Reaction Engines dokončují další technologie motoru SABRE

V Evropě bychom jen těžko hledali sledovanější technologickou společnost než je Reaction Engines, která se snaží vyvinout zcela novou třídu motoru, který je natolik složitý, že se stále pohybuje na hranici našich možností. Synergetický, vzduch nasávající reaktivní raketový motor SABRE by mohl být mostem mezi leteckou a kosmickou dopravou, protože v obou odvětvích půjde využít. Velmi zjednodušeně řečeno jde o kombinaci proudového (reaktivního) a raketového motoru v jednom. Což je ještě složitější, než vypadá. Vývojem tohoto motoru se britská společnost s partnery zabývá už dlouhá léta, ale po malých krůčcích směřuje k cíli. Ten je sice pořád daleko, avšak zase o něco blíže, protože Reaction Engines úspěšně vyzkoušel další klíčové komponenty. Konkrétně jde o výměník tepla HX3 a předspalovací komoru vodíku (Pre-burner). Tyto subsystémy dodávají tepelnou energii do jádra motoru. Společně s partnery Airborne Engineering a S&C Thermofluids  proběhly rozsáhlé testovací kampaně v náročných podmínkách a jsou nejnovější z celé řady dalších, navržených k ověření technologie SABRE.

Pokročilá předspalovací komora vodíku je důležitá zejména pro počáteční fázi letu. Poskytuje tepelnou energii motoru při vzletu a stoupání. Její funkcí je tedy dodávat tepelnou energii do okruhu s heliem k pohonu hlavního turbokompresoru a to do doby než bude dosaženo dostatečné rychlosti, aby mohl být napájen čistě z nasávaného vzduchu. HX3 je mikrotrubičkový výměník tepla, který je připojen za předspalovací komorou a vyměňuje teplo mezi odpadním plynem z komory a heliem. Zajištuje v okruhu přesnou teplotu a tlak. Ohřáté helium pohání turbínu kompresoru v jádru motoru. Nejlepší bude když si základní cyklus motoru Sabre představíme na jednoduchých grafikách. Na prvním obrázku je vidět okruh vzduchu, který je nasáván přes vstupní rázový kužel. Projde předchladící jednotkou (Precooler) do kompresoru a dále pokračuje do předspalovací komory, kde se smísí s kapalným vodíkem, to ukazuje obrázek č. 2. Spaliny, pokračují přes výměník tepla HX3 do spalovací komory, kde shoří a vytvoří tah. To vidíme na obrázku č. 3. Teplo z výměníku HX3 ohřeje helium, které putuje do turbíny, která pohání kompresor. Poté je látka opět ochlazena v cyklu kapalným vodíkem ve výměníku HX4 a poté putuje v okruhu do předchladící jednotky (Precooler) zpět k výměníku tepla HX3. Obrázek č. 4.

Základní cyklus motoru Sabre. Platí do rychlostí nepřesahující mach 5.

Základní cyklus motoru Sabre. Platí do rychlostí nepřesahující mach 5. Kredit Karel Zvoník

Testovací kampaně

Testovací předspalovací komora v hangáru na letišti Kemble v Gloucestershire.

Testovací předspalovací komora v hangáru na letišti Kemble v Gloucestershire. Kredit: Reaction Engines

Cílem obou kampaní bylo vyrobit testovací soupravy v plné velikosti pro ověření modelování výkonu a snížení rizika vysokoteplotního provozu před další integrací. Zkoušky předspalovací komory měly ukázat, že nový systém vstřikování paliva bude fungovat v plném rozsahu, a že lze přesně řídit tepelný výkon a zajistit rovnoměrnou teplotu pro výměník HX3. Příliš vysoká nebo nestálá teplota by ho mohla totiž poškodit. Jak už bylo řečeno, teplo ohřívá helium, které pohání dopravní turbínu. Tu lze vidět na obrázku č. 4 vedle turbokompresoru. Zkoušky předspalovací komory byly provedeny ve spolupráci se společností S&C Thermofluid na letišti Kemble v Gloucestershire na jihozápadě Anglie. Jejich systém přívodu vzduchu využívající plynové turbíny Gnome (upravený motor Rolls-Royce Gnome), byl schopen poskytnout teplotní tlak a hmotnostní průtoky potřebné k testování komory za plných podmínek potřebných pro motor SABRE. Kromě toho již měla společnost S&C k dispozici zařízení pro dodávku vodíku, které bylo vhodné pro tuto kampaň. Partnerství fungovalo opravdu dobře a navzdory výzvám, kterým každý čelí, byla samotná testovací kampaň dokončena za necelý měsíc.

Test výměníku HX3 společnost provedla ve spolupráci s Airborne Engineering v jejich zkušebním zařízení v Buckinghamshire na jihovýchodu Anglie. Airborne je již po mnoho let blízkým partnerem Reaction Engines a podílel se na celé řadě testovacích kampaní raketových motorů, zkoušek spalování a výměníků tepla se složitými výzvami v oblasti přístrojové a řídicí techniky. Společnost Airborne nově například navrhla a vyrobila vlastní zdroj horkého plynu

Odkrytý testovací výměník tepla HX3.

