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協同吸氣式火箭發動機概念可信

發布日期:2017-01-31??來源:航空工業信息網我要投稿我要評論

2015年7月30日,美國《航空周刊》發表一篇文章,稱由于美國人的認可,SABRE發動機的可信度提高。眾所周知,在航空航天領域,推進技術的飛躍始終走在航天器或航空器設計取得重大進展之前。

因為人們一直宣稱進入太空要經濟可承受,才能有持續的發展,所以英國反作用發動機公司所發展的協同吸氣式火箭發動機(Synergetic Air-Breathing Rocket Engine,Sabre)概念正引起人們越來越多的興趣。設計這種混合動力裝置的目的是彌補吸氣式和火箭式發動機之間的動力間隙,有可能使運載工具自始至終從跑道上由靜止起步加速直到飛行至低地球軌道。

這樣的發動機可以推動高速飛機,亞軌道飛行器或者是多級和單級入軌的運載工具。雖然早期試圖從大氣中采集氧氣屈服于熱力學現實,對SABRE的支持者而言,更令人鼓舞的是反作用發動機公司的設計連續通過了歐洲和美國專家的審核。最新,也可能是最有價值的,是來自美國空軍研究實驗室(AFRL)的信任投票,在合作研究和發展協議下對SABRE所做的分析。

AFRL在仔細研究了整個概念,特別是預冷卻器換熱器技術,考慮了從空氣中實際提取氧氣而不會被霜和冰堵塞的機理之后做出確認。反作用發動機公司在格拉斯哥七月初舉行的美國航空航天學會(AIAA)主辦的高超聲速和空天飛機會議上,公開了基于甲醇的防霜控制系統的初步細節。

AFRL的項目經理巴里•赫爾曼說,分析“證實了SABRE發動機循環的可行性和潛在性能。同時,發展SABRE發動機是一項重大的工程挑戰,發動機的循環是一個非常創新的方法,會做進一步的調查研究”。因此,反作用發動機公司和美國空軍研究實驗室計劃繼續在SABRE發動機方面開展合作,潛在的后續工作重點放在評估各種吸氣式發動機作動力的運載工具概念,并對具體的發動機部件進行測試。

反作用發動機公司計劃在2018年或者2019年進行全尺寸SABRE發動機地面樣機試驗

AFRL的研究也將評估Sabre發動機熱交換器技術其他的潛在用途,包括尋找更廣泛的國防應用。赫爾曼說:“下一步要回答的問題是相比其他推進系統,SABRE可能給高速航空航天器帶來什么好處”。“基于SABRE發動機概念,AFRL正在分析飛行器的設計。我們還考慮在高溫風洞中,在5馬赫的飛行條件下測試它熱交換技術”。

雖然AFRL承認, Sabre的原始目標是用于“云霄塔”單級入軌空天飛機,技術上仍存在“第一個應用的風險極大”,赫爾曼說:“在更易管理的兩級入軌布局中,SABRE能夠提供一些獨一無二的優勢”。

反作用發動機公司同意這些說法。反作用發動機公司企業發展主管Sam Hutchison表示:“從我們的角度來看,圍繞進入太空難題沒有廉價、快速的方法。我們已經做了研究,我們同意一個明智的第二級方案可能是最好的,一步一個腳印的來證明這項技術”。

赫爾曼也認為熱交換器技術“針對整個航空航天領域的應用,值得進一步研究。我們的第一位的興趣是測試熱交換器技術。它可能有許多潛在的航空航天方面的應用,不僅僅是在SABRE發動機中使用的預冷卻器概念”。

預冷卻器在1/100秒內將超過1000C的來流空氣冷卻到-150C,然后通過一個渦輪-壓氣機進入火箭燃燒室,在那里與過冷液體氫燃料燃燒。更高的高空飛行和入軌道飛行,發動機轉為提供機載液氧的一個傳統閉循環火箭發動機。

與其他使用低溫液體氫液化進入的空氣的液體-空氣循環發動機不同,SABRE發動機采用一個閉環的氦循環組成的數英里長緊湊、薄壁管陣,將空氣冷卻到它形成蒸汽的點。然后汽化空氣由渦輪壓氣機加高壓后進入燃燒室。

Hutchison 表示:“AFRL贊同SABRE發動機可能改變游戲規則”。在英國的獨立審查請求下,在2014年得到歐洲航天局的確認,“使人相信這種技術可能帶來潛在的變革”。

“很多人現在談論SABRE,似乎引人注目。現在的問題是我們該怎么辦呢?”Hutchison說:“作為一個發動機種類,它橫跨航空和航天,所以我們要優化系統使之適于給定的應用。當我們構建未來的發展規劃時,我們可以找出首次的用途是什么。因此,在未來半年,我們的工作就是找到應用”。

一個重要的戰略目標是要在公司位于英格蘭牛津郡的卡拉姆科學中心的工廠進行第1批次、全尺寸的地面演示試驗發動機的成功試車。Hutchison說:“現在我們在界定演示試驗發動機都要做什么事。在對應框中標記好要做的關鍵事情。確保演示試驗發動機滿足那些為它設定的性能需求。我們要確保它會真實地工作,并提供我們所說的、它能做到的一聯串性能要求。我們仍處于這樣的階段,研究還處于發動機試驗樣機的起步階段,但我們必須確保我們不會貪多嚼不爛”。

2018-2019年的目標日期是第一臺完整發動機的演示試驗樣機進行測試。

Hutchison說,地面測試高馬赫數的SABRE發動機循環是可行的,“因為發動機使用大氣作為其能量源和反應物。由于聰明的熱交換器技術,我們可以調節空氣,使發動機中的渦輪機械不知道它是在地面上工作”。因為進入發動機的空氣溫度是環境溫度,“我們可以始終在地面模擬從馬赫數0至5的情況”。此外,評估流動條件的進氣道測試將在風洞中進行。

Hutchison說明資金也仍然是安全的。“最后確定我們得到英國政府的6000萬英鎊(9360萬美元)撥款,另外,2014年我們融資非常成功。我們沒有短期的資金缺口,因為我們引入合作伙伴,我們會去爭取增加必要的資金”。

AFRL確認之后,反作用發動機公司看起來似乎越來越有信心,因為“它從一個以研究為中心的公司,轉向以生產為中心的公司”。

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