Vzduch dýchající raketový motor
Současné rakety jsou ve své podstatě obří nádrže paliva, vybavené motory a nesoucí užitečnou zátěž, která je pouhým zlomkem celkové hmotnosti rakety. To proto, že všechno palivo si vezou sebou. Nejenom palivo, ale i okysličovadlo, kterým obvykle kyslík. Největší váhu má raketa právě při startu a proto v těchto fázích spotřebovává ohromné množství paliva (a též okysličovadla) z interních nádrží, přitom je kyslíku všude kolem dostatek, jenom to umět využít.
Raketový motor, který má ambice změnit pravidla hry se jmenuje Sabre a vyvíjí jej firma Reaction Engines z Oxfordu. Motor má pohánět nový druh raketoplánů Skylon, který by měl dokázat dopravit na nízkou oběžnou dráhu Země náklad o váze 15 tun ale za pouhé 2 % nákladů v porovnání se současnými raketami. Tento ambiciózní projekt byl ale dlouhou dobu pouze na papíře, resp. v počítači, nyní dostala firma významnou finanční injekci v podobě 60 milionů liber na vývoj motoru Sabre. Ten samozřejmě nemusí být použit pouze ve Skylonu, jeho použití je univerzální. Do výšky přibližně 8km by měl motor získávat kyslík pro svůj běh z okolního prostředí, potom by se měl přepnout na plně raketový mód. Letoun vybavený těmito motory by mohl startovat a přistávat na klasických runwayích.
Získané prostředky umožní podle zakladatele firmy Alana Bonda (k možnému příbuzenskému svazku s Jamesem Bondem aka 007 se zásadně nevyjadřuje), takže tyto peníze rozhýbou vývoj motoru. V plánu je dokončení designu, vylepšení a vylehčení výměníku tepla, testy ve věrném tunelu a výstavba pozemní testovací stolice pro motor. Pokud vše půjde podle plánu, prototyp motoru by měl být hotový v roce 2017 a první testovací lety by mohly proběhnout v roce 2020.
Sabre schema ZDE. Reakce probíhajících v motoru ZDE.
Zdroje:
Reaction Engines Ltd http://www.reactionengines.co.uk/about.html
Physorg News http://phys.org/news/2013-07-air-breathing-rocket-funding-infusion.html#ajTabs
Skylon: http://en.wikipedia.org/wiki/Skylon_%28spacecraft%29
Sabre: http://en.wikipedia.org/wiki/SABRE_%28rocket_engine%29
Diskuze:
Energetické nároky extrémně rostou při požadavku
Josef Hrncirik,2013-07-23 16:35:55
návratu z orbitu (přibrzdění pomocí na orbit vyneseného paliva) a zejména když se až na orbit má dostat vše jako 1 stupeň. Další brzdění aerodynamické zase vyžaduje hmotu tepelné ochrany, hmotu křídel a paliva a vlastně dalšího motoru (pokud tedy již v atmosféře nepracoval). Přistání z pouhého klouzání asi nelze zatím jednoduše a bez rizika provést. Pokud zatím je 1 kg na orbitu snad za 10 000 dolarů, tak při snaze o jednostupňový návrat se jich tam tahá vlastně příliš mnoho, i kdyby 10 ti násobným použitím by cena klesla na cca 1000 dol./kg. Proto si jako laik myslím, že asi levněji přijde řešit to minimálně 2 stupňově a ev. návratový modul miniaturizovat. Tedy zjednodušeně: ušetřené peníze spálit jako palivo a obal 2. či 3.stupně a ev. smetí z orbitu občas shazovat shazovačem vyneseným zase vícestupňově. Obří tryskáč jako vše, nebo i jen 0.; 0,5. či 1. stupeň se mi intuitivně nelíbil. Pokud se někde zásadně pletu a lze mě krátce poučit, možno, ale není nutno. Vše jsem psal jen jako první pocity po zhlédnutí diskuze. Problém je však asi příliš komplikovaný.
Re:
Vít Výmola,2013-07-23 17:25:07
Tohle přece zvládal i raketoplán, který byl těžší a s evidentně horšími aerodynamickými vlastnostmi.
Mad Max3,2013-07-23 18:35:40
Ze by spadly naklady znovupouzitim rakety na 10% je spise snem, v praxi se mohou snizit radove tak na polovinu, maximalne ctvrtinu. K 10 000 USD/kg se pokud vim dnesni rakety pomalu blizi.
