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反作用發動機公司披露Sabre發動機的防霜控制技術秘密

發布日期:2017-01-29??來源:航空工業信息網我要投稿我要評論

Aviationweek網站2015年7月8日刊文指出,英國反作用發動機公司首次披露了其所發展的一款航空航天用創新混合動力高超聲速推進系統的核心關鍵技術細節。

公司設計的“協同吸氣式火箭發動機(Synergetic Air-Breathing Rocket Engine ,Sabre)”推動飛行器以吸氣模式從靜止開始直到飛行馬赫5.5,然后以純火箭模式從大氣邊緣飛到地球低軌道。這一概念的一個基本推動力是由數英里長精細管路組成的復雜熱交換器系統,它使動力系統直接從大氣中吸取氧氣用作燃料。

系統在小于1/100秒內,使所吸入的超過1000℃的空氣冷卻至-150℃,經過預冷卻的空氣通過渦輪壓氣機送入火箭燃燒室,在那里它與冷卻用液體氫燃燒。直到現在為止,系統工作時防止預冷器堵塞和結冰的手段仍然是公司嚴守的秘密。

反作用發動機公司技術總監兼首席設計師Richard Varvill說:“這相當令人不解”。這里談到在美國航空航天學會(AIAA)的國際空天和高超聲速會議上演講時,Varvill解釋系統防霜是因為空氣在快速冷卻過程中相對濕度達到飽和而結霜析出。沉淀物“看起來像你在一個寒冷的冬日看到白色羽毛狀霜。不幸的是霜機械強度足夠,如果你什么都不做,霜會彌合管與管間的縫隙,大約3秒鐘就可將陣列管路阻塞”。

Varvill 進一步說明:“太令人吃驚的是,在這種情況下我們使用了防凍液,甲醇。但是,我們為求最小化需用量以相當復雜的方式來使用甲醇。另外,我們不想所噴入的甲醇留在空氣流中,因為我們實際上在將空氣冷卻到的點處甲醇自身也將凍結”。

要做到這一點,Varvill介紹反作用發動機公司:“借鑒了化工行業的一招,我們在最冷點之一注入甲醇,對著氣流方向,我們有效地獲得了流向管陣列的水和甲醇混合物”。Varvill說這可能似乎有悖常理,系統通過捕捉水-甲烷混合物,并重新注入其更上游處而實現防霜。 “我們在管陣列中有多個注入引出點,但總的效果是甲醇和水的混合物,實際上是逆著空氣流方向流向管陣”。

他補充說,理由是在熱交換器管陣列的冷端,冷凝混合物幾乎全是甲醇,當它向前方流動時,甲醇將水拾起。 “在管陣列的入口幾乎全是水,所以與熱端相比,在冷端混合物中含甲醇更多。因為你已經在熱端提取出了大部分的水,這樣水就少了,并減少了需要投入預冷器中阻止結冰的甲醇的絕對用量” 。此外,因為液態水量的減少,所以相對濕度也減小。 “最終的情況是,你以液體形式從氣流中抽出了所有水蒸汽,留下的是低于215K基本干燥的空氣。水蒸汽在這一溫度點上的分壓非常低,可以讓它穿過熱交換器,不會結冰”。

Varvill進一步說明,把這個變成工程實際的艱巨任務是通過專門改裝有噴射和集水系統的風洞進行試驗取得。防霜控制系統測試證明它維持穩定工作的空氣溫度-80℃和同時以低壓力損失通過預冷卻器陣列的能力。

反作用發動機公司因為申請專利而決定公開防霜控制技術。羅爾斯•羅伊斯公司前任技術和未來項目總工程師,現在作為常務董事執掌反作用發動機公司的馬克•托馬斯說:“要取得專利權就要知道是否涉及到其他公司。在這種情況下,你不能長時間保持商業秘密,所以聰明的辦法最好是得到正式和法律上的保護。”托馬斯說反應作用發動機公司已接近“獲得批準。”

公司正在開發主要用于“云霄塔”單級入軌空天飛機用的Sabre發動機。但在潛在的飛機和兩級發射運載工具應用上,對此推進系統和其預冷卻器技術表現出廣泛興趣。

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