军刀(火箭引擎)

军刀
SABRE engine designed for Skylon spaceplane, 1990s. (9660572897).jpg
1990年代设计的Saber Engine的版本
出生国家英国
设计师反应引擎有限
应用单阶段到轨道
联系LV雪橇
前任RB545
地位研究与开发
液体燃料发动机
推进剂空气或者液体氧/液体氢[1]
循环组合周期预冷发动机封闭的循环火箭发动机
表现
推力,真空大约2,940 kN(660,000磅f
推力,海平面大约1,960 kN(440,000磅f
推力重量比最多14(大气)[2]
具体的冲动, 真空460秒(4.5 km/s)[3]
具体的冲动, 海平面3,600秒(1.0 lb/(lbf·H); 35 km/s)[3]

军刀协同空气呼吸火箭引擎[4])是一个正在开发的概念反应引擎有限为一个高血压预冷杂交种空气呼吸火箭引擎.[5][6]发动机的设计是为了实现单阶段到轨道能力,推动提议雪橇空间平面到低地球轨道。军刀是艾伦·邦德(Alan Bond)一系列蕾丝 - 始于1980年代初/中期的设计Hotol项目。[7]

该设计包括一个组合周期火箭引擎具有两种操作模式。[3]空气呼吸模式结合了涡轮压缩机轻巧的空气预冷器位于入口锥。在高速时[8]导致很高压力比在引擎内。压缩空气随后被送入火箭燃烧室它被点燃的地方以及存储液体氢。高压比使发动机可以在非常高速和高度的高速度下提供高推力。空气的低温允许使用轻型合金结构,并允许非常轻巧的发动机 - 至关重要的轨道。此外,与蕾丝概念不同,Saber的预冷器没有液化空气,让它更有效地运行。[2]

在关闭入口锥后马赫5.14,高度为28.5公里,[3]该系统继续作为闭环高性能火箭引擎燃烧液体氧液体氢从机上燃油箱中,有可能允许混合动力空间平面概念喜欢雪橇在陡峭的攀登上离开大气后,达到轨道速度。

源自Saber概念的引擎弯刀是为公司设计的A2高超音速乘客喷气机提案欧洲联盟 - 资金lapcat学习。[9]

历史

预冷器的概念是从1955年罗伯特·P·卡迈克尔(Robert P. Carmichael)起源的一种想法中演变而来的。[10]接下来是液态空气周期发动机(蕾丝)最初探索的想法一般动力学在1960年代,作为美国空军航空飞机努力。[2]

蕾丝系统将被放置在超音速进气口后面,该进气口将通过RAM压缩压缩空气,然后热交换器会使用一些液体氢燃料存储在船上。然后处理产生的液体空气以分离液体氧用于燃烧。温暖的氢数量太大了,无法用氧气燃烧,因此大多数要被排出,有用的推力,但大大降低了潜在的效率。

相反,作为Hotol项目,液态空气周期发动机(LACE)RB545发动机的开发具有更有效的周期。发动机的名称为“燕子”。[11]1989年,在霍多(Hotol)资助后,邦德(Bond)和其他几个人都形成了反应引擎有限继续研究。RB545的预冷器有问题封闭和过量的液体氢消耗,并被专利和英国的官方机密法,因此邦德开发了军刀。[12]

2016年,该项目从英国政府和ESA获得了6000万英镑的资金,用于涉及整个周期的示威者。[13]2021年7月,英国航天局进一步提供了390万英镑的持续发展。[14]

概念

RB545,军刀设计既不是常规的火箭引擎也不是传统的喷气发动机,但是一种在低速/高度以环境中使用的空气并存储的混合动力车液体氧在较高的高度。SABER发动机“依靠能够将传入的空气冷却至-150°C(−238°F)的热交换器,可提供与氢混合的氧气,并在大气飞行中提供射流推力,然后在太空中切换到油箱的液体氧气。“

在空气呼吸模式下,空气通过入口进入发动机。旁路系统将某些空气通过预冷器引导到压缩机中,将其注入燃烧室中,并用燃料燃烧,排气产品通过喷嘴加速以提供推力。其余的进气空气继续通过旁路系统延伸到火焰架架,该架充当部分空气呼吸飞行方式的冲击。氦回路用于将热量从预冷器转移到燃料,并驱动发动机泵和压缩机。

