Как работают и на что способны гибридные двигатели для космопланов
Британская компания Reaction Engines в конце октября 2019 года провела успешные испытания предохладителя, одного из самых важных компонентов перспективного комбинированного ракетного двигателя SABRE, с помощью которого будут совершать космические полеты ракетопланы. Испытания компонента проходили на скорости воздушного потока около 5 чисел Маха и температуре 1000 градусов Цельсия. В связи с этим мы решили вспомнить историю появления комбинированных, иначе называемых гибридными, двигателей для летательных аппаратов и разобраться, как именно работает британская силовая установка.
На 1940-1950-е годы пришелся бум развития авиационного моторостроения — появились и начали серийно использоваться на самолетах реактивные двигатели различных конструкций. Эти силовые установки на боевых самолетах обеспечивали повышенную маневренность и лучшее ускорение по сравнению с традиционными поршневыми двигателями, а также позволяли выполнять, пусть и кратковременные, полеты на скорости, превышающей скорость звука.
В 1950-х годах началась разработка новых боевых и разведывательных летательных аппаратов, способных безопасно для себя действовать в воздушном пространстве, охраняемом системами противовоздушной обороны противника. В частности, ставка делалась на скорость полета — считалось, что чем быстрее летит самолет, тем меньше шансов у зенитной ракеты его догнать.
Необходимость наращивать скорость потребовала поиска новых конструкторских решений. Дело в том, что уже существовавшие тогда воздушно-реактивные авиационные двигатели при всех возможных ухищрениях не могли обеспечить скорость полета больше 2–2,5 числа Маха.
На большой скорости полета на входе двигателя воздушный поток резко тормозится, из-за чего происходит, помимо прочего, его сжатие и рост температуры. Это, в свою очередь, приводит к снижению эффективности работы компрессора, а затем и неэффективному сгоранию топлива.
Разработчики авиационной техники начали экспериментировать с другими двигателями. Наиболее очевидным вариантом оказался ракетный двигатель, не имеющий ограничений по скорости встречного воздушного потока, поскольку для сжигания топлива атмосферный кислород он не использует.
Такой двигатель способен обеспечивать высокие скорости полета. Например, американский экспериментальный самолет Bell X-1 уверенно развивал скорости полета, близкие к 2 числам Маха, а в 1953 году достиг скорости в 2,5 числа Маха на высоте 21,4 тысячи метров. В 1963 году ракетоплан X-15 развил гиперзвуковую скорость в 5,58 числа Маха.
Тем не менее, ракетные двигатели плохо подходили для создания серийных военных, главным образом разведывательных, самолетов. Дело в том, что они не могли обеспечить большую продолжительность полета, а учитывая политическую обстановку того времени, она была крайне желательна, поскольку СССР от США отделяет значительное расстояние.
Так исследователи начали работать над комбинированными двигателями, которые могли бы сочетать в себе свойства силовых установок разных классов.
Например, в СССР в конце 1950-х — в 1960-х годах велась разработка комбинированных ракетно-прямоточных двигателей для разведывательных беспилотных летательных аппаратов. Такие двигатели сочетали в себе ракетную силовую установку и стоящую за ней прямоточную воздушно-реактивную установку.
Если упрощенно описывать работу такого двигателя, то она выглядела следующим образом: ракетная силовая установка сжигала топливо не полностью, после чего газовая струя с не сгоревшим топливом поступала в прямоточный двигатель, где тормозилась и сжималась. Там топливо дожигалось, и отработанные газы выходили из двигателя, создавая тягу.
Аналогичные проекты существовали и в США. В целом по теме комбинированных двигателей разработки велись по нескольким направлениям. Помимо ракетно-прямоточных создавались турбопрямоточные (газотурбинный и прямоточный контуры) и ракетно-турбинные (ракетный и газотурбинный контуры).
Некоторые проекты таких силовых установок предполагали, что они смогут обеспечить скорость полета больше 3 чисел Маха, а некоторые, работающие в том числе и на водороде, — больше 5 чисел Маха. К гиперзвуковой принято относить скорость больше 5 чисел Маха.
В конце 1960-х годов американские ВВС и Центральное разведывательное управление начали использовать для разведки принципиально новый самолет SR-71 Blackbird, способный на длительные полеты на скорости в 3,17 числа Маха.
Допустимым был и кратковременный полет на скорости в 3,3 числа Маха, но при этом необходимо соблюсти множество условий, в том числе и по нагреву носовой части летательного аппарата. В полете планер самолета мог разогреваться до 450-480 градусов Цельсия.
В 1976 году SR-71 установил рекорд скорости при полете по прямой, составивший 3529,56 километра в час (около 3,3 числа Маха) на высоте 25,9 тысячи метров (это, к слову, тоже было рекордом).
