Реактивный самолет. Ротационные детонационные двигатели – экономичная перспектива Принцип работы и классификация реактивных двигателей

Интересная статейка о прошлом, настоящем и будущем нашей ракетной отрасли и перспектив полетов в космос.

Создатель лучших в мире жидкостных ракетных двигателей академик Борис Каторгин объясняет, почему американцы до сих пор не могут повторить наших достижений в этой области и как сохранить советскую фору в будущем .

21 июня 2012 года на Петербургском экономическом форуме прошло награждение лауреатов премии «Глобальная энергия». Авторитетная комиссия отраслевых экспертов из разных стран выбрала три заявки из представленных 639 и назвала лауреатов премии 2012 года, которую уже привычно называют «нобелевкой для энергетиков». В итоге 33 миллиона премиальных рублей в этом году разделили известный изобретатель из Великобритании профессор Родней Джон Аллам и двое наших выдающихся ученых — академики РАН Борис Каторгин и Валерий Костюк .

Все трое имеют отношение к созданию криогенной техники, исследованию свойств криогенных продуктов и их применению в различных энергетических установках. Академик Борис Каторгин был награжден «за разработки высокоэффективных жидкостных ракетных двигателей на криогенных топливах, которые обеспечивают при высоких энергетических параметрах надежную работу космических систем в целях мирного использования космоса». При непосредственном участии Каторгина, более пятидесяти лет посвятившего предприятию ОКБ-456, известному сейчас как НПО «Энергомаш», создавались жидкостные ракетные двигатели (ЖРД), рабочие характеристики которых и теперь считаются лучшими в мире. Сам Каторгин занимался разработкой схем организации рабочего процесса в двигателях, смесеобразованием компонентов горючего и ликвидацией пульсации в камере сгорания. Известны также его фундаментальные работы по ядерным ракетным двигателям (ЯРД) с высоким удельным импульсом и наработки в области создания мощных непрерывных химических лазеров.

В самые тяжелые для российских наукоемких организаций времена, с 1991-го по 2009 год, Борис Каторгин возглавлял НПО «Энергомаш», совмещая должности генерального директора и генерального конструктора, и умудрился не только сохранить фирму, но и создать ряд новых двигателей. Отсутствие внутреннего заказа на двигатели заставило Каторгина искать заказчика на внешнем рынке. Одним из новых двигателей стал РД-180, разработанный в 1995 году специально для участия в тендере, организованном американской корпорацией Lockheed Martin, выбиравшей ЖРД для модернизируемого тогда ракетоносителя «Атлас». В результате НПО «Энергомаш» подписало договор на поставку 101 двигателя и к началу 2012 года уже поставило в США более 60 ЖРД, 35 из которых успешно отработали на «Атласах» при выводе спутников различного назначения.

Перед вручением премии «Эксперт» побеседовал с академиком Борисом Каторгиным о состоянии и перспективах развития жидкостных ракетных двигателей и выяснил, почему базирующиеся на разработках сорокалетней давности двигатели до сих пор считаются инновационными, а РД-180 не удалось воссоздать на американских заводах.

— Борис Иванович, в чем именно ваша заслуга в создании отечественных жидкостных реактивных двигателей, и теперь считающихся лучшими в мире?

— Чтобы объяснить это неспециалисту, наверное, нужно особое умение. Для ЖРД я разрабатывал камеры сгорания, газогенераторы; в целом руководил созданием самих двигателей для мирного освоения космического пространства. (В камерах сгорания происходит смешение и горение топлива и окислителя и образуется объем раскаленных газов, которые, выбрасываясь затем через сопла, создают собственно реактивную тягу; в газогенераторах также сжигается топливная смесь, но уже для работы турбонасосов, которые под огромным давлением нагнетают топливо и окислитель в ту же камеру сгорания. — « Эксперт» .)

— Вы говорите о мирном освоении космоса, хотя очевидно, что все двигатели тягой от нескольких десятков до 800 тонн, которые создавались в НПО « Энергомаш», предназначались прежде всего для военных нужд.

— Нам не пришлось сбросить ни одной атомной бомбы, мы не доставили на наших ракетах ни одного ядерного заряда к цели, и слава богу. Все военные наработки пошли в мирный космос. Мы можем гордиться огромным вкладом нашей ракетно-космической техники в развитие человеческой цивилизации. Благодаря космонавтике родились целые технологические кластеры: космическая навигация, телекоммуникации, спутниковое телевидение, системы зондирования.

— Двигатель для межконтинентальной баллистической ракеты Р-9, над которым вы работали, потом лег в основу чуть ли не всей нашей пилотируемой программы.

— Еще в конце 1950-х я проводил расчетно-экспериментальные работы для улучшения смесеобразования в камерах сгорания двигателя РД-111, который предназначался для той самой ракеты. Результаты работы до сих пор применяются в модифицированных двигателях РД-107 и РД-108 для той же ракеты «Союз», на них было совершено около двух тысяч космических полетов, включая все пилотируемые программы.

— Два года назад я брал интервью у вашего коллеги, лауреата « Глобальной энергии» академика Александра Леонтьева. В разговоре о закрытых для широкой публики специалистах, коим Леонтьев сам когда- то был, он упомянул Виталия Иевлева, тоже много сделавшего для нашей космической отрасли.

— Многие работавшие на оборонку академики были засекречены — это факт. Сейчас многое рассекречено — это тоже факт. Александра Ивановича я знаю прекрасно: он работал над созданием методик расчета и способов охлаждения камер сгорания различных ракетных двигателей. Решить эту технологическую задачу было нелегко, особенно когда мы начали максимально выжимать химическую энергию топливной смеси для получения максимального удельного импульса, повышая среди прочих мер давление в камерах сгорания до 250 атмосфер. Возьмем самый мощный наш двигатель — РД-170. Расход топлива с окислителем — керосином с жидким кислородом, идущим через двигатель, — 2,5 тонны в секунду. Тепловые потоки в нем достигают 50 мегаватт на квадратный метр — это огромная энергия. Температура в камере сгорания — 3,5 тысячи градусов Цельсия. Надо было придумать специальное охлаждение для камеры сгорания, чтобы она могла расчетно работать и выдерживала тепловой напор. Александр Иванович как раз этим и занимался, и, надо сказать, потрудился он на славу. Виталий Михайлович Иевлев — член-корреспондент РАН, доктор технических наук, профессор, к сожалению, довольно рано умерший, — был ученым широчайшего профиля, обладал энциклопедической эрудицией. Как и Леонтьев, он много работал над методикой расчета высоконапряженных тепловых конструкций. Работы их где-то пересекались, где-то интегрировались, и в итоге получилась прекрасная методика, по которой можно рассчитать теплонапряженность любых камер сгорания; сейчас, пожалуй, пользуясь ею, это может сделать любой студент. Кроме того, Виталий Михайлович принимал активное участие в разработке ядерных, плазменных ракетных двигателей. Здесь наши интересы пересекались в те годы, когда «Энергомаш» занимался тем же.

— В нашей беседе с Леонтьевым мы затронули тему продажи энергомашевских двигателей РД-180 в США, и Александр Иванович рассказал, что во многом этот двигатель — результат наработок, которые были сделаны как раз при создании РД-170, и в каком- то смысле его половинка. Что это — действительно результат обратного масштабирования?

— Любой двигатель в новой размерности — это, конечно, новый аппарат. РД-180 с тягой 400 тонн действительно в два раза меньше РД-170 с тягой 800 тонн. У РД-191, предназначенного для нашей новой ракеты «Ангара», тяга и вовсе 200 тонн. Что же общего у этих двигателей? Все они имеют по одному турбонасосу, но камер сгорания у РД-170 четыре, у «американского» РД-180 — две, у РД-191 — одна. Для каждого двигателя нужен свой турбонасосный агрегат — ведь если однокамерный РД-170 потребляет примерно 2,5 тонны топлива в секунду, для чего был разработан турбонасос мощностью 180 тысяч киловатт, в два с лишним раза превосходящий, например, мощность реактора атомного ледокола «Арктика», то двухкамерный РД-180 — лишь половину, 1,2 тонны. В разработке турбонасосов для РД-180 и РД-191 я участвовал напрямую и в то же время руководил созданием этих двигателей в целом.