进口

在发动机的前部,该概念设计提出了一个简单的翻译轴对称性冲击锥入口它使用两种冲击反射将空气(相对于发动机)压缩并减慢了亚音速速度。加速空气达到发动机的速度拉姆阻力。由于冲击,压缩和加速度,进气空气被加热,在马赫时达到1,000°C(1,830°F)左右。 5.5。

拜仁化学,通过ESA,已经从事完善和测试摄入和旁路系统的工作[15]

预冷器

当空气进入发动机时超音速或者高血压速度,由于压缩效应,它比发动机可以承受的热量更热。[8]喷气发动机,有相同的问题,但程度较小,可以通过使用重量来解决它或者基于材料,通过减少发动机的压力比,通过将发动机在较高的空速下倾斜以避免熔化。但是,对于单阶段到轨道(SSTO)太空平面,这种重型材料是无法使用的,并且最大的时间插入轨道是必要的,以最大程度地减少重力损失。相反,使用气态冷却液环,军刀在避免避免的同时,在避开逆流热交换器中,将空气从1,000°C(1,830°F)急剧冷却至-150°C(-238°F),同时避免液化冰冻水蒸气的空气或阻塞。逆流热交换器还允许氦气在足够高的温度下退出发动机,以驱动液体氢燃料和氦气工作液本身的泵和压缩机。

先前的预科机(例如Hotol)将氢燃料直接通过预冷器。军刀在空气和冷燃料之间插入氦气冷却环,以避免出现问题氢的含水在预冷器中。

空气的戏剧性冷却产生了一个潜在的问题:有必要防止将预冷器阻止冷冻水蒸气和其他空气分数。2012年10月,使用冷冻空气证明了冷却溶液6分钟。[16]冷却器由一个精美的管道热交换器组成,带有16,800个薄壁管,[17]并在0.01中冷却热的大气中的气体内气空气至所需的-150°C(-238°F) s.[18]预防冰系统一直是一个严密的秘密,但Rel透露了甲醇 - 在2015年通过专利注射3D打印的脱机,因为他们需要合作伙伴公司,并且在与局外人紧密合作时无法保守秘密。[19][20][21]

压缩机

低于五倍声音的速度和25公里的高度,这是速度的20%,达到20%的海拔高度轨道,从预冷器中冷却的空气进入改良的涡轮增压器 - 压缩机,设计与传统喷气发动机的设计相似,但在异常高压力比通过入口空气的低温使其成为可能。压缩机以140的压缩空气为压缩空气气氛进入主要发动机的燃烧室。[22]

在传统的喷气发动机中,涡轮压缩器由燃气轮机由燃烧气体提供动力。军刀用氦环驾驶涡轮机,该氦气环由预先冷却器中捕获的热量和预燃烧器驱动。[22]

氦循环

空气预冷器的“热”氦气通过在热交换器中使用液体氢燃料冷却来回收。循环形成一个自我启动布雷顿周期发动机,发动机的关键部分和动力涡轮机。热量从空气中传到氦气。这种热能用于为发动机的各个部位供电并蒸发氢,然后将其燃烧ramjets.[3][23]

燃烧室

军刀发动机中的燃烧室由氧化剂(空气/液体氧)冷却,而不是液体氢冷却[24]化学计量学系统。

喷嘴

传统的最有效的大气压力推动喷嘴作品由几何学喷嘴铃。而传统铃的几何形状仍然是静态的大气压力随高度变化因此,由于高度较高的高度,因此专为低气层中的高性能而设计的喷嘴失去了效率。在传统火箭中,通过使用为它们遇到的大气压力设计的多个阶段来克服这一点。

Saber发动机必须在低海拔和高海拔场景下运行。为了确保效率根本有点移动,扩展喷嘴用来。首先,在低海拔处,铃响的空气呼吸飞行位于后方,连接到喷嘴顶部周围的环形燃烧室,一起形成一个扩展挠度喷嘴。当Saber后来过渡到火箭模式时,钟声向前移动,延伸了内部火箭燃烧室的铃铛长度,从而形成了更大,高的高空喷嘴,以提高飞行效率。[25]

