SABRE ( Motor de cohete de respiración de aire sinérgico [4] ) es un concepto en desarrollo por Reaction Engines Limited para un motor de cohete de respiración de aire híbrido hipersónico preenfriado . [5] [6] El motor está siendo diseñado para lograr una capacidad de paso a órbita de una sola etapa , impulsando el avión espacial Skylon propuesto a la órbita terrestre baja. SABRE es una evolución de la serie de diseños tipo LACE de Alan Bond que comenzó a principios y mediados de los años 1980 para el proyecto HOTOL . [7]
El diseño consta de un único motor cohete de ciclo combinado con dos modos de funcionamiento. [3] El modo de respiración de aire combina un turbocompresor con un preenfriador de aire liviano ubicado justo detrás del cono de entrada . A altas velocidades, este preenfriador enfría el aire caliente comprimido, que de otro modo alcanzaría una temperatura que el motor no podría soportar, [8] lo que genera una relación de presión muy alta dentro del motor. Posteriormente, el aire comprimido se introduce en la cámara de combustión del cohete , donde se enciende junto con el hidrógeno líquido almacenado . La alta relación de presión permite que el motor proporcione un alto empuje a velocidades y altitudes muy altas. La baja temperatura del aire permite emplear una construcción de aleación ligera y crear un motor muy liviano, esencial para alcanzar la órbita. Además, a diferencia del concepto LACE, el preenfriador de SABRE no licua el aire , lo que le permite funcionar de manera más eficiente. [2]
Después de cerrar el cono de entrada a Mach 5,14 y a una altitud de 28,5 km, [3] el sistema continúa como un motor de cohete de alto rendimiento de ciclo cerrado que quema oxígeno líquido e hidrógeno líquido de los tanques de combustible a bordo, lo que potencialmente permite un concepto de avión espacial híbrido como Skylon para alcanzar la velocidad orbital después de abandonar la atmósfera en un ascenso empinado.
Se ha diseñado un motor derivado del concepto SABRE llamado Scimitar para el avión de pasajeros hipersónico A2 propuesto por la compañía para el estudio LAPCAT financiado por la Unión Europea . [9]
El concepto de preenfriador evolucionó a partir de una idea originada por Robert P. Carmichael en 1955. [10] A esto le siguió la idea del motor de ciclo de aire líquido (LACE), que fue explorada originalmente por General Dynamics en la década de 1960 como parte de la Fuerza Aérea de EE. UU . s esfuerzos aeroespaciales . [2]
El sistema LACE debía colocarse detrás de una entrada de aire supersónica que comprimiría el aire mediante compresión de ariete, luego un intercambiador de calor lo enfriaría rápidamente utilizando parte del combustible de hidrógeno líquido almacenado a bordo. Luego, el aire líquido resultante se procesó para separar el oxígeno líquido para la combustión. La cantidad de hidrógeno calentado era demasiado grande para quemarse con el oxígeno, por lo que la mayor parte tuvo que ser expulsada, lo que proporcionó un empuje útil, pero redujo en gran medida la eficiencia potencial. [ cita necesaria ]
En cambio, como parte del proyecto HOTOL , se desarrolló el motor RB545 basado en el motor de ciclo de aire líquido (LACE) con un ciclo más eficiente. El motor recibió el nombre de Rolls-Royce "Swallow". [11] En 1989, después de que cesó la financiación para HOTOL, Bond y varios otros formaron Reaction Engines Limited para continuar la investigación. El preenfriador del RB545 tenía problemas de fragilización y consumo excesivo de hidrógeno líquido, y estaba sobrecargado tanto por patentes como por la Ley de Secretos Oficiales del Reino Unido , por lo que Bond desarrolló SABRE en su lugar. [12]
