Sabre, il motore ipersonico alimentato a elio e idrogeno che rivoluzionerà i voli: il volo ipersonico entro il 2030 / Saber, the hypersonic engine powered by helium and hydrogen that will revolutionize flights: hypersonic flight by 2030
Sabre, il motore ipersonico alimentato a elio e idrogeno che rivoluzionerà i voli: il volo ipersonico entro il 2030 / Saber, the hypersonic engine powered by helium and hydrogen that will revolutionize flights: hypersonic flight by 2030
Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa
La britannica Reaction Engines sta testando un propulsore a idrogeno che raffredda l'aria da 1.000 a -150 gradi e può spingere uno spazioplano a 6.500 chilometri all'ora. Finanziata dall'Esa e dall'Agenzia spaziale del Regno Unito.
Sarà un motore (a suo modo) ibrido a portarci da Londra a Sydney in quattro ore, molto meno di quanto occorre, adesso, per arrivare da Roma a Milano in automobile. E a New York in un'ora appena. Anche definirlo aereo è riduttivo, è più qualcosa a metà tra una navetta spaziale, o un razzo, e un mezzo di linea: uno spazioplano. Potrà andare ben cinque volte più veloce, percorrendo un pezzo del viaggio nello spazio. E senza inquinare. E che non sia una nuova trovata visionaria di qualche folle imprenditore lo testimonia la certificazione dell’Agenzia spaziale europea (Esa) e di quella del Regno Unito (Uksa) che hanno investito decine di milioni di euro nel progetto della britannica Reaction Engines.
Il super 'radiatore'
Si chiama Sabre (Synergistic Air-Breathing Rocket Engine) ed è un propulsore alimentato a idrogeno (il gas di scarico dunque sarebbe semplice vapore acqueo). La novità per questo tipo di progettazione è rappresentata dal sistema di raffreddamento. Il precooler è una specie di camera che come un radiatore, ma molto più potente, prende l’aria che entra nel motore e la fa piombare dagli oltre mille gradi a -150 nella frazione di un secondo grazie a un sistema composto da migliaia di piccoli tubi nei quali scorre elio liquido.
È una novità, però, ciò che è riuscita a fare la Reaction
Engines Limited attraverso il SABRE, o Synergistic Air-Breathing Rocket Engine:
un nuovo tipo di motore che sarebbe in grado di superare i 6000 kilometri
all’ora, oltre 4 volte la velocità del suono, e a un costo dieci volte
inferiore ai sistemi ora in uso.
Il progetto prevede un motore a razzo a ciclo combinato con
due modalità di funzionamento. La modalità esoreattore combina un
turbo-compressore con un motore a getto pre-raffreddato dal peso contenuto
posizionato a valle della presa d’aria dinamica. Alle alte velocità il
raffreddamento dell’aria, riscaldatasi per effetto dell’elevata pressione di
ristagno dovuta al rallentamento e compressione del flusso nella presa d’aria,
è garantito da uno scambiatore di calore che ne abbassa la temperatura in modo
repentino. È proprio questo scambiatore di calore ad essere la vera innovazione
del progetto e la chiave del principio di alimentazione del motore: invece di
iniettare ossigeno liquido da un serbatoio, l’aria viene liquefatta in una
frazione di secondo, da +1000°C a -150°C così da usare l’ossigeno atmosferico.
Dopo tale abbassamento di temperatura, l’aria viene ulteriormente compressa e
poi immessa nella camera di combustione dove viene miscelata con l’idrogeno,
infiammandosi. Il pre-raffreddamento permette al motore di continuare ad
erogare una forte spinta ad altissime quote e velocità. Le basse temperature
garantite dallo scambio termico con idrogeno liquido, permettono l’utilizzo di
leghe leggere nella costruzione del motore, solitamente impossibili da utilizzare
nei ramjet, ottenendo così motori leggeri essenziali per raggiungere l’orbita.
A differenza dei prototipi LACE, il preraffreddamento del SABRE non liquefa
l’aria permettendo un flusso più efficiente.
Il motore a getto preraffreddato è una soluzione studiata per raggiungere alte velocità con motori turbogetto che sfrutta il preraffreddamento dell'aria in ingresso immediatamente a valle della presa d'aria mediante uno scambiatore di calore raffreddato dal combustibile criogenico. Dopo aver sottratto calore all'aria mediante l'evaporazione nello scambiatore, il combustibile (in genere H2) viene bruciato in camera di combustione. Motori a getto preraffreddati non hanno ancora volato, ma, sulla carta, hanno una migliore efficienza e potrebbero raggiungere velocità pari a Mach 5,5. Uno dei primi progetti è stato descritto da Robert P. Carmichael nel 1955.
