Předchlazený proudový motor - Precooled jet engine

The předchlazený proudový motor je koncept, který umožňuje proudové motory s turbosoustrojí, na rozdíl od ramjets, pro použití při vysokých rychlostech. Předchlazení obnovuje část nebo celou degradaci výkonu kompresoru motoru (zamezením rotujícího zablokování / ucpání / sníženého průtoku), jakož i celého generátoru plynu (udržováním významného nárůstu teploty spalovací komory v rámci pevného teplotního limitu turbíny), které by jinak zabránily letu s vysokými teplotami beranu.

Pro vyšší rychlosti letu může být předchlazení vybaveno a kryogenní palivo -chlazený výměník tepla před vstupem vzduchu do kompresoru. Po získání tepla a odpařování ve výměníku tepla se palivo (např2) hoří v spalovací komora. Předchlazení pomocí tepelného výměníku se za letu nepoužívá, ale předpokládá se, že bude mít výrazně vysoký tah a účinnost při rychlostech do 5,5 Mach. Předchlazené cykly proudových motorů analyzoval Robert P. Carmichael v roce 1955.[1]:138 Předchlazené motory předcházejí potřebě vzduchu kondenzátor protože na rozdíl od motory na kapalný vzduch (LACE), předchlazené motory chladí vzduch bez zkapalňování to.

Pro nižší rychlosti letu lze předchlazení provést pomocí hromadného vstřikování, známého jako WIPCC (chlazení předkompresoru vstřikováním vody)[2] Tato metoda byla použita pro krátkodobé zvýšení (kvůli omezené kapacitě chladicí kapaliny) na normální maximální rychlost letadla. „Operace Skyburner“, která získala světový rychlostní rekord s a McDonnell Douglas F-4 Phantom II,[3] a Mikojan Ye-266 (Mig 25 ).[4] Oba použili sprej voda / alkohol k ochlazení vzduchu před kompresorem.

Předchlazení (stejně jako vstřikování vody do spalovací komory) se používá při nejnižších rychlostech letu, tj. Při vzletu, ke zvýšení tahu při vysokých okolních teplotách.

Výhody a nevýhody používání předchlazovacích výměníků tepla

Jednou z hlavních výhod předchlazení je (jak předpovídá zákon o ideálním plynu ) pro daný celkový tlakový poměr, dochází k výraznému snížení výstupní teploty kompresoru (T3), což zpožďuje dosažení limitu T3 na vyšší Machovo číslo. V důsledku toho podmínky na hladině moře (opravený průtok ) lze udržovat za předchladičem ve velmi širokém rozsahu letových rychlostí, čímž se maximalizuje čistý tah i při vysokých rychlostech. Kompresor a potrubí po vstupu podléhají mnohem nižším a konzistentnějším teplotám, a proto mohou být vyrobeny z lehkých slitin. To snižuje hmotnost motoru, což dále zlepšuje poměr tahu a hmotnosti.

Vodík je vhodné palivo, protože je kapalné při hluboce kryogenních teplotách a v rámci svého užitečného rozmezí má velmi vysoký součet specifická tepelná kapacita,[1]:108 včetně latentního tepla odpařování, vyššího než voda.

Nicméně, nízká hustota kapalný vodík má negativní účinky na zbytek vozidla a vozidlo se fyzicky velmi zvětší,[1]:108 i když hmotnost podvozku a zatížení křídel mohou zůstat nízké.

Vodík způsobuje strukturální oslabení mnoha materiálů, známých jako vodíková křehkost.

Hmotnost předchlazovače zvyšuje hmotnost motoru, čímž se snižuje jeho hmotnost poměr tahu k hmotnosti.

Průchod nasávaného vzduchu předchlazovačem zvyšuje sací odpor, čímž se snižuje tah sítě motoru a tím se snižuje poměr tahu k hmotnosti.

V závislosti na požadovaném množství chlazení může být i přes jeho vysokou tepelnou kapacitu zapotřebí více vodíku k ochlazení vzduchu, než kolik může být s chladeným vzduchem spáleno.[Citace je zapotřebí ] V některých případech může být část přebytečného vodíku spálena v ramjet s nechlazeným vzduchem, aby se snížila tato neúčinnost.

Na rozdíl od motoru LACE nemusí předchlazený motor zkapalňovat kyslík, takže je sníženo množství chlazení, protože není nutné překrývat fúzi kyslíku a je vyžadován menší celkový pokles teploty. To zase snižuje množství vodíku použitého jako chladič, ale nelze ho spálit. Kromě toho není vyžadován kondenzátor, což snižuje hmotnost.

Historie předchlazení pomocí výměníků tepla

Robert P. Carmichael v roce 1955 vymyslel několik cyklů motoru, které pomocí kapalného vodíku předchladily nasávaný vzduch do motoru, než ho využily jako palivo.[1]:138

Zájem o předchlazené motory se objevil ve Velké Británii v roce 1982, kdy Alan Bond vytvořil předchlazený design raketového motoru dýchajícího vzduch, který nazval SATAN.[Citace je zapotřebí ] Tato myšlenka byla vyvinuta jako součást HOTOL SSTO kosmická loď projektem a stal se Rolls-Royce RB545. V roce 1989, poté, co byl ukončen projekt HOTOL, některé z RB545 inženýři vytvořili společnost Reaction Engines Ltd, aby tuto myšlenku rozvinuli do SABRE motor a související Skylon kosmická loď.

V roce 1987 publikoval N Tanatsugu „Analytical Study of Space Plane Powered by Air-Turbo Ramjet with Nasávaný vzduchový chladič“. část Japonska JE JAKO (Nyní JAXA ) studujte později Air-Turbo Ramjet (ATR) ATREX po přidání expanzního cyklu) určeného k napájení prvního stupně a TSTO kosmická loď. ATREX byl nahrazen studiemi Preecooled Turbojet (PCTJ) a Hypersonic Turbojet. Zkušební motor spalující vodík předchlazený kapalným dusíkem letěl v Mach 2 v Taiki Aerospace Research Field v září 2010.[5]

Viz také

Reference

  1. ^ A b C d Sloop, John (1978). Kapalný vodík jako pohonné palivo, 1945–1959 (NASA SP-4404) (PDF). NASA.
  2. ^ Mehta, U., J. Bowles, J. Melton, L. Huynh a P. Hagseth (únor 2015). „Chlazení předkompresoru vstřikováním vody pomáhá při přístupu do prostoru“ (PDF). Aeronautical Journal. 119 (1212): 145–171 - via nas.nasa.gov.
  3. ^ „F-4 Phantom Modern Combat Aircraft 1“, Bill Gunston, Ian Allan Ltd. 1977, ISBN  0 7110 0727 6, strana 19
  4. ^ Sweetman, Bill (1983). Vysokorychlostní let (strana 129). Internetový archiv. Londýn ; New York, NY: Jane's.
  5. ^ Kobayashi, H a Taguchi, H a Kojima, Takayuki a Harada, K a Okai, K a Hongoh, M a Arai, T a Sato, T (6. října 2011). Stav vývoje hypersonického proudového motoru pro let Mach 5 v JAXA (IAC-11.C4.5.1). 62. mezinárodní astronautický kongres 2011, IAC 2011. 8. Cape Town, Jižní Afrika. str. 6655–6659.CS1 maint: používá parametr autoři (odkaz)