Предварительно охлажденный реактивный двигатель представляет собой концепцию , которая позволяет реактивные двигатели с турбомашинами , в отличие от ПВРД, для использования при высоких скоростях. Предварительное охлаждение частично или полностью восстанавливает ухудшение характеристик компрессора двигателя (предотвращая остановку вращения / дросселирование / снижение расхода), а также всего газогенератора (поддерживая значительное повышение температуры камеры сгорания в пределах фиксированного предела температуры турбины). что в противном случае предотвратило бы полет с высокими температурами тарана.
Для более высоких скоростей полета предварительное охлаждение может включать криогенный теплообменник с охлаждением топлива до того, как воздух попадет в компрессор. После получения тепла и испарения в теплообменнике топливо (например, H 2 ) сгорает в камере сгорания . Предварительное охлаждение с использованием теплообменника не использовалось в полете, но, по прогнозам, обеспечит значительно большую тягу и эффективность на скоростях до 5,5 Маха. Циклы предварительно охлажденных реактивных двигателей были проанализированы Робертом П. Кармайклом в 1955 году. [1] : 138 В двигателях с предварительным охлаждением нет необходимости в воздушном конденсаторе, потому что, в отличие от двигателей с жидкостным воздушным циклом (LACE), в двигателях с предварительным охлаждением воздух охлаждается без сжижения. Это.
Для более низких скоростей полета предварительное охлаждение может быть выполнено с помощью впрыска массы, известного как WIPCC (охлаждение предкомпрессора с впрыском воды) [2]. Этот метод использовался для кратковременного (из-за ограниченной емкости охлаждающей жидкости) увеличения до нормальной максимальной скорости самолета. «Операция Skyburner», которая установила мировой рекорд скорости с McDonnell Douglas F-4 Phantom II , [3] и Mikoyan Ye-266 ( Mig 25 ). [4] Оба использовали распылитель воды / спирта для охлаждения воздуха перед компрессором.
Предварительное охлаждение (а также впрыск воды в камеру сгорания) используется на самых низких скоростях полета, то есть во время взлета, для увеличения тяги при высоких температурах окружающей среды.
Преимущества и недостатки использования теплообменников предварительного охлаждения
Одно из основных преимуществ предварительного охлаждения состоит в том, что (согласно закону идеального газа ) для заданного общего перепада давлений происходит значительное снижение температуры нагнетания компрессора (T3), что задерживает достижение предела T3 до более высокого числа Маха. Следовательно, условия на уровне моря ( скорректированный поток ) могут поддерживаться после предохладителя в очень широком диапазоне скоростей полета, тем самым максимизируя чистую тягу даже на высоких скоростях. Компрессор и воздуховоды после входа подвергаются гораздо более низким и более постоянным температурам и, следовательно, могут быть изготовлены из легких сплавов. Это снижает вес двигателя, что еще больше улучшает соотношение тяги и веса.
Водород является пригодным топливом , потому что он находится в жидком состоянии при глубоко криогенных температурах, и в течение его полезного диапазона имеет очень высокую суммарную мощность теплоемкости , [1] : 108 , включая скрытую теплоту парообразования, более высокую , чем у воды.
Однако низкая плотность жидкого водорода отрицательно сказывается на остальной части транспортного средства, и транспортное средство физически становится очень большим, [1] : 108, хотя вес шасси и нагрузка на крыло могут оставаться небольшими.
Водород вызывает структурное ослабление многих материалов, известное как водородное охрупчивание .
Вес предварительного охладителя увеличивает вес двигателя, тем самым уменьшая его тяговооруженность .
Прохождение всасываемого воздуха через предварительный охладитель увеличивает сопротивление на входе, тем самым уменьшая чистую тягу двигателя и, таким образом, уменьшая отношение тяги к весу.
В зависимости от количества необходимого охлаждения, несмотря на его высокую теплоемкость, для охлаждения воздуха может потребоваться больше водорода, чем может быть сожжено с охлажденным воздухом. [ необходима цитата ] В некоторых случаях часть избыточного водорода может быть сожжена в ПВРД с неохлажденным воздухом, чтобы уменьшить эту неэффективность.
