wie die Vereisung im RB545-Projekt gehandhabt wurde. Die Strömung wurde dort in zwei Stufen gekühlt: Der erste Wärmetauscher kühlte die Luft auf + 10 ° C, verwandelte fast den gesamten Dampf in Nebel, und die Einspritzung von flüssigem Sauerstoff verringerte die Temperatur der Strömung sofort auf -50 ° C. Die restliche Feuchtigkeit (zuvor wurde auch eine optionale Feuchtigkeitsfalle installiert) verwandelte sich sofort in fein verteilte Eiskristalle, die nicht auf den Rohren des Wärmetauschers einfrieren.

Da der Motor einen hohen thermodynamischen Wirkungsgrad aufweist, verwendeten die Entwickler einen einfachen und leicht achsensymmetrischen Lufteinlass mit einem Zweisprung-Luftstrombremssystem mit einem Druckanstieg auf 1, 3 bar. Eine Alternative war die flache Kompressionskeiloption, die auf den HOTOL-Skizzen vorgestellt wurde. Es ist effizienter (eine größere Anzahl von schrägen Stoßwellen minimiert den Verlust des gesamten Eingangsdrucks). Wenn Sie jedoch die Machzahl ändern, müssen Sie die Neigungswinkel vieler Oberflächen so einstellen, dass alle Sprünge an einem Punkt konvergieren. Diese Mechanisierung mit Scharnieren und Antrieben zieht zusätzliches Gewicht. Beim achsensymmetrischen Doppelsprung-Lufteinlass wird das Problem nur durch Hin- und Herbewegen des Kegels gelöst.

Keilkeil

Die Triebwerksdüse ist ebenfalls eine High-Tech-Einheit, die sich von der klassischen Laval-Düsenglocke unterscheidet, die bei modernen Flüssigkeitsstrahltriebwerken verwendet wird. Ein wesentliches Problem einstufiger Geräte ist die Druckänderung am Düsenaustritt: Eine für Vakuum optimierte Düse bewirkt keine solche Traktion in der Atmosphäre und umgekehrt. Infolgedessen wird der gesamte Beschleunigungsabschnitt der Düse entweder mit einer Unterausdehnung oder jetzt mit einer Überausdehnung arbeiten, was zu einem Abfall des spezifischen Impulses führt. Bei mehrstufigen Geräten kann die Düse jeder Stufe für den Druck im Bereich ihres Betriebs optimiert werden (sie variiert ebenfalls, jedoch nicht in einem so großen Bereich). 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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