SABRE ( Synergetic Air Breathing Rocket Engine [4] ) es un concepto en desarrollo por Reaction Engines Limited para un motor de cohete híbrido hipersónico preenfriado que respira aire . [5] [6] El motor está diseñado para lograr una capacidad de una sola etapa a órbita , propulsando el avión espacial Skylon propuesto a la órbita terrestre baja. SABRE es una evolución de la serie de diseños similares a LACE de Alan Bond que comenzaron a principios/mediados de la década de 1980 para el proyecto HOTOL . [7]
El diseño comprende un único motor de cohete de ciclo combinado con dos modos de funcionamiento. [3] El modo de respiración de aire combina un turbocompresor con un preenfriador de aire ligero colocado justo detrás del cono de entrada . A altas velocidades, este preenfriador enfría el aire caliente comprimido por ariete, 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. El aire comprimido se alimenta posteriormente a 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 permite un motor muy ligero, esencial para alcanzar la órbita. Además, a diferencia del concepto LACE, el preenfriador de SABRE no licúa 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 que un concepto de avión espacial híbrido como el Skylon alcance la velocidad orbital después de abandonar la atmósfera en un ascenso pronunciado.
Se ha diseñado un motor derivado del concepto SABRE, llamado Scimitar, para la propuesta del avión de pasajeros hipersónico A2 de 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 los esfuerzos de la Fuerza Aérea de los EE. UU. en materia de aviones aeroespaciales . [2]
El sistema LACE se colocaría detrás de una entrada de aire supersónica que comprimiría el aire mediante compresión por ariete, y luego un intercambiador de calor lo enfriaría rápidamente utilizando parte del combustible de hidrógeno líquido almacenado a bordo. El aire líquido resultante se procesaría luego 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 se expulsaría, lo que proporcionaría un empuje útil, pero reduciría en gran medida la eficiencia potencial. [ cita requerida ]
En su lugar, 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 cesara la financiación de 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 gravado 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 involucra el ciclo completo. [13] En julio de 2021, la Agencia Espacial del Reino Unido proporcionó 3,9 millones de libras esterlinas adicionales para el desarrollo continuo. [14]
Al igual que el RB545 , el diseño de SABRE no es un motor cohete convencional ni un motor a reacción convencional , sino un híbrido que utiliza aire del entorno a bajas velocidades y altitudes, y oxígeno líquido almacenado 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 tanques cuando esté en el espacio".
En el modo de respiración de aire, el aire entra en el 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 toberas para proporcionar empuje. El resto del aire de admisión continúa a través del sistema de derivación hacia un anillo de portallamas que actúa como un estatorreactor para parte del régimen de vuelo de 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 axisimétrico 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 una resistencia de impacto . Como resultado de los choques, la compresión y la aceleración, el aire de admisión se calienta, alcanzando alrededor de 1000 °C (1830 °F) a Mach 5,5.
Bayern-Chemie , a través de la ESA, ha llevado a cabo trabajos para perfeccionar y probar los sistemas de admisión y derivación [15]
A medida que el aire entra en el 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 estrangulando el motor a velocidades más altas para evitar la fusión. Sin embargo, para un avión espacial de una sola etapa a órbita (SSTO), estos materiales pesados son inutilizables y el empuje máximo es necesario para la inserción orbital lo antes posible para minimizar las pérdidas de gravedad . En cambio, utilizando un circuito de refrigerante de helio gaseoso , SABRE enfría drásticamente el aire de 1000 °C (1830 °F) a −150 °C (−238 °F) en un intercambiador de calor de contraflujo mientras evita la licuefacción del aire o el bloqueo por vapor de agua congelado. El intercambiador de calor a contraflujo también permite que el helio salga del motor a una temperatura suficientemente alta para impulsar bombas y compresores para el combustible de hidrógeno líquido y el propio fluido de trabajo de helio.
Las versiones anteriores de preenfriadores, como HOTOL, hacen pasar el combustible de hidrógeno directamente por el preenfriador. SABRE inserta un circuito de refrigeración de helio entre el aire y el combustible frío para evitar problemas de fragilización por hidrógeno en el preenfriador.