火箭模式的喷嘴

旁路燃烧器

避免液化提高引擎的效率,因为生成,因此煮沸的液体较少。但是,仅仅冷却空气需要比发动机芯中燃烧更多的液态氢。多余的燃烧器被称为“溢出管道拉米吉特燃烧器”,[3][23]在中央核心周围排列的环。这些是绕过预冷器的空气。该旁路板挡板系统旨在减少进入进气口的空气引起的阻力的负面影响,但未馈入主火箭发动机,而不是产生推力。在低速下,进入摄入量与压缩机可以进食的体积的空气量的比率最高,要求将绕过的空气加速以在这些低速下保持效率。这将系统与Turboramjet如果使用涡轮循环的排气装置来增加空气流,以使Ramjet变得足够有效,以接管原发性推进的作用。[26]

发展

最新的军刀引擎的设计。

2008年,机载工程有限公司在一次上进行了测试扩展挠度喷嘴称为斯特恩(Stern)提供了开发准确的工程模型所需的数据,以克服非动态排气扩展的问题。这项研究在2011年继续进行严格的喷嘴。

通过EADS-ASTRIUM在太空推进学院在2010年

2011年,完成了热交换器技术的硬件测试“对[杂交空气和液体氧气呼吸[Saber] Rocket Motor至关重要''已完成,这表明该技术是可行的。[27][28]测试证实了热交换器可以根据需要执行的发动机来从大气中获得足够的氧气以支持低空,高性能的操作。[27][28]

2012年11月,反应引擎宣布已成功地结束了一系列测试,这些测试证明了发动机的冷却技术,这是该项目完成的主要障碍之一。这欧洲航天局(ESA)评估了Saber Engine的预冷器热交换器,并接受了有关发动机开发所需的技术已充分证明的说法。[27][29][30]

2013年6月,英国政府宣布进一步支持开发Saber Engine的全面原型[31]在2014年至2016年之间提供6000万英镑的资金[32][33]ESA提供了额外的700万英镑。[34]开发测试钻机的总成本估计为2亿英镑。[32]

到2015年6月,Saber的开发继续进行了Westcott的高级喷嘴项目。由机载工程有限公司运营的测试引擎正在用于分析空气动力学除了新的制造技术(例如3D打印的推进剂注入系统)外,Saber Engine将使用的先进喷嘴的性能。[35]

2015年4月,Saber Engine概念通过了美国进行的理论可行性审查空军研究实验室.[36][37][38]该实验室将不久之后揭示两阶段到轨道的剑术概念,因为他们认为单阶段至轨道的Skylon空间平面“从技术上讲是非常有风险的,因为它是Saber Engine的首次应用”。[39]

2015年8月欧盟委员会竞争管理局批准了英国政府资助5000万英镑的资金,以进一步开发SABER项目。这是根据资金从私人产权不足以完成该项目。[40]2015年10月英国公司BAE系统同意购买公司20%的股份£2060万,作为帮助开发Saber Hypersonic Engine的协议的一部分。[41][42]2016年,反应首席执行官马克·托马斯(Mark Thomas)宣布了限制资金的计划,计划建造四分之一大小的地面测试引擎。[43]

2016年9月,代表代表反应引擎申请计划同意的特工,以在前者的现场建造火箭发动机测试设施火箭推进机构在英国韦斯特科特[44]于2017年4月授予[45]并在2017年5月a开创性举行仪式是为了宣布将在2020年活跃的Saber TF1发动机测试设施的建设开始。[46][47]但是,此后,TF1设施的开发已悄悄地放弃,现场已被航空航天和国防集团占领纳莫.[48]

2017年9月宣布美国国防高级研究计划局(DARPA)与Reaction Engines Inc.合同,在科罗拉多州沃特金斯附近的前山脉机场建造了高温气流测试设施。[49]DARPA合同旨在测试Saber Engine的冷却器热交换器(HTX)。测试设施和测试文章的构建始于2018年,测试重点是在温度下运行HTX,模拟空气通过Mach的亚音速摄入量进行 从2019年开始5或约1,800°F(1,000°C)。[50][51]