En 2016, el proyecto recibió 60 millones de libras esterlinas en fondos del gobierno del Reino Unido y la ESA para un demostrador que abarca el ciclo completo. [13] En julio de 2021, la Agencia Espacial del Reino Unido proporcionó 3,9 millones de libras adicionales para el desarrollo continuo. [14]
Al igual que el RB545 , el diseño SABRE no es ni un motor de cohete convencional ni un motor a reacción convencional , sino un híbrido que utiliza aire del medio ambiente a bajas velocidades/altitudes y almacena oxígeno líquido a mayor altitud. El motor SABRE "se basa en un intercambiador de calor capaz de enfriar el aire entrante a -150 °C (-238 °F), para proporcionar oxígeno para mezclar con hidrógeno y proporcionar empuje a reacción durante el vuelo atmosférico antes de cambiar a oxígeno líquido en tanque cuando esté en el espacio. "
En el modo de respiración de aire, el aire ingresa al motor a través de una entrada. Un sistema de derivación dirige parte del aire a través de un preenfriador hacia un compresor, que lo inyecta en una cámara de combustión donde se quema con combustible; los productos de escape se aceleran a través de boquillas para proporcionar empuje. El resto del aire de admisión continúa a través del sistema de derivación hasta un anillo de portallamas que actúa como un estatorreactor durante parte del régimen de vuelo con respiración de aire. Se utiliza un circuito de helio para transferir el calor del preenfriador al combustible y accionar las bombas y compresores del motor.
En la parte delantera del motor, los diseños conceptuales proponen una entrada de cono de choque simétrica de traslación simple que comprime y desacelera el aire (en relación con el motor) a velocidades subsónicas utilizando dos reflexiones de choque. Acelerar el aire a la velocidad del motor genera resistencia al ariete . Como resultado de los golpes, la compresión y la aceleración, el aire de admisión se calienta, alcanzando alrededor de 1.000 °C (1.830 °F) a Mach 5,5.
Bayern-Chemie , a través de la ESA, ha emprendido trabajos para perfeccionar y probar los sistemas de admisión y bypass [15]
A medida que el aire ingresa al motor a velocidades supersónicas o hipersónicas , se calienta más de lo que el motor puede soportar debido a los efectos de la compresión. [8] Los motores a reacción , que tienen el mismo problema pero en menor grado, lo resuelven utilizando materiales pesados a base de cobre o níquel , reduciendo la relación de presión del motor y acelerando el motor a velocidades más altas para evitar que se derrita. Sin embargo, para un avión espacial de una sola etapa a órbita (SSTO), estos materiales pesados son inutilizables y es necesario un empuje máximo para la inserción orbital lo antes posible para minimizar las pérdidas de gravedad . En su lugar, utilizando un circuito de refrigerante de helio gaseoso , SABRE enfría drásticamente el aire desde 1000 °C (1830 °F) hasta -150 °C (-238 °F) en un intercambiador de calor de contraflujo, evitando al mismo tiempo la licuefacción del aire o el bloqueo por congelación. vapor de agua. El intercambiador de calor de contraflujo también permite que el helio salga del motor a una temperatura suficientemente alta para accionar bombas y compresores para el combustible de hidrógeno líquido y el propio fluido de trabajo de helio.
Las versiones anteriores de preenfriadores, como HOTOL, pasaban el combustible de hidrógeno directamente a través del preenfriador. SABRE inserta un circuito de enfriamiento de helio entre el aire y el combustible frío para evitar problemas de fragilización por hidrógeno en el preenfriador.
