Предварительное охлаждение воздушного потока в реактивных двигателях
В рамках учебного процесса мне пришлось реферат писать, а так как выбор тем был свободен, выбрал что то "нового и интересного", считая таким амбициозный концепт Skylon британской фирмы Reaction Engines. В процессе поиска материала, наткнулся на несколько статей в англоязычном сегмнете википедии, косвенно затрагивающие предмет (а так как рефератов мне надо несколько, по нескольким дисциплинам, то это тоже благо есть), и на отсутствие оной информации в рускоязычном сегменте интернета. После недолгих моральных терзаний принял решение о переводе с английского на русский (правда для написания реферата мне придется еще и на украинский переводить, ничего не поделаешь), а так как просто сдать реферат - это скучно, он канет в нутро бюрократического механизма, и моя деятельность останется бесполезной, решил опубликовать здесь. Не одним бумагомаранием стало быть.
Первой в фокус внимания попала статья Precooled jet engine (исходный текст по адресу http://en.wikipedia.org/wiki/Precooled_jet_engine), сей термин мной был переведен как "Реактивный двигатель предварительного охлаждения".
Ниже следуют мои попытки изложить на русском, несколько отступая от текста.
Реактивный двигатель с предварительным охлаждением (Precooled jet engine) - так называется концепт реактивного двигателя, рассчитанного на достижение высоких скоростей, с помощью криогенного теплообменника непосредственно после воздухозаборника, охлаждающего поступающий в двигатель воздух с помощью криогенного топлива. После получения тепла и испарения в теплообменнике, топливо (обычно водород) сжигается в камере сгорания. Такие двигатели еще ни разу не использовались в полете, но по прогнозам они способны дать более высокую тягу и эффективность, чем ныне существующие, на скоростях до М = 5.5. Реактивные двигатели с предварительным охлаждением были впервые описаны Робертом Кармайклом (Robert P. Carmichael) в 1955.
Рис.1 Общая схема работы двигателя
В отличии от Двигателей жидкостно-воздушного цикла (Liquid Air Cycle Engines - LACE, о них когда нибудь потом), эти двигатели всего лишь охлаждают, а не сжижают воздух, что исключает необходимость в воздушном кондесаторе-холодильнике.
Возможное поле применения РД с предварительным охлаждением - часть силовой установки аэрокосмических систем или сверхдальних высокоскоростных летательных аппаратов.
Преимущества предварительного охлаждения
Одно из главных преимуществ предварительного охлаждения служит снижение температуры на последней ступени компрессора при заданной степени сжатия, что позволит отодвинуть достижение предельной температуры для последней ступени компрессора, до более высоких скоростей. Другое преимущество состоит в том, что компрессор и воздуховод после вохдухозаборника подвергается более низким и постоянным температурам, что позволяет их изготовить с легких сплавов. Это значительно снижает вес двигателя, а следовательно повышает тяговоруженность.
Топливом, предлагаемым для РД с предварительным охлаждением, обычно служит водород, поскольку водород жидкий при крайне низких температура, и в широком диапазоне температур имеет очень высокую общую теплоемкость, включая скрытую теплоту испарения, которая выше чем у воды. Однако, низкая плотность жидкого водорода оказывает негативное влияние на остальную часть летательного аппарата, он имеет очень большие габариты, правда нагрузка на шасси и крыло остается сравнительно низкой.
Другая проблема кроется в том, что количество водорода, требуемое для охлаждения воздуха весьма высокое, значительно больше, чем может быть сожжено в двигателе. Двигатель получает избыток водорода, который должен быть использован. Одним из выходов видится второй, прямоточный контур, в котором будет сжигаться избыток водорода, вокруг центрального ядра, которым служит реактивный двигатель предварительного охлаждения.
История создания реактивных двигателей предварительного охлаждения.
Такие двигатели еще ни разу не использовались в полете. На нынешнем этапе исследований была изготовлена масштабная модель, которая была разработана в Великобритании, и успешно испытана в нужных условиях. Так же была решена проблема отклонения конденсировавшейся воды, поскольку на теплообменнике мог образовываться лед, который блокировал бы работу системы.
Рис.2 Общий вид Lockheed CL-400 Suntan
Двигатель предварительного охлаждения был впервые предложен как часть американского проекта Suntan (Lockheed CL-400 Suntan - сверхзвуковой разведывательный ЛА на жидком водороде). В 1955 Роберт Кармайкл разработал несколько циклов работы двигателя, которое могут быть осуществлены с жидким водородным топливом. Вышеописанный был одним из них.
Краткая вспышка интереса к реактивному двигателю предварительного охлаждения имела место в Великобритании, в 1982 году, когда Алан Бонд (Alan Bond) создал подобный LACE концепт двигателя, названный им SATAN. Правда существенным отличием от этой системы было то, что воздух только охлаждался, а не сжижался, и газы не были отделены друг от друга, что давало значительный прирост общей производительности, за счет сокращения количества водорода используется для охлаждения.
Рис.3 HOTOL в представлении художника
В то же время, Джон Скотт (John Scott) и Боб Паркинсон (Bob Parkinson) в British Aerospace начали некоторые предварительные работы по аэрокосмической системе многоразового использования. Две команды объединились и создали HOTOL, который использовал разработанный в BAe планер с Ролс-Ройсовской версией двигателя Бонда, известной как RB545. В 1986 проект получил официальное признания, и было выделено 2 миллиона фунтов стерлингов для исследований, но позже, в 1989 программа была закрыта, когда исследования наткнулись на проблемы, и у правительства закончилось финансирование.
