WikiDer > Реактивный двигатель с предварительным охлаждением

Precooled jet engine

В реактивный двигатель с предварительным охлаждением это концепция, которая позволяет реактивные двигатели с турбомашина, в отличие от ПВРД, для использования на 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). которые в противном случае предотвратили бы полет с высокими температурами тарана.

Для более высоких скоростей полета предварительное охлаждение может включать криогенное топливо-охлаждаемый теплообменник до того, как воздух попадет в компрессор. После нагревания и испарения в теплообменнике топливо (например, H2) горит в камера сгорания. Предварительное охлаждение с помощью теплообменника не использовалось в полете, но, по прогнозам, будет иметь 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 Двигатели с предварительным охлаждением не нуждаются в конденсатор потому что, в отличие от двигатели с жидкостным воздушным циклом (LACE) двигатели с предварительным охлаждением охлаждают воздух без разжижение Это.

Для более низких скоростей полета предварительное охлаждение может быть выполнено с помощью впрыска массы, известного как WIPCC (охлаждение предварительного компрессора с впрыском воды).[2] Этот метод использовался для кратковременного (из-за ограниченного объема охлаждающей жидкости) увеличения до нормальной максимальной скорости самолета. «Операция Skyburner», которая установила мировой рекорд скорости с McDonnell Douglas F-4 Phantom II,[3] и Микоян Е-266 (Миг 25).[4] Оба использовали водно-спиртовой спрей 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

Одним из основных преимуществ предварительного охлаждения является (как и прогнозируется закон идеального газа) для данного общий коэффициент давления, происходит значительное снижение температуры нагнетания компрессора (T3), что задерживает достижение предела T3 до более высокого числа Маха. Следовательно, условия на уровне моря (исправленный поток) может поддерживаться после предохладителя в очень широком диапазоне скоростей полета, тем самым увеличивая 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 подходящим топливом, потому что он является жидким при очень криогенных температурах и в пределах своего полезного диапазона имеет очень высокую общую удельная теплоемкость,[1]:108 включая скрытую теплоту испарения выше, чем у воды.

Однако низкая плотность жидкий водород оказывает негативное влияние на остальную часть транспортного средства, и оно физически становится очень большим,[1]:108 хотя вес шасси и нагрузка на крыло могут оставаться небольшими.

Водород вызывает структурное ослабление многих материалов, известных как хрупкость водорода.

Вес предварительного охладителя увеличивает вес двигателя, тем самым уменьшая его соотношение тяги к массе.

Прохождение всасываемого воздуха через предварительный охладитель увеличивает сопротивление на входе, тем самым уменьшая чистую тягу двигателя и тем самым 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.[нужна 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 охлажденному двигателю не нужно сжижать кислород, поэтому количество охлаждения уменьшается, поскольку нет необходимости покрывать плавление кислорода и требуется меньшее общее падение температуры. Это, в свою очередь, уменьшает 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 предварительным охлаждением появился в Великобритании в 1982 году, когда Алан Бонд создал конструкцию ракетного двигателя с предварительно охлажденным воздухом, которую он назвал SATAN.[нужна цитата] Идея была разработана в рамках HOTOL ССТО космоплан проект, и стал Rolls-Royce RB545. В 1989 году, после закрытия проекта HOTOL, некоторые из RB545 инженеры создали компанию Reaction Engines Ltd, чтобы воплотить эту идею в Двигатель SABRE, и связанные Skylon космоплан.

В 1987 году Н. Танацугу опубликовал «Аналитическое исследование космического самолета с воздушно-турбо прямоточным воздушно-воздушным охлаждением». часть Японии КАК ЕСТЬ (сейчас же JAXA) исследование воздушно-турбо прямоточного реактивного двигателя (ATR, позже ATREX после добавления цикла детандера), предназначенный для питания первой ступени ТСТО космоплан. На смену ATREX пришли исследования Preecooled Turbojet (PCTJ) и Hypersonic Turbojet. Испытательный двигатель на сжигание водорода, предварительно охлажденный жидким азотом Мах 2 в Область аэрокосмических исследований Тайки в сентябре 2010 г.[5]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c d Шлюп, Джон (1978). Жидкий водород в качестве моторного топлива, 1945–1959 гг. (NASA SP-4404) (PDF). НАСА.
  2. ^ 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). Аэронавигационный журнал. 119 (1212): 145–171 - через nas.nasa.gov.
  3. ^ "F-4 Phantom Modern Combat Aircraft 1", Билл Ганстон, Ian Allan Ltd. 1977 г., ISBN 0 7110 0727 6, стр.19
  4. ^ Sweetman, Билл (1983). Высокоскоростной полет (стр. 129). Интернет-архив. Лондон; Нью-Йорк, Нью-Йорк: Джейн.
  5. ^ Кобаяси, 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.). Состояние 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 (связь)