— Камера сгорания, значит, на всех этих двигателях одна и та же, только количество их разное?

— Да, и это наше главное достижение. В одной такой камере диаметром всего 380 миллиметров сгорает чуть больше 0,6 тонны топлива в секунду. Без преувеличения, эта камера — уникальное высокотеплонапряженное оборудование со специальными поясами защиты от мощных тепловых потоков. Защита осуществляется не только за счет внешнего охлаждения стенок камеры, но и благодаря хитроумному способу «выстилания» на них пленки горючего, которое, испаряясь, охлаждает стенку. На базе этой выдающейся камеры, равной которой в мире нет, мы изготавливаем лучшие свои двигатели: РД-170 и РД-171 для «Энергии» и «Зенита», РД-180 для американского «Атласа» и РД-191 для новой российской ракеты «Ангара».

— « Ангара» должна была заменить « Протон- М» еще несколько лет назад, но создатели ракеты столкнулись с серьезными проблемами, первые летные испытания неоднократно откладывались, и проект вроде бы продолжает буксовать.

— Проблемы действительно были. Сейчас принято решение о запуске ракеты в 2013 году. Особенность «Ангары» в том, что на основе ее универсальных ракетных модулей можно создать целое семейство ракетоносителей грузоподъемностью от 2,5 до 25 тонн для вывода грузов на низкую околоземную орбиту на базе универсального же кислородно-керосинового двигателя РД-191. «Ангара-1″ имеет один двигатель, «Ангара-3″ — три с общей тягой 600 тонн, у «Ангары-5″ будет 1000 тонн тяги, то есть она сможет выводить на орбиту больше грузов, чем «Протон». К тому же вместо очень токсичного гептила, который сжигается в двигателях «Протона», мы используем экологически чистое топливо, после сгорания которого остаются лишь вода да углекислый газ.

— Как получилось, что тот же РД-170, который создавался еще в середине 1970- х, до сих пор остается, по сути, инновационным продуктом, а его технологии используются в качестве базовых для новых ЖРД?

— Похожая история случилась с самолетом, созданным после Второй мировой Владимиром Михайловичем Мясищевым(дальний стратегический бомбардировщик серии М, разработка московского ОКБ-23 1950-х годов. — « Эксперт» ). По многим параметрам самолет опережал свое время лет эдак на тридцать, и элементы его конструкции потом заимствовали другие авиастроители. Так и здесь: в РД-170 очень много новых элементов, материалов, конструкторских решений. По моим оценкам, они не устареют еще несколько десятилетий. В этом заслуга прежде всего основателя НПО «Энергомаш» и его генерального конструктора Валентина Петровича Глушко и членкора РАНВиталия Петровича Радовского, возглавившего фирму после смерти Глушко. (Отметим, что лучшие в мире энергетические и эксплуатационные характеристики РД-170 во многом обеспечиваются благодаря решению Каторгиным проблемы подавления высокочастотной неустойчивости горения за счет разработки антипульсационных перегородок в той же камере сгорания. — « Эксперт» .) А двигатель РД-253 первой ступени для ракетоносителя «Протон»? Принятый на вооружение еще в 1965 году, он настолько совершенен, что до сих пор никем не превзойден. Именно так учил конструировать Глушко — на пределе возможного и обязательно выше среднемирового уровня. Важно помнить и другое: страна инвестировала в свое технологическое будущее. Как было в Советском Союзе? Министерство общего машиностроения, в ведении которого, в частности, находились космос и ракеты, только на НИОКР тратило 22 процента своего огромного бюджета — по всем направлениям, включая двигательное. Сегодня объем финансирования исследований намного меньше, и это говорит о многом.

— Не означает ли достижение этими ЖРД неких совершенных качеств, причем случилось это полвека назад, что ракетный двигатель с химическим источником энергии в каком- то смысле изживает себя: основные открытия сделаны и в новых поколениях ЖРД, сейчас речь идет скорее о так называемых поддерживающих инновациях?

— Безусловно нет. Жидкостные ракетные двигатели востребованы и будут востребованы еще очень долго, потому что никакая другая техника не в состоянии более надежно и экономично поднять груз с Земли и вывести его на околоземную орбиту. Они безопасны с точки зрения экологии, особенно те, что работают на жидком кислороде и керосине. Но для полетов к звездам и другим галактикам ЖРД, конечно, совсем непригодны. Масса всей метагалактики — 1056 граммов. Для того чтобы разогнаться на ЖРД хотя бы до четверти скорости света, потребуется совершенно невероятный объем топлива — 103200 граммов, так что даже думать об этом глупо. У ЖРД есть своя ниша — маршевые двигатели. На жидкостных двигателях можно разогнать носитель до второй космической скорости, долететь до Марса, и все.

— Следующий этап — ядерные ракетные двигатели?

— Конечно. Доживем ли мы еще до каких-то этапов — неизвестно, а для разработки ЯРД многое было сделано уже в советское время. Сейчас под руководством Центра Келдыша во главе с академиком Анатолием Сазоновичем Коротеевым разрабатывается так называемый транспортно-энергетический модуль. Конструкторы пришли к выводу, что можно создать менее напряженный, чем был в СССР, ядерный реактор с газовым охлаждением, который будет работать и как электростанция, и как источник энергии для плазменных двигателей при передвижении в космосе. Такой реактор проектируется сейчас в НИКИЭТ имени Н. А. Доллежаля под руководством члена-корреспондента РАН Юрия Григорьевича Драгунова. В проекте также участвует калининградское КБ «Факел», где создаются электрореактивные двигатели. Как и в советское время, не обойдется без воронежского КБ химавтоматики, где будут изготавливаться газовые турбины, компрессоры, чтобы по замкнутому контуру гонять теплоноситель — газовую смесь.

— А пока полетаем на ЖРД?

— Конечно, и мы четко видим перспективы дальнейшего развития этих двигателей. Есть задачи тактические, долгосрочные, тут предела нет: внедрение новых, более жаростойких покрытий, новых композитных материалов, уменьшение массы двигателей, повышение их надежности, упрощение схемы управления. Можно внедрить ряд элементов для более тщательного контроля за износом деталей и других процессов, происходящих в двигателе. Есть задачи стратегические: к примеру, освоение в качестве горючего сжиженного метана и ацетилена вместе с аммиаком или трехкомпонентного топлива. НПО «Энергомаш» занимается разработкой трехкомпонентного двигателя. Такой ЖРД мог бы применяться в качестве двигателя и первой, и второй ступени. На первой ступени он использует хорошо освоенные компоненты: кислород, жидкий керосин, а если добавить еще около пяти процентов водорода, то значительно увеличится удельный импульс — одна из главных энергетических характеристик двигателя, а это значит, что можно отправить в космос больше полезного груза. На первой ступени вырабатывается весь керосин с добавкой водорода, а на второй тот же самый двигатель переходит от работы на трехкомпонентном топливе на двухкомпонентное — водород и кислород.

Мы уже создали экспериментальный двигатель, правда, небольшой размерности и тягой всего около 7 тонн, провели 44 испытания, сделали натурные смесительные элементы в форсунки, в газогенераторе, в камере сгорания и выяснили, что можно сначала работать на трех компонентах, а потом плавно переходить на два. Все получается, достигается высокая полнота сгорания, но чтобы идти дальше, нужен более крупный образец, нужно дорабатывать стенды, чтобы запускать в камеру сгорания компоненты, которые мы собираемся применять в настоящем двигателе: жидкие водород и кислород, а также керосин. Думаю, это очень перспективное направление и большой шаг вперед. И надеюсь кое-что успеть сделать при жизни.

— Почему американцы, получив право на воспроизведение РД-180, не могут сделать его уже много лет?

— Американцы очень прагматичны. В 1990-х, в самом начале работы с нами, они поняли, что в энергетической области мы намного опередили их и надо у нас эти технологии перенимать. К примеру, наш двигатель РД-170 за один запуск за счет большего удельного импульса мог вывезти полезного груза на две тонны больше, чем их самый мощный F-1, что означало по тем временам 20 миллионов долларов выигрыша. Они объявили конкурс на двигатель тягой 400 тонн для своих «Атласов», который выиграл наш РД-180. Тогда американцы думали, что они начнут с нами работать, а года через четыре возьмут наши технологии и будут сами их воспроизводить. Я им сразу сказал: вы затратите больше миллиарда долларов и десять лет. Четыре года прошло, и они говорят: да, надо шесть лет. Прошли еще годы, они говорят: нет, надо еще восемь лет. Прошло уже семнадцать лет, и они ни один двигатель не воспроизвели. Им сейчас только на стендовое оборудование для этого нужны миллиарды долларов. У нас на «Энергомаше» есть стенды, где в барокамере можно испытывать тот же двигатель РД-170, мощность струи которого достигает 27 миллионов киловатт.