Такой скорости самолет, списанный в 1998 году, мог достигать благодаря комбинированным турбопрямоточным двигателям J58, которые сам разработчик — компания Pratt & Whitney — называл турбореактивными двигателями изменяемого цикла.
По сути, силовая установка J58 сочетала в себе обычный турбореактивный двухконтурный двигатель с форсажной камерой и прямоточный воздушно-реактивный двигатель. Воздухозаборник установки был оборудован подвижными в горизонтальной плоскости конусами.
Основную тягу при полете на скоростях до 2 чисел Маха обеспечивали турбореактивные двигатели, размещенные внутри прямоточных воздушно-реактивных. В таком режиме бóльшая часть поступающего воздуха проходила через зону компрессоров, сжималась, смешивалась с топливом и поступала в камеру сгорания.
Истекающие из камеры сгорания разогретые газы вращали турбину, которая раскручивала входной вентилятор турбореактивного двигателя. По мере роста скорости полета конусы в воздухозаборниках задвигались, постепенно отводя все больше воздуха в обходные каналы прямоточных двигателей.
При этом минимальный приток воздуха в турбореактивный двигатель все равно сохранялся, но уже просто для поддержания его стабильной работы.
При скорости полета около 3 чисел Маха конусы уже были задвинуты почти полностью — бóльшая часть набегающего воздуха сжималась за счет торможения на входе в двигатель и образования в нем ударных волн, из-за этого нагревалась и, минуя компрессоры, камеру сгорания и турбину, поступала сразу в форсажную камеру.
Там воздух смешивался с топливом и раскаленными газами из камеры сгорания турбореактивного двигателя. В таком режиме полета только 10 процентов тяги обеспечивались контуром обычного реактивного двигателя, а 90 процентов - прямоточного.
Сегодня американская компания Lockheed Martin в инициативном порядке разрабатывает разведывательный гиперзвуковой беспилотный летательный аппарат SR-72, способный выполнять полеты на скорости до 6 чисел Маха.
Разработчики утверждают, что этот аппарат также получит комбинированный двигатель, в котором будут объединены качества сразу трех силовых установок: турбореактивной, сверхзвуковой прямоточной и гиперзвуковой прямоточной воздушно-реактивной. Последние две, объединенные в одном корпусе, будут иметь с турбореактивной установкой общие воздухозаборник и сопло.
По похожей схеме для своего гиперзвукового беспилотника разрабатывает комбинированный двигатель китайский Научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт авиации в Чэнду. Его силовая установка будет сочетать в себе качества турбореактивного, ракетно-прямоточного и ракетного двигателей.
Китайский двигатель, прошедший первый этап стендовых испытаний в январе текущего года, как предполагается, сможет разгонять беспилотный аппарат до скорости около 6 чисел Маха.
В феврале 2018 года российское Опытно-конструкторское бюро имени Люльки провело испытания комбинированного турбопрямоточного пульсирующего детонационного двигателя. Испытания установки — уменьшенного прототипа двигателя — проходили в турбореактивном и прямоточном режимах.
Частота детонации топливной смеси в новом российском двигателе составляет 20 килогерц. Силовая установка разрабатывается для применения на самолетах, способных на традиционный аэродромный взлет и полеты за пределы атмосферы.
Детонацией называется такое горение какого-либо вещества, в котором фронт горения распространяется быстрее скорости звука. При этом по веществу проходит ударная волна, за которой следует химическая реакция с выделением большого количества энергии.
В современных двигателях сгорание топлива происходит с дозвуковой скоростью. Такое горение называется дефлаграцией.
Детонационные двигатели конструктивно делятся на два основных типа: импульсные (или пульсирующие) и ротационные.
В импульсных двигателях происходят короткие взрывы по мере сгорания небольших порций топливо-воздушной смеси. В ротационных же горение смеси происходит в кольцевой камере постоянно без остановки. Детонационные двигатели способны работать в широком пределе скоростей полета — от 0 до 5 чисел Маха.
Считается, что такие силовые установки могут выдавать большую мощность, потребляя топлива меньше, чем обычные реактивные двигатели. При этом конструкция детонационных двигателей относительно проста: в них отсутствуют компрессор и многие движущиеся части.
Некоторые разработчики считают комбинированные двигатели ключом к созданию космопланов, не нуждающихся в дополнительных ступенях. В отличие от уже не используемых американских Space Shuttle или советского «Буран», которые не могли обходиться без ракет-носителей, или разрабатываемого сегодня американского SpaceShipTwo, который не может обходиться без самолета-носителя White Knight Two.
Космопланы с комбинированными двигателями смогут взлетать с наземных аэродромов и самостоятельно вылетать за пределы атмосферы. Такие аппараты можно будет использовать как для дешевой доставки небольших спутников на орбиту, так и для космического туризма.
Британская компания Reaction Engines создает собственный комбинированный двигатель для космоплана Skylon собственной же разработки (хотя изначально речь шла о небольшой ракете-носителе). Британский двигатель можно отнести к классу ракетно-турбинных комбинированных силовых установок, поскольку он будет сочетать в себе свойства турбореактивного и ракетного двигателей.
