Лайнер на гиперзвуковой скорости
29 ноября 2007. Разместил: farfengugen
Только представьте, как изменился бы мир авиаперевозок с появлением лайнера, способного преодолеть без посадки 20 тысяч километров с крейсерской скоростью в 5 скоростей звука. Любой пассажир с радостью затратил бы всего 4 часа (даже с учётом взлёта, разгона и посадки) на полёт через половину земного шара. Ведь альтернатива — изматывающее путешествие на традиционном авиалайнере, занимающее 22 часа. Даже если бы билеты на гиперзвук стоили вдвое дороже обычных, их отрывали бы с руками. А уж за равную цену… Но мы забегаем вперёд.
Кстати, самый дальнобойный лайнер в мире может преодолеть без посадки (с 300 пассажирами на борту) 17,5 тысяч километров. А его мировой рекорд (для магистральных лайнеров), установленный в специальном рекламном рейсе Гонконг-Лондон – 21601 километр, которые он пролетел за 22 часа 42 минуты.
Но почти сутки в воздухе? Помилуйте. Это пытка (разве только в спальном салоне). Вот полёт на скорости 5,5-5,8 тысяч километров в час – другое дело. Именно такой станет гражданская авиация, если осуществит свои планы британская компания Reaction Engines, возглавляемая Аланом Бондом (Alan Bond).
Необычный британский лайнер должен летать на высоте 25 километров (иллюстрация Reaction Engines).
Компания участвует в трансъевропейском проекте LAPCAT, управляемом ESA и финансируемом Евросоюзом. LAPCAT – это Long-Term Advanced Propulsion Concepts and Technologies, то есть долгосрочные концепции и технологии передовых систем привода. Проект призван разработать и оценить различные способы скоростных трансокеанских воздушных и (возможно) космических путешествий. Тут сгодятся и прямоточные гиперзвуковые двигатели, и чисто ракетные технологии.
У Reaction Engines своё видение, как решить эту задачу. В собственном проекте LAPCAT она разрабатывает 300-местный гиперзвуковой лайнер A2, о характеристиках которого мы говорили выше.
Но прежде чем подробнее рассказать о лайнере и его необычных движках, нужно вернуться немного в прошлое.
Как-то в 1950-1960-х годах американские инженеры подумали, что трудности создания гиперзвукового аэрокосмического самолёта (или челнока, способного самостоятельно выходить на орбиту) во многом обусловлены огромным весом окислителя, который он вынужден таскать на борту (предполагалась пара жидкий кислород и жидкий водород, из которых кислород намного тяжелее).
Вам внешний вид A2 ничего не напоминает? Правильно: сверхзвуковой ракетоносец Мясищева М-50 1959 года (на кадре внизу он снят в музее в Монино). Крыло, правда, у британца расположено внизу, да к тому же A2 сделан по схеме утка, а у М-50 — обычное хвостовое оперение. Но расположение движков и общий облик — сходны. Законы аэродинамики? Вероятно. Вот только М-50 развивал 1950 километров в час, а A2 замахивается примерно на 5700 км/ч (иллюстрация Reaction Engines, фото с сайта fas.org).
Было очень заманчиво использовать (при полёте в атмосфере) атмосферный же воздух, но тогда выходило, что нужно было иметь два, а то и три разных типа двигателя на машине – турбореактивный для начала полёта, реактивный прямоточный для разгона и ракетный для космоса. Это и сложно, и ненадёжно, и масса машины получается слишком велика.
Тут и придумали: надо оставить только один ракетный движок, но его кислородный бак пополнять из атмосферы, захватывая и сжижая воздух на ходу за счёт холода, запасённого в жидком водороде (топливе). Вернее – сжиженный воздух надо было тут же разделять на компоненты и кислород направлять прямо в двигатель.
В космосе движок питался бы от небольшого кислородного бака, весящего в разы меньше традиционного. Так возникла концепция LACE (liquid air cycle engine – двигатель с циклом на жидком воздухе).
Столь непростую систему реализовать было крайне сложно. Но здравое зерно, заложенное в ней, многим не давало покоя. И вот в 1982 году британский инженер Алан Бонд придумал вариацию системы LACE под названием SATAN.
