Системы космических двигателей

Space Engine Systems Inc. ( SES ) — канадская аэрокосмическая компания, расположенная в Эдмонтоне , Альберта , Канада . ^[1] Основным направлением деятельности компании является разработка легкой многотопливной двигательной установки (DASS Engine) для многоразового космического самолета и гиперзвукового крылатого корабля. Насосы , компрессоры , коробки передач и другие сопутствующие технологии, разрабатываемые в настоящее время, интегрируются в основные научно-исследовательские и опытно-конструкторские проекты SES. SES сотрудничает с Университетом Калгари для изучения и разработки технологий в ключевых технических областях нанотехнологий и высокоскоростной аэродинамики .

Компания Space Engines Systems Inc. была основана в 2012 году для разработки двигателя DASS и связанных с ним технологий в аэрокосмическом секторе. Промоутеры Space Engine Systems участвуют в разработке двигателя более 20 лет. ^[2] работают вместе, чтобы представить новые насосы, компрессоры и системы коробок передач в аэрокосмической промышленности в качестве побочных приложений. 10 мая 2012 года SES публично объявила о запуске своей компании на авиасалоне в Фарнборо (9–15 июля 2012 года). ^[3] 6 августа они объявили о своем участии в выставке беспилотных систем AUVSI в Северной Америке. ^[4] SES часто посещает крупные международные выставки в аэрокосмическом секторе, включая Парижский авиасалон в 2013, 2015 и 2017 годах и Фарнборо в 2014, 2016 и 2024 годах.

Двигатель DASS представляет собой концепцию предварительно охлажденного комбинированного цикла , которая может создавать тягу в широком диапазоне чисел Маха полета транспортного средства (от покоя до гиперзвукового ). Производные двигателя могут использоваться для приведения в движение транспортного средства SSTO , ракет большой дальности и гиперзвуковых транспортных самолетов . Двигатель разрабатывается с гибкостью для различных транспортных средств и профилей миссий. Концепция использует существующие аэрокосмические технологии, включая обычные компоненты газовых турбин , и новые разработки в области нанотехнологий для преодоления некоторых ключевых технических препятствий, связанных с перегревом и хранением топлива. В высокоскоростном полете входящий воздух имеет очень высокое динамическое давление , а аэродинамическое замедление приводит к повышению статического давления и температуры . Температура может превышать материальные пределы лопаток компрессора в обычном турбореактивном двигателе . Стратегия решения этой проблемы заключается в размещении теплообменника ниже по потоку от впускного отверстия, чтобы снизить температуру газа перед механическим сжатием. Подобно турбореактивному двигателю с глубоким охлаждением ^[5] или двигателю с циклом сжиженного воздуха ( LACE ), энергия, извлекаемая из поступающего воздуха в двигателе DASS, добавляется обратно в систему ниже по потоку в виде явного тепла в потоке топлива.

Концепция двигателя DASS улучшает процесс теплообмена несколькими способами. Поверхностные нанопокрытия ^[6] размещаются на внутренних теплообменниках для повышения скорости конвективного теплообмена , уменьшения массы теплообменника и уменьшения нежелательной аэродинамической блокировки. Металлические наночастицы засеваются во всасываемый воздух из входного конуса для дальнейшего улучшения теплопередачи. Частицы действуют как дополнительное топливо и способствуют работе устройств управления потоком ниже по потоку. Известно, что металлическое топливо обладает желаемыми свойствами хранения по сравнению с водородом и имеет превосходную плотность энергии на единицу объема. ^[7] В качестве топлива для двигателя рассматривается комбинация водорода и наночастиц бора .