Cena paliva je to nejmensi. Naopak obrovskym nakladem je napr. udrzba startovaci rampy, at uz z ni neco vzleta nebo ne.
Brzdeni atmosferickym odporem je momentalne vyhradni system u praktickych orbitalnich letu (pouze minimalni pocatecni brzdici impuls pro opusteni obitalni drahy).
Skylon jde mnohem dal nez stavajici raketoplany, ktere pouzivaly castecne ablativni chlazeni - pocita se s porovitymi keramickymi panely chlazenymi vodikem, tudiz panely mnohem mene podlehaji opotrebeni.
Navic ma Skylon vyrazne nizsi pristavaci hmotnost, tudiz klesa i merne tepelne zatizeni povrchu.
Predevsim je ale treba si uvedomit ze "atmosfericky boost" svou dodanou rychlosti temer nahradi 1. stupen stavajicich raket(oplanu) pri zlomku spotreby paliva. Pritom prave 1. stupen tvori vetsinu ceny a hmotnosti nosice, tudiz drtiva vetsina energie 1. stupne u konvencniho reseni se spotrebuje na jeho vlastni urychleni (u znovupouzitelneho pak jeste raketove brzdeni).
Nestudoval jsem detaily, ani koncepci. Fandím jim
Josef Hrncirik,2013-07-23 01:18:11
Jsem pro opakovatelné použití a ekonomičnost. Vlastně mi jen vadilo jak a ev. proč, snad jakoby jen kvůli letu v 8 km velmi důkladně a poněkud záhadně chladili vstupní vzduch. Schema jsem viděl jen zběžně. Mnoho údajů se rozchází, tak jsem to taky odbyl. Howgh.
Kolmo vzhůru z atmosféry velkého odporu a potom
Josef Hrncirik,2013-07-22 19:22:23
budˇ nahoru 2. kosmickou nebo vyrábět tečnou složku rychlosti pro oběh. Využití rotace Země je zanedbatelná třešinka. Turbína či Ram jsou v atmosféře tragicky bržděny a namáhány a zatáčka vzhůru v krátké a řídnoucí atmosféře asi není jednoduchá, vlastně ani nutná a nakonec nic neřeší. Ram při 5-10 M sice levně obletí Zemi ve 30 km, ale na orbit má stále stejně daleko a dojde mu vodík nebo chladivo. Nebo optimisticky: rotace Země 1M + 5-10 M RAM, ale chybí minimálně 19 M od raketové koncovky.
Mad Max3,2013-07-22 19:44:17
Namisto divokeho vareni z vody doporucuji nejprve problematiku alespon castecne prostudovat.
Re:
Vít Výmola,2013-07-22 22:09:12
Hm, jestlipak jste při všech těch výpočtech našel čas i na přečtení informace, že ve výškách nad 8 km stroj (a motor) přechází do plně raketového módu?
Mad Max3,2013-07-22 22:16:13
Udaj 8 km je preklep, jedna se o 28 km, i kdyz udaje se mirne odchyluji dle zdroje a v praxi muze byt zase trochu jina.
nebo jejich nešťastný zápis řádů čárkami. Navíc to
Josef Hrncirik,2013-07-21 23:16:34
má nereálný počet platných cifer. Měli by se vyjadřovat předponami a bylo by jasno i v biliónech.
stechiometrie cca 34,19 kg/kg je dobře, Velký sp.
Josef Hrncirik,2013-07-21 18:24:01
impulz to určitě má. Za předpokladu, že to překonává gravitaci křídly a leze to vlastně po nakloněné rovině bez velkého zrychlení to ale nic neřeší. Má to pak průměrně jen prakticky nulové zrychlení a stojí to na rychlosti 5M. Nemá to totiž tah alespoň 4x větší než váha stroje, což raketa hravě dokáže a letí si 4G kolmo vzhůru. Raketové palivo se svým impulsem udrží formálně vznášet 300-400 s. Je-li spáleno dostatečně rychle, 1.stupeň dosáhne snadno rychlost cca 4km/s tj. 10M ve vertikále. Turbína ve vertikále po manévru lámajícím křídla jen těch 5M. Turbína s křídly se může vznášet ve vzduchu možná déle než rorýs. Možná rozesměju profesionála, ale mám pocit že mnohé nastíněné problémy jsou zatím nevyřešeny ev. neřešitelné.