Никакого сжижения не нужно, но входящий в гиперзвуковой воздухозаборник и сильно нагревающийся воздух надо действительно пропускать через теплообменник, в котором курсирует жидкий водород из топливного бака, а уже потом этот холодный воздух можно сжимать в компрессоре турбореактивного движка, на что уйдёт куда меньше энергии, чем в традиционном моторе.
По такому принципу можно было делать и ракеты, и суборбитальные машины, и всяческие гиперзвуковые летающие штуковины.
Примерно в это же время компания British Aerospace, ныне вошедшая в BAE Systems, и Rolls-Royce объединили свои усилия в проекте гиперзвукового аэрокосмического самолёта HOTOL. В качестве двигателей для него Rolls-Royce предложила создать вариацию двигателя Бонда под наименованием RB545. Алан тут же подключился к этому проекту и, собственно, сыграл в нём ведущую роль, запатентовав этот самый RB545.
HOTOL не был доведён до конца, но породил богатое инженерное наследие. На рисунках — различные вариации HOTOL (в том числе — разрез машины и её сравнение с шаттлом, стоящим на спине Боинга). На фото: испытания модели Interim HOTOL (она же HOTOL 2) в аэродинамической трубе на спине модели самолёта Ан-325. Мы не оговорились — двигателей у него задумывалось 8 (смотрите внимательнее), против 6 у Ан-225, от которого и планировали произвести эту модель. 325-й был задуман для обеспечения воздушного старта британского аппарата (иллюстрации и фото с сайтов reactionengines.co.uk и aerospaceweb.org).
Проект развивался очень бурно (была проработана конструкция двигателя, даже создавались рабочие прототипы самолётов). Будучи финансируемым правительством, он просуществовал несколько лет. Но интерес правительства и, соответственно, деньги кончились неожиданно. HOTOL так и не был доведён до конца.
Бонд решил, что надо создавать аэрокосмический самолёт своими силами, но патент на двигатель имени себя к тому времени он использовать не мог: его выкупила у Алана компания Rolls-Royce. Инженер, однако, не сдался, и придумал дальнейшее развитие этой технологии в таком виде, что он мог обойти ограничения патента.
С тем Бонд и создал свою фирму Reaction Engines (в 1989 году), сманив в неё из Rolls-Royce инженеров Джона Скотта-Скотта (John Scott-Scott) и Ричарда Вэрвилла (Richard Varvill), которые ранее вместе с ним работали над RB545, будучи одними из ключевых фигур этого проекта.
В результате к настоящему времени друзья завершили предварительную фазу проектирования уникального двухрежимного двигателя Sabre (Synergic Air BReathing Engine – синергический воздушно-реактивный) и орбитального космоплана Skylon.
Знакомьтесь: воздушно-космический автоматический челнок Skylon. Длина — 82 метра, вес пустого — 41 тонна. Полный взлётный вес — 275 тонн, из них на топливо приходится 220 тонн, а на полезный груз — до 12 тонн. Максимальная скорость — первая космическая, максимальная "высота полёта", то есть высота круговой орбиты — 460 километров (с полезным грузом 9,5-10,5 тонн) (иллюстрации Reaction Engines).
Cейчас компания занята уточнением различных технических, производственных и экономических деталей данной разработки. Более того – она построила стенды, где уже испытывает некоторые компоненты своего чудо-мотора, в частности, теплообменник – охладитель воздуха.
Skylon – это многоразовый беспилотный аппарат с двумя двигателями Sabre на концах крыльев, способный самостоятельно выходить на околоземную орбиту (без ракеты-носителя и твердотопливных ускорителей). Взлетая по самолётному, Skylon начинает разгон в атмосфере, питаясь жидким водородом и сильно охлаждённым воздухом из атмосферы.
Ключевая особенность двигателя Sabre – охлаждение поступающего забортного воздуха до температуры немногим выше точки кипения. При этом он всё же остаётся газом и далее сильно сжимается в турбокомпрессоре. Интересно, что охлаждается воздух гелием, который предварительно охлаждается жидким водородом.