— Я не ослышался — 27 гигаватт? Это больше установленной мощности всех АЭС « Росатома».

— Двадцать семь гигаватт — это мощность струи, которая развивается относительно за короткое время. При испытаниях на стенде энергия струи сначала гасится в специальном бассейне, затем в трубе рассеивания диаметром 16 метров и высотой 100 метров. Чтобы построить подобный стенд, в котором помещается двигатель, создающий такую мощность, надо вложить огромные деньги. Американцы сейчас отказались от этого и берут готовое изделие. В результате мы продаем не сырье, а продукт с огромной добавленной стоимостью, в который вложен высокоинтеллектуальный труд. К сожалению, в России это редкий пример хайтек-продаж за границу в таком большом объеме. Но это доказывает, что при правильной постановке вопроса мы способны на многое.

— Борис Иванович, что надо сделать, чтобы не растерять фору, набранную советским ракетным двигателестроением? Наверное, кроме недостатка финансирования НИОКР очень болезненна и другая проблема — кадровая?

— Чтобы остаться на мировом рынке, надо все время идти вперед, создавать новую продукцию. Видимо, пока нас до конца не прижало и гром не грянул. Но государству надо осознать, что без новых разработок оно окажется на задворках мирового рынка, и сегодня, в этот переходный период, пока мы еще не доросли до нормального капитализма, в новое должно прежде всего вкладывать оно — государство. Затем можно передавать разработку для выпуска серии частной компании на условиях, выгодных и государству, и бизнесу. Не верю, что придумать разумные методы созидания нового невозможно, без них о развитии и инновациях говорить бесполезно.

Кадры есть. Я руковожу кафедрой в Московском авиационном институте, где мы готовим и двигателистов, и лазерщиков. Ребята умнющие, они хотят заниматься делом, которому учатся, но надо дать им нормальный начальный импульс, чтобы они не уходили, как сейчас многие, писать программы для распределения товаров в магазинах. Для этого надо создать соответствующую лабораторную обстановку, дать достойную зарплату. Выстроить правильную структуру взаимодействия науки и Министерства образования. Та же Академия наук решает много вопросов, связанных с кадровой подготовкой. Ведь среди действующих членов академии, членов-корреспондентов много специалистов, которые руководят высокотехнологическими предприятиями и научно-исследовательскими институтами, мощными КБ. Они прямо заинтересованы, чтобы на приписанных к их организациям кафедрах воспитывались необходимые специалисты в области техники, физики, химии, чтобы они сразу получали не просто профильного выпускника вуза, а готового специалиста с некоторым жизненным и научно-техническим опытом. Так было всегда: самые лучшие специалисты рождались в институтах и на предприятиях, где существовали образовательные кафедры. У нас на «Энергомаше» и в НПО Лавочкина работают кафедры филиала МАИ «Комета», которой я руковожу. Есть старые кадры, которые могут передать опыт молодым. Но времени осталось совсем немного, и потери будут безвозвратные: для того, чтобы просто вернуться на существующий сейчас уровень, придется затратить гораздо больше сил, чем сегодня надо для его поддержания.

А вот и довольно свежие новости:

Опцион (разрешение) на поставку до 2020 года указанного количества двигателей заключен с американской корпорацией «Орбитал сайенсиз» (Orbital Sciences), выпускающей спутники и ракеты-носители, и компанией «Аэроджет» (Аerojet), являющейся одним из крупнейших в США производителей ракетных двигателей. Речь идет о предварительной договоренности, поскольку опционный договор предполагает право, но не обязательство покупателя совершить покупку на заранее определенных условиях. Два модифицированных двигателя НК-33 используются на первой ступени разработанной в США по контракту с НАСА ракеты-носителя «Антарес» (проектное название «Таурус-2»). Носитель предназначен для доставки грузов на МКС. Первый его запуск запланирован на 2013 год. Двигатель НК-33 разработан для ракеты-носителя Н1, которая должна была доставить советских космонавтов на Луну.

Была еще как то в блоге и довольно спорная информация, описывающая

Оригинал статьи находится на сайте ИнфоГлаз.рф Ссылка на статью, с которой сделана эта копия -

В наше время вряд ли остался хоть один человек, не знающий о реактивных самолетах и не летавший на них. Но мало кому известно, какой тяжелый путь инженерам со всего мира пришлось пройти, чтобы достичь таких результатов. Еще меньше тех, кто точно знает, что представляют собой современные реактивные воздушные суда, как они работают. Реактивные самолеты – это усовершенствованные, мощнейшие пассажирские или военные суда, работающие посредством воздушно-реактивного двигателя. Главная особенность реактивного самолета – это его невероятная скорость, выгодно выделяющая двигательный механизм от устаревшего винтового.

На английском языке слово «реактивный» звучит как «jet». Услышав его, сразу появляются мысли, связанные с какой-либо реакцией, и это вовсе не окисление топлива, ведь такая система движения приемлема для автомобилей с карбюраторами. Что касается авиалайнеров и военных самолетов, то принцип их работы чем-то напоминает взлет ракеты: физическое тело реагирует на выбрасываемую мощную струю газа, в результате чего оно движется в противоположную сторону. Это и есть основной принцип работы реактивных самолетов. Также важную роль в работоспособности механизма, приводящего столь большую машину в движение, играют аэродинамические свойства, крыльевой профиль, разновидность двигателя (пульсирующий, прямоточный, жидкостный и т.д.), схема.

Первые попытки создания реактивного самолета

Поиск более мощного и скоростного двигателя для военных, а в дальнейшем и гражданских самолетов начался еще в далеком 1910 году. За основу были взяты ракетные исследования прошлых веков, где подробно рассказывалось о применении пороховых ускорителей, способных значительно сократить длину форсажа и разбега. Главным конструктором стал румынский инженер Анри Коанда, создавший летательный аппарат, работающий на основе поршневого двигателя.

Что же отличало первый реактивный самолет 1910 года от стандартных моделей тех времен? Главным отличием было наличие лопастного компрессора, отвечающего за приведение летательного аппарата в движение. Аэроплан «Coanda» был хоть и первой, но очень неудачной попыткой создать самолет с реактивным двигателем. В ходе дальнейших испытаний аппарат сгорел, что подтвердило неработоспособность конструкции.

Последующие изучения выявили возможные причины неудачи:

1. Неудачное расположение двигателя. Из-за того, что он располагался в передней части конструкции, опасность жизни пилота была весьма велика, так как выхлопные газы попросту не дали бы человеку нормально дышать и вызвали бы удушье;
2. Выделяющееся пламя попадало прямо на хвостовую часть аэроплана, что могло привести к возгоранию этой зоны, пожару и падению летательного аппарата.

Несмотря на полное фиаско, Анри Коанда утверждал, что именно ему принадлежат первые удачные задумки, касающиеся реактивного двигателя для самолетов. По факту же первые удачные модели были созданы непосредственно перед началом Второй Мировой Войны, в 30-40 годах XX века. Сделав работу над ошибками, инженеры из Германии, США, Англии, СССР создали летательные аппараты, которые никак не угрожали жизни пилота, а сама конструкция была выполнена из жаропрочной стали, благодаря чему корпус был надежно защищен от каких-либо разрушений.

Дополн ительная информация. Первооткрывателем реактивного двигателя по праву можно назвать инженера из Англии – Фрэнка Уитла, который предложил первые идеи и получил на них свой патент в конце XIX века.

Начало создания самолетов в СССР

Впервые о разработке реактивного движка в России заговорили в начале XX столетия. Теорию о создании мощных аэропланов, способных развить сверхзвуковую скорость выдвинул известный российский ученый К.Э. Циолковский. Воплотить эту задумку в жизнь удалось талантливому конструктору А.М Люльке. Именно он спроектировал первый советский реактивный самолет, работающий посредством турбореактивного движка.