A differenza di un motore con ciclo ad aria liquefatta (LACE), il motore preraffreddato non liquefa l'aria ingerita, ma la raffredda solamente. Possibili applicazioni di turbojet preraffreddato sono il lanciatore ATREX, l'aereo ipersonico A2 o lo spazioplano Skylon con i suoi motori SABRE (Synergetic Air-Breathing Rocket Engine).
Negli Stati Uniti un motore basato sul preraffreddamento dell'aria è stato proposto come parte del Project Suntan, un aereo alimentato ad idrogeno liquido
Nel 1955 Robert P. Carmichael ipotizzò diversi cicli termodinamici utilizzando l'idrogeno come combustibile.
L'interesse verso i motori preraffreddati riemerse negli anni ottanta quando Alan Bond disegnò un motore tipo LACE (il SATAN) che però non mirava a liquefare l'aria, ma solo a raffreddarla per sfruttare il miglioramento del ciclo termodinamico senza aumentare troppo la quantità di idrogeno necessario al raffreddamento.
Contemporaneamente, John Scott e Bob Parkinson della British Aerospace iniziavano a studiare un sistema di lancio riutilizzabile. I due gruppi di lavoro si incontrarono e nacque HOTOL che avrebbe dovuto usare la cellula disegnata dalla BAe con una versione del motore di Bond, nota come RB545, sviluppata dalla Rolls Royce. Nel 1986 viene dato il via libera al progetto con un finanziamento di 2 milioni di sterline. Nel 1989, però, il Governo tagliò i finanziamenti ed il progetto venne chiuso.
I principali progettisti continuarono lo sviluppo a loro spese, ma l'RB545 era stato nel frattempo classificato come Top-secret e di conseguenza non poteva essere più usato. A quel punto Bond sviluppò una nuova versione più avanzata, il SABRE. Nonostante le potenziali ricadute commerciali del progetto (la possibilità di avere un lanciatore SSTO riutilizzabile), non riuscirono ad attrarre grossi finanziatori. Pur se a velocità ridotta e con un parziale finanziamento da parte dell'Unione Europea il progetto LAPCAT continua per un velivolo ipersonico intercontinentale che permetta, ad esempio, di compiere la tratta Bruxelles-Sydney in 2-4 ore non-stop.
Caratteristiche tecniche
In un turbogetto convenzionale, l'aria in ingresso viene rallentata (a velocità relativamente basse) da una presa d'aria in modo da permettere il funzionamento regolare del compressore. L'energia cinetica del flusso viene quindi trasformata in aumento di pressione (statica) e temperatura. Maggiore è la velocità di volo e maggiore sarà quindi il salto di temperatura secondo la relazione:
dove
- Tc; Temperatura ingresso compressore
- Ta; Temperatura ambiente
- γ; cp/cv dell'aria in ingresso
- cp; calore specifico del gas a pressione costante
- cv; calore specifico del gas a volume costante
- M; Numero di Mach di volo
Il primo significativo vantaggio dell'introduzione di uno scambiatore di calore a valle della presa d'aria è che, per una data temperatura totale, c'è una significativa riduzione di temperatura di ingresso in camera di combustione. Dal momento che la temperatura massima in camera di combustione è fissata dai parametri costruttivi e proprietà del combustibile, una minore temperatura di ingresso significa maggior salto entalpico e quindi maggior energia a disposizione del flusso per l'espansione in turbina e nell'ugello.
Un altro vantaggio è che il compressore ed il condotto a valle sono soggetti a temperature inferiori e possono quindi essere costruiti con leghe leggere. Ciò riduce di molto il peso del motore, con beneficio del rapporto spinta/peso.
Il preraffreddamento dell'aria permette anche una portata massica maggiore che, combinata con l'uso dell'idrogeno come combustibile, permette pressioni in camera di combustione maggiori a quote di servizio più elevate con camere di combustione più compatte rispetto ai motori che utilizzano idrocarburi convenzionali
Il combustibile tipicamente proposto per questi motori è l'idrogeno, dal momento che è liquido (a temperature criogeniche) ed ha un alto calore specifico e calore latente di evaporazione, superiore a quello dell'acqua.
Nel motore SABRE invece di usare direttamente l'idrogeno nello scambiatore viene interposto un ciclo chiuso con elio che, raffreddato dall'idrogeno diretto alla camera di combustione, a sua volta raffredda l'aria passando nello scambiatore. Questo consente di ridurre i problemi di infragilimento da idrogeno.