Большую часть фюзеляжа Skylon занимают баки с жидким водородом. Баки с жидким кислородом крайне малы для машины, которая выходит на орбиту самостоятельно, взлетая с аэродромной полосы. Это заслуга двухрежимных двигателей Sabre (показан внизу), значительную часть "дороги" дышащих воздухом из атмосферы (иллюстрации Reaction Engines).
Зачем тут промежуточный теплоноситель? Циркуляция гелия в "навороченной" системе из нескольких теплообменников, компрессоров и турбин, вкупе с наличием предварительной камеры сгорания (где сжигается небольшая часть водорода в сжатом воздухе), обеспечивает энергией тот самый турбокомпрессор, что поставляет воздух в основную камеру сгорания. Гелий же может применяться для охлаждения частей самолёта и двигателя при полёте на гиперзвуке.
Sabre способен "дышать" забортным воздухом от нулевых высоты и скорости полёта, и вплоть до скорости в 5,5 М (скоростей звука). После чего центральное тело в его воздухозаборнике смещается вперёд, полностью закрывая входной канал, и Sabre переходит на чисто ракетный режим, питаясь жидким кислородом из бака.
Так машина достигает первой космической скорости, доставляя 12 тонн полезного груза на круговую орбиту высотой 300 километров. Представляете – Skylon довольствуется всего одним типом движка (в количестве пары штук) во всём диапазоне режимов – от неспешного пробега по рулёжной дорожке аэродрома до орбиты и обратно!
И снова A2. Здесь британцы его сравнивают с Airbus А380 — самым большим пассажирским авиалайнером в мире (иллюстрация Reaction Engines).
После возвращения в атмосферу и прохождения самой горячей фазы спуска космоплан открывает воздухозаборники и вновь переходит на "воздушное дыхание", приземляясь на обычной полосе аэродрома.
Любопытен фюзеляж Skylon. Его Алан намерен выполнить из углепластика, поверх которого будет закреплена тонкая (всего 0,5 миллиметра) оболочка из керамики, усиленной, опять же, углеволокном. Эта оболочка будет воспринимать аэродинамические и тепловые нагрузки, причём её будет отделять от углепластикового фюзеляжа некий зазор, а крепиться керамика будет на упругих связях, позволяющих ей "дышать" (расширяться) во время нагрева при вхождении машины в атмосферу после космического рейса.
Алюминиевые баки будут также подвешены внутри фюзеляжа на упругих связях.
Создание Skylon потребует ещё 10 лет и кучи денег, считают британские инженеры, а потому Алан и его команда решили распространить данную технологию и на другие аппараты.
Так компания и подключилась к европейскому проекту LAPCAT, и так у Бонда с компаньонами родилась идея пассажирского глобального лайнера A2, а также — гиперзвукового турбореактивного движка для него по имени Scimitar.
Это упрощённая вариация Sabre, которой уже не требуется ракетный режим и выход в космос. Но здесь также использована идея предварительного (перед компрессором) охлаждения атмосферного воздуха до температуры, близкой к криогенной.
Это обеспечит высочайшие параметры движка по тяге, весу и экономичности и, таким образом, станет ключом к дальнему гиперзвуковому полёту.
Многослойная обшивка лайнера будет содержать систему активного охлаждения (использующую холод от баков с жидким водородом), которая не позволит ей перегреваться во время четырёхчасового полёта в атмосфере на скорости 5 махов (то есть примерно 5,5-5,8 тысячи километров в час).
В таком ракурсе A2 напоминает обычный лайнер. Однако его экологическую чистоту (топливо — водород всё-таки) можно называть самым незначительным отличием этой разработки от сегодняшних самолётов (иллюстрация Reaction Engines).
Reaction Engines проанализировала массу аспектов эксплуатации такого суперлайнера, в том числе – разные варианты получения водорода для него, и пришла к выводу, что билет на борт A2 (при массовых полётах таких машин) может стоить примерно столько же, сколько сейчас стоит место в бизнес-классе в трансконтинентальном авиарейсе.
Поскольку A2 проще, чем Skylon, от которого он происходит, 300-местная машина может быть реализована в металле раньше орбитального автоматического челнока. А успех A2 принесёт британской компании средства, которые нужны для завершения проекта Skylon.