El enfriamiento drástico del aire creó un problema potencial: es necesario evitar que el preenfriador se bloquee con vapor de agua congelado y otras fracciones de aire. En octubre de 2012, la solución de enfriamiento se demostró durante 6 minutos utilizando aire congelado. [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 entrante hasta los −150 °C (−238 °F) requeridos en 0,01 s. [18] El sistema de prevención de hielo había sido un secreto muy bien guardado, pero REL divulgó un descongelador impreso en 3D que inyecta metanol en 2015 a través de patentes, ya que necesitaban empresas asociadas y no podían mantener el secreto mientras trabajaban en estrecha colaboración con terceros. [19] [20] [21]
Por debajo de cinco veces la velocidad del sonido y 25 kilómetros de altitud, que son el 20% de la velocidad y el 20% de la altitud necesarias para alcanzar la órbita , el aire enfriado del preenfriador pasa a un turbocompresor modificado , similar en diseño a los utilizados en los motores a reacción convencionales, pero que funciona a una relación de presión inusualmente alta , posible gracias a la baja temperatura del aire de entrada. El compresor alimenta el 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 acciona la turbina con un circuito de helio, que se alimenta del 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 alimenta las turbinas. [ cita requerida ] El calor pasa del aire al helio. Esta energía térmica se utiliza para alimentar varias partes del motor y para vaporizar hidrógeno, que luego se quema en estatorreactores . [3] [23]
Las cámaras de combustión del motor SABRE se enfrían mediante el oxidante (aire/oxígeno líquido) en lugar de hidrógeno líquido [24] para reducir aún más el uso de hidrógeno líquido del sistema en comparación con los sistemas estequiométricos .
La presión atmosférica más eficiente a la que funciona una tobera propulsora convencional está 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 toberas diseñadas para un alto rendimiento en la atmósfera inferior pierden eficiencia a medida que alcanzan altitudes mayores. En los cohetes tradicionales, esto se supera mediante el uso de múltiples etapas diseñadas para las presiones atmosféricas a las que se enfrentan.
El motor SABRE debe funcionar tanto en altitudes bajas como altas. Para garantizar la eficiencia en todas las altitudes, se utiliza una especie de tobera expansible móvil. En primer lugar, en vuelos a baja altitud con respiración de aire, la campana se ubica hacia atrás, conectada a una cámara de combustión toroidal que rodea la parte superior de la tobera, formando juntas una tobera de expansión y deflexión . Cuando SABRE pasa posteriormente al modo cohete, la campana se mueve hacia delante, extendiendo la longitud de la campana de la cámara de combustión interna del cohete, creando una tobera 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 estatorreactores 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 estatorreactor de derivación está diseñado para reducir los efectos negativos de la resistencia resultante del aire que pasa por las entradas pero no se alimenta al motor cohete principal, en lugar de generar empuje. A bajas velocidades, la relación entre el volumen de aire que entra en la entrada y el volumen que el compresor puede alimentar a la cámara de combustión es máxima, lo que requiere que el aire desviado se acelere para mantener la eficiencia a estas bajas velocidades. Esto distingue al sistema de un turborreactor en el que el escape de un ciclo de turbina se utiliza para aumentar el flujo de aire para que el estatorreactor sea lo suficientemente eficiente como para asumir el papel de propulsión primaria. [26]
En 2008, Airborne Engineering Ltd. realizó pruebas con una tobera de deflexión de expansión llamada STERN para obtener los datos necesarios para desarrollar un modelo de ingeniería preciso que permitiera superar el problema de la expansión no dinámica de los gases de escape. Esta investigación continuó con la tobera STRICT en 2011.
EADS-Astrium realizó con éxito pruebas de una cámara de combustión refrigerada por 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 demostró que la tecnología es viable. [27] [28] Las pruebas validaron que el intercambiador de calor podría funcionar según lo necesario para que el motor obtenga 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 escala real del motor SABRE, [31] proporcionando £60 millones de financiación entre 2014 y 2016 [32] [33] y la ESA aportando £7 millones adicionales. [34] El coste total de desarrollar un banco de pruebas se estima en £200 millones. [32]
En junio de 2015, el desarrollo de SABRE continuó con el Proyecto de Toberas Avanzadas en Westcott. El motor de prueba, operado por Airborne Engineering Ltd., se está utilizando para analizar la aerodinámica y el rendimiento de las toberas avanzadas que utilizará el motor SABRE, además de nuevas tecnologías de fabricación como el sistema de inyección de combustible 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] El laboratorio reveló conceptos SABRE de dos etapas a órbita poco después, ya que consideraron que un avión espacial Skylon de una sola etapa a órbita es "técnicamente muy riesgoso como una 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 para el desarrollo ulterior del proyecto SABRE. Esta aprobación se basó en que el dinero obtenido de capital privado había sido insuficiente para llevar el proyecto a término. [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 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 terrestre de un cuarto del tamaño de un avión, 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 se concedió en abril de 2017, [45] y en mayo de 2017 se celebró una ceremonia inaugural para anunciar el inicio de la construcción de la instalación de prueba de motores SABRE TF1, que se espera que entre en funcionamiento en 2020. [46] [47] Sin