Odkrytý testovací výměník tepla HX3. Kredit: Reaction Engines

pro testy HX3, který byl schopen poskytovat částečně spalovaný vzduch s proměnným hmotnostním průtokem a teplotami řízenými od 428 °C do více než 928 °C. Díky komplexnosti raketových motorů však musel být velice pečlivě hlídán nejen hmotností poměr spalovaného vodíku a vzduchu, ale dbát se muselo i na správný tok helia a kontrolován byl taktéž tlak chladiva (helia) z výměníku tepla HX3. V podstatě motor Sabre obsahuje malou tepelnou elektrárnu, jen místo vody je zde helium. Právě helium je plyn, který má některé jedinečné vlastnosti. Například je známo, že supratekuté helium má největší tepelnou vodivost ze všech doposud známých látek. Dokonce nemá tato kapalina prakticky žádné vnitřní tření. I to je podle mého názoru důvod, proč si REL pro chladící okruh vybral právě tuto látku. James Macfarlane výkonný ředitel společnosti Airborne Engineering, k testovací kampani řekl: „Tento program pokračoval v úzké spolupráci se společností Reaction Engines. Společně jsme úspěšně uskutečnili další špičkovou testovací kampaň pro další rozvoj technologie SABRE. Navzdory složité povaze testovacích požadavků a požadované vysoké přesnosti pro rovnoměrnost horkého plynu a řízení jeho toku, jsme rádi, že jsme pro ně vyvinuli vlastní řešení, které bylo nejen efektivní, ale fungovalo hned napoprvé.“

Výsledky

Při zkouškách výměníku HX3 bylo dosaženo nejvyšší teploty 1126 °C, což je doposud „nejžhavější“ test v historii celého programu. Dokonce bylo dosaženo vyšší teploty, než během ověřování  předchladiče (Precooler) při rychlostech představujících Mach 5 v roce 2019. Výkon překonal předpovědi modelu s mírně vyšší výměnou tepla a menší ztrátou tlaku, než se očekávalo. Podobně i předspalovací komora předčila očekávání a ve skutečnosti poskytla větší výkonnost. Kampaň předspalovací komory zahrnovala testování spousty nových technologií současně a očekávalo se, že bude nutné některé části výrazně přepracovat, avšak nakonec došlo pouze k relativně malým problémům. Shaun Driscoll, programový ředitel společnosti Reaction Engines, testovací kampaně shrnul takto: „Tyto testovací kampaně byly obrovským úspěchem a jsme velmi spokojeni s výsledky. Díky vynikající týmové práci a pomoci našich blízkých partnerů jsme byli schopni ověřit modelové předpovědi na reálném hardwaru, získat užitečný přehled o výkonu a omezeních a přejít do další fáze vývoje naší technologie.“ Video přehled ze zkoušek byl zveřejněn na Twitteru společnosti.

Skutečnost, že obě testovací kampaně nejen prokázaly, ale dokonce překročily modelové předpovědi, svědčí o dobré cestě Reaction Engines k dokončení takto náročného pohonu. Nakonec bylo dosaženo všech vytyčených cílů a bylo získáno obrovské množství odborných znalostí a poznatků, které budou přínosem pro další technologické programy a podpoří již dosažené inovace. Společnost se díky tomu dostává opět o kousek blíže k cíli. Ovšem budou třeba i další zkoušky. Na pomyslném vrcholu jsou ty, které už budou využívat celý motor a následně přijdou i letové testy. Na to si ovšem ještě počkáme.

Zdroje informací:
SABRE TECHNOLOGY DEVELOPMENT: STATUS AND UPDATE, Richard Varvill, Ignacio Duran, Adrian Kirk, Stuart Langridge, Oliver Nailard, Russ Payne, Helen Webber PDF
https://www.reactionengines.co.uk/news/news/reaction-engines
https://www.colorado.edu/faculty/kantha/sites/default/files.pdf

Zdroje obrázků:
https://ychef.files.bbci.co.uk/1600×900/p094nvfj.webp
https://www.reactionengines.co.uk/application/fi.jpg
https://www.reactionengines.co.uk/download_file/view_inline/688

Kontaktujte autora článku - hlášení chyb a nepřesností, rady, či připomínky
Prosím čekejte...
Níže můžete zanechat svůj komentář.

13 komentářů ke článku “Reaction Engines dokončují další technologie motoru SABRE”

  1. David R. napsal:

    Dobrý den. Nezlobte se, ale celý popis funkce by byl trochu pochopitelnější, kdyby v obrázku nechyběly popisky Precooler a HX4.

    Jinak mám jisté obavy. Formulace „bylo dosaženo všech vytyčených cílů a bylo získáno obrovské množství odborných znalostí a poznatků, které budou přínosem pro další technologické programy“ zní tak trošku jako alibi pro případ, že to nikdy nepoletí. Tady se kromě vodíku „spalují“ také erární peníze, což se musí vždy náležitě obhájit.

