How does the Sabre engine's pre-cooler achieve such high performance?
دمای پایین هوا امکان استفاده از آلیاژ سبک را فراهم می کند و موتور بسیار سبک وزنی را که برای رسیدن به مدار ضروری است، میسر می سازد. علاوه بر این، برخلاف مفهوم LACE، پیش خنک کننده SABRE هوا را مایع نمی کند و به آن اجازه می دهد کارآمدتر کار کند.
این موتور مانند یک موتور جت معمولی تا حدود 5.5 ماخ (5.5 برابر سرعت صوت) کار می کند و سپس برای بقیه صعود به حالت موشکی تبدیل می شود.
فن‌آوری‌های کلیدی شامل یک مبدل حرارتی فشرده پیش‌خنک کننده است که می‌تواند جریان هوای ورودی را بیش از 1000 درجه سانتیگراد بگیرد و در کمتر از 1/100 ثانیه آن را تا 150- درجه سانتیگراد خنک کند. این امر به سابر اجازه می دهد تا از اکسیژن مستقیماً از جو برای احتراق به جای حمل آن در مخزن با جریمه وزنی که مستلزم آن است، استفاده کند. (تأکید اضافه شده است)
تغییر دمای 1000 درجه سانتیگراد تا 150- درجه سانتیگراد که به صورت مطلق بیان می شود حدود 1273 کلوین تا 123 کلوین یا بیشتر از ضریب 10 در دمای مطلق و در کمتر از 10 میلی ثانیه است.
پیش خنک کننده چگونه کار می کند؟ چگونه می تواند جریان مداوم هوا را با این حجم بالا به سرعت خنک کند و همچنان از نظر فیزیکی کوچک و به اندازه کافی وزن سبک باقی بماند که فقط یکی از اجزای این موتور شگفت انگیز باشد؟این دستگاه از لوله های بسیار ظریف استفاده می کند - حدود 50 کیلومتر در یک واحد با دیواره های نازک تر از موی انسان.
هر واحد از حدود 20 تا 30 ماژول تشکیل شده است که هر یک از هزاران لوله موازی که به طور نزدیک مرتب شده اند در یک مارپیچ چرخشی تشکیل شده است. هلیوم که توسط سوخت هیدروژن مایع (در دمای زیر 20 کلوین) سرد می شود، در لبه داخلی مارپیچ وارد مارپیچ شده و در لبه بیرونی خارج می شود.
ماژول ها به هم متصل می شوند و هوا از 20 مجموعه لوله به تدریج خنک تر از بیرون به داخل عبور می کند.
بنابراین اساساً این یک سطح عظیم است که هوا بسیار نزدیک از آن عبور می کند. زمان کوتاهی که طول می کشد به دلیل سرعت عبور هوا از سیستم است.
کاهش دمای 1000 درجه سانتی گراد در 1/25 ثانیه است.. در مقایسه با سایر مبدل‌های حرارتی، آنها از لوله‌های خنک‌کننده با دیواره نازک‌تر استفاده می‌کنند، هندسه هوشمندانه‌ای دارند، از جمله دلیل استفاده از حلقه هلیوم بسته برای خنک‌کننده، به جای استفاده مستقیم از سوخت LH2. اجتناب از شکنندگی هیدروژن). یک فناوری کلیدی سیستم پیشگیری از یخ زدگی است که شامل تزریق متانول به مسیر هوا می شود. این مقاله کمی این موضوع را توضیح می دهد. آنها با گرفتن متانول (در حال حاضر تا حدودی مرطوب) و استفاده مجدد در مکان هایی که نیازهای یخ زدایی کمتر است، در مصرف متانول صرفه جویی می کنند.
متن کامل طراحی SABER نه یک موتور موشک معمولی است و نه یک موتور جت معمولی، بلکه یک موتور هیبریدی است که از هوای محیط در سرعت/ارتفاع پایین استفاده می‌کند و اکسیژن مایع را در ارتفاع بالاتر ذخیره می‌کند. موتور SABER "متکی به یک مبدل حرارتی است که قادر است هوای ورودی را تا دمای -150 درجه سانتیگراد (-238 درجه فارنهایت) خنک کند، تا اکسیژن را برای اختلاط با هیدروژن فراهم کند و نیروی رانش جت را در طول پرواز اتمسفر قبل از تغییر به اکسیژن مایع مخزن شده در فضا فراهم کند. "
در حالت تنفس هوا، هوا از طریق ورودی وارد موتور می شود. یک سیستم بای پس مقداری از هوا را از طریق یک پیش خنک کننده به یک کمپرسور هدایت می کند، که آن را به یک محفظه احتراق تزریق می کند، جایی که با سوخت می سوزد، محصولات اگزوز از طریق نازل ها شتاب می گیرند تا نیروی رانش ایجاد کنند. باقیمانده هوای ورودی از طریق سیستم بای پس به حلقه ای از نگهدارنده های شعله ادامه می یابد که به عنوان رمجت برای بخشی از رژیم پرواز تنفس هوا عمل می کنند. حلقه هلیوم برای انتقال حرارت از پیش خنک کننده به سوخت و به حرکت درآوردن پمپ ها و کمپرسورهای موتور استفاده می شود.
