Двигун Бонда переведе лайнери на гіперзвукові швидкості
Навчитися перевозити 300 пасажирів з Брюсселя до Сіднея не більше ніж за 4 години — такої привабливої мети прагнуть інженери, які працюють над новим глобальним гіперзвуковим авіалайнером. Цікаво, що ця машина веде свій родовід від давнього проекту оригінальної (за принципом дії) аерокосмічної системи.
Тільки уявіть, як змінився б світ авіаперевезень з появою лайнера, здатного подолати без посадки 20 тисяч кілометрів із крейсерською швидкістю 5 швидкостей звуку. Будь-який пасажир з радістю витратив би всього 4 години (навіть з урахуванням зльоту, розгону та посадки) на політ через половину земної кулі. Адже альтернатива — подорож, що виснажує, на традиційному авіалайнері, що займає 22 години. Навіть якби квитки на гіперзвук коштували вдвічі дорожче за звичайні, їх відривали б з руками. А вже за рівну ціну… Але ми забігаємо наперед.
Але чи майже добу в повітрі? Помилуйте. Це тортури (хіба що у спальному салоні). Ось політ на швидкості 5,5-5,8 тисячі кілометрів на годину – інша справа. Саме такою стане цивільна авіація, якщо здійснить свої плани британська компанія Reaction Engines, яку очолює Алан Бонд (Alan Bond).
Компанія бере участь у трансєвропейському проекті LAPCAT, керованому ESA та фінансованому Євросоюзом. LAPCAT – це Long-Term Advanced Propulsion Concepts and Technologies, тобто довгострокові концепції та технології передових систем приводу. Проект покликаний розробити та оцінити різні способи швидкісних трансокеанських повітряних та (можливо) космічних подорожей. Тут згодяться і прямоточні гіперзвукові двигуни, і суто ракетні технології.
Reaction Engines має своє бачення, як вирішити це завдання. У власному проекті LAPCAT вона розробляє 300-місний гіперзвуковий лайнер A2, про характеристики якого миговорили вище.
Але перш ніж докладніше розповісти про лайнер і його незвичайні двигуни, потрібно повернутися трохи в минуле.
Якось у 1950-1960-х роках американські інженери подумали, що труднощі створення гіперзвукового аерокосмічного літака (або човника, здатного самостійно виходити на орбіту) багато в чому обумовлені величезною вагою окислювача, який він змушений тягати на борту (передбачалася пара рідкий кисень і рідкий водень, з яких кисень набагато важчий).
Було дуже привабливо використовувати (при польоті в атмосфері) атмосферне повітря, але тоді виходило, що потрібно було мати два, а то й три різних типи двигуна на машині - турбореактивний для початку польоту, реактивний прямоточний для розгону і ракетний для космосу. Це і складно, і ненадійно, і маса машини виходить дуже велика.
Тут і вигадали: треба залишити тільки один ракетний двигун, але його кисневий бак поповнювати з атмосфери, захоплюючи і скраплюючи повітря на ходу за рахунок холоду, запасеного в рідкому водні (паливі). Точніше – зріджене повітря треба було відразу розділяти на компоненти і кисень направляти прямо в двигун.
У космосі двигун харчувався б від невеликого кисневого бака, що важить у рази менше традиційного. Так виникла концепція LACE (liquid air cycle engine – двигун із циклом на рідкому повітрі).
Таку непросту систему реалізувати було дуже складно. Але здорове зерно, закладене в ній, багатьом не давало спокою. І ось у 1982 році британський інженер Алан Бонд вигадав варіацію системи LACE під назвою SATAN.
Ніякого зрідження не потрібно, але повітря, що входить у гіперзвуковий повітрозабірник і сильно нагрівається, треба дійсно пропускати через теплообмінник, в якому курсує рідкий водень з паливного бака, авже потім це холодне повітря можна стискати в компресорі турбореактивного двигуна, на що піде набагато менше енергії, ніж у традиційному моторі.
За таким принципом можна було робити і ракети, і суборбітальні машини, і всілякі гіперзвукові штукатурки.
Приблизно в цей час компанія British Aerospace, яка нині увійшла до BAE Systems, і Rolls-Royce об'єднали свої зусилля в проекті гіперзвукового аерокосмічного літака HOTOL. Як двигуни для нього Rolls-Royce запропонувала створити варіацію двигуна Бонда під найменуванням RB545. Алан відразу підключився до цього проекту і, власне, зіграв у ньому провідну роль, запатентувавши цей самий RB545.
Проект розвивався дуже бурхливо (було опрацьовано конструкцію двигуна, навіть створювалися робочі прототипи літаків). Будучи фінансованим урядом, він проіснував кілька років. Але інтерес уряду і відповідно гроші скінчилися несподівано. HOTOL так і не було доведено до кінця.
Бонд вирішив, що треба створювати аерокосмічний літак самотужки, але патент на двигун імені себе на той час він використовувати не міг: його викупила у Алана компанія Rolls-Royce. Інженер, проте, не здався, і вигадав подальший розвиток цієї технології в такому вигляді, що він міг оминути обмеження патенту.
