Все чаще стал звучать вопрос: могут ли существующие истребители IV и V поколения, работающие на скоростях около 2 Маха или менее, стать скоростными демонами 5 Маха?
Великобритания разрабатывает гиперзвуковые двигатели для возможной их установки на истребители. Как предполагает The National Interest, в перспективе им могут оборудовать F-35, который сейчас разве что ленивый не ругает за слабую максимальную скорость. Однако 5 Махов точно мало не покажется. Речь идет о двигателе Sabre производства Reaction Engines. Как заявляет разработчик, он сочетает в себе преимущества ракетного и авиационного двигателя, и наземные испытания уже показали, что он может разгонять самолет до скорости более 3 Махов.
Секрет уникального двигателя заключается в системе охлаждения, которую планируется применить и в EJ-200 – турбинах истребителей «Тайфун». Однако по словам британского маршала авиации Стефана Хиллиера, не стоит полагать, что «Тайфун» станет гиперзвуковым.
На скорости 5 Махов планер истребителя четвертого поколения просто не выдержит. Достаточно вспомнить самолет-ракету МиГ-25, который раскалялся до невероятных температур, как и SR-71.
Это же касается F-35 в том виде, в котором он есть сейчас. Его датчики разрушатся от такой скорости, авионика выйдет из строя.
По мнению NI, более вероятен вариант создания гиперзвукового истребителя шестого поколения на базе F-35. А сами британцы используют наработки для своего Tempest. В ближайшие же годы гиперзвуковыми станут не истребители, а ракеты. По словам Хиллиера, уже через четыре года 80% истребителей получат гиперзвуковые ракеты. Платформа остается прежней, но полезная нагрузка обновляется по мере развития технологий.
Воздушно-реактивный двигатель Sabre
Разработанный компанией Reaction Engines двигатель Sabre в состоянии работать в 2-х режимах: как реактивный двигатель и как ракетный двигатель. По словам представителей компании, использование данного двигателя на самолете Skylon позволит ему в 5 раз превысить скорость звука в атмосфере Земли и в 25 раз в открытом космическом пространстве. Ключевым элементом данного двигателя, который позволит ему эффективно работать в пределах атмосферы, является предварительный охладитель, в котором поступающий забортный воздух с температурой порядка 1000 градусов охлаждается до температуры -150 градусов всего за одну сотую секунды.
Как только Skylon попадает в космос, его можно будет перевести в так называемый «космический режим». В таком случае самолет сможет находиться на низкой околоземной орбите в течение 36 часов. Этого времени более чем достаточного, к примеру, для запуска спутника. При этом это будет очень выгодная технология. По словам Алана Бонда, являющегося основателем компании, суммы, которые требуются для запуска спутников и других похожих миссий, могут уменьшиться сразу на 95% в том случае, если будет налажено коммерческое производство двигателей Sabre.
Помимо этого новые космолеты построены на воздушно-реактивных двигателях смогут стать очень хорошей перспективой на рынке космического туризма. В этом случае английская фирма Reaction Engines может стать очень сильным конкурентом для Virgin Galactic, которая принадлежит Ричарду Брэнсону. Сейчас миллиардер предлагает всем желающим увидеть нашу планету в иллюминаторе всего за 121 тысячу фунтов стерлингов (практически 6 млн. рублей). Представители компании Reaction Engines заявляют о том, что полет на их космолете Skylon обойдется космическим туристам существенно дешевле, правда, пока не говорят о том, насколько именно. Более подробно о планах правительства Великобритании касательно финансирования данного амбициозного проекта станет известно, когда в Глазго состоится специальная Космическая конференция (UK Space Conference).
История появления
Идея проектирования двигателя с предварительным охлаждением впервые появилась у Роберта Кармайкла еще в далеком 1955 году. За этой идеей последовала идея создания двигателя с сжижением воздуха (LACE), которая первоначально прорабатывалась компаниями Marquardt и General Dynamics в 60-х годах прошлого века, как часть работ US Air Force над проектом Aerospaceplane.
Однако работы над проектом нового двигателя Sabre стартовали лишь в 1989 году, в этом году и была образована компания Reaction Engines Limited. Специалисты компании продолжили работу над проектом, развивая представленные ранее идеи. В итоге создание гибридного двигателя Sabre потребовало 22 года времени у научно-исследовательской команды из 30 человек. Плодом их усилий стала постройка макета двигателя, который был установлен на самолет Skylon, который демонстрировался на авиасалоне Фарнборо.