Основным преимуществом двигателя DASS перед обычными ракетными двигателями для высокоскоростного полета является использование атмосферного кислорода в его воздушно-реактивном режиме. Удельный импульс ( I _sp ) воздушно-реактивных двигателей превосходит ракеты в широком диапазоне чисел Маха . Эти преимущества имеют потенциал для реализации большей массовой доли полезной нагрузки (например, 4% для NASP на LEO ^[8] против 2,6% для Soyuz-2 на LEO ). Более высокий I _{sp ,} связанный с воздушно-реактивными двигателями, является основной мотивацией для разработки сверхзвуковых прямоточных воздушно-реактивных двигателей . Воздушно-реактивные двигатели обычно имеют более низкое отношение тяги к весу по сравнению с ракетами. Вот почему двигатель DASS будет интегрирован в транспортное средство с подъемным корпусом. Для транспортного средства SSTO уменьшенная масса транспортного средства и увеличенная массовая доля полезной нагрузки означают более низкие эксплуатационные расходы. ^[9] Для транспорта способность перемещаться на гиперзвуковых скоростях резко сокращает время, необходимое для покрытия больших расстояний. Высота, на которой работают гиперзвуковые крылатые аппараты, обычно намного выше, чем у обычных транспортеров (30 км для A2 ^[10] против 13,1 км для A380 ). Более низкая плотность воздуха на этих больших высотах снижает общее сопротивление аппарата, что еще больше повышает эффективность. Текущие исследования и разработки сосредоточены на работе двигателя на крейсерской скорости 5 Махов на высоте 30 км. Обратите внимание, что 30 км все еще значительно ниже того, что считается границей космоса ( 100 км ) и намного ниже низкой околоземной орбиты (~200 км). Поэтому для того, чтобы двигатель DASS работал за пределами целевых 30 км и рабочих условий скорости 5 Махов, конструкция будет изменена. На больших высотах плотность воздуха уменьшается, и аппарат должен двигаться быстрее, чтобы достичь достаточного захвата массы на входе. На еще больших высотах двигателю DASS необходимо будет хранить на борту окислитель для использования с ракетным двигателем на его пути потока. Цель состоит в том, чтобы достичь основного компонента орбитальной скорости при работе в воздушно-реактивном режиме перед переключением в ракетный режим.

На низких скоростях полета двигатель DASS полагается исключительно на бортовой турбореактивный двигатель, работающий на обычном углеводородном топливе. Изменяемая геометрия впускного отверстия (патент PCT находится на рассмотрении) позволяет образовывать большие зазоры между теплообменником (который на данном этапе не работает), сводя к минимуму потери давления на впуске. В этом режиме перепускной канал закрыт, и весь воздух проходит через сердечник турбореактивного двигателя. Выхлопное сопло (патент PCT находится на рассмотрении) сжимается в дозвуковом режиме для оптимальной удельной тяги. По мере того, как двигатель разгоняется до сверхзвуковых скоростей, сочлененные части впускного отверстия направляют поток в теплообменник (патент PCT находится на рассмотрении). Жидкое водородное топливо проходит через теплообменник, снижая температуру воздуха перед сжатием двигателя. Часть воздуха обходит сердечник турбореактивного двигателя и смешивается с водородом, выходящим из теплообменника в секции форсажной камеры. Обратите внимание, что величина теплопередачи связана с количеством водорода, доступным для сгорания в форсажной камере. Затем продукты сгорания расширяются через сверхзвуковое сопло, сопло изменяемой геометрии. Двигатель будет спроектирован так, чтобы полностью потреблять воздух для оптимизации тяги. Уровень байпаса изменяется на протяжении всего сверхзвукового режима полета. Двигатель может работать на скорости 4 Маха и обеспечивать тягу, превышающую тягу обычного прямоточного воздушно-реактивного двигателя. При высоких числах Маха (~4,88) воздух не может быть охлажден ниже предела турбореактивного двигателя (1200 К). В результате в основном турбореактивном двигателе не может происходить горение, и двигатель должен перейти в режим чистого прямоточного воздушно-реактивного двигателя. Изменяемый входной патрубок продолжает сочленяться (патент PCT находится на рассмотрении), чтобы полностью перекрыть доступ воздуха к турбореактивному двигателю, одновременно оптимизируя соотношение площади впуска и выхода для сгорания прямоточного воздушно-реактивного двигателя с использованием водорода. Двигатель по-прежнему реализует повышение эффективности за счет охлаждающего эффекта теплообменника (хотя и гораздо меньше в этом режиме). Конечная скорость полета ограничена скоростью прямоточного воздушно-реактивного двигателя, работающего на водороде.

Цели двигателей DASS GN X и DASS GN1 — обеспечить эффективную тягу от покоя до гиперзвуковых скоростей (M~5) и больших высот (h~30 км) с низким удельным расходом топлива на всем пути полета, а также небольшую ракетную ступень для вывода транспортного средства на орбиту. Двигатель будет работать на нескольких видах топлива (водород, углеводороды и металлическое топливо). Каждый тип топлива имеет свое преимущество. Углеводородное топливо обычно используется в турбореактивных/турбовентиляторных двигателях, которые считаются зрелой/традиционной технологией. Этот двигатель будет обеспечивать тягу на низких скоростях. Водород имеет большую теплоемкость (~14 кДж/кгК), ^[11], поэтому он является отличным теплоотводом для теплообменника (патент находится на рассмотрении). Он также имеет лучшее энергосодержание на единицу массы из всех видов топлива и является легкой молекулой. В результате он может обеспечивать большие уровни тяги с низким удельным расходом топлива. Металлическое топливо обладает отличными свойствами хранения, высоким энергосодержанием на единицу объема и может способствовать конвективному переносу тепла. Он также обладает хорошими свойствами горения в наномасштабах.

