Системы космических двигателей - Space Engine Systems

Space Engine Systems Inc.
Частный
ПромышленностьАэрокосмическая промышленность
Основан2012
Штаб-квартираЭдмонтон, Альберта, Канада
Ключевые люди
Прадип Дасс (президент)
ТоварыССТО движение системы, насосы, компрессоры, коробки передач, Двигатели с постоянными магнитами
Интернет сайтSpaceEngineSystems.com

Space Engine Systems Inc. (SES) канадец аэрокосмический компания во главе с Прадипом Дассом и находится в Эдмонтон, Альберта, Канада.[1] Основным направлением деятельности компании является разработка легкой многотопливной двигательной установки (DASS Engine) для питания многоразовой одноступенчатой ​​системы вывода на орбиту (ССТО ) и гиперзвуковой круизный автомобиль. Насосы, компрессоры, коробки передач, а также другие разрабатываемые соответствующие технологии интегрированы в основные научно-исследовательские проекты SES. SES сотрудничает с Университет Калгари изучать и развивать технологии в ключевых технических областях нанотехнологии и высокоскоростная аэродинамика.

История компании

Space Engines Systems Inc. была основана в 2012 году Прадипом Дассом и другими инвесторами для разработки двигателя DASS и связанных с ним технологий в аэрокосмическом секторе. Прадип Дасс участвовал в разработке двигателя более 20 лет. SES и Группа компаний CAN-K[2] работать вместе, чтобы внедрить новые насосы, компрессоры и системы редукторов в аэрокосмическую промышленность в качестве дополнительных приложений. 10 мая 2012 года SES публично объявила о запуске своей компании на Авиашоу в Фарнборо (9–15 июля 2012 г.).[3] 6 августа они объявили о своем участии в беспилотных системах AUVSI в Северной Америке.[4] SES часто посещает крупные международные выставки аэрокосмической отрасли, в том числе Парижское авиашоу в 2013, 2015 и 2017 годах и Авиашоу в Фарнборо в 2014 и 2016 гг.

Двигатель DASS

Концепция двигателя DASS GN 1

Двигатель DASS - это предварительно охлажденный комбинированный цикл движение концепция, которая может создавать тягу в широком диапазоне полета транспортного средства Числа Маха (отдыхать гиперзвуковой ). Производные двигателя могут быть использованы для приведения в движение ССТО автомобиль, дальний ракеты, и гиперзвуковой транспортный самолет. Двигатель разрабатывается с учетом гибкости для различных транспортных средств и профилей миссий. В концепции используются существующие аэрокосмические технологии, в том числе традиционные газовая турбина компоненты и новые разработки в нанотехнологии преодолеть некоторые ключевые технические препятствия, связанные с перегревом и хранением топлива. В скоростной полет, поступающий воздух имеет очень высокую динамическое давление и аэродинамическое замедление приводит к увеличению статическое давление и температура. Температура может превышать материальные пределы компрессор лезвия в обычном турбореактивный. Стратегия решения этой проблемы - разместить теплообменник после входа, чтобы снизить температуру газа перед механическим сжатием. Аналогичен турбореактивному двигателю с глубоким охлаждением[5] или двигатель сжиженного воздуха (КРУЖЕВО ), энергия, извлеченная из поступающего воздуха в двигателе DASS, добавляется обратно в систему ниже по потоку как явное тепло в потоке топлива.

Концепция двигателя DASS улучшает процесс теплообмена во многих отношениях. Поверхностные нанопокрытия[6] размещены на внутренних теплообменниках для улучшения конвективный теплообмен скорости, уменьшить массу теплообменника и уменьшить нежелательную аэродинамическую блокировку. Металлический наночастицы засеваются во всасываемый воздух из входной конус для дальнейшего улучшения теплопередачи. Частицы действуют как дополнительное топливо и способствуют работе устройств регулирования потока ниже по потоку. Известно, что металлическое топливо имеет желаемые свойства хранения по сравнению с водород и отлично плотности энергии в расчете на объем.[7] Сочетание водород и наночастицы Бор рассматриваются как топливо для двигателя.

Главное преимущество двигателя DASS перед обычным ракетные двигатели для высокоскоростного полета - использование атмосферного кислорода в его воздушно-дыхательном режиме. В удельный импульс (язр) воздушно-дыхательных двигателей начальство к ракетам по широкому спектру Числа Маха. Этот выигрыш может обеспечить большую массовую долю полезной нагрузки (например, 4% для NASP на LEO[8] против 2,6% для корабля "Союз-2" на НОО ). Выше язр связанных с воздушно-реактивными двигателями, является основной мотивацией для разработки сверхзвуковые прямоточные воздушно-реактивные двигатели внутреннего сгорания. Двигатели с воздушным дыханием обычно имеют более низкий тяговооруженность по сравнению с ракетами. Поэтому двигатель DASS будет интегрирован в автомобиль с подъемным кузовом. Для автомобиля SSTO уменьшенная масса автомобиля и увеличенная массовая доля полезной нагрузки приводят к снижению эксплуатационных расходов.[9] Что касается транспорта, то возможность путешествовать с гиперзвуковой скоростью резко сокращает время, необходимое для преодоления больших расстояний. Высота, на которой работают гиперзвуковые круизные аппараты, обычно намного выше, чем у обычных транспортеров (30 км для A2[10] против 13,1 км для A380 ). Более низкая плотность воздуха на этих больших высотах снижает общее лобовое сопротивление транспортного средства, что дополнительно повышает эффективность. Текущие исследования и разработки сосредоточены на работе двигателя на крейсерской скорости 5 Маха на высоте 30 км. Обратите внимание, что 30 км все еще значительно ниже того, что считается границей космоса (100 км ) и намного ниже, чем низкая околоземная орбита (~ 200 км). Поэтому для того, чтобы двигатель DASS мог работать за пределами заданных 30 км и условий эксплуатации 5 Махов, конструкция будет изменена. На больших высотах плотность воздуха уменьшается, и транспортное средство должно двигаться быстрее, чтобы добиться достаточного захвата массы на входе. На еще большей высоте двигатель DASS должен будет хранить на борту окислитель для использования с ракетный двигатель на своем пути потока. Цель состоит в достижении основного компонента орбитальная скорость при работе в режиме дыхания перед переходом в ракетный режим.