Если всё так и получится, мир обогатится сразу и гиперзвуковой трансконтинентальной пассажирской машиной, и многоразовым космическим аппаратом, способным сильно снизить стоимость выведения грузов на орбиту (кстати, Skylon британцы проектируют в расчёте на 200 полётов для каждого экземпляра и планируют эксплуатировать парк из 30 таких машин).
Кстати, самый дальнобойный лайнер в мире может преодолеть без посадки (с 300 пассажирами на борту) 17,5 тысяч километров. А его мировой рекорд (для магистральных лайнеров), установленный в специальном рекламном рейсе Гонконг-Лондон – 21601 километр, которые он пролетел за 22 часа 42 минуты.
Но почти сутки в воздухе? Помилуйте. Это пытка (разве только в спальном салоне). Вот полёт на скорости 5,5-5,8 тысяч километров в час – другое дело. Именно такой станет гражданская авиация, если осуществит свои планы британская компания Reaction Engines, возглавляемая Аланом Бондом (Alan Bond).
Необычный британский лайнер должен летать на высоте 25 километров (иллюстрация Reaction Engines).
Компания участвует в трансъевропейском проекте LAPCAT, управляемом ESA и финансируемом Евросоюзом. LAPCAT – это Long-Term Advanced Propulsion Concepts and Technologies, то есть долгосрочные концепции и технологии передовых систем привода. Проект призван разработать и оценить различные способы скоростных трансокеанских воздушных и (возможно) космических путешествий. Тут сгодятся и прямоточные гиперзвуковые двигатели, и чисто ракетные технологии.
У Reaction Engines своё видение, как решить эту задачу. В собственном проекте LAPCAT она разрабатывает 300-местный гиперзвуковой лайнер A2, о характеристиках которого мы говорили выше.
Но прежде чем подробнее рассказать о лайнере и его необычных движках, нужно вернуться немного в прошлое.
Как-то в 1950-1960-х годах американские инженеры подумали, что трудности создания гиперзвукового аэрокосмического самолёта (или челнока, способного самостоятельно выходить на орбиту) во многом обусловлены огромным весом окислителя, который он вынужден таскать на борту (предполагалась пара жидкий кислород и жидкий водород, из которых кислород намного тяжелее).
Вам внешний вид A2 ничего не напоминает? Правильно: сверхзвуковой ракетоносец Мясищева М-50 1959 года (на кадре внизу он снят в музее в Монино). Крыло, правда, у британца расположено внизу, да к тому же A2 сделан по схеме утка, а у М-50 — обычное хвостовое оперение. Но расположение движков и общий облик — сходны. Законы аэродинамики? Вероятно. Вот только М-50 развивал 1950 километров в час, а A2 замахивается примерно на 5700 км/ч (иллюстрация Reaction Engines, фото с сайта fas.org).
Было очень заманчиво использовать (при полёте в атмосфере) атмосферный же воздух, но тогда выходило, что нужно было иметь два, а то и три разных типа двигателя на машине – турбореактивный для начала полёта, реактивный прямоточный для разгона и ракетный для космоса. Это и сложно, и ненадёжно, и масса машины получается слишком велика.
Тут и придумали: надо оставить только один ракетный движок, но его кислородный бак пополнять из атмосферы, захватывая и сжижая воздух на ходу за счёт холода, запасённого в жидком водороде (топливе). Вернее – сжиженный воздух надо было тут же разделять на компоненты и кислород направлять прямо в двигатель.
В космосе движок питался бы от небольшого кислородного бака, весящего в разы меньше традиционного. Так возникла концепция LACE (liquid air cycle engine – двигатель с циклом на жидком воздухе).
Столь непростую систему реализовать было крайне сложно. Но здравое зерно, заложенное в ней, многим не давало покоя. И вот в 1982 году британский инженер Алан Бонд придумал вариацию системы LACE под названием SATAN.
Никакого сжижения не нужно, но входящий в гиперзвуковой воздухозаборник и сильно нагревающийся воздух надо действительно пропускать через теплообменник, в котором курсирует жидкий водород из топливного бака, а уже потом этот холодный воздух можно сжимать в компрессоре турбореактивного движка, на что уйдёт куда меньше энергии, чем в традиционном моторе.