К ноябрю 2012 года, компания Reaction Engines завершила тестирование оборудования в рамках проекта «Технология теплообменника, критичная для гибридного ракетного двигателя, питаемого воздухом и жидким кислородом». Это был очень важный этап в процессе создания гибридного двигателя, который доказал всем потенциальным инвесторам проекта жизнеспособность представленных технологий. Двигатель Sabre основан на теплообменнике, который в состоянии охладить поступающий воздух до температуры -150°C (-238°F). В процессе работы охлажденный воздух смешивается с жидким водородом после чего, сгорая, он обеспечивает необходимую тягу для атмосферного полета, до переключения на жидкий кислород из баков, при полете вне земной атмосферы. Успешно проведенные испытания данной, достаточно критической технологи, подтвердили на практике, что теплообменник в состоянии обеспечить потребности гибридного двигателя в получении необходимого количества кислорода из атмосферы для функционирования с высокой эффективностью в условиях низковысотного полета.
Несколько недель назад компания-разработчик сообщила о проведении стендовых испытаний системы охлаждения воздуха. В ходе теста скорость воздуха на входе в устройство достигла М=5, температура – 1000°C. Сообщается, что опытное изделие успешно справилось со своими задачами и обеспечило резкое и быстрое снижение температуры потока. Впрочем, конкретные числа не назывались.
Ранее сообщалось о проверках других компонентов двигателя. Завершение всех этих мероприятий позволяет компании REL перейти к сборке полноценного опытного двигателя. Его появление ожидается в 2020-21 гг. Тогда же пройдут стендовые испытания, по результатам которых удастся определить реальные перспективы разработки.
Компания Reaction Engines Limited высоко оценивает свой новый проект и считает, что его ждет большое будущее. Насколько объективными являются такие оценки и соответствуют ли они действительности, до конца не ясно. Ответ на подобные вопросы можно будет дать только через несколько лет, после завершения всех необходимых мероприятий и создания реального летательного аппарата с двигателями SABRE.
Производительность
Расчетная тяговооруженность гибридного двигателя Sabre предполагается на уровне более 14 единиц. Стоит отметить, что тяговооруженность обыкновенных реактивных двигателей находится в пределах 5 единиц, и всего лишь 2 единиц для сверхзвуковых прямоточных двигателей. Такой высокий уровень производительности удалось получить за счет применения сверхохлажденного воздуха, который становится очень плотным и требует меньшего сжатия, и, что еще более значимо, благодаря низким рабочим температурам возможным стало применение достаточно легких сплавов для большей части конструкции гибридного двигателя.
Двигатель обладает высоким удельным импульсом в атмосфере, который достигает 3500 секунд. Для сравнения обыкновенный ракетный двигатель обладает удельным импульсом, который в лучшем случае составляет порядка 450 секунд, и даже считающийся перспективным «тепловой» ядерный ракетный двигатель обещает добраться до величины лишь в 900 секунд.
Комбинация низкой массы двигателя и высокой топливной эффективности дает перспективному самолету Skylon возможность добраться до орбиты в одноступенчатом режиме, при этом двигатель работает как воздушно-реактивный до скорости М=5,14 и высоты полета 28,5 км. Одновременно с этим аэрокосмический аппарат в состоянии достичь орбиты с очень большой полезной нагрузкой относительно взлетного веса самого самолета. Чего ранее нельзя было достигнуть ни одним неядерным летательным аппаратом.
Преимущества двигателя
В отличие от своих традиционных ракетных собратьев, и подобно другим типам воздушно-реактивных двигателей, новый английский гибридный реактивный двигатель может применять воздух, для сжигания топлива, что уменьшает необходимый вес ракетного топлива, увеличивая вместе с этим вес полезной нагрузки. Прямоточный воздушный реактивный двигатель (ПВРД) и гиперзвуковой прямоточный воздушный реактивный двигатель (ГПВРД) должны провести достаточно большое количество времени в нижних слоях атмосферы, для того чтобы развить скорость, достаточную для выхода на орбиту, что в свою очередь выводит на первый план проблему интенсивного нагрева двигателя на гиперзвуковой скорости, а так же возможных потерь из-за сложности теплозащиты и существенного веса.
В то же время гибридный реактивный двигатель подобный Sabre нуждается лишь в достижении низкой гиперзвуковой скорости (стоит напомнить, что гиперзвук – это все что после М=5) в нижних слоях атмосферы Земли, перед тем как перейти на закрытый цикл работы и совершить крутой подъем с набором скорости в ракетном режиме.
В отличие от традиционных ПВРД или ГПВРД, новый английский двигатель Sabre в состоянии обеспечить высокую тягу от нулевой скорости и до скорости в М=5,14 включительно, на всем диапазоне высот, с очень хорошей эффективностью во всем диапазоне высот. Помимо этого возможность создания тяги даже при нулевой скорости свидетельствует о возможности проведения испытаний гибридного двигателя на земле, что существенно уменьшает цену разработки.
