Od kilku lat brytyjska firma Reaction Engines Limited (REL) we współpracy z innymi organizacjami rozwija projekt SABRE (Synergetic Air Breathing Rocket Engine). Celem tego projektu jest stworzenie całkowicie nowego silnika hybrydowego zdolnego do wykorzystywania powietrza atmosferycznego i ciekłego utleniacza. Do tej pory projekt odniósł pewien sukces.
Rozwój projektu
Koncepcja silnika REL SABRE opiera się na pomysłach sformułowanych i częściowo przetestowanych w latach osiemdziesiątych. W tym czasie brytyjscy specjaliści opracowywali samolot kosmiczny HOTOL, do którego zaproponowano silnik hybrydowy typu LACE. Tego projektu nie udało się zrealizować, ale jego propozycje zostały wykorzystane w nowych opracowaniach.
Projekt SABRE w obecnej formie rozpoczął się na przełomie ostatnich dziesięcioleci. Przeprowadzono kilka badań, aby ukształtować ogólny wygląd silnika hybrydowego i określić ścieżkę jego rozwoju. W przyszłości REL był w stanie zainteresować potencjalnych klientów i uzyskać wsparcie, co przyspieszyło prace.
Do tej pory firma REL ukończyła większość dokumentacji projektowej i rozpoczęła testowanie poszczególnych elementów silnika. Do testowania produktów wykorzystywane są dwa wewnętrzne ośrodki testowe w Wielkiej Brytanii i USA.
Niektóre komponenty i koncepcje zostały przetestowane w praktyce i dowiodły swojego potencjału. W niedalekiej przyszłości powinien być dostępny pełnoprawny prototyp silnika hybrydowego, zawierający wszystkie testowane komponenty. Jego testy w warunkach stoiska rozpoczną się w latach 2020-21. Moment pojawienia się silnika nadającego się do montażu w prawdziwym samolocie pozostaje nieznany. Stanie się to prawdopodobnie dopiero w drugiej połowie lat dwudziestych.
Hybrydowy projekt
Produkt SABRE musi działać w atmosferze i poza nią, rozwijając wymagany ciąg i zapewniając przyspieszenie do dużych prędkości. Takie wymagania doprowadziły do potrzeby specjalnego projektu o określonych cechach. Zawiera elementy charakterystyczne dla silników rakietowych turboodrzutowych, strumieniowych i na paliwo ciekłe. Ich zastosowanie w różnych kombinacjach umożliwia posiadanie kilku trybów pracy dla różnych etapów lotu.
Silnik SABRE zawiera kilka głównych elementów umieszczonych w jednej obudowie. Część czołowa produktu podawana jest pod przednim wlotem powietrza z korpusem centralnym. Ta ostatnia wykonana jest w formie stożkowej owiewki i może być przesuwana wzdłuż osi silnika, aby zmienić dopływ powietrza do układu. W niektórych trybach dopływ powietrza jest całkowicie odcięty.
Bezpośrednio za wlotem znajduje się układ chłodzenia dopływającego powietrza. Oblicza się, że podczas lotu z dużą prędkością wlot powietrza powinien nagrzać się do temperatury 1000 ° C lub wyższej. Specjalna chłodnica wstępna z kilkoma tysiącami cienkich rurek wypełnionych ciekłym helem powinna w ułamku sekundy obniżyć temperaturę powietrza do wartości ujemnych. Zapewniony jest system przeciwoblodzeniowy.
Centralną część silnika zajmuje tzw. rdzeń stanowi specjalna sprężarka zaprojektowana do sprężania wchodzącego powietrza przed wysłaniem go do komory spalania. Pod tym względem SABRE jest podobny do tradycyjnych silników turboodrzutowych, ale brakuje w nim turbiny za komorą spalania i kilku innych elementów. Sprężarka napędzana jest turbiną pobierającą energię z układu chłodzenia powietrzem.
Komora spalania z kompozycji SABRE jest podobna do zespołów silników rakietowych na paliwo ciekłe. Za pomocą turbopompy proponuje się dostarczanie paliwa i utleniacza - gazowego powietrza lub ciekłego tlenu, w zależności od trybu pracy. W obu trybach jako paliwo wykorzystywany jest skroplony wodór.
Wokół głównej komory spalania znajduje się druga komora podobna do silnika strumieniowego. Przeznaczony jest do pracy w określonych trybach i zwiększania całkowitego ciągu silnika. Podobnie jak główna komora spalania, pomocnicza jednoprzejściowa komora spalania zasilana jest wodorem.
Obecnie celem projektu SABRE jest opracowanie silnika hybrydowego o wystarczająco wysokich osiągach i ograniczonych wymiarach. Gotowy produkt nie powinien być większy niż seryjny Pratt & Whitney F135 - nie więcej niż 5,6 m długości i mniej niż 1,2 m średnicy. Jednocześnie należy zapewnić wszechstronność i wysoką wydajność.