По такому принципу можно было делать и ракеты, и суборбитальные машины, и всяческие гиперзвуковые летающие штуковины.
Примерно в это же время компания British Aerospace, ныне вошедшая в BAE Systems, и Rolls-Royce объединили свои усилия в проекте гиперзвукового аэрокосмического самолёта HOTOL. В качестве двигателей для него Rolls-Royce предложила создать вариацию двигателя Бонда под наименованием RB545. Алан тут же подключился к этому проекту и, собственно, сыграл в нём ведущую роль, запатентовав этот самый RB545.
HOTOL не был доведён до конца, но породил богатое инженерное наследие. На рисунках — различные вариации HOTOL (в том числе — разрез машины и её сравнение с шаттлом, стоящим на спине Боинга). На фото: испытания модели Interim HOTOL (она же HOTOL 2) в аэродинамической трубе на спине модели самолёта Ан-325. Мы не оговорились — двигателей у него задумывалось 8 (смотрите внимательнее), против 6 у Ан-225, от которого и планировали произвести эту модель. 325-й был задуман для обеспечения воздушного старта британского аппарата (иллюстрации и фото с сайтов reactionengines.co.uk и aerospaceweb.org).
Проект развивался очень бурно (была проработана конструкция двигателя, даже создавались рабочие прототипы самолётов). Будучи финансируемым правительством, он просуществовал несколько лет. Но интерес правительства и, соответственно, деньги кончились неожиданно. HOTOL так и не был доведён до конца.
Бонд решил, что надо создавать аэрокосмический самолёт своими силами, но патент на двигатель имени себя к тому времени он использовать не мог: его выкупила у Алана компания Rolls-Royce. Инженер, однако, не сдался, и придумал дальнейшее развитие этой технологии в таком виде, что он мог обойти ограничения патента.
С тем Бонд и создал свою фирму Reaction Engines (в 1989 году), сманив в неё из Rolls-Royce инженеров Джона Скотта-Скотта (John Scott-Scott) и Ричарда Вэрвилла (Richard Varvill), которые ранее вместе с ним работали над RB545, будучи одними из ключевых фигур этого проекта.
В результате к настоящему времени друзья завершили предварительную фазу проектирования уникального двухрежимного двигателя Sabre (Synergic Air BReathing Engine – синергический воздушно-реактивный) и орбитального космоплана Skylon.
Знакомьтесь: воздушно-космический автоматический челнок Skylon. Длина — 82 метра, вес пустого — 41 тонна. Полный взлётный вес — 275 тонн, из них на топливо приходится 220 тонн, а на полезный груз — до 12 тонн. Максимальная скорость — первая космическая, максимальная "высота полёта", то есть высота круговой орбиты — 460 километров (с полезным грузом 9,5-10,5 тонн) (иллюстрации Reaction Engines).
Cейчас компания занята уточнением различных технических, производственных и экономических деталей данной разработки. Более того – она построила стенды, где уже испытывает некоторые компоненты своего чудо-мотора, в частности, теплообменник – охладитель воздуха.
Skylon – это многоразовый беспилотный аппарат с двумя двигателями Sabre на концах крыльев, способный самостоятельно выходить на околоземную орбиту (без ракеты-носителя и твердотопливных ускорителей). Взлетая по самолётному, Skylon начинает разгон в атмосфере, питаясь жидким водородом и сильно охлаждённым воздухом из атмосферы.
Ключевая особенность двигателя Sabre – охлаждение поступающего забортного воздуха до температуры немногим выше точки кипения. При этом он всё же остаётся газом и далее сильно сжимается в турбокомпрессоре. Интересно, что охлаждается воздух гелием, который предварительно охлаждается жидким водородом.
Большую часть фюзеляжа Skylon занимают баки с жидким водородом. Баки с жидким кислородом крайне малы для машины, которая выходит на орбиту самостоятельно, взлетая с аэродромной полосы. Это заслуга двухрежимных двигателей Sabre (показан внизу), значительную часть "дороги" дышащих воздухом из атмосферы (иллюстрации Reaction Engines).