Mad Max3,2013-07-21 18:56:16
Jestli sestava "leze nahoru" je celkem irelevantni. Podstatne je dosazeni pozadovane rychlosti, po jejim dosazeni je vyhnana na vyssi orbitu i jen odstredivou silou.
Raketa miri primo vzhuru predevsim proto aby se co nejdrive snizil nezadouci vliv atmosfery, ktery je v tomto pripade naopak velmi zadouci.
Postupny vzestup s nizkym zrychlenim a vyuzitim vztlaku lze naopak povazovat za vyhodu. Napr. u Space Shuttle se pri dosazeni jmenovaneho zrychleni 4G (odlehceni vycerpanim vetsiny kapalneho paliva) vypina jeden z motoru jen proto aby se prilis vysoke zrychleni snizilo.
Jinak pri startovni hmotnosti 350 t a tahu raketovych motoru ze zasoby kysliku 2 x 2,94 kN se dostavame i bez zapocteni odlehceni na pocatecni zrychleni ve vysce 30 km 1,7 G.
Projekty supersoniku jiz fungovaly (Concorde, Blackbird v 60. letech (!)) a i kdyz je to skutecne tuhy orisek, nevidim na tomto principu nic nerealneho.
Mad Max3,2013-07-21 16:05:59
Jak jsem psal, i kdyz nebude stacit teplo dodane ohrevu vodiku, staci napr. pro chlazeni pridat vymenik i pro zplynovani a ohrev kysliku pro dotovani predhoraku. Specificky impuls tim o neco klesne, ale stale je na hony vzdalen klasicemu raketovemu motoru. Pouzil jsem jen velmi hruby vypocet, nicmene by se jednalo o zhruba 1 kg kysliku na 1 kg vodiku. Stechiometricky hmotnostni pomer vzduch/vodik 34. Pokles spotreby vzduchu jsem jiz nezohlednil vzhledem k nepresnostem ramcovych vypoctu.
Technickych moznosti reseni je vice a nezda se mi ze by tyhle celkem kupecke pocty nevzali v uvahu.
Oprava
Mad Max3,2013-07-21 17:48:35
Pardon, rozlezelo se mi v hlave jak by mohl mit kyslik mernou tepelnou kapacitu 29 kJ/kg.K, kdyz ma vodik 14 (holt lenost vedouci k neoverovani udaju z Wiki).
Tudiz dotovani kyslikem by melo zanedbatelny efekt.
Pouziva se jiny princip, prebytecna tepelna energie se spotrebuje v turbinach a pouze zbytek se dochladi odparovanim (a predehrevem) vodiku. Pri pouziti Braytonova cyklu http://en.wikipedia.org/wiki/Brayton_cycle postaci dosazitelna ucinnost kolem 35%. Zdroj: http://en.wikipedia.org/wiki/Reaction_Engines_SABRE (Helium loop)
Počítal jsem to zhruba a nestačilo to. Navíc ve
Josef Hrncirik,2013-07-21 14:02:24
vzduchu je 4x víc dusíku než O2. V podstatě by tedy chladícím obvodem měl proudit řádově minimálně stejný tok jako je proud vzduchu nabíraný motorem (? velké průřezy, tlakové ztráty, kinetika chlazení, energetika komprese ...)
Výparné teplo vodíku je nejnižší po héliu a odnese
Josef Hrncirik,2013-07-21 12:36:40
jen zanedbatelné množství energie. Navíc mě mate zavedení pomocného média - helia.
Mad Max3,2013-07-21 13:06:35
Nelze pocitat jen skupenske teplo, ale i klasickou tepelnou kapacitu. Ta je u vodiku 14 x vyssi oproti vzduchu, brano hmotnostne. V kombinaci se skupenskym teplem, se dostavame k pozadovanym hodnotam. Pokud by to nestacilo, je mozne zacit spalovat v predhoraku castecne i kyslik z nadrzi a pouzit i jeho odparne teplo.
Helium se pouziva jako nosic energii namisto vodiku, jelikoz nepronika do povrchu kouvu, cimz dochazi v pripade vodiku k jejich poskozovani.
Otázka mimo soutěž, vlastně padla již při 1. článk
Josef Hrncirik,2013-07-21 10:44:46
u o Sabre. Kam se vlastně odvádí teplo které chladiče odebírají komprimovanému vzduchu a co tu kompresi pohání (asi obrovské toky hmoty, tepla a energie)?