W zależności od trybu pracy taka opcja SABRE będzie mogła latać z prędkością do M=25. Maksymalny ciąg w trybie „powietrznym” osiągnie 350 kN, w trybie rakietowym - 500 kN. Główną pozytywną cechą będzie możliwość rozwiązania wszystkich problemów za pomocą jednego silnika.
Tryby działania
Silnik SABRE może być stosowany w pojazdach różnych klas, przede wszystkim w pojazdach lotniczych. Obecność kilku trybów działania zapewni możliwość poziomego startu i lądowania, lotu w atmosferze i wejścia na orbitę.
Start i lot w atmosferze należy wykonywać w pierwszym trybie pracy silnika. W takim przypadku wlot powietrza jest otwarty, a „rdzeń” dostarcza sprężone powietrze do komory spalania. Po przyspieszeniu do wysokich prędkości naddźwiękowych włącza się komora spalania o przepływie bezpośrednim. Zastosowanie dwóch torów, według obliczeń, zapewnia prędkość lotu do M = 5, 4.
Do dalszego przyspieszania używany jest trzeci tryb. Na nim wlot powietrza jest zamknięty, a ciekły tlen jest dostarczany do głównej komory spalania. W rzeczywistości SABRE w tej konfiguracji przypomina tradycyjny silnik rakietowy. Ten tryb zapewnia maksymalną wydajność lotu.
Aplikacje
Dotychczas silnik hybrydowy od REL istnieje tylko w formie dokumentacji i poszczególnych jednostek, ale obszary jego zastosowania zostały już określone. Takie elektrownie powinny być interesujące w kontekście dalszego rozwoju lotnictwa i kosmonautyki, m.in. na skrzyżowaniu tych dwóch kierunków.
SABRE lub podobny produkt przyda się w tworzeniu obiecujących naddźwiękowych samolotów atmosferycznych do różnych celów. Przy użyciu takich technologii możliwe jest tworzenie samolotów transportowych, pasażerskich czy wojskowych.
Pełen potencjał silnika hybrydowego można uwolnić za pomocą samolotu lotniczego. W tym przypadku SABRE zapewni poziomy start i lądowanie oraz wyjście na wymagane wysokości, a następnie przyspieszenie i lot na orbitę. Samolot kosmiczny z silnikami hybrydowymi powinien mieć ważne zalety, które ułatwią jego obsługę.
Rozwiązania SABRE mogą być wdrażane jako oddzielne komponenty. Na przykład REL uważa, że opracowany system chłodzenia dopływającego powietrza może być wykorzystany w modernizacji istniejących lub w rozwoju obiecujących silników turboodrzutowych. Najciekawsze wyniki z tego można uzyskać w dziedzinie lotnictwa dużych prędkości.
W swej istocie projekt SABRE oferuje zestaw kluczowych technologii do budowy hybrydowego silnika wielotrybowego. Na ich podstawie możesz stworzyć prawdziwy produkt o wymaganych wymiarach o określonych cechach. Do pierwszych testów powstaje średniej wielkości, wysokowydajna SZABLA. W przypadku zainteresowania klientów mogą pojawić się nowe modyfikacje spełniające określone wymagania.
Praktyka praktyczna
Pierwsze badania i testy w ramach projektu SABRE miały miejsce na początku dekady i miały na celu znalezienie optymalnych rozwiązań projektowych. Do tej pory REL zakończył projekt i rozpoczął proces testowania poszczególnych elementów silnika hybrydowego.
Kilka tygodni temu firma deweloperska poinformowała, że prowadzi testy laboratoryjne układu chłodzenia powietrzem. Podczas testu prędkość powietrza na wlocie do urządzenia osiągnęła M=5, temperatura – 1000 °C. Poinformowano, że prototyp z powodzeniem poradził sobie ze swoimi zadaniami i zapewnił ostry i szybki spadek temperatury przepływu. Nie podano jednak żadnych konkretnych numerów.
Wcześniej zgłaszane kontrole innych elementów silnika. Ukończenie wszystkich tych działań pozwala firmie REL przejść do montażu pełnoprawnego silnika prototypowego. Jego pojawienie się ma nastąpić w latach 2020-21. Równolegle odbędą się testy stanowiskowe, na podstawie których będzie można określić realne perspektywy rozwoju.
Reaction Engines Limited bardzo docenia swój nowy projekt i wierzy, że ma przed sobą wspaniałą przyszłość. Na ile obiektywne są takie oceny i czy odpowiadają rzeczywistości, nie jest do końca jasne. Odpowiedź na takie pytania można udzielić dopiero za kilka lat, po wykonaniu wszystkich niezbędnych środków i stworzeniu prawdziwego samolotu z silnikami SABRE.