В отличие от двигателя LACE, предварительно охлажденный двигатель не нуждается в сжижении кислорода, поэтому количество охлаждения уменьшается, поскольку нет необходимости покрывать плавление кислорода и требуется меньшее общее падение температуры. Это, в свою очередь, снижает количество водорода, используемого в качестве радиатора, но не подлежащего сжиганию. Кроме того, не требуется конденсатор, что снижает вес.
История предварительного охлаждения с использованием теплообменников
Роберт П. Кармайкл в 1955 году разработал несколько циклов двигателя, в которых использовался жидкий водород для предварительного охлаждения воздуха, поступающего в двигатель, перед его использованием в качестве топлива. [1] : 138
Интерес к двигателям с предварительно охлажденным воздухом проявился в Великобритании в 1982 году, когда Алан Бонд создал конструкцию ракетного двигателя с предварительно охлажденным воздухом, которую он назвал SATAN. [ необходима цитата ] Идея была разработана в рамках проекта космоплана HOTOL SSTO и превратилась в Rolls-Royce RB545. В 1989 году, после того, как проект HOTOL был прекращен, некоторые инженеры RB545 создали компанию Reaction Engines Ltd, чтобы развить эту идею в двигателе SABRE и связанном с ним космическом самолете Skylon .
В 1987 году Н. Танацугу опубликовал «Аналитическое исследование космического самолета с воздушно-турбонаддувом и охладителем всасываемого воздуха». часть Японии ISAS (ныне JAXA ) исследования в Air-Turbo ПВРД (ATR, позже Atrex после добавления цикла расширителя) предназначена для питания первого этапа TSTO космоплана . На смену ATREX пришли исследования с турбореактивным двигателем с предварительным охлаждением (PCTJ) и гиперзвуковым турбореактивным двигателем. Испытательный двигатель с предварительно охлажденным жидким азотом для сжигания водорода был запущен на скорости 2 Маха на аэрокосмическом исследовательском поле в Тайки в сентябре 2010 года [5].
Смотрите также
- Воздушный турбореактивный двигатель
- ATREX
- ХОТОЛ
- Водородный автомобиль
- Турбогенератор с водородным охлаждением
- Интеркулер
- Двигатель с жидкостным воздушным циклом
- Lockheed CL-400 Загар для загара
- Двигатели реакции A2
- САБРЕ (ракетный двигатель)
- Скайлон (космический корабль)
Рекомендации
- ^ a b c d Шлюп, Джон (1978). Жидкий водород как моторное топливо, 1945–1959 гг. (NASA SP-4404) (PDF) . НАСА.
- ^ Мехта, У., Дж. Боулз, Дж. Мелтон, Л. Хьюн и П. Хагсет (февраль 2015 г.). «Охлаждение перед компрессором с впрыском воды способствует доступу в пространство» (PDF) . Авиационный журнал . 119 (1212): 145–171 - через nas.nasa.gov.
- ↑ F-4 Phantom Modern Combat Aircraft 1, Bill Gunston, Ian Allan Ltd. 1977, ISBN 0 7110 0727 6 , стр. 19
- ^ Sweetman, Билл (1983). Скоростной полет (стр. 129) . Интернет-архив. Лондон; Нью-Йорк, Нью-Йорк: Джейн.
- ^ Кобаяши, Х. и Тагучи, Х. и Кодзима, Такаюки и Харада, К. и Окаи, К. и Хонго, М. и Араи, Т. и Сато, Т. (6 октября 2011 г.). Статус разработки гиперзвукового турбореактивного двигателя для полета со скоростью 5 Маха в JAXA (IAC-11.C4.5.1) . 62-й Международный астронавтический конгресс 2011 г., МАК 2011 г. 8 . Кейптаун, Южная Африка. С. 6655–6659.CS1 maint: использует параметр авторов ( ссылка )