Инженер поведал о том, что данная конструкция может развить невиданную для тех времен скорость до 900 км/ч. Несмотря на фантастичность предложения и неопытность молодого конструктора, инженеры СССР взялись за проект. Первый аэроплан был уже практически готов, но в 1941 году начались военные действия, вся команда конструкторов, в том числе и Архип Михайлович, были вынуждены начать работу над танковыми двигателями. Само же бюро со всеми авиационными наработками было вывезено вглубь СССР.

К счастью, А.М.Люлька был не единственным инженером, мечтавшим создать самолет с реактивным авиационным двигателем. Новые идеи о создании истребителя-перехватчика, полет которого обеспечивался бы жидкостным типом движка, предложили конструкторы А.Я.Березняк и А.М.Исаев, работающие в инженерском бюро имени Болховитинова. Проект был одобрен, поэтому разработчики вскоре стали работать над созданием истребителя «БИ-1», который, несмотря на войну, был построен. Первые испытания над ракетным истребителем начались 15 мая 1942 года, за его штурвалом был смелый и отважный летчик-испытатель Е.Я.Бахчиванджи. Тесты удались, но продолжались еще на протяжении последующего года. Продемонстрировав максимальную скорость в 800 км/ч, летательный аппарат стал неуправляемым и потерпел крушение. Произошло это в конце 1943 года. Пилоту выжить не удалось, а испытания были остановлены. В это время страны третьего рейха активно занимались наработками и подняли в воздух не одно воздушно-реактивное судно, поэтому СССР на воздушном фронте сильно проигрывал и оказался совсем неподготовленным.

Германия – страна первых реактивных аппаратов

Первые реактивные самолеты были разработаны немецкими инженерами. Создание проектов и производство проводились тайно на замаскированных заводах, расположенных в глубоких лесных чащах, поэтому такое открытие стало для мира, в некотором роде, неожиданностью. Гитлер мечтал стать мировым правителем, поэтому подключал лучших конструкторов Германии для создания мощнейшего оружия, в том числе и скоростных реактивных самолетов. Были, конечно, как провалы, так и удачные проекты.

Самым успешным из них стал первый немецкий реактивный самолет «Messer-schmitt Ме-262» (Мессершмит-262), который называли также «Штурмфогель».

Этот летательный аппарат стал первым в мире, который удачно прошел все испытания, свободно поднялся в воздух и начал после этого выпускаться серийно. Великий «сокрушитель врагов третьего рейха » имел следующие особенности:

• Аппарат имел два турбореактивных двигателя;
• В носовой части авиалайнера располагался радиолокатор;
• Максимальная скорость самолета достигала 900 км/час, при этом в инструкции указывалось, что доводить суда до таких скоростей крайне нежелательно, так как терялся контроль над управлением, и машина начинала совершать крутые пике в воздухе.

Благодаря всем этим показателям и конструктивным особенностям первый реактивный летательный аппарат «Мессершмит-262» выступал эффективным средством борьбы против самолетов союзников, высотными «Б-17», получившими прозвище «летающие крепости». Штурмофогели были более скоростными, поэтому вели «свободную охоту» на самолеты СССР, которые оснащались поршневыми движками.

Интересный факт. Адольф Гитлер был настолько фанатичен в своем желании всемирного господства, что собственными руками снизил эффективность самолета «Messer-schmitt Ме-262». Дело в том, что конструкция изначально проектировалась как истребитель, но по указанию правителя Германии , он был переоборудован в бомбардировщик, из-за этого мощность двигателя не была раскрыта в полной мере.

Такой ход действий совершенно не устраивал советские власти, поэтому они начали работать над созданием новых моделей самолетов, которые могли бы конкурировать с немецкими аппаратами. За работу принялись самые талантливые инженеры А.И.Микоян и П.О.Сухой. Основная задумка заключалась в добавлении дополнительного поршневого мотора К.В.Холщевникова, который придавал бы в нужный момент истребителю ускорение. Движок не был слишком мощным, поэтому работал не более 5 минут, из-за этого его функцией было – ускорение, а не постоянная работа на протяжении всего полета.

Новые творения российского самолетостроения не смогли помочь разрешению войны. Несмотря на это сверхмощные немецкие самолеты «Ме-262» не помогли Гитлеру обернуть ход военных событий в свою пользу. Советские летчики продемонстрировали свое мастерство и победу над врагом даже с обычными поршневыми судами. В послевоенное время российскими конструкторами были созданы следующие реактивные самолеты СССР , ставшие в дальнейшем прототипами современных авиалайнеров:

• «И-250», более известный как легендарный «МиГ-13», – истребитель, над которым работал А.И.Микоян. Первый полет был совершен в марте 1945 года, на тот момент машина показала рекордный скоростной показатель, достигший 820 км/час;

• Немного позднее, а именно в апреле 1945 года, впервые в небо поднялся реактивный самолет, поднимающийся и поддерживающий полет за счет воздушно-реактивного мотокомпрессорного и поршневого двигателя, который располагался в хвостовой части конструкции, П.О.Сухого «Су-5». Показатели скорости были не ниже, чем у его предшественника и превышали 800 км/час;
• Новаторством инженерии и самолетостроения 1945 года стал жидко-реактивный мотор «РД-1». Впервые он был применен в модели самолета конструктора П.О.Сухого – «Су-7», который был оснащен также и поршневым двигателем, выполняющим основную толкательную, движущую функцию. Испытателем нового летательного аппарата стал Г.Комаров. При первом испытании удалось отметить, что дополнительный мотор увеличивал средний скоростной показатель на 115 км/час – это было большим достижением. Несмотря на хороший результат, двигатель «РД-1» стал настоящей проблемой для советских авиастроителей. Аналогичные самолеты, оснащенные данной моделью жидко-реактивного движка, – «ЯК-3» и «Ла-7Р», над которыми работали инженеры С.А.Лавочкин и А.С.Яковлев, потерпели крушения во время испытания из-за постоянно выходящего из строя мотора;
• После окончания войны и поражения фашистской Германии Советскому Союзу в качестве трофеев достались немецкие самолеты с реактивными двигателями «JUMO-004» и «BMW-003». Тогда конструкторы поняли, что действительно находились на несколько шагов позади. Среди инженеров моторы получили название «РД-10» и «РД-20», на их основе создавались первые авиационные реактивные двигатели, над которыми работали А.М.Люлька, А.А.Микулин, В.Я.Климов. В это же время П.О.Сухой занимался разработкой мощного двухмоторного самолета, укомплектованного двумя моторами типа «РД-10», располагающимися прямо под крыльями летательного аппарата. Реактивный истребитель-перехватчик получил название «СУ-9». Недостатком такого расположения моторов можно считать сильное лобовое сопротивление при полете. К преимуществам – отличный доступ к движкам, благодаря чему можно было запросто подобраться к механизму и починить поломку. Конструктивной особенностью данной модели самолета являлось наличие стартовых пороховых ускорителей для взлета, тормозных парашютов для посадки, управляемых ракет типа «водзух-воздух» и бустера-усилителя, облегчающего процесс управления и увеличивающего маневренность аппарата. Первый полет «Су-9» был осуществлен в ноябре 1946 года, но к серийному производству дело так и не подошло;

• В апреле 1946 года проходил воздушный парад в городе Тушино. На нем были представлены новые летательные аппараты от авиационных конструкторских бюро Микояна и Яковлева. Реактивные самолеты «МиГ-9» и «Як-15» сразу же были запущены в серию.

Фактически, Сухой «проиграл» конкурентам. Хотя, проигрышем это назвать тяжело, ведь его модель истребителя была признана, а за это время он смог практически закончить работу над новым, более современным проектом – «СУ-11», который стал настоящей легендой истории самолетостроения и прототипом мощных авиалайнеров современности.

Интересный ф акт. На самом деле, реактивный самолет «СУ-9» тяжело было назвать простым истребителем. Конструкторы между собой прозвали его «тяжелым», потому что пушечное и бомбовое вооружение летательного аппарата было на довольно высоком уровне. Принято считать, что именно «СУ-9» был прототипом современных истребителей-бомбардировщиков. За все время было изготовлено приблизительно 1100 единиц техники, при этом она не экспортировалась. Не раз легендарный «Сухой Девятый» использовался для перехвата в воздухе разведывател ьных самолетов. Впервые это произошло в 1960 году, когда в воздушное пространство СССР ворвались аэропланы « LockheedU -2».