З тим Бонд і створив свою фірму Reaction Engines (1989 року), зманивши в неї з Rolls-Royce інженерів Джона Скотта-Скотта (John Scott-Scott) і Річарда Вервілла (Richard Varvill), які раніше разом з ним працювали над RB545, будучи одними із ключових фігур цього проекту.
В результаті до теперішнього часу друзі завершили попередню фазу проектування унікального дворежимного двигуна Sabre (Synergic Air BReathing Engine – синергічний повітряно-реактивний) таорбітального космоплана Skylon
Зараз компанія зайнята уточненням різних технічних, виробничих та економічних деталей цієї розробки. Більше того – вона побудувала стенди, де вже відчуває деякі компоненти свого диво-мотора, зокрема теплообмінник – охолоджувач повітря.
Skylon – це багаторазовий безпілотний апарат із двома двигунами Sabre на кінцях крил, здатний самостійно виходити на навколоземну орбіту (без ракети-носія та твердопаливних прискорювачів). Злітаючи літаком, Skylon починає розгін в атмосфері, харчуючись рідким воднем і сильно охолодженим повітрям з атмосфери.
Ключова особливість двигуна Sabre - охолодження забортного повітря, що надходить, до температури трохи вище точки кипіння. При цьому він все ж таки залишається газом і далі сильно стискається в турбокомпресорі. Цікаво, що повітря охолоджується гелієм, який попередньо охолоджується рідким воднем.
Навіщо тут проміжний теплоносій? Циркуляція гелію в «навороченій» системі з декількох теплообмінників, компресорів і турбін, разом з наявністю попередньої камери згоряння (де спалюється невелика частина водню в стислому повітрі), забезпечує енергією той самий турбокомпресор, що постачає повітря в основну камеру згоряння. Гелій може застосовуватися для охолодження частин літака і двигуна при польоті на гіперзвуку.
Sabre здатний «дихати» забортним повітрям від нульової висоти та швидкості польоту, і аж до швидкості 5,5 М (швидкостей звуку). Після цього центральне тіло в його повітрозабірнику зміщується вперед, повністю закриваючи вхідний канал, і Sabre переходить на суто ракетний режим, живлячись рідким киснем з бака.
Так машина досягає першої космічної швидкості, доставляючи 12 тонн корисного вантажу.на кругову орбіту заввишки 300 км. Уявляєте - Skylon задовольняється всього одним типом движка (у кількості пари штук) у всьому діапазоні режимів - від повільного пробігу по рульовій доріжці аеродрому до орбіти і назад!
Після повернення в атмосферу і проходження гарячої фази спуску космоплан відкриває повітрозабірники і знову переходить на «повітряне дихання», приземляючись на звичайній смузі аеродрому.
Цікавий фюзеляж Skylon. Його Алан має намір виконати з вуглепластику, поверх якого буде закріплена тонка (всього 0,5 міліметра) оболонка з кераміки, посиленої знову ж таки вуглеволокном. Ця оболонка сприйматиме аеродинамічні та теплові навантаження, причому її відокремлюватиме від вуглепластикового фюзеляжу певний зазор, а кріпитися кераміка буде на пружних зв'язках, що дозволяють їй «дихати» (розширюватися) під час нагріву при вході машини в атмосферу після космічного.
Алюмінієві баки також будуть підвішені всередині фюзеляжу на пружних зв'язках.
Створення Skylon вимагатиме ще 10 років і купи грошей, вважають британські інженери, а тому Алан та його команда вирішили поширити цю технологію і на інші апарати.
Так компанія і підключилася до європейського проекту LAPCAT, і так у Бонда з компаньйонами народилася ідея пасажирського глобального лайнера A2, а також гіперзвукового турбореактивного двигуна для нього на ім'я Scimitar.
Це спрощена варіація Sabre, яка вже не потребує ракетного режиму і вихід у космос. Але тут також використано ідею попереднього (перед компресором) охолодження атмосферного повітря до температури, близької до кріогенної.
Це забезпечить високі параметри двигуна по тязі, вазі та економічності і, таким чином, стане ключем до далекого гіперзвукового польоту.
Багатошарова обшивка лайнера міститиме систему активного охолодження (що використовує холод від баків з рідким воднем), яка не дозволить їй перегріватися під час чотиригодинного польоту в атмосфері на швидкості 5 махів (тобто приблизно 5,5-5,8 тисяч кілометрів на годину).
Reaction Engines проаналізувала масу аспектів експлуатації такого суперлайнера, в тому числі різні варіанти отримання водню для нього, і прийшла до висновку, що квиток на борт A2 (при масових польотах таких машин) може коштувати приблизно стільки ж, скільки зараз коштує місце в бізнес-. класі у трансконтинентальному авіарейсі.
Оскільки A2 простіше, ніж Skylon, від якого він походить, 300-місцева машина може бути реалізована в металі раніше за орбітальний автоматичний човник. А успіх A2 принесе британській компанії кошти, які необхідні для завершення проекту Skylon.
Якщо все так і вийде, світ збагатиться одразу і гіперзвуковою трансконтинентальною пасажирською машиною, і багаторазовим космічним апаратом, здатним сильно знизити вартість виведення вантажів на орбіту (до речі, Skylon британці проектують у розрахунку на 200 польотів для кожного екземпляра та планують експлуатувати парк із 30 ).