  2. PetrDub napsal:

    Díky za parádní článek. Existuje nějaký (veřejně známý) časový harmonogram, kdy očekávají např. první letové testy?

    • Karel Zvoník napsal:

      Není zač, jsem rád, že se článek líbil. Přesný harmonogram není, ale jakýsi záchytný timeline známe. V roce 2020 měly proběhnout zkoušky jádra motoru a spalovací komory. K tomu nedošlo a program je tedy 1 až 2 roky za původním plánem, který počítal s testy celého motoru okolo roku 2025 a následnými zkušebními lety. Lze tedy spíše hovořit o posunutí někam do roku 2028, ale osobně to vidím optimisticky spíš až někdy okolo roku 2030, ale to už je čistě jen můj odhad.

  3. Hawk napsal:

    Urcite tomu fandim, i kdyz clovek musi byt skeptik, je to beh na dlouhou trat. Jine projekty vychazejici z jinych technologii ponekud zapadly, nebo jsem minimalne o nich dlouho neslysel, treba sramjet, ktere se dostaly dokonce i do stadia prototypu(X-51,X-43) a tez vypadaly sveho casu nadejne.

  4. PilaT napsal:

    Plyne z něčeho jestli je motor konstruován na kapalné nebo plynné palivo/ okysličovadlo. Pokud odpovíte, že na kapalné, tak mám druhou otázku, kam se ztrácí teplo z procesu zkapalňování vzduchu? Děkuji za odpovědi. T.P.

    • Karel Zvoník napsal:

      Motor pracuje s kryogenním palivem. Konkrétně jde o vodík, ale na konferencích v minulosti zaznívala také možnost využít amoniak. Takže definitivní to ještě není. Chladící okruh je vysvětlen na obrázku v článku a přebytečné teplo z prostoru motoru dále zužitkuje Ramjet, kde se tento odpadní a teplý vzduch smísí s palivem a vytvoří další tah.

      • PilaT napsal:

        Děkuji za odpověď. Jsem dál vrcholně skeptický. Nedokážu rozlišovat mezi chybnými/zavádějícími informacemi od výrobce a dalšími konstukce na nich postavenými.
        pouze namátkou: :
        – jako zdroj chladu je používán vodík, kterého je málo ve vztahu k ochlazovanému vzduchu (hmotnostně 1:40) a který by se tím navíc změnil v plyn (vodíkové hospodářství by přestalo být kryogenní)
        – pokud vodík není zdroj chladu ( to bych považoval za fakt rozumné), tak je teplo odváděno do fakt horkého výstupu z preburneru (to taky nezní moc dobře)a výstupem z přeburneru protéká málo látky
        – zmiňované kapalné helium jako chladivo je už čirý úlet, protože teplota varu helia je cca 3K, takže v podmínkách motoru kapalné nezůstane. Technologicky správné je použít látku, která mění skupenství někde poblíž pracovních teplot systému. Je možné že míní použít plynné helium ( fakt dobře přenáší teplo, protože atomy jsou maličkaté proti molekulám normálních plynů – používá se to), jenom to zatím nikomu neřekli. Pak se ale zbytečně připravují o chladicí efekt svázaný se změnou skupenství…

        • Karel Zvoník napsal:

          Výrobce rozhodně neuvádí chybné informace. Jako zdroj chladu není pouze vodík. V okruhu je také helium, jako chladící medium. Vzduch ochlazuje nejvýkonnější chladící jednotka na světě. Vodík určitě nebude v oběhu pouze v kryogenním stavu, proto je v okruhu i předspalovací komora, která zde funguje jinak, než v jiných motorech. Teplo je využito pro roztáčení turbíny turbokompresoru a plynný zbytek putuje do spalovací komory. Konkrétně nasávaný vzduch bude chlazen heliem, které zahřáté roztáčí dopravní pumpy a zbytkovou energii (zpětné ochlazení) řeší vodík. Výměník tepla mezi okruhem helia a vodíku. Zbytkové teplo z prostoru motoru pak zužitkují Ramjety.
          Celý proces je velmi složitý. Ne nadarmo to trvá už více než 30 let. Zvládnutí celé technologie je velmi náročné a proto se o něco podobného pokoušet, je téměř bláznovství. Společnost si nechává určitě i některé podrobnosti pro sebe, jako obchodní tajemství. Výzva je to pořádná a zatím se po krůčkách daří řešit jednotlivé prvky. Během tohoto procesu vzniká řada nových patentů a vychytávek, které lze uplatnit i úplně jinde, což už se fakticky děje. Takže už jen vývoj přináší inovace.
          Pro více informací doporučím projít internet. Na toto téma existuje celá řada podrobných studií a prací. Kde jsou i výpočty a predikce chování motoru. Většina je volně k dispozici.

Zanechte komentář

Chcete-li přidat komentář, musíte se přihlásit.