Ключевые технологические компоненты DASS GN 1 и DASS GN X довольно похожи. DASS GN1 предназначен исключительно для аэрокосмической отрасли, а DASS GN X — только для космических приложений. Планируется прототип двигателя для наземных и летных испытаний.

В таблице ниже показано сравнение двигателя DASS с более обычными высокоскоростными двигателями (ПВРД) при двух числах Маха. Рассматривались два типа ПВРД. Первый ПВРД использует комбинацию топлив (керосин и водород) в тех же пропорциях, что и двигатель DASS. Второй ПВРД использует чистый водород. Очевидно, что при меньшем числе Маха двигатель DASS обеспечивает более высокую удельную тягу. Это связано с более высоким давлением, которое может использоваться турбореактивным двигателем. При числе Маха 4 DASS GN1 работает аналогично ПВРД. На этой скорости двигатель DASS GN1, скорее всего, преобразуется в чистый ПВРД. Перечисленные характеристики не включают никаких преимуществ, которые могут быть достигнуты за счет теплопередачи на впускном конусе (патент PCT находится на рассмотрении) или за счет сгорания металлического топлива. Типичный удельный импульс ракеты составляет от 250 до 500 секунд.

Space Engine Systems разрабатывает наземный испытательный стенд, способный имитировать высокотемпературный впускной поток на больших высотах, связанных со сверхзвуковым полетом. Стенд, названный испытательным стендом Multi-Fuel Jet Engine, является высокомодульным и может быть легко адаптирован для многих приложений. Стенд включает в себя:

• Система прямого подключения для подачи высокотемпературного потока воздуха в двигатель для имитации сверхзвукового потока воздуха со скоростью до 5 Махов.

• Топливная система для подачи в двигатель нескольких видов топлива, включая жидкий водород, реактивное топливо и твердые наночастицы.

• Пакет измерений, позволяющий собирать и анализировать данные по всему протестированному оборудованию.

Испытательный стенд многотопливных реактивных двигателей можно использовать для лучшего понимания:

• Предварительно охлажденный комбинированный цикл движения

• Температурные ограничения различных материалов/компонентов газотурбинных двигателей

• Многотопливное сжигание (обычное, твердое и ракетное топливо)

• Многотопливные форсажные камеры

• Режимы запуска двигателя на большой высоте

• Тяговые характеристики на большой высоте

• Регулировка степени байпаса

• Стенд для испытания двигателя и монтажные механизмы

• Характеристики потока

Одной из основных задач является разработка метода впрыскивания наночастиц таким образом, чтобы обеспечить однородное смешивание. Во-вторых, охарактеризовать свойства теплопередачи смеси потока.

Для обеспечения необходимого двигателю прироста теплопередачи требуется лишь небольшое количество наночастиц. Было обнаружено, что даже при очень малых массовых нагрузках (0,1%) можно достичь большого прироста теплопередачи (40%). ^{[12] [13]} Поэтому вполне возможно использовать имеющийся водород в качестве носителя для частиц. Необходимо следить за тем, чтобы содержание водорода оставалось ниже предела воспламеняемости обедненной смеси, чтобы предотвратить неконтролируемое воспламенение до попадания в камеру сгорания. Смесь наночастиц и водорода в массовом соотношении 1:1 будет впрыскиваться в свободный поток для достижения массовой нагрузки наночастиц и водорода в воздухе 0,1%. Впрыскиваемая смесь будет охлаждать воздух свободного потока таким образом, что прирост давления застоя будет реализован по мере замедления потока внутри двигателя. Передача тепла происходит не только от частиц к воздуху, но и вдоль поверхности впускного конуса.

Некоторые наночастицы превосходят водород (на единицу объема) и углеводороды (на единицу массы и объема) с точки зрения хранения энергии. Двумя важными показателями являются энергия на единицу массы и энергия на единицу объема. Транспортные средства обычно проектируются на основе единицы объема (из соображений сопротивления). ^[14] На основе единицы объема бор превосходит как водород, так и углеводороды. На основе единицы массы бор превосходит углеводородное топливо, но не так хорош, как водород. Поэтому двигатели DASS будут использовать превосходные свойства бора наряду с углеводородным и водородным топливом.

Предлагаемая структура теплообменника представляет собой нанопористую пену. Пена укрепит нанопористую структуру, одновременно максимизируя теплопередачу и минимизируя падение давления. Это в сочетании с дополнительным эффектом дисперсии наночастиц должно позволить уменьшить теплообменник.