Mad Max3,2013-07-21 11:03:27
Doporucuji prostudovat http://en.wikipedia.org/wiki/File:Sabre_cycle_m.jpg
Pri atmosferickem cyklu je helium pro chlazeni vzduchu ochlazovano tekutym vodikem, ktery je timto zplynovan pro pouziti v proudovem motoru. Tepelna energie zplynovaneho vodiku je castecne pouzita pro pohon turbiny pohanejici vodikove cerpadlo a heliovy kopresor.
Efektivita konceptu
Mad Max3,2013-07-21 09:52:36
Vezmeme pro srovnani Space Shuttle - pro dosazeni rychlosti kolem 1.5 km/s v case kolem 120. s padne vice nez polovina (!) celkove startovni hmotnosti.
Specificky impuls raketovych motoru v atmosfere citelne klesa, zde je naopak nesrovnatelne vyssi.
Cena za start je zanedbatelna oproti klasickemu konceptu se startovaci rampou, jelikoz je v principu mozne pouzit obycejne letiste s dlouhou startovaci drahou, na ktere se jen dovezou paliva apod. Ridici stredisko muze byt kdekoli.
V principu je mozne letoun prepravovat "po vlastni ose" mezi letisti.
Nic se neodhazuje, odpadaji problemy s jednorazovymi zarizenimi , kde se prave kvuli jednorazovosti setrilo, coz v dusledku vedlo k obema havariim.
Ruzne boostery, at uz pevne na startovni draze (nutne radikalni zvysteni tuhosti startovni sestavy), nebo primo montovane, zde nemaji vyznam, jelikoz zvysuji startovni hmotnost a oproti specifickemu impulsu proudoveho motoru predstavuji v podstate mrtvou zatez.
i kdyby to mělo sp. impuls v atmosféře oo, tak 90%
Josef Hrncirik,2013-07-20 19:20:59
energetického problému zbývá. Navíc to zbytečně nese nad atmosféru chladiče a kompresory vzduchu. Na drony to ale bude vynikající.
V atmosfére získatelná potenciální 8-30 km
Josef Hrncirik,2013-07-20 14:44:23
a kinetická energie ? max. snad 2km/s jsou zanedbatelné oproti potřebným cca 8 km/s (cca jen 6% kvadrátu rychlostí), jádro problému to nevyřeší.
vyřeší
Petr Kuběna,2013-07-20 17:23:46
Samozřejmě, že by to problém řešilo. Při práci ve vzduchu by ISP mělo být kolem 3500! To je neporovnatelné s raketami, které mají zhruba 1/10 této hodnoty.
Pro hrubé srovnání, do rychlosti cca mach 5-6 (což je podle informací maximální použitelná rychlost) Saturn V už spotřeboval polovinu paliva. Tato technologie by konečně umožnila udělat jednostupňový dopravní prostředek na orbitu.
Spíš asi dvoustupňový
Vojtěch Kocián,2013-07-20 19:54:16
Aby se nemusely tahat kompresory, rozsáhlý tepelný štít a spol na orbitu. Letoun poháněný těmito motory by mohl mít klasickou raketu "v podvěsu", urychlit ji na mach 6 na hranici atmosféry, vypustit a pak pohodlně přistát. Možností se tu rýsuje dost. Samozřejmě i vojenských, jak zmiňuje nahoře pan Hrncirik.
Podobný článek tu už byl. Odpověď je v otázce
Josef Hrncirik,2013-07-20 13:20:14
proč tryskáč nestartuje jako raketa kolmo vzhůru. Protože při malé rychlosti obtížně nabírá a stlačuje vzduch a nemá tah řádově převyšující tíhu stroje. Teprve po delší době získá vysokou rychlost a tah (ale ještě více vzroste odpor), ale stále nemá na zrychlení raket. A vtom končí atmosféra. ...
VTOL
Jiří Kocurek,2013-07-20 13:57:56
Tryskáč samozřejmě může startovat kolmo vzhůru. Tryskový motor má i při nulové rychlosti letounu proti větru dostatečný tah. Příkladem budiž Harrier. Stíhačka shopná přistát i vzlétnout svisle. Stejně tak je možno vidět akrobatické kousky, kdy pilot "postaví" stíhačku na motory, chvíli "visí" ve vzduchu a pak pokračuje ve svislém stoupání.
U komerčních letadel se používá horizontální vzlet/přistání z jednoho prostého důvodu: Cena.
Nereálné sliby
Ondi Vo,2013-07-20 11:37:36
Space shuttle se začal rodit v 60. letech a hlavní motivací byla levná doprava na orbit. Konstruktéři si slibovali snížení nákladů na 1% oproti tehdejším raketám.