Первые мировые прототипы

Разработкой, тестированием новых авиалайнеров и их производством занимались не только немцы и советские конструкторы. Инженерами США, Италии, Японии, Великобритании также было создано немало успешных проектов, о которых нельзя не упомянуть. К числу первых наработок с различными типами двигателей можно отнести:

• «Не-178» – немецкий самолет с турбореактивной силовой установкой, поднявшийся в воздух в августе 1939 года;
• «GlosterE. 28/39» – летательный аппарат родом из Великобритании с мотором турбореактивного типа, впервые поднялся в небо в 1941 году;
• «Не-176» – истребитель, созданный в Германии с применением ракетного двигателя, осуществил свой первый полет в июле 1939 года;
• «БИ-2» – первый советский летательный аппарат, который приводился в движение посредством ракетной силовой установки;
• «CampiniN.1» – реактивный самолет, созданный в Италии, ставший первой попыткой итальянских конструкторов отойти от поршневого аналога. Но в механизме что-то пошло не так, поэтому лайнер не мог похвастаться большой скоростью (всего лишь 375 км/час). Запуск был произведен в августе 1940 года;
• «Ока» с мотором Tsu-11 – японский истребитель-бомба, так называемый одноразовый летательный аппарат с пилотом-камикадзе на борту;
• «BellP-59» – американский авиалайнер с двумя реактивными двигателями ракетного типа. Производство стало серийным после первого полета в воздухе 1942 года и долгих испытаний;

• «GlosterMeteor» – воздушно-реактивный истребитель, изготовленный в Великобритании в 1943 году; сыграл значительную роль во время Второй Мировой Войны, а после ее окончания выполнял задачу перехватчика немецких крылатых ракет Фау-1;
• «LockheedF-80» – реактивный летательный аппарат, произведенный в США с использованием мотора типа AllisonJ Эти самолеты не раз участвовали в Японско-Корейской войне;
• «B-45 Tornado» – прототип современных американских бомбардировщиков «B-52», созданный в 1947 году;
• «МиГ-15» – последователь признанного реактивного истребителя «МиГ-9», который активно участвовал в военном конфликте Кореи, был произведен в декабре 1947 г.;
• «Ту-144» – первый советский сверхзвуковой воздушно-реактивный пассажирский самолет, который прославился серией катастроф и был снят с производства. Всего было выпущено 16 экземпляров.

Этот список можно продолжать бесконечно, с каждым годом авиалайнеры совершенствуются, ведь конструкторы со всего мира работают над тем, чтобы создавать летательные аппараты нового поколения, способные летать со скоростью звука.

Несколько интересных фактов

Сейчас существуют лайнеры, способные вмещать в себе большое количество пассажиров и грузов, обладающие огромными размерами и невообразимой скоростью свыше 3000 км/час, оборудованные современной боевой экипировкой. Но есть несколько поистине удивительных конструкций; в число реактив ных самолетов-рекордсменов входят:

1. «AirbusA380» – самый вместительный аппарат, способный принять на своем борту 853 пассажира, что обеспечено двухпалубной конструкцией. Он же по совместительству один из роскошнейших и дорогостоящих авиалайнеров современности. Авиакомпания «Emirates Airline» предлагает клиентам многочисленные удобства, здесь есть турецкая баня, VIP-апартаменты и каюты, спальные комнаты, бары и лифт. Но такие опции есть не во всех аппаратах, все зависит от авиакомпании.

1. «Boeing 747» – более 35 лет считался наиболее пассажировместительным двухэтажным лайнером и мог расположить 524 пассажира;
2. «АН-225 Мрия» – грузовой летательный аппарат, который может похвастаться грузоподъемностью в 250 тонн;
3. «LockheedSR-71» – реактивный самолет, достигающий во время полета скорости 3529 км/час.

Видео

Благодаря современным инновационным разработкам пассажиры могут добраться из одной точки света в другую всего за несколько часов, быстро доставляются хрупкие грузы, требующие оперативной транспортировки, обеспечивается надежная военная база. Авиационные исследования не стоят на месте, потому как реактивные самолеты – это основа стремительно развивающейся современной авиации. Сейчас проектируется несколько западных и российских пилотируемых, пассажирских, беспилотных авиалайнеров с реактивными двигателями, выпуск которых запланирован на ближайшие несколько лет. К российским инновационным разработкам будущего можно отнести истребитель 5-го поколения ПАК ФА «Т-50», первые экземпляры которого поступят в войска предположительно в конце 2017 или начале 2018 года после испытания нового реактивного двигателя.

December 10th, 2012

Продолжая цикл статей (лишь потому что мне нужен еще один реферат, теперь по предмету "двигатели") - статья о весьма перспективном и многообещающем проекте двигателя SABRE. В общем то о нем и в рунете немало написано, но по большей части весьма сумбурные заметки и дифирамбы на сайтах новостных агентств, а вот статья на английской википедии мне весьма глянулась, они вообще, приятно богаты деталями и подробностями - статьи на английской википедии.

Так что в основу сего поста (и моего будущего реферата) легла именно статься, в оригинале лежащая по адресу: http://en.wikipedia.org/wiki/SABRE_(rocket_engine) , так же было немного добавлено отсебятины и пояснений, и собран по просторам инета иллюстративный материал (вот чем чем, а богатством картинок статьи на википедии не отличаются)

Ниже следует

SABRE (Synergistic Air-Breathing Rocket Engine) – Синергичный воздушно-реактивный ракетный двигатель – концепт, разрабатываемый компанией Reaction Engines Limited, гиперзвуковой гибридный воздушно реактивный/ракетный двигатель с предварительным охлаждением. Двигатель разрабатывается для обеспечения возможности одноступенчатого выхода на орбиту для аэрокосмической системы Skylon. SABRE представляет собой эволюционное развитие серии LACE и LACE-подобных двигателей, разрабатывавшихся Аланом Бондом в начале/середине 1980 в рамках проекта HOTOL.

Конструктивно это один двигатель с комбинированным рабочим циклом, имеющий два режима работы. В воздушно-реактивном режиме сочетается турбокомпрессор с легким теплообменником-охладителем, расположенным непосредственно за конусом воздухозаборника. На высокой скорости теплообменник охлаждает горячий, сжатый воздухозаборником воздух, что в позволяет обеспечить необычайно высокую степень сжатия в двигателе. Сжатый воздух далее подается в камеру сгорания, как у обычного ракетного двигателя, где он обеспечивает воспламенение жидкого водорода. Низкая температура воздуха позволяет использовать легкие сплавы и снизить общий вес двигателя – что весьма критично для выхода на орбиту. Добавим, что в отличии от LACE концептов, предшествувавших этому двигателю, SABRE не сжижает воздух, что дает большую эффективность.

Рис.1. Аэрокосмический ЛА Skylon и двигатель SABRE

После закрытия конуса воздухозаборника на скорости М = 5,14 и высоте 28,5 км, система продолжает работать в закрытом цикле высокопроизводительного ракетного двигателя, потребляющего жидкий кислород и жидкий водород с находящихся на борту баков, позволяя Skylon достичь орбитальной скорости после выхода из атмосферы в крутом наборе высоты.

Так же, на основе двигателя SABRE, был разработан воздушно-реактивный, называемый Scimitar, для перспективного гиперзвукового пассажирского авиалайнера А2, разрабатываемого в рамках программы LAPCAT, финансированной Европейским Союзом.

В ноябре 2012 компания Reaction Engines объявила о успешном завершении серии испытаний, которые подтверждают работоспособность системы охлаждения двигателя – одного из главных препятствий на пути к завершению проекта. Европейское космическое агенство (ESA) так же оценило теплообменник-охладитель двигателя SABRE, и подтвердило наличие технологий, необходимых для воплощения двигателя в металле.