ورودی
در جلوی موتور، طرح‌های مفهومی یک ورودی مخروط شوک متقارن محوری را پیشنهاد می‌کنند که با استفاده از دو انعکاس ضربه، هوا (نسبت به موتور) را به سرعت‌های مادون صوت فشرده و کاهش می‌دهد. شتاب دادن هوا به سرعت موتور باعث درگ قوچ می شود. در نتیجه شوک‌ها، فشرده‌سازی و شتاب، هوای ورودی گرم می‌شود و به حدود 1000 درجه سانتیگراد (1830 درجه فارنهایت) در 5.5 ماخ می‌رسد.
پیش خنک کننده
همانطور که هوا با سرعت های مافوق صوت یا مافوق صوت وارد موتور می شود، به دلیل اثرات تراکم، گرمتر از آن می شود که موتور تحمل کند موتورهای جت که همین مشکل را دارند اما به میزان کمتری، با استفاده از مواد سنگین مس یا نیکل، با کاهش نسبت فشار موتور و با فشار دادن موتور در سرعت‌های بالاتر برای جلوگیری از ذوب، آن را حل می‌کنند. با این حال، برای یک هواپیمای فضایی تک مرحله‌ای به مدار (SSTO)، چنین مواد سنگین غیرقابل استفاده هستند و حداکثر نیروی رانش برای درج مداری در اولین زمان لازم است تا تلفات گرانشی به حداقل برسد. در عوض، با استفاده از یک حلقه گازی خنک کننده هلیوم، SABER به طور چشمگیری هوا را از 1000 درجه سانتیگراد (1830 درجه فارنهایت) به 150- درجه سانتیگراد (238- درجه فارنهایت) در یک مبدل حرارتی ضد جریان خنک می کند در حالی که از مایع شدن هوا یا مسدود شدن هوا در اثر یخ زدگی جلوگیری می کند. بخار آب. مبدل حرارتی جریان مخالف همچنین به هلیوم اجازه می دهد تا در دمای کافی از موتور خارج شود تا پمپ ها و کمپرسورها را برای سوخت هیدروژن مایع و خود سیال کار هلیوم به حرکت درآورد.
نسخه های قبلی پیش خنک کننده ها مانند HOTOL سوخت هیدروژن را مستقیماً از طریق پیش خنک کننده قرار می دادند. SABER یک حلقه خنک کننده هلیوم را بین هوا و سوخت سرد قرار می دهد تا از مشکلات ناشی از شکنندگی هیدروژن در پیش خنک کننده جلوگیری کند.
خنک شدن چشمگیر هوا یک مشکل بالقوه ایجاد کرد: جلوگیری از مسدود شدن پیش خنک کننده از بخار آب منجمد و سایر بخش های هوا ضروری است. .خنک از یک مبدل حرارتی لوله‌کشی با 16800 لوله جدار نازک تشکیل شده است. سیستم جلوگیری از یخ یک راز کاملا محافظت شده بود، یک دستگاه یخ‌زدای پرینت سه بعدی تزریق متانول
کمپرسور
همانطور که هوا با سرعت های مافوق صوت یا مافوق صوت وارد موتور می شود، به دلیل اثرات تراکم، گرمتر از آن می شود که موتور تحمل کند.موتورهای جت که همین مشکل را دارند اما به میزان کمتری، با استفاده از مواد سنگین مس یا نیکل، با کاهش نسبت فشار موتور و با فشار دادن موتور در سرعت‌های بالاتر برای جلوگیری از ذوب، آن را حل می‌کنند. با این حال، برای یک هواپیمای فضایی تک مرحله‌ای به مدار (SSTO)، چنین مواد سنگین غیرقابل استفاده هستند و حداکثر نیروی رانش برای درج مداری در اولین زمان لازم است تا تلفات گرانشی به حداقل برسد. در عوض، با استفاده از یک حلقه گازی خنک کننده هلیوم، SABER به طور چشمگیری هوا را از 1000 درجه سانتیگراد (1830 درجه فارنهایت) به 150- درجه سانتیگراد (238- درجه فارنهایت) در یک مبدل حرارتی ضد جریان خنک می کند در حالی که از مایع شدن هوا یا مسدود شدن هوا در اثر یخ زدگی جلوگیری می کند. بخار آب. مبدل حرارتی جریان مخالف همچنین به هلیوم اجازه می دهد تا در دمای کافی از موتور خارج شود تا پمپ ها و کمپرسورها را برای سوخت هیدروژن مایع و خود سیال کار هلیوم به حرکت درآورد.
نسخه های قبلی پیش خنک کننده ها مانند HOTOL سوخت هیدروژن را مستقیماً از طریق پیش خنک کننده قرار می دادند. SABER یک حلقه خنک کننده هلیوم را بین هوا و سوخت سرد قرار می دهد تا از مشکلات ناشی از شکنندگی هیدروژن در پیش کولر جلوگیری کند.