Jak to dopadlo víme.
Nic proti novým myšlenkám a také od představ opakovaně použitelného vehiklu, kterým se space shuttle stal uplynulo půl století. Technika a technologie se vyvinuly.
Ovšem ta zobrazená letadla Skylon by sotva přežila návrat z orbitu do atmosféry. Spíš je to forma nadzvukového dopravního prostředku, který se má pohybovat po balistické suborbitální dráze.
áno ,hej!
Stefan Urge,2013-07-19 19:03:38
V článku je všetko podrobne popísané, ale ako možno napísať takýto podnadpis?
Prosba k panu Urgemu
Jarda Molnar,2013-07-20 00:23:45
Pane Stefane, slyšel jste někdy, že pomocné rakety létají na pevné palivo? Nemyslíte, že by bylo lepší, kdybyste místo pletení se do kosmonautiky, nám dokončil to, jak jste tu nedávno v diskusi psal, jaké máte zkušenosti s biolampou za dvacet tisíc korun, třeba to, jak Vám svícením do konečníku vyléčila hemeroidy? A třeba čím si myslíte, že lampa léčí?
Díky. Jarda
Omyl!
Stefan Urge,2013-07-19 18:58:33
článok píše: všechno palivo vezeme sebou. Hybridní motor Sabre to může změnit.
koment: nie, nemôže. Prečo? Lebo všetko palivo bude musieť aj naďalej zobrať zo sebou! Len okysličovadla bude potrebovať menej! Blahoželám autorovi čláku :-)
Už veľmi dlho uvažujem
Senior Senior,2013-07-19 15:29:48
prečo sa nevyužíva nejaká forma eskalátora na rampe. Veď keby sa rakete týmto spôsobom udelia hoci aj minimálna rýchlosť, ušetrilo by to hrozne veľa paliva. To asi nie som sam, ktorého to napadlo a asi dačo tomuto spôsobu štartu bráni, ale nebolo by to dobré riešenie? Keby to šlo.
Tip
Josef Šoltes,2013-07-19 16:26:29
Tipuji, že cena rampy a její relativní jednorázová použitelnost a v neposlední řadě i možnost jejího selhání má větší váhu, než trocha ušetřených peněz za palivo.
Takto som to nemyslel
Senior Senior,2013-07-20 11:09:36
Prečo by mala byť rampa jednorázová? Eskalátor tuším na párny pohon sa používa na lietadlových lodiach. A čo sa týka "trochu" ušetrených peňazí, tak treba uvažovať tak, že každej tone paliva navyše ne potrebné dodať kinetickú energiu ďalším palivom, ktoré sa musí postarať aj o svoje zrýchlenie, takže to potom narastá geometrickým radom. Na väčší objem paliva musia byť stavané väčšie nádrže a výkonnejšie motory, teda celá raketa a to nám už pekne narastá.
Problémů je několik
Pavel Hudecek,2013-07-20 12:56:02
1. Když se dnes při náběhu hlavního motoru zjistí, že s ním něco není v pořádku, dá se pořád říct stop. To by metr nad koncem urychlavače už nešlo.
2. Aby se raketa signifikantně urychlila, muselo by zařízení být obrovské, nebo vyvolávat obrovské zrychlení, na které by raketa musela být celá stavěna, takže by byla těžší.
panu Hudečkovi
Ondi Vo,2013-07-20 18:57:47
Saturn V měl hmotnost skoro 3 tisíce tun, a urychloval ke konci vyhoření prvního stupně kolem 3G (prostřední motor vypnut).
Rampa na lineární zrychlení (podobná jako pro V1) by tedy musela být velmi masívní a dostatečně dlouhá. A při vysazení motorů na konci rampy by musel mít vehikl s lidskou posádkou, nebo cenným nákladem křídla, aby se klouzavým letem vrátil na nějaké letiště.
Problém je spíš v odlehčené konstrukci rakety, který se vlastní vahou nerozpadne jen ve svislé poloze. Vertikální rampa s minimálním vychýlením na východ by byla též možná, ale musela by být o to robustnější.
Při zrychlení 20m/s² a konečné rychlosti 300m/s mi vyjde délka rampy 2,25km, což by bylo horizontálně realizovatelné, vertikálně však sotva.
Diskuze je otevřená pouze 7dní od zvěřejnění příspěvku nebo na povolení redakce
