Двигатель бонда переведёт лайнеры на гиперзвуковые скорости
Обучиться перевозить 300 пассажиров из Брюсселя в Сидней не более чем за 4 часа — к таковой заманчивой цели стремятся инженеры, трудящиеся над новым глобальным гиперзвуковым самолетом. Примечательно, что машина эта ведёт собственную родословную от давешнего проекта уникальной (по принципу действия) космической совокупности.
Лишь представьте, как изменился бы мир авиаперевозок с возникновением лайнера, талантливого преодолеть без посадки 20 тысяч километров с крейсерской скоростью в 5 скоростей звука. Любой пассажир с удовольствием затратил бы всего 4 часа (кроме того с учётом взлёта, посадки и разгона) на полёт через половину земного шара. Так как альтернатива — изматывающее путешествие на классическом самолёте, занимающее 22 часа. Кроме того если бы билеты на гиперзвук стоили в два раза дороже простых, их отрывали бы с руками.
А уж за равную цену… Но мы забегаем вперёд.
Кстати, самый дальнобойный лайнер в мире может преодолеть без посадки (с 300 пассажирами на борту) 17,5 тысяч километров. А его всемирный рекорд (для магистральных лайнеров), установленный в особом рекламном рейсе Гонконг-Лондон – 21601 километр, каковые он пролетел за 22 часа 42 60 секунд.
Но чуть меньще суток в воздухе? Помилуйте. Это пытка (разве лишь в спальном салоне). Вот полёт на скорости 5,5-5,8 тысяч км/ч – другое дело.
Как раз таковой станет гражданская авиация, в случае если осуществит собственные замыслы английская компания Reaction Enginesпод руководством Аланом Бондом (Alan Bond).
Необыкновенный английский лайнер обязан летать на высоте 25 километров (иллюстрация Reaction Engines).
Компания участвует в трансъевропейском проекте LAPCAT, управляемом ESA и финансируемом Европейским союзом. LAPCAT – это Long-Term Advanced Propulsion Concepts and Technologies, другими словами технологии и долгосрочные концепции передовых совокупностей привода. Проект призван создать и оценить разные методы скоростных трансокеанских воздушных и (вероятно) космических путешествий.
Тут сгодятся и прямоточные гиперзвуковые двигатели, и чисто ракетные разработки.
У Reaction Engines собственное видение, как решить эту задачу. В собственном проекте LAPCAT она разрабатывает 300-местный гиперзвуковой лайнер A2, о чертях которого мы говорили выше.
Но перед тем как подробнее поведать о лайнере и его необыкновенных движках, необходимо возвратиться мало в прошлое.
Как-то в 1950-1960-х годах американские инженеры поразмыслили, что трудности создания гиперзвукового космического самолёта (либо челнока, талантливого самостоятельно выходить на орбиту) во многом обусловлены огромным весом окислителя, что он должен таскать на борту (предполагалась пара жидкий водород и жидкий кислород, из которых кислород намного тяжелее).
Вам внешний вид A2 ничего не напоминает? Верно: сверхзвуковой ракетоносец Мясищева М-50 1959 года (на кадре внизу он снят в музее в Монино). Крыло, действительно, у англичанина расположено внизу, да к тому же A2 сделан по схеме утка, а у М-50 — простое хвостовое оперение. Но размещение движков и неспециализированный вид — сходны. Законы аэродинамики?
Возможно. Вот лишь М-50 развивал 1950 км/ч, а A2 замахивается приблизительно на 5700 км/ч (иллюстрация Reaction Engines, фото с сайта fas.org).
Было весьма заманчиво применять (при полёте в воздухе) атмосферный же воздушное пространство, но тогда выходило, что необходимо было иметь два, в противном случае и три различных типа двигателя на машине – турбореактивный для начала полёта, реактивный прямоточный для разгона и ракетный для космоса. Это и сложно, и ненадёжно, и масса автомобили получается через чур громадна.
Тут и придумали: нужно покинуть лишь один ракетный движок, но его кислородный бак пополнять из воздуха, захватывая и сжижая воздушное пространство на ходу за счёт холода, запасённого в жидком водороде (горючем). Вернее – сжиженный воздушное пространство нужно было тут же разделять на кислород и компоненты направлять прямо в двигатель.
В космосе движок питался бы от маленького кислородного бака, весящего в разы меньше классического. Так появилась концепция LACE (liquid air cycle engine – двигатель с циклом на жидком воздухе).
Столь непростую совокупность реализовать было очень сложно. Но здравое зерно, заложенное в ней, многим не давало спокойствия. И вот в первой половине 80-ых годов XX века английский инженер Алан Бонд придумал вариацию совокупности LACE называющиеся SATAN.