El espectacular enfriamiento del aire creó un problema potencial: es necesario evitar que el vapor de agua congelado y otras fracciones del aire bloqueen el preenfriador. En octubre de 2012, se demostró la solución de enfriamiento durante 6 minutos utilizando aire helado. [16] El enfriador consta de un intercambiador de calor de tuberías finas con 16.800 tubos de paredes delgadas, [17] y enfría el aire atmosférico caliente que ingresa hasta los −150 °C (−238 °F) requeridos en 0,01 s. [18] El sistema de prevención de hielo había sido un secreto celosamente guardado, pero REL reveló un descongelador impreso en 3D con inyección de metanol en 2015 a través de patentes, ya que necesitaban empresas asociadas y no podían guardar el secreto mientras trabajaban en estrecha colaboración con extraños. [19] [20] [21]
Por debajo de cinco veces la velocidad del sonido y a 25 kilómetros de altitud, que son el 20% de la velocidad y el 20% de la altitud necesaria para alcanzar la órbita , el aire enfriado del preenfriador pasa a un turbocompresor modificado , similar en diseño a los Se utiliza en motores a reacción convencionales, pero funciona con una relación de presión inusualmente alta , posible gracias a la baja temperatura del aire de entrada. El compresor suministra aire comprimido a 140 atmósferas a las cámaras de combustión de los motores principales. [22]
En un motor a reacción convencional, el turbocompresor es accionado por una turbina de gas alimentada por gases de combustión. SABRE impulsa la turbina con un circuito de helio, que funciona con el calor capturado en el preenfriador y un prequemador. [22]
El helio "caliente" del preenfriador de aire se recicla enfriándolo en un intercambiador de calor con el combustible de hidrógeno líquido. El circuito forma un motor de ciclo Brayton de arranque automático , que enfría partes críticas del motor y acciona las turbinas. [ cita necesaria ] El calor pasa del aire al helio. Esta energía térmica se utiliza para alimentar varias partes del motor y para vaporizar el hidrógeno, que luego se quema en estatorreactores . [3] [23]
Las cámaras de combustión del motor SABRE se enfrían con el oxidante (aire/oxígeno líquido) en lugar de con hidrógeno líquido [24] para reducir aún más el uso de hidrógeno líquido en el sistema en comparación con los sistemas estequiométricos .
La presión atmosférica más eficiente a la que funciona una tobera propulsora convencional viene determinada por la geometría de la campana de la tobera . Si bien la geometría de la campana convencional permanece estática, la presión atmosférica cambia con la altitud y, por lo tanto, las boquillas diseñadas para un alto rendimiento en la atmósfera inferior pierden eficiencia a medida que alcanzan altitudes más altas. En los cohetes tradicionales esto se soluciona mediante el uso de múltiples etapas diseñadas para las presiones atmosféricas que encuentran.
El motor SABRE debe funcionar tanto en escenarios de baja como de gran altitud. Para garantizar la eficiencia en todas las altitudes se utiliza una especie de boquilla móvil, expansible . En primer lugar, en vuelo a baja altura, respirando aire, la campana se sitúa hacia atrás, conectada a una cámara de combustión toroidal que rodea la parte superior de la tobera, formando en conjunto una tobera de desviación de expansión . Cuando SABRE luego pasa al modo cohete, la campana se mueve hacia adelante, extendiendo la longitud de la campana de la cámara de combustión interna del cohete, creando una boquilla mucho más grande y de gran altitud para un vuelo más eficiente. [25]
Evitar la licuefacción mejora la eficiencia del motor ya que se genera menos entropía y, por lo tanto, se evapora menos hidrógeno líquido. Sin embargo, simplemente enfriar el aire necesita más hidrógeno líquido del que se puede quemar en el núcleo del motor. El exceso se expulsa a través de una serie de quemadores llamados " quemadores ramjet de conducto de derrame ", [3] [23] que están dispuestos en un anillo alrededor del núcleo central. Estos son aire alimentado que pasa por alto el preenfriador. Este sistema ramjet de derivación está diseñado para reducir los efectos negativos de la resistencia resultante del aire que pasa por las tomas pero que no ingresa al motor principal del cohete, en lugar de generar empuje. A bajas velocidades, la relación entre el volumen de aire que ingresa a la entrada y el volumen que el compresor puede alimentar a la cámara de combustión es máxima, lo que requiere acelerar el aire desviado para mantener la eficiencia a estas bajas velocidades. Esto distingue el sistema de un turborreactor, donde el escape de un ciclo de turbina se utiliza para aumentar el flujo de aire para que el estatorreactor se vuelva lo suficientemente eficiente como para asumir el papel de propulsión primaria. [26]
Airborne Engineering Ltd llevó a cabo pruebas en 2008 en una boquilla de desviación de expansión llamada STERN para proporcionar los datos necesarios para desarrollar un modelo de ingeniería preciso para superar el problema de la expansión no dinámica de los gases de escape. Esta investigación continuó con la boquilla STRICT en 2011.