La bassa densità dell'idrogeno liquido ha anche effetti negativi sul resto del velivolo, aumentandone le dimensioni, pur se con pesi inferiori.
Un altro problema è che la quantità di idrogeno necessaria a raffreddare l'aria è superiore a quella necessaria in camera di combustione. Questo comporta la necessità di utilizzare l'eccesso di idrogeno in bruciatori ramjet intorno al motore preraffreddato centrale.
Motore Scimitar
Nessun motore a getto preraffreddato è mai stato provato in volo. Attualmente uno dei progetti più avanzati è quello che riguarda il motore Scimitar, derivato concettualmente dal motore SABRE e sviluppato dall'azienda britannica Reaction Engines Limited. Lo Scimitar è un turboramjet preraffreddato disegnato per il velivolo da trasporto ipersonico A2. Lo scambiatore di calore è composto da sei segmenti ognuno composto di circa 70 moduli che, in condizioni di progetto, abbassano la temperatura di ingresso al compressore a 635 K. Condivide con il SABRE il ciclo ad elio che provvede al raffreddamento dello scambiatore e all'azionamento della turbina necessaria a muovere il compressore.
ENGLISH
Britain's Reaction Engines is testing a hydrogen powertrain that cools the air from 1,000 to -150 degrees and can propel a spacecraft to 6,500 kilometers per hour. Funded by ESA and the UK Space Agency.
It will be a hybrid engine (in its own way) that will take us from London to Sydney in four hours, much less than it takes now to get from Rome to Milan by car. And in New York in just an hour. Even defining it as an airplane is an understatement, it is more like something between a space shuttle, or a rocket, and a medium of line: a space plane. It will be able to go five times faster, covering a piece of space travel. And without polluting. And that it is not a new visionary idea of some crazy entrepreneur is testified by the certification of the European Space Agency (ESA) and that of the United Kingdom (Uksa), which have invested tens of millions of euros in the British Reaction Engines projec
The super 'radiator'
It is called Saber (Synergistic Air-Breathing Rocket Engine) and it is a hydrogen-powered engine (the exhaust gas would therefore be simple water vapor). The novelty for this type of design is the cooling system. The precooler is a kind of chamber that, like a radiator, but much more powerful, takes the air that enters the engine and makes it plummet from over a thousand degrees to -150 in a fraction of a second thanks to a system made up of thousands of small tubes in which liquid helium flows.
What Reaction Engines Limited has managed to do through the SABER, or Synergistic Air-Breathing Rocket Engine, is a novelty: a new type of engine that would be able to exceed 6000 kilometers per hour, over 4 times the speed of sound, and at a cost ten times lower than the systems now in use.
The project involves a combined cycle rocket engine with two modes of operation. The exoreactor mode combines a turbo-compressor with a pre-cooled jet engine with a low weight positioned downstream of the dynamic air intake. At high speeds, the cooling of the air, which has heated up due to the high stagnation pressure due to the slowdown and compression of the flow in the air intake, is guaranteed by a heat exchanger that suddenly lowers the temperature. It is this heat exchanger that is the real innovation of the project and the key to the engine power principle: instead of injecting liquid oxygen from a tank, the air is liquefied in a fraction of a second, from + 1000 ° C to - 150 ° C so as to use atmospheric oxygen. After this lowering of temperature, the air is further compressed and then introduced into the combustion chamber where it is mixed with hydrogen, igniting. The pre-cooling allows the engine to continue to deliver a strong thrust at very high altitudes and speeds. The low temperatures guaranteed by the heat exchange with liquid hydrogen, allow the use of light alloys in the construction of the engine, usually impossible to use in ramjets, thus obtaining light engines essential to reach orbit. Unlike the LACE prototypes, the pre-cooling of the SABER does not liquefy the air allowing a more efficient flow.
After closing the air intake at Mach 5.14, at an altitude of 28.5 km, the engine operates as a high-performance closed-loop rocket engine by burning oxygen and liquid hydrogen stowed on board, potentially enabling a prototype hybrid spacecraft, such as the Skylon, to reach orbit after leaving the atmosphere with a gradual climb profile.
Reaction Engines Limited will surely be crossing their fingers because, if the project is successful, it will allow the SABER to revolutionize the entire world of exploration of the Cosmos.
The pre-cooled jet engine is a solution designed to reach high speeds with turbojet engines which exploits the pre-cooling of the inlet air immediately downstream of the air intake by means of a heat exchanger cooled by cryogenic fuel. After removing heat from the air by evaporation in the exchanger, the fuel (usually H2) is burned in the combustion chamber. Pre-cooled jet engines haven't flown yet, but, on paper, they have better efficiency and could reach speeds as high as Mach 5.5. One of the first projects was described by Robert P. Carmichael in 1955.