Зачем тут промежуточный теплоноситель? Циркуляция гелия в "навороченной" системе из нескольких теплообменников, компрессоров и турбин, вкупе с наличием предварительной камеры сгорания (где сжигается небольшая часть водорода в сжатом воздухе), обеспечивает энергией тот самый турбокомпрессор, что поставляет воздух в основную камеру сгорания. Гелий же может применяться для охлаждения частей самолёта и двигателя при полёте на гиперзвуке.
Sabre способен "дышать" забортным воздухом от нулевых высоты и скорости полёта, и вплоть до скорости в 5,5 М (скоростей звука). После чего центральное тело в его воздухозаборнике смещается вперёд, полностью закрывая входной канал, и Sabre переходит на чисто ракетный режим, питаясь жидким кислородом из бака.
Так машина достигает первой космической скорости, доставляя 12 тонн полезного груза на круговую орбиту высотой 300 километров. Представляете – Skylon довольствуется всего одним типом движка (в количестве пары штук) во всём диапазоне режимов – от неспешного пробега по рулёжной дорожке аэродрома до орбиты и обратно!
И снова A2. Здесь британцы его сравнивают с Airbus А380 — самым большим пассажирским авиалайнером в мире (иллюстрация Reaction Engines).
После возвращения в атмосферу и прохождения самой горячей фазы спуска космоплан открывает воздухозаборники и вновь переходит на "воздушное дыхание", приземляясь на обычной полосе аэродрома.
Любопытен фюзеляж Skylon. Его Алан намерен выполнить из углепластика, поверх которого будет закреплена тонкая (всего 0,5 миллиметра) оболочка из керамики, усиленной, опять же, углеволокном. Эта оболочка будет воспринимать аэродинамические и тепловые нагрузки, причём её будет отделять от углепластикового фюзеляжа некий зазор, а крепиться керамика будет на упругих связях, позволяющих ей "дышать" (расширяться) во время нагрева при вхождении машины в атмосферу после космического рейса.
Алюминиевые баки будут также подвешены внутри фюзеляжа на упругих связях.
Создание Skylon потребует ещё 10 лет и кучи денег, считают британские инженеры, а потому Алан и его команда решили распространить данную технологию и на другие аппараты.
Так компания и подключилась к европейскому проекту LAPCAT, и так у Бонда с компаньонами родилась идея пассажирского глобального лайнера A2, а также — гиперзвукового турбореактивного движка для него по имени Scimitar.
Схема двигателя Scimitar (иллюстрация Reaction Engines).
Это упрощённая вариация Sabre, которой уже не требуется ракетный режим и выход в космос. Но здесь также использована идея предварительного (перед компрессором) охлаждения атмосферного воздуха до температуры, близкой к криогенной.
Это обеспечит высочайшие параметры движка по тяге, весу и экономичности и, таким образом, станет ключом к дальнему гиперзвуковому полёту.
Многослойная обшивка лайнера будет содержать систему активного охлаждения (использующую холод от баков с жидким водородом), которая не позволит ей перегреваться во время четырёхчасового полёта в атмосфере на скорости 5 махов (то есть примерно 5,5-5,8 тысячи километров в час).
В таком ракурсе A2 напоминает обычный лайнер. Однако его экологическую чистоту (топливо — водород всё-таки) можно называть самым незначительным отличием этой разработки от сегодняшних самолётов (иллюстрация Reaction Engines).
Reaction Engines проанализировала массу аспектов эксплуатации такого суперлайнера, в том числе – разные варианты получения водорода для него, и пришла к выводу, что билет на борт A2 (при массовых полётах таких машин) может стоить примерно столько же, сколько сейчас стоит место в бизнес-классе в трансконтинентальном авиарейсе.
Поскольку A2 проще, чем Skylon, от которого он происходит, 300-местная машина может быть реализована в металле раньше орбитального автоматического челнока. А успех A2 принесёт британской компании средства, которые нужны для завершения проекта Skylon.
Если всё так и получится, мир обогатится сразу и гиперзвуковой трансконтинентальной пассажирской машиной, и многоразовым космическим аппаратом, способным сильно снизить стоимость выведения грузов на орбиту (кстати, Skylon британцы проектируют в расчёте на 200 полётов для каждого экземпляра и планируют эксплуатировать парк из 30 таких машин).