EADS-Astrium realizó pruebas exitosas de una cámara de combustión enfriada por un oxidante (tanto aire como oxígeno) en el Instituto de Propulsión Espacial en 2010.
En 2011, se completaron las pruebas de hardware de la tecnología del intercambiador de calor "crucial para [el] motor de cohete híbrido que respira aire y oxígeno líquido [SABRE]", lo que demuestra que la tecnología es viable. [27] [28] Las pruebas validaron que el intercambiador de calor podía funcionar según fuera necesario para que el motor obtuviera el oxígeno adecuado de la atmósfera para soportar la operación de alto rendimiento a baja altitud. [27] [28]
En noviembre de 2012, Reaction Engines anunció que había concluido con éxito una serie de pruebas que prueban la tecnología de refrigeración del motor, uno de los principales obstáculos para la finalización del proyecto. La Agencia Espacial Europea (ESA) evaluó el intercambiador de calor del preenfriador del motor SABRE y aceptó las afirmaciones de que las tecnologías necesarias para continuar con el desarrollo del motor habían sido plenamente demostradas. [27] [29] [30]
En junio de 2013, el gobierno del Reino Unido anunció un mayor apoyo para el desarrollo de un prototipo a gran escala del motor SABRE, [31] proporcionando 60 millones de libras esterlinas de financiación entre 2014 y 2016 [32] [33] y la ESA aportando 7 millones de libras esterlinas adicionales. . [34] El coste total de desarrollar un banco de pruebas se estima en 200 millones de libras esterlinas. [32]
En junio de 2015, el desarrollo de SABRE continuó con el Proyecto de boquilla avanzada en Westcott. El motor de prueba, operado por Airborne Engineering Ltd., se está utilizando para analizar la aerodinámica y el rendimiento de las boquillas avanzadas que utilizará el motor SABRE, además de nuevas tecnologías de fabricación como el sistema de inyección de propulsor impreso en 3D. [35]
En abril de 2015, el concepto de motor SABRE pasó una revisión de viabilidad teórica realizada por el Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea de EE. UU . [36] [37] [38] Poco después, el laboratorio reveló conceptos SABRE de dos etapas en órbita, ya que consideraban que un avión espacial Skylon de una sola etapa en órbita es "técnicamente muy arriesgado como primera aplicación". del motor SABRE". [39]
En agosto de 2015, la autoridad de competencia de la Comisión Europea aprobó una financiación del gobierno del Reino Unido de 50 millones de libras esterlinas para seguir desarrollando el proyecto SABRE. Esto se aprobó basándose en que el dinero recaudado a través de capital privado no había sido suficiente para completar el proyecto. [40] En octubre de 2015, la empresa británica BAE Systems acordó comprar una participación del 20% en la empresa por 20,6 millones de libras esterlinas como parte de un acuerdo para ayudar a desarrollar el motor hipersónico SABRE. [41] [42] En 2016, el director ejecutivo de Reaction, Mark Thomas, anunció planes para construir un motor de prueba en tierra de un cuarto de tamaño, dadas las limitaciones de financiación. [43]
En septiembre de 2016, agentes que actuaban en nombre de Reaction Engines solicitaron el consentimiento de planificación para construir una instalación de prueba de motores de cohetes en el sitio del antiguo Rocket Propulsion Establishment en Westcott, Reino Unido [44], que fue otorgado en abril de 2017, [45] y en mayo. En 2017 se llevó a cabo una ceremonia de inauguración para anunciar el comienzo de la construcción de la instalación de prueba de motores SABRE TF1, que se espera que entre en actividad en 2020. [46] [47] Sin embargo, el desarrollo de la instalación TF1 se ha abandonado silenciosamente desde entonces y el sitio ha ahora ha sido asumido por el grupo aeroespacial y de defensa Nammo . [48]