Unlike a liquefied air cycle (LACE) engine, the pre-cooled engine does not liquefy the ingested air, it only cools it. Possible applications of pre-cooled turbojet are the ATREX launcher, the A2 hypersonic plane or the Skylon spaceplane with its SABER (Synergetic Air-Breathing Rocket Engine) engines.
In the United States, an engine based on air pre-cooling has been proposed as part of Project Suntan, an aircraft powered by liquid hydrogen.
In 1955 Robert P. Carmichael hypothesized several thermodynamic cycles using hydrogen as a fuel.
The interest in pre-cooled engines resurfaced in the 1980s when Alan Bond designed a LACE type engine (the SATAN) which, however, did not aim to liquefy the air, but only to cool it to take advantage of the improvement of the thermodynamic cycle without increasing the quantity of hydrogen needed for cooling.
At the same time, John Scott and Bob Parkinson of British Aerospace began studying a reusable launch system. The two working groups met and HOTOL was born which was to use the airframe designed by BAe with a version of Bond's engine, known as RB545, developed by Rolls Royce. In 1986 the project was given the green light with a grant of 2 million pounds. In 1989, however, the government cut funding and the project was closed.
The main designers continued development at their own expense, but the RB545 had meanwhile been classified as Top-secret and could therefore no longer be used. At that point Bond developed a new, more advanced version, the SABER. Despite the potential commercial fallout of the project (the possibility of having a reusable SSTO launcher), they failed to attract large lenders. Although at reduced speed and with partial funding from the European Union, the LAPCAT project continues for an intercontinental hypersonic aircraft that allows, for example, to complete the Brussels-Sydney route in 2-4 hours non-stop.
Technical features
In a conventional turbojet, the incoming air is slowed (at relatively low speeds) by an air intake so as to allow smooth operation of the compressor. The kinetic energy of the flow is then transformed into pressure (static) increase and temperature. The higher the flight speed, the greater the temperature jump according to the relationship:
where it is:
Tc; Compressor inlet temperature
Ta; Room temperature
γ; cp / cv of the incoming air
cp; specific heat of the gas at constant pressure
hp; specific heat of the gas at constant volume
M; Flight Mach Number
The first significant advantage of introducing a heat exchanger downstream of the air intake is that, for a given total temperature, there is a significant reduction in the combustion chamber inlet temperature. Since the maximum temperature in the combustion chamber is fixed by the construction parameters and properties of the fuel, a lower inlet temperature means a greater enthalpy jump and therefore more energy available to the flow for expansion in the turbine and in the nozzle.
Another advantage is that the compressor and the downstream duct are subject to lower temperatures and can therefore be built with light alloys. This greatly reduces the weight of the engine, with the benefit of the thrust / weight ratio.
The pre-cooling of the air also allows a higher mass flow which, combined with the use of hydrogen as a fuel, allows higher combustion chamber pressures at higher service altitudes with more compact combustion chambers than engines using conventional hydrocarbons
The fuel typically proposed for these engines is hydrogen, since it is liquid (at cryogenic temperatures) and has a high specific heat and latent heat of evaporation, higher than that of water.
In the SABER engine, instead of using hydrogen directly, a closed cycle with helium is interposed in the exchanger which, cooled by the hydrogen directed to the combustion chamber, in turn cools the air passing into the exchanger. This helps reduce hydrogen embrittlement problems.
The low density of liquid hydrogen also has negative effects on the rest of the aircraft, increasing its size, albeit with lower weights.
Another problem is that the amount of hydrogen needed to cool the air is higher than that needed in the combustion chamber. This results in the need to use excess hydrogen in ramjet burners around the central pre-cooled engine.
Scimitar engine
No pre-cooled jet engine has ever been tested in flight. Currently one of the most advanced projects is the one concerning the Scimitar engine, conceptually derived from the SABER engine and developed by the British company Reaction Engines Limited. The Scimitar is a pre-cooled turboramjet designed for the A2 hypersonic transport aircraft. The heat exchanger is composed of six segments each consisting of about 70 modules which, under design conditions, lower the inlet temperature to the compressor to 635 K. It shares the helium cycle with the SABER which provides for the cooling of the exchanger and turbine drive necessary to move the compressor.
Da:
https://aerospacecue.it/sabre-il-futuro-a-6000-kmh/8157/
https://it.wikipedia.org/wiki/Motore_a_getto_preraffreddato
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