embargo, desde entonces el desarrollo de la instalación TF1 se ha abandonado silenciosamente, y el sitio 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 a alta temperatura en el aeropuerto Front Range cerca de Watkins, Colorado. [49] El contrato de DARPA es para probar el intercambiador de calor del preenfriador (HTX) del motor Sabre. La construcción de las instalaciones de prueba y los artículos de prueba comenzó en 2018 con pruebas centradas en el funcionamiento del HTX a temperaturas que simulan el aire que pasa a través de una entrada subsónica que viaja a Mach 5 o alrededor de 1.800 °F (1.000 °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 corriente de gases de 420 °C (788 °F) a 100 °C (212 °F) en menos de 1/20 de segundo. Se planearon más pruebas que simularan Mach 5, con una reducción de temperatura esperada 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 de preenfriador derivadas que podrían desarrollarse antes de que se complete un demostrador SABRE escalable; los usos sugeridos son expandir las capacidades de las turbinas de gas , en turbofán avanzados , vehículos hipersónicos y aplicaciones industriales. [55] En marzo de 2019, la revisión preliminar del diseño del núcleo del motor demostrador por parte de UKSA y ESA confirmó que la versión de prueba estaba lista para su implementación. [56]
En 2019, Airborne Engineering llevó a cabo una campaña de pruebas en inyectores de aire/hidrógeno a subescala para los prequemadores SABRE. [57]
En 2020, Airborne Engineering llevó a cabo una campaña de pruebas en un "módulo HX3" (prequemador a intercambiador de calor de bucle de helio) [58]
En 2022, se realizó una prueba comparativa extranjera del intercambiador de calor del preenfriador de Reaction. La prueba fue completada 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 más alto que nuestro programa de pruebas anterior”. [59]
Debido a la capacidad de empuje estático del motor de cohete híbrido, el vehículo puede despegar en modo de respiración de aire, de manera muy similar a un turborreactor convencional . [3] A medida que la nave asciende y la presión del aire exterior cae, cada vez pasa más aire al compresor a medida que disminuye la efectividad de la compresión por ariete. De esta manera, los reactores 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 hasta alcanzar velocidades orbitales (alrededor de Mach 25). [22]
Diseñado para usar con HOTOL.
El motor no tenía capacidad de empuje estático para respirar aire, y dependía de un carro cohete para lograr el despegue.
Diseñado para usar con Skylon A4.
El motor no tenía capacidad de empuje estático con respiración de 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 con aire pudiera tomar el control. [ cita requerida ]
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, lo que le otorgaba al motor capacidad de empuje estático.
SABRE 4 ya no es un diseño de motor único, sino una clase de motores, por ejemplo, una instancia de este motor de 0,8–2 MN (180.000–450.000 lbf; 82–204 tf) 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 de catorce, en comparación con los cinco de los motores a reacción convencionales y los dos de los estatorreactores . [5] Este alto rendimiento es una combinación del aire más denso y enfriado, que requiere menos compresión, y, lo que es más importante, las bajas temperaturas del aire que permiten utilizar aleaciones más ligeras en gran parte del motor. El rendimiento general es mucho mejor que el del motor RB545 o los estatorreactores.
La eficiencia del combustible (conocida como impulso específico en los motores de cohetes) alcanza su punto máximo alrededor de los 3500 segundos dentro de la atmósfera. [3] Los sistemas típicos de cohetes alcanzan su punto máximo alrededor de los 450 segundos e incluso los cohetes térmicos nucleares "típicos" en alrededor de 900 segundos.
La combinación de una alta eficiencia de combustible y motores de baja masa permite una aproximación SSTO, con respiración aérea 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 casi cualquier vehículo de lanzamiento no nuclear jamás propuesto. [ cita requerida ]
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 que se ha logrado anteriormente. El dispositivo experimental logró un intercambio de calor de casi 1 GW/m3 . Las pérdidas por llevar el peso adicional de los sistemas apagados durante el modo de ciclo cerrado (a saber, el preenfriador y el turbocompresor), así como el peso adicional de las alas de Skylon, se compensan con las ganancias en eficiencia general y el plan de vuelo propuesto. Los vehículos de lanzamiento convencionales, como el transbordador espacial , pasan aproximadamente un minuto ascendiendo casi verticalmente a velocidades relativamente bajas; esto es ineficiente pero óptimo para vehículos de cohetes puros. En contraste, el motor SABRE permite un ascenso mucho más lento y superficial (trece minutos para alcanzar la altitud de transición de 28,5 km), mientras respira aire y usa 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 sustentación aerodinámica que aumenta la fracción de carga útil al nivel en el que se hace posible el SSTO.
Un motor a reacción híbrido como SABRE solo necesita alcanzar velocidades hipersónicas bajas dentro de la atmósfera inferior antes de activar su modo de ciclo cerrado, mientras asciende, para ganar velocidad. A diferencia de los motores estatorreactores o estatorreactores de combustión supersónica , el diseño es capaz de proporcionar un gran empuje desde velocidad cero hasta Mach 5,4, [4] con un excelente empuje durante todo el vuelo, desde el suelo hasta altitudes muy elevadas, con una alta eficiencia en todo momento. Además, esta capacidad de empuje estático significa que el motor puede probarse de forma realista en tierra, lo que reduce drásticamente los costos de prueba. [5]
En 2012, REL esperaba realizar vuelos de prueba para 2020 y vuelos operativos para 2030. [60]