En septiembre de 2017 se anunció que la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa de los Estados Unidos (DARPA) había contratado a Reaction Engines Inc. para construir una instalación de prueba de flujo de aire de alta temperatura en el aeropuerto Front Range cerca de Watkins, Colorado. [49] El contrato DARPA es para probar el intercambiador de calor preenfriador (HTX) del motor Sabre. La construcción de las instalaciones de prueba y los artículos de prueba comenzó en 2018 y las pruebas se centraron en hacer funcionar el HTX a temperaturas que simulan el aire que entra a través de una entrada subsónica que viaja a Mach 5 o alrededor de 1800 °F (1000 °C) a partir de 2019. [50] [51 ]
La unidad de prueba HTX se completó en el Reino Unido y se envió a Colorado en 2018, donde el 25 de marzo de 2019 se mezcló un escape de turborreactor F-4 GE J79 con aire ambiente para replicar las condiciones de entrada de Mach 3,3, apagando con éxito una temperatura de 420 °C (788 ° F) corriente de gases a 100 °C (212 °F) en menos de 1/20 de segundo. Se planearon más pruebas que simularan Mach 5, y se esperaba una reducción de temperatura de 1000 °C (1830 °F). [8] [17] Estas pruebas adicionales se completaron con éxito en octubre de 2019. [52] [53] [54]
La exitosa prueba HTX podría conducir a aplicaciones derivadas de preenfriador que podrían desarrollarse antes de que se complete un demostrador SABRE escalable; Los usos sugeridos son ampliar las capacidades de las turbinas de gas , en turbofan avanzados , vehículos hipersónicos y aplicaciones industriales. [55] En marzo de 2019, la revisión preliminar del diseño del núcleo del motor del demostrador de la UKSA y la ESA confirmó que la versión de prueba estaba lista para su implementación. [56]
En 2019, Airborne Engineering llevó a cabo una campaña de prueba en inyectores de aire/hidrógeno de subescala para los prequemadores SABRE. [57]
En 2020, Airborne Engineering llevó a cabo una campaña de prueba en un "módulo HX3" (intercambiador de calor de circuito de prequemador a helio) [58]
En 2022, se realizó una prueba comparativa extranjera del intercambiador de calor del preenfriador de Reaction. Las pruebas fueron completadas con éxito por la filial estadounidense de la empresa (Reaction Engines Incorporated – REI) y el Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea de EE.UU. (AFRL). "El programa de pruebas FCT amplió enormemente las capacidades demostradas de nuestra tecnología de preenfriador de motor", dijo el director de ingeniería de REI, Andrew Piotti. "Durante estas pruebas recientes, el preenfriador logró con éxito nuestro objetivo de más de 10 megavatios de energía térmica transferida del flujo de aire de alta temperatura, que es tres veces mayor que nuestro programa de prueba anterior". [59]
Debido a la capacidad de empuje estático del motor cohete híbrido, el vehículo puede despegar en modo de respiración de aire, muy parecido a un turborreactor convencional . [3] A medida que la nave asciende y la presión del aire exterior cae, pasa cada vez más aire al compresor a medida que disminuye la efectividad de la compresión del ariete. De esta manera, los aviones pueden operar a una altitud mucho mayor de lo que normalmente sería posible.
A Mach 5,5, el sistema de respiración de aire se vuelve ineficiente y se apaga, siendo reemplazado por el oxígeno almacenado a bordo que permite que el motor acelere a velocidades orbitales (alrededor de Mach 25). [22]
Diseñado para usar con HOTOL.
El motor no tenía capacidad de empuje estático que respirara aire y dependía de un carro de cohetes para lograr el despegue.
Diseñado para usar con Skylon A4.
El motor no tenía capacidad de empuje estático que respirase aire y dependía de motores RATO.
Diseñado para usar con Skylon C1.