Рис.2. Модель двигателя SABRE

История

Идея двигателя с предварительным охлаждением впервые возникла у Роберта Кармайкла в 1955 году. За этим следовала идея двигателя с сжижением воздуха (LACE), первоначально изучалась Marquardt и General Dynamics в 1960х годах, как часть работ US Air Force по проекту Aerospaceplane.
LACE система располагается непосредственно за сверхзвуковым воздухозаборником – таким образом сжатый воздух попадает сразу в теплообменник где моментально охлаждается с использование некоторого количества жидкого водорода, хранящегося на борту в качестве топлива. Полученный жидкий воздух затем обрабатывается, для извлечения жидкого кислорода, который поступает в двигатель. Однако количество прошедшего через теплообменник и нагретого водорода, значительно больше, чем может быть сожжено в двигателе, и его избыток просто сливается за борт (тем не менее он тоже дает некоторый прирост тяги).

В 1989 года, когда финансирование проекта HOTOL было прекращено, Бонд и другие специалисты образуют компанию Reaction Engines Limited для продолжения исследования. Теплообменник двигателя RB545 (который предполагалось использовать в проекте HOTOL) имел некоторые проблемы с хрупкостью конструкции, а так же относительно высоким расходом жидкого водорода. Так же его использование было невозможно – патент на двигатель принадлежал компании Rolls Royce, и самый существенный аргумент – двигатель был объявлен совершенно секретным. По этому Бонд пошел на разработку нового двигателя SABRE, развивая идеи, заложенные в предыдущий проект.

По состоянию на ноябрь 2012 года, было завершено тестирование оборудования в рамках темы «Технология теплообменника, критичная для гибридного ракетного двигателя, питаемого воздухом и жидким кислородом». Это был важный этап в процессе разработки SABRE, который продемонстрировал потенциальным инвесторам жизнеспособность технологии. Двигатель основан на теплообменнике, способном охладить поступающий воздух до -150°C (-238°F). Охлажденный воздух смешивается с жидким водородом и сгорая, обеспечивает тягу для атмосферного полета, перед переключением на жидкий кислород из баков, при полете вне атмосферы. Успешные испытания этой, столь критической технологи, подтвердили что теплообменник может обеспечить потребности двигателя в получении достаточного количества кислорода из атмосферы для работы с высокой эффективностью в условиях низко-высотного полета.

На авиашоу Фарнборо 2012 Дэвид Уиллетс, являющийся министром по делам университетов и науки Объединенного королевства, выступил по этому поводу с речью. В частности, он сказал, что данный двигатель, разработчиком которого является компания Reaction Engines, реально может повлиять на условия игры, действующие в космической отрасли. Успешно завершившиеся испытания системы предварительного охлаждения являются подтверждением высокой оценки концепции двигателя, которую сделало Космическое агентство Великобритании в 2010 году. Министр также добавил, что если однажды им удастся использовать данную технологию для осуществления собственных полетов коммерческого назначения, то это, несомненно, будет фантастическим по своему масштабу достижением.

Министр также отметил, что существует маленькая вероятность того, что Европейское космическое агентство согласится финансировать Skylon, поэтому Великобритания должна быть готова заниматься строительством космолета по большей части на свои средства.

Рис.3. Аэрокосмический ЛА Skylon - компоновка

Следующий этап программы SABRE предусматривает наземные испытания масштабной модели двигателя, способной продемонстрировать полный цикл. ESA выразило уверенность в успешной постройке демонстратора и заявило о том, что он будет представлять собой «важную веху в развитии этой программы и прорыв в вопросе двигательных установок по всему миру»

Конструкция

Рис.4. Компоновка двигателя SABRE

Подобно RB545, конструкция SABRE скорее ближе к традиционному ракетному двигателю, чем к воздушно реактивному. Гибридный Воздушно-реактивный/Ракетный двигатель с предварительным охлаждением использует жидкое водородное топливо в сочетании с окислителем, поставляемым либо в виде газообразного воздуха с помощью компрессора, либо в виде жидкого кислорода, поставляемого из топливных баков с помощью турбонасоса.

В передней части двигателя расположен простой осесимметричный воздухозаборник в виде конуса, который тормозит воздух до дозвуковых скоростей, используя всего два отраженных скачка уплотнения.

Часть воздуха через теплообменник в центральную часть двигателя, а оставшийся проходит через кольцевой канал в второй контур, представляющий собой обычный ПВРД. Центральная часть, расположенная за теплообменником, представляет собой турбокомпрессор, приводящийся в движение газообразным гелием, циркулирующим по замкнутому каналу цикла Брайтона. Сжатый компрессором воздух поступает под высоким давлением в четыре камеры сгорания ракетного двигателя комбинированного цикла.

Рис.5. Упрощенный цикл работы двигателя SABRE

Теплообменник

Поступающий в двигатель на сверх/гиперзвуковых скоростях воздух становится очень горячим после торможения и сжатия в воздухозаборнике. С высокими температурами в реактивных двигателях традиционно справлялись используя тяжелые сплавы на основе меди или никеля, за счет снижения степени сжатия компрессора, а так же снижением оборотов, во избежание перегрева и плавления конструкции. Однако для одноступенчатого КА такие тяжелые материалы неприменимы, и необходима максимально возможная тяга, для выхода на орбиту в кратчайшее время, чтобы минимизировать тяжесть потерь.

При использовании газообразного гелия в качестве теплоносителя, воздух в теплообменнике существенно охлаждается от 1000°C до -150°C, при этом избегая сжижения воздуха или конденсации водяного пара на стенках теплообменника.

Рис.6. Модель одно из модулей теплообменника

Предыдущие версии теплообменника, например применяемые в проекте HOTOL пропускали водородное топливо непосредственно через теплообменник, но использование гелия как промежуточного контура между воздухом и холодным топливом сняло проблему водородной хрупкости конструкции теплообменника. Однако резкое охлаждение воздуха сулит определенные проблемы – необходимо предотвратить блокировку теплообменника замороженным водяным паром и иными фракциями. В ноябре 2012 года был продемонстрирован образец теплообменника, способный охладить атмосферный воздух до -150°C за 0,01 с.
Одной из инноваций теплообменника SABRE служит спиральное размещение трубок с халагентом, что значительно обещает поднять его эффективность.

Рис.7. Опытный образец теплообменника SABRE

Компрессор

На скорости М=5 и высоте 25 километров, что составляет 20% орбитальной скорости и высоты, необходимой для выхода на орбиту, охлажденный в теплообменнике воздух попадает в весьма обыкновенный турбокомпрессор, конструктивно подобный используемым в обычных турбореактивных двигателях, но обеспечивающий необычайно высокую степень сжатия, благодаря крайне низкой температуре входящего воздуха. Это позволяет сжать воздух до 140 атмосфер перед подачей в камеры сгорания основного двигателя. В отличии от турбореактивных двигателей, турбокомпрессор приводится в действие турбиной, расположенной в гелиевом контуре, а не от действия продуктов сгорания, как в обычных турбореактивных двигателей. Таким образом турбокомпрессор работает на тепле, полученным гелем в теплообменнике.

Гелиевый цикл

Тепло переходит от воздуха к гелию. Горячий гелий из теплообменника «гелий-воздух» охлаждается в теплообменнике «гелий-водород», отдавая тепло жидкому водородному топливу. Контур, в котором циркулирует гелий, работает согласно циклу Брайтона, как охлаждая двигатель в критических местах, так и для привода энергетических турбин и многочисленных агрегатов двигателя. Остаток тепловой энергии используется для испарения части водорода, который сжигается в внешнем, прямоточном контуре.

Глушитель

Для охлаждения гелия, его прокачивают через бак с азотом. В настоящее время для тестов используется не жидкий азот а вода, которая испаряется, понижая температуру гелия и глушит шум от выхлопных газов.

Двигатель

Благодаря тому, что гибридный ракетный двигатель обладает далеко не нулевой статической тягой, летательный аппарат может взлететь в обычном, воздушно-реактивном режиме, без посторонней помощи, подобно оснащенным обычными турбореактивными двигателями. При наборе высоты и падении атмосферного давления, все больше и больше воздуха направляется в компрессор, а эффективность сжатия в воздухозаборнике только снижается. В этом режиме реактивный двигатель может работать на намного большей высоте, чем это было возможно в обычном случае.
При достижении скорости М=5.5 воздушнореактивный двигатель становится не эффективным и отключается, и теперь в ракетный двигатель поступает хранящийся на борту жидкий кислород и жидкий водород, так вплоть до достижения орбитальной скорости (соизмеримо с М=25). Турбонасосные агрегаты приводятся тем же гелиевым контуром, который теперь получает тепло в специальных «предварительных камерах сгорания».
Необычное конструкционное решение системы охлаждения камер сгорания - в качестве охлаждающего вещества используется окислитель (воздух/жидкий кислород) вместо жидкого водорода, во избежание перерасхода водорода и нарушения стехиометрического соотношения (соотношение топлива к окислителю).