کمپرسور
کمتر از 5 برابر سرعت صوت و 25 کیلومتر ارتفاع، که 20 درصد سرعت و 20 درصد ارتفاع مورد نیاز برای رسیدن به مدار است، هوای خنک شده از پیش کولر به یک توربو کمپرسور اصلاح شده، شبیه به آن ها، وارد می شود. در موتورهای جت معمولی استفاده می شود اما با نسبت فشار غیرعادی بالا کار می کنند که به دلیل دمای پایین هوای ورودی امکان پذیر است. کمپرسور هوای فشرده را در 140 اتمسفر وارد محفظه های احتراق موتورهای اصلی می کند.
در موتورهای جت معمولی، توربو کمپرسور توسط یک توربین گازی که توسط گازهای احتراق نیرو می گیرد به حرکت در می آید. SABER توربین را با یک حلقه هلیوم به حرکت در می آورد، که انرژی آن توسط گرمای جذب شده در پیش خنک کننده و پیش سوز تامین می شود.
حلقه هلیوم
هلیوم داغ از پیش خنک کننده هوا با خنک کردن آن در مبدل حرارتی با سوخت هیدروژن مایع بازیافت می شود. این حلقه یک موتور چرخه برایتون خودراه‌انداز را تشکیل می‌دهد، بخش‌های حیاتی موتور را خنک می‌کند و توربین‌ها را نیرو می‌دهد.[نیازمند منبع] گرما از هوا به هلیوم منتقل می‌شود. این انرژی گرمایی برای تامین انرژی بخش‌های مختلف موتور و تبخیر هیدروژن استفاده می‌شود که سپس در رم جت‌ها سوزانده می‌شود
محفظه های احتراق
محفظه های احتراق در موتور SABER توسط اکسیدان (اکسیژن هوا/مایع) به جای هیدروژن مایع خنک می شوند تا استفاده سیستم از هیدروژن مایع در مقایسه با سیستم های استوکیومتری کاهش یابد.
نازل ها
کارآمدترین فشار اتمسفر که یک نازل پیشران معمولی در آن کار می کند، توسط هندسه زنگ نازل تنظیم می شود. در حالی که هندسه زنگ معمولی ثابت می ماند، فشار اتمسفر با ارتفاع تغییر می کند و بنابراین نازل هایی که برای عملکرد بالا در جو پایین تر طراحی شده اند، با رسیدن به ارتفاعات بالاتر کارایی خود را از دست می دهند. در موشک های سنتی با استفاده از مراحل متعدد طراحی شده برای فشارهای جوی که با آن مواجه می شوند، بر این مشکل غلبه می شود.
موتور SABER باید در سناریوهای ارتفاع کم و بالا کار کند. برای اطمینان از کارایی در تمام ارتفاعات، نوعی حرکت، از نازل گسترش استفاده می شود. ابتدا در ارتفاع کم، پرواز تنفس هوا، زنگ به سمت عقب قرار دارد، به یک محفظه احتراق حلقوی که قسمت بالایی نازل را احاطه کرده است، متصل می شود و با هم یک نازل انحراف انبساط را تشکیل می دهند. هنگامی که SABER بعداً به حالت موشک تبدیل می‌شود، زنگ به سمت جلو حرکت می‌کند و طول زنگ محفظه احتراق داخلی موشک را افزایش می‌دهد و یک نازل بسیار بزرگتر و در ارتفاع بالا برای پرواز کارآمدتر ایجاد می‌کند
نازل در حالت موشک
مشعل های دور زدن
اجتناب از مایع شدن بازده موتور را بهبود می بخشد زیرا آنتروپی کمتری تولید می شود و در نتیجه هیدروژن مایع کمتری خارج می شود. با این حال، خنک کردن هوا به هیدروژن مایع بیشتری نیاز دارد تا بتوان آن را در هسته موتور بسوزاند. اضافی از طریق یک سری مشعل به نام "مشعل های رم جت مجرای نشت" که به صورت حلقه ای در اطراف هسته مرکزی چیده شده اند، خارج می شود. اینها هوای تغذیه می شوند که از پیش خنک کننده دور می زند. این سیستم رم جت بای پس برای کاهش اثرات منفی درگ ناشی از هوا طراحی شده استدر ورودی ها عبور می کند اما به جای ایجاد نیروی رانش به موتور اصلی موشک وارد نمی شود. در سرعت‌های پایین نسبت حجم هوای ورودی به ورودی به حجمی که کمپرسور می‌تواند به محفظه احتراق وارد کند در بالاترین حد خود قرار دارد و برای حفظ کارایی در این سرعت‌های پایین، باید هوای دور زده تسریع شود. این سیستم را از یک جت توربورمجت متمایز می کند که در آن اگزوز چرخه توربین برای افزایش جریان هوا برای ramjet استفاده می شود تا به اندازه کافی کارآمد شود تا نقش نیروی محرکه اولیه را به عهده بگیرد.hope I helped you understand the question. Roham Hesami, sixth
semester of aerospace engineering
رهام حسامی ترم ششم مهندسی هوافضا