Упрощенно схема работы SABRE выглядит следующим образом: в полете воздух поступает в воздухозаборник, затем в компрессор, а потом в камеру сгорания ракетной части. Там он уже смешивается с водородом, смесь сгорает, а истекающие газы — создают тягу.
Такой режим предполагается использовать для полетов в пределах атмосферы и на скорости до 5,5 числа Маха. После превышения этой скорости воздухозаборник будет полностью перекрываться. При этом для сжигания водорода в ракетной части двигателя будет использоваться жидкий кислород из кислородных баков.
Этой схемой работы SABRE похож на комбинированный двигатель LACE, конструкцию которого в 1980-х годах предложил британский конструктор Алан Бонд.
В двигателе LACE на атмосферном участке полета жидкий кислород планировалось получать из атмосферного воздуха путем его охлаждения. Кроме того, в LACE турбина должна была раскручиваться газами, истекающими из ракетной части двигателя. Вращение турбины передавалось бы на компрессор, сжимающий воздух, который поступал бы из воздухозаборника.
Проект LACE разрабатывался в рамках засекреченной программы HOTOL, предполагающей создание космоплана. Эта программа была закрыта в 1989 году из-за нехватки финансирования.
SABRE расшифровывается как Synergetic Air Breathing Rocket Engine, синергический воздушно-реактивный ракетный двигатель. Эта силовая установка состоит из нескольких ступеней: воздухозаборника, предохладителя, компрессора, системы охлаждения, камеры сгорания, сопла и «прямоточных дожигателей».
В полете воздух будет попадать в воздухозаборник, где будет происходить его сжатие и, как следствие, нагрев. На скоростях около 5 чисел Маха нагрев воздуха может достигать 1,5 тысячи градусов — это критично высокая температура как для самого двигателя, так и для эффективного сжигания топлива.
В предохладителе, состоящем из 16800 тончайших трубок, воздух будет охлаждаться до температуры в -150 градусов Цельсия. Внутрь трубок под давлением почти в 200 атмосфер закачивается жидкий гелий, выполняющий роль теплоносителя.
После предохладителя воздух поступает в компрессор, способный сжимать его до 140 атмосфер, после чего сжатый воздух поступает в камеру сгорания ракетной части двигателя. Тягу будут создавать отработавшие газы, истекающие из сопла.
Гелий, нагреваясь от воздуха и от этого расширяясь, в предохладителе сначала будет поступать в зону турбины, раскручивая ее. Вращение от турбины будет передаваться на компрессор.
После турбины гелий будет подаваться в охладитель. Там его температура снизится за счет теплообмена с жидким водородом, подающимся по сети трубочек из топливного бака. Нагревшийся водород из системы охлаждения частично будет поступать в камеру сгорания ракетной части двигателя.
Разработчики отмечают, что из-за нагрева в камере охлаждения будет образовываться больше нагретого водорода, чем необходимо для работы ракетной части двигателя. Излишки водорода и будут сгорать в «прямоточных дожигателях». Последние представляют собой небольшие прямоточные воздушно-реактивные двигатели, играющие двойную роль.
Во-первых, они будут сжигать излишки водорода, внося небольшой вклад в создание тяги двигателя. Во-вторых, в них из зоны забора компрессора (расположена перед ним) будут стекать излишки воздуха, не попавшие в основной контур двигателя.
На скорости более 5,5 числа Маха воздухозаборник силовой установки будет полностью перекрываться. При этом ракетный двигатель переключится на подачу окислителя — жидкого кислорода — из кислородного бака.
Отличительной чертой комбинированного двигателя SABRE разработчики называют его относительную компактность — по своим размерам он не будет превышать турбовентиляторный двигатель F135, стоящий на американских истребителях F-35 Lightning II.
Длина F135 составляет 5,6 метра, а наибольший диаметр — 1,2 метра. Двигатель имеет массу 1,7 тонны без учета дополнительных систем.
На протяжении ближайшего года Reaction Engines намерена провести серию испытаний не только предохладителя, но и нескольких других частей перспективного комбинированного двигателя.
Параллельно будет вестись сборка первого полноразмерного образца силовой установки, стендовые испытания которого планируется начать в конце 2020-го или в 2021 году. Предполагается, что космопланы с двигателями SABRE могут начать выполнять регулярные полеты в 2030-х годах.
Современные авиационные и космические разработки, помимо прочего, нацелены на уменьшение стоимости полета и запусков. Предполагается, что комбинированные двигатели помогут решить эту задачу. Но существуют и другие разработки, в том числе ротационных детонационных и гиперзвуковых прямоточных воздушно-реактивных двигателей. О некоторых из таких разработок мы рассказывали в материале «Установки на будущее».
Василий Сычёв