Второй существенный момент – реактивное сопло. Эффективность работы реактивного сопла зависит от его геометрии и атмосферного давления. В то время как геометрия сопла остается неизменной, давление существенно изменяется с высотой, следовательно сопла, высокоэффективные в нижних слоях атмосферы, существенно теряют свою эффективность с достижением больших высот.
В традиционных, многоступенчатых системах, это преодолевается простым использованием разной геометрии, для каждой ступени и соответствующего этапа полета. Но в одноступенчатой системе мы все время используем одно и то же сопло.

Рис.8. Сравнение работы различных реактивных сопел в атмосфере и вакууме

Как выход планируется использование специального Expansion-Deflection (ED nozzle) – регулируемого реактивного сопла разрабатываемого в рамках проекта STERN , которое состоит из традиционного колокола (правда сравнительно короче обычного), и регулируемого центрального тела, которое отклоняет поток газа к стенкам. Изменяя положение центрального тела, можно добиться того что выхлоп не займет всю площадь донного среза, а лишь кольцеобразный участок, регулируя занимаемую им площадь соответственно атмосферному давлению.

Так же, в многокамерном двигателе, можно регулировать вектор тяги, изменяя площадь сечения, а следовательно и вклад в общую тягу, каждой камеры.

Рис.9. Реактивное сопло Expansion-Deflection (ED nozzle)

Прямоточный контур

Отказ от сжижения воздуха поднял эффективность работы двигателя, снизив затраты теплоносителя путем снижения энтропии. Однако даже простое охлаждение воздуха требует больше водорода, чем может быть сожжено в первом контуре двигателя.

Избыток водорода сливается за борт, но не просто так, а сжигается в ряде камер сгорания, которые расположены в внешнем кольцевом воздушном канале, образующем прямоточную часть двигателя, в которую поступает воздух, пошедший в обход теплообменника. Второй, прямоточный контур снижает потери вследствие сопротивления воздуха, не попавшего в теплообменник, и так же дает некоторую часть тяги.
На низких скоростях в обход теплообменника/компрессора идет очень большое количество воздуха, а с ростом скорости, для сохранения эффективности большая часть воздуха наоборот, попадает в компрессор.
Это отличает систему от турбопрямоточного двигателя, где все обстоит с точностью до наоборот – на малых скоростях большие массы воздуха идут через компрессор, а на больших – в его обход, через прямоточный контур, который становится настолько эффективным, что берет на себя ведущую роль.

Производительность

Расчетная тяговооруженность SABRE предполагается свыше 14 единиц, при этом тяговооруженность обычных реактивных двигателей лежит в пределах 5, и всего лишь 2 для сверхзвуковых прямоточных двигателей. Столь высокая производительность получена благодаря использованию сверхохлажденного воздуха, который становится весьма плотным и требует меньшего сжатия, и, что более существенно, благодаря низким рабочим температурам стало возможным использовать легкие сплавы для большей части конструкции двигателя. Общая производительность обещает быть выше, чем в случае RB545 или сверхзвуковых прямоточных двигателей.

Двигатель имеет высокий удельный импульс в атмосфере, который достигает 3500 сек. Для сравнения обычный ракетный двигатель имеет удельный импульс в лучшем случае около 450, и даже перспективный «тепловой» ядерный ракетный двигатель обещает достичь лишь величины 900 сек.

Комбинация высокой топливной эффективности и низкой массы двигателя дает Skylon возможность достичь орбиты в одноступенчатом режиме, при этом работая как воздушно-реактивный до скорости М=5,14 и высоты 28,5 км. При этом аэрокосмический аппарат достигнет орбиты с большой полезной нагрузкой относительно взлетного веса, какая не могла быть ранее достигнутой ни одним, неядерным транспортным средством.

Подобно RB545, идея предварительного охлаждения увеличивает массу и сложность системы, что в обычных условиях служит антитезисом принципу конструирования ракетных систем. Также теплообменник очень агрессивная и сложная часть конструкции двигателя SABRE. Правда следует отметить что масса этого теплообменника предполагается на порядок ниже существующих образцов, и эксперименты показали что это может быть достигнуто. Экспериментальный теплообменник добился теплообмена почти в 1 ГВт/м2, что считается мировым рекордом. Небольшие модули будущего теплообменника уже изготовлены.

Потери от дополнительного веса системы компенсируются в закрытом цикле (теплообменник-турбокомпрессор) также как дополнительный вес крыльев Skylon увеличивая общий вес системы, так же способствуют общему увеличению эффективности больше, чем снижению ее. Это большей частью компенсируется разными траекториями полета. Обычные ракеты-носители стартуют вертикально, с крайне низкими скоростями (если говорить о тангенциальной а не нормальной скорости), этот, на первый взгляд неэффективных ход, позволяет быстрей пронзить атмосферу и набирать тангенциальную скорость уже в безвоздушной среде, не теряя скорость на трении о воздух.

В то же время большая топливная эффективность двигателя SABRE позволяют очень пологий подъем (при котором растет больше тангенциальная, чем нормальная составляющая скорости), воздух скорее способствует чем тормозит систему (окислитель и рабочее тело для двигателя, подъемная сила для крыльев), дает в итоге намного меньший расход топлива для достижения орбитальной скорости.

Некоторые характеристики

Тяга в пустоте – 2940 кН
Тяга на уровне моря – 1960 кН
Тяговоруженность (двигателя) – около 14 (в атмосфере)
Удельный импульс в вакууме – 460 сек
Удельный импульс на уровне моря – 3600 сек

Преимущества

В отличии от традиционных ракетных двигателей, и подобно иным типам воздушно-реактивных двигателей, гибридный реактивный двигатель может использовать воздух, для сжигания топлива, снижая необходимый вес ракетного топлива, и тем увеличивая вес полезной нагрузки.

ПВРД и ГПВРД должны провести большое количество времени в нижних слоях атмосферы, чтобы достичь скорости, достаточной для выхода на орбиту, что выводит на передний план проблему интенсивного нагрева на гиперзвуке, а так же потери в следствии значительно веса и сложности теплозащиты.

Гибридный реактивный двигатель подобный SABRE нуждается только в достижении низкой гиперзвуковой скорости (напомним: гиперзвук – все что после М=5, следовательно М = 5,14 это самое начало гиперзвукового диапазона скоростей) в нижних слоях атмосферы, перед переходом на закрытый цикл работы и крутом подъеме с набором скорости в ракетном режиме.

В отличии от ПВРД или ГПВРД, SABRE способен обеспечить высокую тягу от нулевой скорости и до М=5,14, от земли и до больших высот, с высокой эффективностью во всем диапазоне. Кроме того, возможность создания тяги при нулевой скорости означает возможность испытаний двигателя на земле, что значительно сокращает стоимость разработки.

Так же вашему вниманию предлагается некоторое число ссылок

В настоящее время американские Blue Origin и Aerojet Rocketdyne создают замену российскому двигателю РД-180. Компании конкурируют между собой, каждая планирует сертифицировать свой агрегат не позднее 2019 года. Молодая Blue Origin рабочий образец BE-4 (Blue Engine-4) в марте, однако стендовые испытания, проведенные в мае, неудачей. Создавшая двигатели для американской лунной ракеты и проверенная временем Aerojet Rocketdyne, казалось бы, отстает: лишь в мае она первые огневые испытания предкамеры агрегата AR1, рабочего образца которого до сих пор нет. Стоит ли ожидать скорого отказа США от РД-180 - выясняла .