Никакого сжижения не требуется, но входящий в гиперзвуковой воздухозаборник и очень сильно нагревающийся воздушное пространство нужно вправду пропускать через теплообменник, в котором курсирует жидкий водород из топливного бака, а уже позже данный холодный воздушное пространство возможно сжимать в компрессоре турбореактивного движка, на что уйдёт куда меньше энергии, чем в классическом моторе.
По такому принципу возможно было делать и ракеты, и суборбитальные автомобили, и всяческие гиперзвуковые летающие штуковины.
Приблизительно одвременно с этим компания British Aerospace, сейчас вошедшая в BAE Systems, и Rolls-Royce объединили свои силы в проекте гиперзвукового космического самолёта HOTOL. В качестве двигателей для него Rolls-Royce внесла предложение создать вариацию двигателя Бонда под наименованием RB545. Алан тут же подключился к этому проекту и, фактически, сыграл в нём ведущую роль, запатентовав данный самый RB545.
HOTOL не был доведён до конца, но породил богатое инженерное наследие. На картинках — разные вариации HOTOL (а также — разрез автомобили и её сравнение с шаттлом, стоящим на пояснице Боинга). На фото: опробования модели Interim HOTOL (она же HOTOL 2) в аэродинамической трубе на пояснице модели самолёта Ан-325.
Мы не оговорились — двигателей у него вспоминало 8 (смотрите внимательнее), против 6 у Ан-225, от которого и собирались произвести эту модель. 325-й был задуман для обеспечения воздушного старта английского аппарата (иллюстрации и фото с сайтов reactionengines.co.uk и aerospaceweb.org).
Проект развивался весьма бурно (была проработана конструкция двигателя, кроме того создавались рабочие прототипы самолётов). Будучи финансируемым правительством, он просуществовал пара лет. Но интерес правительства и деньги кончились нежданно.
HOTOL так и не был доведён до конца.
Бонд сделал вывод, что нужно создавать космический самолёт собственными силами, но патент на двигатель имени себя к тому времени он применять не имел возможности: его выкупила у Алана компания Rolls-Royce. Инженер, но, не сдался, и придумал предстоящее развитие данной технологии в таком виде, что он имел возможность обойти ограничения патента.
С тем Бонд и создал собственную компанию Reaction Engines (во второй половине 80-ых годов XX века), сманив в неё из Rolls-Royce инженеров Джона Скотта-Скотта (John Scott-Scott) и Ричарда Вэрвилла (Richard Varvill), каковые ранее вместе с ним трудились над RB545, будучи одними из главных фигур этого проекта.
В следствии к настоящему времени приятели завершили предварительную фазу проектирования неповторимого двухрежимного двигателя Sabre (Synergic Air BReathing Engine – синергический воздушно-реактивный) и орбитального космоплана Skylon.
Знакомьтесь: воздушно-космический непроизвольный челнок Skylon. Протяженность — 82 метра, вес безлюдного — 41 тонна. Полный взлётный вес — 275 тысячь киллограм, из них на горючее приходится 220 тысячь киллограм, а на нужный груз — до 12 тысячь киллограм.
Большая скорость — первая космическая, большая «высота полёта», другими словами высота круговой орбиты — 460 километров (с нужным грузом 9,5-10,5 тысячь киллограм) (иллюстрации Reaction Engines).
Cейчас компания занята уточнением разных технических, производственных и экономических подробностей данной разработки. Более того – она выстроила стенды, где уже испытывает кое-какие компоненты собственного чудо-мотора, например, теплообменник – охладитель воздуха.
Skylon – это многоразовый беспилотный аппарат с двумя двигателями Sabre на финишах крыльев, талантливый самостоятельно выходить на околоземную орбиту (без твердотопливных-ускорителей и ракеты носителя). Взлетая по самолётному, Skylon начинает разгон в воздухе, питаясь жидким водородом и очень сильно охлаждённым воздухом из воздуха.
охлаждение и Ключевая особенность – двигателя поступающего забортного воздуха до температуры немногим выше точки кипения. Наряду с этим он однако остаётся газом и потом очень сильно сжимается в турбокомпрессоре. Примечательно, что охлаждается воздушное пространство гелием, что предварительно охлаждается жидким водородом.
Солидную часть фюзеляжа Skylon занимают баки с жидким водородом. Баки с жидким кислородом очень мелки для автомобили, которая выходит на орбиту самостоятельно, взлетая с аэродромной полосы.