El motor no tenía capacidad de empuje estático y utilizaba LOX hasta que el ciclo de respiración de aire pudiera hacerse cargo. [ cita necesaria ]
Diseñado para usar con Skylon C2.
Este motor incluía un prequemador rico en combustible para aumentar el calor recuperado de la corriente de aire utilizada para impulsar el circuito de helio, dándole al motor capacidad de empuje estático.
SABRE 4 ya no es un diseño de motor único, sino una clase de motores, por ejemplo, un ejemplar de 0,8–2 MN (180 000–450 000 lbf; 82–204 tf) de este motor se utiliza con SKYLON D1.5, un 110 000–280 000 lbf (0,49–1,25 MN; 50–127 tf) para un estudio de la USAF sobre un TSTO parcialmente reutilizable.
La relación empuje-peso diseñada para SABRE es catorce, en comparación con aproximadamente cinco para los motores a reacción convencionales y dos para los scramjets . [5] Este alto rendimiento es una combinación de aire más denso y enfriado, que requiere menos compresión y, lo que es más importante, las bajas temperaturas del aire permiten el uso de aleaciones más ligeras en gran parte del motor. El rendimiento general es mucho mejor que el del motor RB545 o los scramjets.
La eficiencia del combustible (conocida como impulso específico en los motores de cohetes) alcanza su punto máximo aproximadamente a los 3500 segundos dentro de la atmósfera. [3] Los sistemas típicos exclusivamente de cohetes alcanzan su punto máximo alrededor de los 450 segundos e incluso los cohetes térmicos nucleares "típicos" alcanzan su punto máximo alrededor de los 900 segundos.
La combinación de alta eficiencia de combustible y motores de baja masa permite una aproximación SSTO, con respiración de aire a Mach 5,14+ a 28,5 km (94.000 pies) de altitud, y con el vehículo alcanzando la órbita con más masa de carga útil por masa de despegue que solo sobre cualquier vehículo de lanzamiento no nuclear jamás propuesto. [ cita necesaria ]
El preenfriador añade masa y complejidad al sistema y es la parte más agresiva y difícil del diseño, pero la masa de este intercambiador de calor es un orden de magnitud menor que la alcanzada anteriormente. El dispositivo experimental logró un intercambio de calor de casi 1 GW/m 3 . Las pérdidas por transportar el peso adicional de los sistemas apagados durante el modo de ciclo cerrado (es decir, el preenfriador y el turbocompresor), así como el peso adicional de las alas del Skylon, se compensan con las ganancias en eficiencia general y el plan de vuelo propuesto. Los vehículos de lanzamiento convencionales, como el transbordador espacial, tardan aproximadamente un minuto en ascender casi verticalmente a velocidades relativamente bajas; esto es ineficiente pero óptimo para vehículos de cohetes puros. Por el contrario, el motor SABRE permite un ascenso mucho más lento y menos profundo (trece minutos para alcanzar los 28,5 km de altitud de transición), mientras respira aire y utiliza sus alas para sostener el vehículo. Esto intercambia la resistencia de la gravedad y un aumento en el peso del vehículo por una reducción en la masa del propulsor y una ganancia de la sustentación aerodinámica que aumenta la fracción de carga útil hasta el nivel en el que SSTO se vuelve posible.
Un motor a reacción híbrido como SABRE sólo necesita alcanzar bajas velocidades hipersónicas dentro de la atmósfera inferior antes de activar su modo de ciclo cerrado, mientras asciende, para ganar velocidad. A diferencia de los motores ramjet o scramjet , el diseño es capaz de proporcionar un alto empuje desde velocidad cero hasta Mach 5,4, [4] con un empuje excelente durante todo el vuelo, desde el suelo hasta una altitud muy alta, con una alta eficiencia en todo momento. Además, esta capacidad de empuje estático significa que el motor puede probarse de manera realista en tierra, lo que reduce drásticamente los costos de prueba. [5]
En 2012, REL esperaba vuelos de prueba para 2020 y vuelos operativos para 2030. [60]