HTX测试单元在英国完成,并于2018年送往科罗拉多州,2019年3月25日F-4GEJ79涡轮喷气式排气与环境空气混合以复制马赫 3.3入口条件,成功淬灭了420°C(788°F)的气体流到100°C(212°F)的气流小于1/20秒。进一步测试模拟马赫 计划5个,预计温度从1,000°C(1,830°F)降低。[8][17]这些进一步的测试已在2019年10月之前成功完成。[52][53][54]

成功的HTX测试可能会导致在可伸缩的Saber演示器完成之前可以开发的衍生预冷器应用程序;建议的用途是扩展燃气轮机能力,高级涡轮扇,高超音速车和工业应用。[55]2019年3月,UKSAESA和ESA的初步设计综述了示威者发动机核心证实了测试版本已准备就绪实施。[56]

2019年,机载工程进行了针对Saber Preburners的量表空气/氢注射器进行测试活动。[57]

2020年,机载工程进行了“ HX3模块”(Preburner to Helium loop Hefernanger)进行测试活动[58]

引擎

由于混合火箭发动机的静电推力能力,车辆可以脱掉在空气呼吸模式下,就像传统的涡轮喷射.[3]随着工艺的上升和外部气压下降,随着RAM压缩的有效性下降,越来越多的空气被压缩到压缩机。以这种方式,喷气机能够达到比通常可能的高度。

在马赫 5.5空气呼吸系统效率低下并被电源下电,取而代之的是板载的氧气,该氧气使发动机能够加速到轨道速度(Mach周围 25)。[22]

进化

RB545

设计用于与Hotol一起使用。

发动机没有空气呼吸的静电推力能力,依靠火箭手推车来起飞

军刀

设计用于Skylon A4。

发动机没有依赖拉托发动机的空气呼吸静电功能。

军刀2

设计用于Skylon C1。

发动机没有静态推力能力,直到空气呼吸周期接管为止。

军刀3

设计用于Skylon C2。

该发动机包括富含燃料的预燃烧器,以增加从用于驱动氦气环的气流中回收的热量,从而使发动机静态推力能力。

军刀4

Saber 4不再是单个发动机设计,而是一类引擎,例如Skylon D1.5,110,000-280,000 lbf(0.49-1.25 MN; 50-127 TF)用于USAF研究部分可重复使用的TSTO。

表现

设计推力重量比Saber的14个,而常规喷气发动机的大约五个,两个Scramjets.[5]这种高性能是浓缩,冷却空气的结合,需要减轻压缩,更重要的是,低空温度允许在大部分发动机中使用较轻的合金。总体表现比RB545发动机或板球夹。

燃油效率(被称为具体的冲动在火箭发动机中)峰值约为3500在大气中。[3]典型的全高速系统峰值约450秒,甚至是“典型”核热火箭大约900秒。

高高的结合燃油效率低质量发动机允许采用SSTO方法,并带有空气呼吸 5.14+在28.5公里(94,000英尺)的高度,并且车辆到达轨道,每次起飞质量的有效载荷质量更高推出车辆曾经提出过。

预冷器为系统增加了质量和复杂性,是设计中最具侵略性和最困难的部分,但是该热交换器的质量比以前所达到的数量级低。实验装置实现了近1 gW/m的热量交换3。在封闭周期模式(即预冷器和涡轮压缩机)以及Skylon机翼的额外重量的损失被整体效率和拟议的飞行计划所抵消。传统的发射车,例如航天飞机在相对较低的速度下,花费大约一分钟的攀爬;这对纯电车辆效率低下,但最佳。相比之下,剑刀发动机允许较慢,较浅的攀爬(13分钟到达28.5公里的过渡高度),同时呼吸空气并使用翅膀支撑车辆。这可以进行重力阻力和车辆重量的增加,以减少推进剂质量和空气动力提升的增加有效载荷分数到SSTO成为可能的水平。

像Saber这样的混合机喷气发动机只需达到低点高血压内部的速度较低的气氛在攀爬时与其封闭的周期模式接触之前,以建立速度。与众不同拉米吉特或者Scramjet发动机,设计能够从零速度到马赫提供高推力 5.4,[4]在整个飞行中,从地面到非常高的高度都具有出色的推力,并且范围很高。此外,这种静态推力能力意味着可以在地面上实际测试发动机,从而大幅度削减了测试成本。[5]

2012年,REL预期到2020年的测试飞行,并在2030年之前进行运营。[59]

资源

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也可以看看

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外部链接