如果欧洲航天局 (ESA) 开发的新型火箭发动机取得成功,它们可能会彻底改变火箭技术并改变我们进入太空的方式。该发动机称为协同吸气式火箭发动机 (SABRE),旨在在早期飞行阶段使用大气,然后切换到常规火箭模式以最终上升到太空。如果一切顺利,这种新型吸气式火箭可以在大约四年内准备好进行试射。
常规火箭必须携带机载氧化剂,例如液氧,它与火箭燃烧室中的燃料结合。这意味着火箭可能需要超过 250 吨的液氧才能运行。一旦这些氧气在第一阶段被消耗掉,这些用完的阶段就会被丢弃,造成大量浪费和费用。 (SpaceX 和 Blue Origin 等公司正在开发可重复使用的火箭来帮助规避这个问题,但它们仍然是传统火箭。)
常规火箭携带自己的氧气,因为它的温度和压力是可以控制的。这保证了火箭的性能,但需要复杂的系统才能做到这一点。 SABRE 将消除携带大部分机载氧气的需要,但这并不容易。
SABRE 面临的挑战是将大气中的氧气压缩到大约 140 个大气压,然后再将其引入发动机的燃烧室。但是将氧气压缩到那个程度会使其温度升高到足以熔化发动机的程度。解决方案是使用预冷热交换器将空气冷却到几乎是液体的程度。届时,基于标准喷气发动机技术的涡轮机可以将空气压缩到所需的工作温度。
这意味着,虽然 SABRE 在地球大气层中,但它使用空气来燃烧氢燃料,而不是液态氧。这使其推进剂消耗量提高了 8 倍。一旦 SABRE 达到大约 25 公里的高度,那里的空气变得稀薄,它就会切换模式并作为标准火箭运行。当它切换模式时,它已经进入地球轨道的大约 20%。
像许多工程挑战一样,了解需要做什么并不是难点。实际上开发这些技术是极其困难的,尽管很多人只是假设工程师会成功。的关键 反应引擎有限公司 开发 SABRE 的公司将开发位于发动机核心的轻型热交换器。
换热器在工业中很常见,但这些换热器必须在不到 1/100 秒的时间内将进入的空气从 1000 摄氏度冷却到 -150 摄氏度,并且必须在防止结霜的同时进行。它们非常轻,比目前的技术轻约 100 倍,这将使它们首次用于航空航天。这些新型热交换的一些轻量化因素源于管壁厚度,其小于 30 微米。这比人的头发还少。
Reaction Engines Limited 表示,这些热交换器对航空航天推进系统的影响与硅芯片对计算的影响相同。
与欧空局的新资助协议将为反应引擎提供 1000 万欧元,用于继续开发 SABRE。这将增加英国航天局已经捐助的 5000 万英镑。 5000 万英镑的投资是欧空局在 2010 年对 SABRE 进行了有利的可行性审查的结果。
2012 年,作为 SABRE 重要组成部分的预冷器在英国牛津郡的 Reaction Engines 工厂成功进行了测试。图片:ESA/反应引擎
2012 年,对预冷器和热交换器进行了测试。之后进行了更多的研发,包括开发高度补偿火箭喷嘴、推力室冷却和进气口。
现在SABRE的可行性得到加强,Reaction Engines希望在2020年之前建造一台地面演示发动机。如果SABRE的继续开发进展顺利,如果到2020年测试成功,那么这些空气呼吸火箭发动机将处于有利地位真正彻底改变进入太空的方式。
用欧空局的话说,“欧空局有信心可以成功地进行小型发动机的地面测试,以展示飞行状态和循环,这将是该计划发展的关键里程碑,也是全球推进的重大突破。”
来吧。