Основные технологические препятствия для двигателя DASS связаны с внедрением нанотехнологий в компоненты двигателя. В партнерстве с Университетом Калгари SES оценит возможность использования поверхностных нанопокрытий на теплообменниках, изучит влияние суспензий наночастиц на конвективный теплообмен и оценит возможность использования металлических наночастиц в качестве дополнительного топлива. Канадское правительство (через финансирование NSERC) также является партнером в проекте двигателя DASS.

В научной литературе показано, что покрытие твердого тела наночастицами повышает скорость конвективной теплопередачи от твердых тел. ^[15] Было предложено несколько механизмов, включая увеличение общей площади поверхности, связанное с нанопокрытием. ^[16] По сути, возможно, что наночастицы действуют как мелкомасштабные ребра, которые, как известно, повышают эффективность теплообменника. ^[17] Поскольку эти наномасштабные ребра малы, падение давления также намного меньше, чем по сравнению с потерями давления крупномасштабного ребра. Это снижает требования к работе при перекачке или сжатии жидкости, когда она проходит через теплообменник. Наличие шероховатости поверхности, связанной с отложениями наночастиц, также способствует перемешиванию, что напрямую влияет на конвективную теплопередачу.

Суспензия большого количества мелкомасштабных твердых частиц в газе приводит к большому отношению площади поверхности к объему. Исследования в научной литературе показали, что существует уникальное взаимодействие между свойствами твердых наночастиц и свойствами несущей жидкости. ^{[18] [19]} Результатом, который не наблюдается с частицами большего размера (т. е. микронными), является изменение свойств объемной жидкости. Например, Ли и др. (1999) и Ван и др. (1999) экспериментально показали, что суспензия частиц CuO диаметром 24 и 23 нм в воде повышает теплопроводность воды на 34%. SES будет исследовать потенциальное повышение теплопроводности газов с помощью взвешенных наночастиц.

Металлические порошки рассматривались в качестве альтернативного топлива для воздушно-реактивных двигателей из-за их большого содержания энергии на единицу массы и на единицу объема по сравнению с жидкими углеводородными топливами. ^[7] Хотя водород имеет большее содержание энергии на единицу массы, чем металлическое топливо, водородное топливо необходимо хранить при очень высоких давлениях, охлаждать криогенно или поглощать другими материалами, чтобы накопить практическое количество массы. ^[20] Напротив, металлические частицы можно эффективно и безопасно упаковывать и хранить. Поскольку общая скорость сгорания пропорциональна площади поверхности, использование частиц меньшего размера может улучшить сгорание и повысить производительность двигателя. ^[21] Было обнаружено, что наночастицы обычно имеют более низкую температуру плавления, воспламеняются при более низких температурах и имеют более высокую скорость горения, чем частицы большего размера. ^[22] Поэтому в новой конструкции авиационного двигателя SES рассматривается использование топлива из частиц или добавки частиц к обычному топливу.

Работая с группой компаний CAN-K, SES предлагает выбор аэрокосмических компонентов и услуг. Все производство осуществляется в соответствии со стандартами управления качеством AS 9100 C и ISO 9001. Продукция включает:

• Специализированная планетарная коробка передач (сверхлегкая) с возможностью работы при температуре окружающей среды до 420 градусов по Цельсию (испытано в течение 45 минут при полной нагрузке и полном откачке масла вакуумом). Отсутствие металлургических или механических повреждений;
• Высокоскоростная коробка передач для газотурбинных двигателей;
• Эффективный и легкий теплообменник;
• Жидкостные/многофазные двухвинтовые и трехвинтовые насосы для аэрокосмической промышленности;
• Гидравлические многовинтовые насосы для автоматического изменения крутящего момента или других применений в аэрокосмической отрасли;
• Системы привода со сложными шарнирами равных угловых скоростей (ШРУС);
• Специальные подшипники (гидродинамические и гидростатические);
• Высокотемпературные подшипники;
• Вакуумное операционное оборудование (изготовлено по индивидуальному заказу);
• Двойная роторная система, вращающаяся в противоположных направлениях, адаптируемая для применения на вертолетах;
• Система двигателей с постоянными магнитами, адаптируемая к требованиям аэрокосмической и космической отрасли;
• Изготовленные по индивидуальному заказу легкие и жаропрочные материалы;
• Аэрокосмические и космические узлы, изготавливаемые на заказ по требованиям заказчика;
• DASS Lander для космических применений; и
• Нано-масло для длительного использования.