Рис.4 Некоторые изображения двигателя RB545
Конструкторы продолжали разработку за сет своих собственных средств, но RB545 был засекречен и не мог быть использован. Вместо нее Алан Бонд предложил новую, более передовую версию, известную как SABRE - Synergistic Air-Breathing Rocket Engine (синергичный воздушно-реактивный ракетный двигатель), предназначенную для нового проекта аэрокосмической системы многоразового использования - Skylon.
Первой в фокус внимания попала статья Precooled jet engine (исходный текст по адресу http://en.wikipedia.org/wiki/Precooled_jet_engine), сей термин мной был переведен как "Реактивный двигатель предварительного охлаждения".
Ниже следуют мои попытки изложить на русском, несколько отступая от текста.
Реактивный двигатель с предварительным охлаждением (Precooled jet engine) - так называется концепт реактивного двигателя, рассчитанного на достижение высоких скоростей, с помощью криогенного теплообменника непосредственно после воздухозаборника, охлаждающего поступающий в двигатель воздух с помощью криогенного топлива. После получения тепла и испарения в теплообменнике, топливо (обычно водород) сжигается в камере сгорания. Такие двигатели еще ни разу не использовались в полете, но по прогнозам они способны дать более высокую тягу и эффективность, чем ныне существующие, на скоростях до М = 5.5. Реактивные двигатели с предварительным охлаждением были впервые описаны Робертом Кармайклом (Robert P. Carmichael) в 1955.
Рис.1 Общая схема работы двигателя
В отличии от Двигателей жидкостно-воздушного цикла (Liquid Air Cycle Engines - LACE, о них когда нибудь потом), эти двигатели всего лишь охлаждают, а не сжижают воздух, что исключает необходимость в воздушном кондесаторе-холодильнике.
Возможное поле применения РД с предварительным охлаждением - часть силовой установки аэрокосмических систем или сверхдальних высокоскоростных летательных аппаратов.
Преимущества предварительного охлаждения
Одно из главных преимуществ предварительного охлаждения служит снижение температуры на последней ступени компрессора при заданной степени сжатия, что позволит отодвинуть достижение предельной температуры для последней ступени компрессора, до более высоких скоростей. Другое преимущество состоит в том, что компрессор и воздуховод после вохдухозаборника подвергается более низким и постоянным температурам, что позволяет их изготовить с легких сплавов. Это значительно снижает вес двигателя, а следовательно повышает тяговоруженность.
Топливом, предлагаемым для РД с предварительным охлаждением, обычно служит водород, поскольку водород жидкий при крайне низких температура, и в широком диапазоне температур имеет очень высокую общую теплоемкость, включая скрытую теплоту испарения, которая выше чем у воды. Однако, низкая плотность жидкого водорода оказывает негативное влияние на остальную часть летательного аппарата, он имеет очень большие габариты, правда нагрузка на шасси и крыло остается сравнительно низкой.
Другая проблема кроется в том, что количество водорода, требуемое для охлаждения воздуха весьма высокое, значительно больше, чем может быть сожжено в двигателе. Двигатель получает избыток водорода, который должен быть использован. Одним из выходов видится второй, прямоточный контур, в котором будет сжигаться избыток водорода, вокруг центрального ядра, которым служит реактивный двигатель предварительного охлаждения.
История создания реактивных двигателей предварительного охлаждения.
Такие двигатели еще ни разу не использовались в полете. На нынешнем этапе исследований была изготовлена масштабная модель, которая была разработана в Великобритании, и успешно испытана в нужных условиях. Так же была решена проблема отклонения конденсировавшейся воды, поскольку на теплообменнике мог образовываться лед, который блокировал бы работу системы.
Рис.2 Общий вид Lockheed CL-400 Suntan
Двигатель предварительного охлаждения был впервые предложен как часть американского проекта Suntan (Lockheed CL-400 Suntan - сверхзвуковой разведывательный ЛА на жидком водороде). В 1955 Роберт Кармайкл разработал несколько циклов работы двигателя, которое могут быть осуществлены с жидким водородным топливом. Вышеописанный был одним из них.
Краткая вспышка интереса к реактивному двигателю предварительного охлаждения имела место в Великобритании, в 1982 году, когда Алан Бонд (Alan Bond) создал подобный LACE концепт двигателя, названный им SATAN. Правда существенным отличием от этой системы было то, что воздух только охлаждался, а не сжижался, и газы не были отделены друг от друга, что давало значительный прирост общей производительности, за счет сокращения количества водорода используется для охлаждения.
Рис.3 HOTOL в представлении художника
В то же время, Джон Скотт (John Scott) и Боб Паркинсон (Bob Parkinson) в British Aerospace начали некоторые предварительные работы по аэрокосмической системе многоразового использования. Две команды объединились и создали HOTOL, который использовал разработанный в BAe планер с Ролс-Ройсовской версией двигателя Бонда, известной как RB545. В 1986 проект получил официальное признания, и было выделено 2 миллиона фунтов стерлингов для исследований, но позже, в 1989 программа была закрыта, когда исследования наткнулись на проблемы, и у правительства закончилось финансирование.
Рис.4 Некоторые изображения двигателя RB545
Конструкторы продолжали разработку за сет своих собственных средств, но RB545 был засекречен и не мог быть использован. Вместо нее Алан Бонд предложил новую, более передовую версию, известную как SABRE - Synergistic Air-Breathing Rocket Engine (синергичный воздушно-реактивный ракетный двигатель), предназначенную для нового проекта аэрокосмической системы многоразового использования - Skylon.