Это заслуга двухрежимных двигателей Sabre (продемонстрирован внизу), большую часть «дороги» дышащих воздухом из воздуха (иллюстрации Reaction Engines).
Для чего тут промежуточный теплоноситель? Циркуляция гелия в «навороченной» совокупности из нескольких теплообменников, компрессоров и турбин, вкупе с наличием предварительной камеры сгорания (где сжигается часть водорода в сжатом воздухе), снабжает энергией тот самый турбокомпрессор, что поставляет воздушное пространство в главную камеру сгорания. Гелий же может использоваться для двигателя частей и охлаждения самолёта при полёте на гиперзвуке.
Sabre способен «дышать» забортным воздухом от нулевых скорости и высоты полёта, и впредь до скорости в 5,5 М (скоростей звука). По окончании чего центральное тело в его воздухозаборнике смещается вперёд, всецело закрывая входной канал, и Sabre переходит на чисто ракетный режим, питаясь жидким кислородом из бака.
Так машина достигает первой космической скорости, доставляя 12 тысячь киллограм нужного груза на круговую орбиту высотой 300 километров. Воображаете – Skylon ограничивается всего одним типом движка (числом пары штук) во всём диапазоне режимов – от неспешного пробега по рулёжной дорожке аэропорта до орбиты и обратно!
И опять A2. Тут англичане его сравнивают с Airbus А380 — самым громадным пассажирским самолетом в мире (иллюстрация Reaction Engines).
По окончании возвращения в прохождения и атмосферу самой тёплой фазы спуска космоплан открывает воздухозаборники и снова переходит на «воздушное дыхание», приземляясь на простой полосе аэропорта.
Любопытен фюзеляж Skylon. Его Алан собирается выполнить из углепластика, поверх которого будет закреплена узкая (всего 0,5 миллиметра) оболочка из керамики, усиленной, снова же, углеволокном. Эта оболочка будет принимать аэродинамические и тепловые нагрузки, причём её будет отделять от углепластикового фюзеляжа некоторый зазор, а крепиться керамика будет на упругих связях, разрешающих ей «дышать» (расширяться) на протяжении нагрева при вхождении автомобили в воздух по окончании космического рейса.
Алюминиевые баки будут кроме этого подвешены в фюзеляжа на упругих связях.
Создание Skylon потребует ещё 10 кучи и лёт денег, считают английские инженеры, а потому его команда и Алан решили распространить данную разработку и на другие аппараты.
Так компания и подключилась к европейскому проекту LAPCAT, и без того у Бонда с компаньонами появилась мысль пассажирского глобального лайнера A2, и — гиперзвукового турбореактивного движка для него по имени Scimitar.
Схема двигателя Scimitar (иллюстрация Reaction Engines).
Это упрощённая вариация Sabre, которой уже не нужно выход и ракетный режим в космос. Но тут кроме этого использована мысль предварительного (перед компрессором) охлаждения атмосферного воздуха до температуры, близкой к криогенной.
Это обеспечит высочайшие параметры движка по тяге, весу и экономичности и, так, станет ключом к дальнему гиперзвуковому полёту.
Многослойная обшивка лайнера будет содержать совокупность активного охлаждения (применяющую мороз от баков с жидким водородом), которая не разрешит ей перегреваться на протяжении четырёхчасового полёта в воздухе на скорости 5 махов (другими словами приблизительно 5,5-5,8 тысячи км/ч).
В таком ракурсе A2 напоминает простой лайнер. Но его экологическую чистоту (горючее — водород всё-таки) возможно именовать самым малым отличием данной разработки от сегодняшних самолётов (иллюстрация Reaction Engines).
Reaction Engines проанализировала массу качеств эксплуатации для того чтобы суперлайнера, а также – различные варианты получения водорода для него, и пришла к выводу, что билет на борт A2 (при массовых полётах таких автомобилей) может стоить приблизительно столько же, сколько на данный момент стоит место в бизнес-классе в трансконтинентальном авиарейсе.
Потому, что A2 несложнее, чем Skylon, от которого он происходит, 300-местная машина возможно реализована в металле раньше орбитального автоматического челнока. А успех A2 принесёт английской компании средства, каковые необходимы для завершения проекта Skylon.
В случае если всё так и окажется, мир обогатится сходу и гиперзвуковой трансконтинентальной пассажирской машиной, и многоразовым космическим аппаратом, талантливым очень сильно снизить цена выведения грузов на орбиту (кстати, Skylon англичане проектируют в расчёте на 200 полётов для каждого экземпляра и собираются эксплуатировать парк из 30 таких автомобилей).
Таковой вот дуплет.