Сегодня один двухкамерный жидкостный ракетный двигатель РД-180 устанавливается на первую ступень американской тяжелой ракеты Atlas V. Горючее - керосин, окислитель - кислород. Двигатель разрабатывался в 1994-1999 годах на основе четырехкамерных РД-170, устанавливаемых на боковые ускорители советской сверхтяжелой ракеты «Энергия» (по сути они представляют собой первые ступени российско-украинского носителя ). Контракт на создание двигателя для США между (сегодня ее подразделение Rocketdyne входит в состав Aerojet Rocketdyne) и был заключен в июне 1996 года. Между заключением соглашения и запуском первой ракеты прошло четыре года.

Огневые испытания РД-180 начались в «Энергомаше» в ноябре 1996 года. В США первый серийный двигатель был отправлен в январе 1999 года, где через три месяца был сертифицирован для средней ракеты Atlas III. Первый раз американский носитель с российским двигателем полетел в мае 2001 года, всего было совершено шесть пусков Atlas III, и все они были успешными. Для Atlas V агрегат РД-180 сертифицирован в августе 2001 года, первый пуск нового носителя произошел через год. По состоянию на 18 апреля 2017 года ракета Atlas V была запущена 71 раз, из которых один раз - частично удачно (российский двигатель тут ни при чем: произошла утечка жидкого водорода из бака разгонного блока Centaur, в результате чего полезная нагрузка была выведена на нерасчетную орбиту).

Сегодня Atlas V фактически является основной американской тяжелой ракетой. Пуски другого тяжелого американского носителя - Delta IV (на нем нет российских двигателей) - слишком дороги, так что , из-за конкуренции со среднетяжелой ракетой Falcon 9 , решил свести их к минимуму. С 2007 года Boeing и Lockheed Martin, производитель Atlas V, управляют пусками своих носителей через совместное предприятие ULA (United Launch Alliance). В США у этой компании большие проблемы. Во-первых, даже более дешевая по сравнению с Delta IV ракета Atlas V сегодня не выдерживает конкуренции с Falcon 9 в коммерческих, государственных и военных пусках; во-вторых, в связи с ухудшением российско-американских отношений в 2014 году ULA должна к 2019 году отказаться от покупки РД-180.

У компании есть несколько способов сохранить бизнес. Первый - отказаться от ракеты и построить новую, уже без российских двигателей. Второй - попробовать установить в Atlas V новый двигатель вместо РД-180. Blue Origin реализует первый подход, Aerojet Rocketdyne - второй. Вариант, согласно которому на территории США можно было бы развернуть производство РД-180, не выдерживает никакой критики: это настолько дорого и долго, что проще создать новый агрегат. К тому же лицензионное соглашение на передачу в США технологии производства российских двигателей РД-180 заканчивается в 2030 году - не имеет смысла разворачивать дорогостоящее производство всего на десять лет.

«Американцы думали, что они начнут с нами работать, а года через четыре возьмут наши технологии и будут сами их воспроизводить. Я им сразу сказал: вы затратите больше миллиарда долларов и десять лет. Четыре года прошло, и они говорят: да, надо лет шесть. Прошли еще годы, они говорят: надо еще восемь лет. Прошло уже семнадцать лет, и они ни один двигатель не воспроизвели. Им сейчас только на стендовое оборудование для этого нужны миллиарды долларов», - говорил еще в 2012 году по этому поводу создатель двигателя РД-180 академик Борис Каторгин.

Компании Blue Origin и Aerojet Rocketdyne слишком разные, что не может не отражаться в подходах к ракетному двигателестроению. За плечами Aerojet Rocketdyne, претерпевшей множество реорганизаций, создание в 1950-х и 1960-х агрегатов F-1, устанавливаемых на первую ступень сверхтяжелой ракеты ракеты Saturn V лунной миссии Apollo. Ее AR1, как и РД-180, является жидкостным ракетным двигателем закрытого цикла, в качестве топлива используется керосин, окислитель -
кислород. Это позволяет заменить российский агрегат на американский без принципиальной доработки носителя Atlas V.

В мае 2017 года Aerojet Rocketdyne провела первые огневые испытания предкамеры (в ней топливо частично сгорает и затем поступает в камеру сгорания) двигателя AR1. «Прохождение этого важного этапа позволяет заключить, что AR1 будет готов к полету в 2019 году, - сказала генеральный директор и президент Aerojet Rocketdyne Эйлин Дрейк. - В деле замены двигателей российского производства на текущих ракетах-носителях успех миссии должен быть национальным приоритетом номер один».

Дрейк отметила конкурентные особенности AR1. Во-первых, при создании отдельных элементов американского двигателя используется трехмерная печать. Во-вторых, применяется специальный сплав на основе никеля, позволяющий отказаться «от экзотических металлических покрытий, в настоящее время используемых в производстве РД-180». Для разработки AR1 компания использует методологию, ранее применявшуюся при создании других своих агрегатов (RS-68, J-2X, RL10 и RS-25). В компании планируют создать рабочий прототип (и почти сразу же сертифицировать) AR1 уже в 2019 году.

Blue Origin в создании замены РД-180, по оценкам ULA, опережает Aerojet Rocketdyne на два года. Работу над BE-4 компания начала еще в 2011 году в рамках работы над собственной тяжелой ракетой New Glenn; первый рабочий образец двигателя представлен в марте 2017 года. В Blue Origin признают, что РД-180 «работает на максимуме производительности», тем не менее два однокамерных BE-4, устанавливаемых на первую ступень носителя Vulcan (фактически Atlas VI), в совокупности позволят развить большую тягу, чем два AR1 и один РД-180 на первой ступени Atlas V. В отличие от AR1 и РД-180, в качестве горючего в BE-4 используется метан. В Blue Origin называют BE-4 самым мощным двигателем в мире, работающем на метане.

Первые стендовые испытания BE-4 прошли неудачно. «Вчера мы потеряли набор тестового оборудования для топливной системы на одном из наших испытательных стендов BE-4», - сообщает Blue Origin, уточняя, что на процесс разработки двигателя инцидент не повлияет. Топливная система включает множество турбонасосов и клапанов, которые обеспечивают подачу топливо-окислительной смеси к инжекторам и камерам сгорания жидкостного ракетного двигателя.

В компании пообещали, что скоро вернутся к тестированию. Из сообщения, опубликованного Blue Origin, как отмечает Ars Technica, неясен масштаб аварии, однако «тот факт, что Blue Origin, относительно скрытная компания (по сравнению с той же SpaceX - прим. «Ленты.ру» ) вообще поделилась этой информацией, показателен». Скорее всего, на самом деле ничего страшного не произошло: в распоряжении Blue Origin имеются как минимум два испытательных стенда, а ранее компания заявляла, что планирует создать сразу три рабочих образца ВЕ-4.

Стоимость двигателя ВЕ-4 неизвестна. В Blue Origin ничего не говорят об этом, однако нельзя не отметить, что компания принадлежит американскому миллиардеру , владелец который считается пятым богатейшим человеком в мире (помимо членов королевских семей и глав отдельных государств): его состояние оценивается в 71,8 миллиарда долларов. Главный актив выпускника

У Blue Origin и ULA особые отношения. В 2015 году Aerojet Rocketdyne хотела купить ULA за два миллиарда долларов, в этом случае РД-180, скорее всего, заменяли бы на AR1. Ситуацию изменила Blue Origin, подписавшая соглашение с ULA о сотрудничестве по производству BE-4 и фактически перехватившая инициативу у проверенной временем Aerojet Rocketdyne. Сегодня BE-4 является наиболее вероятным кандидатом для установки на ракету Vulcan, а AR1 рассматривается в качестве запасного варианта. В любом случае, AR1 найдут применение, его можно установить, например, на первую ступень тяжелой ракеты, разрабатываемой компанией Orbital ATK.

Ожидается, что в 2020-х годах Vulcan сможет осуществлять до десяти пусков в год. Носитель должен собираться по модульному принципу и будет включать 12 ракет среднего и тяжелого классов с различными возможностями по выводу полезной нагрузки на орбиту. Двигатели первой ступени (BE-4 или AR1) могут быть повторно использованы после их приземления при помощи защитных щитов (для предотвращения перегрева от трения при падении в атмосфере) и парашютов. В качестве космодромов для Vulcan компания ULA собирается использовать площадки на мысе Канаверал во Флориде или базу ВВС США Ванденберг в Калифорнии. Первый пуск ракеты Vulcan, которая придет на смену Atlas V с российским РД-180, запланирован на конец 2019 года.