Детали двигателя

На малых скоростях полета двигатель DASS полагается исключительно на бортовой турбореактивный двигатель, работающий на обычном углеводородном топливе. Впускное устройство с изменяемой геометрией (заявка на патент РСТ) позволяет образовывать большие зазоры между теплообменником (который на данном этапе не работает), сводя к минимуму потери давления на впуске. В этом режиме байпас закрыт, и весь воздух проходит через сердечник турбореактивного двигателя. Выхлопное сопло (подана заявка на патент РСТ) сжимается в дозвуковом режиме для достижения оптимальной удельной тяги. Когда двигатель разгоняется до сверхзвуковых скоростей, сочлененные части всасываемого клапана направляют поток в теплообменник (заявка на патент РСТ подана). Жидкое водородное топливо проходит через теплообменник, понижая температуру воздуха перед сжатием двигателя. Часть воздуха проходит мимо активной зоны турбореактивного двигателя и смешивается с водородом, выходящим из теплообменника в секции дожигания. Обратите внимание, что величина теплопередачи связана с количеством водорода, доступного для сгорания в камере дожигания. Затем продукты сгорания расширяются через сверхзвуковое сопло с изменяемой геометрией. Двигатель будет спроектирован так, чтобы полностью потреблять воздух для оптимизации тяги. Уровень обхода изменяется на протяжении всего сверхзвукового режима полета. Двигатель может работать на скорости 4 Маха и обеспечивать тягу, превышающую тягу обычного ПВРД. При высоких числах Маха (~ 4,88) воздух не может охлаждаться ниже предела турбореактивного двигателя (1200К). В результате в основном турбореактивном двигателе не может происходить горение, и двигатель должен перейти в режим чистого ПВРД. Впускной патрубок с регулируемым впуском продолжает изгибаться (подана заявка на патент РСТ), чтобы полностью перекрыть доступ воздуха к турбореактивному двигателю, оптимизируя при этом соотношения впускных и выпускных площадей для ПВРД с использованием водорода. Двигатель по-прежнему обеспечивает повышение эффективности за счет охлаждающего воздействия теплообменника (хотя в этом режиме гораздо меньше). Скорость полета в терминале ограничена скоростью ПВРД, работающей на водороде.

Цели двигателей DASS GN X и DASS GN1 - обеспечить эффективную тягу от покоя до гиперзвуковых скоростей (M ~ 5) и больших высот (h ~ 30 км) с низким удельным расходом топлива на всей траектории полета, а также малая ракетная ступень для вывода аппарата на орбиту. Двигатель будет работать на нескольких видах топлива (водород, углеводороды и металлическое топливо). У каждого вида топлива есть свои преимущества. Углеводородное топливо обычно используется в турбореактивных / турбовентиляторных двигателях, которые считаются зрелой / традиционной технологией. Этот двигатель будет обеспечивать тягу на малых оборотах. Водород имеет большую теплоемкость (~ 14 кДж / кг · К),[11] так что это отличный радиатор для теплообменника (патент заявлен). Он также имеет лучшее содержание энергии на единицу массы из любого топлива и является легкой молекулой. В результате он может обеспечивать большие уровни тяги при низком удельном расходе топлива. Металлическое топливо имеет отличные свойства хранения, высокое содержание энергии на единицу объема и может способствовать конвективной теплопередаче. Он также имеет хорошие характеристики горения в наномасштабе.

Ключевые технологические компоненты DASS GN 1 и DASS GN X очень похожи. DASS GN1 предназначен исключительно для аэрокосмической промышленности, а DASS GN X предназначен только для космических приложений. Опытный образец двигателя планируется к наземным и летным испытаниям.

Сравнение двигателей

В таблице ниже показано сравнение двигателя DASS с более традиционными высокоскоростными двигателями (Ramjet) при двух числах Маха. Были рассмотрены два типа ПВРД. Первый Ramjet использует комбинацию топлива (керосин и водород) в тех же пропорциях, что и двигатель DASS. Второй Ramjet использует чистый водород. Понятно, что при меньшем числе Маха двигатель DASS обеспечивает более высокую удельную тягу. Это связано с более высоким давлением, которое может использовать турбореактивный двигатель. На скорости 4 Маха DASS GN1 работает аналогично ПВРД. На этой скорости двигатель DASS GN1, скорее всего, превратится в чистый ПВРД. Перечисленные технические характеристики не включают каких-либо преимуществ, которые можно было бы получить за счет передачи тепла на впускном конусе (подана заявка на патент РСТ) или за счет сжигания металлического топлива. Типичный удельный импульс ракеты составляет от 250 до 500 секунд.

Сравнение двигателей при Мах = 2
Двигатель (10 км)Удельная тяга (м / с)Удельный расход топлива (г / кНс)ТМаксимум/ ТопМаксимум/Поязр (s)
ДАСС GN14.2330.915.123.93299
Керосин / H2 Ramjet3.4138.415.16.02654
ЧАС2 Ramjet3.4428.515.66.03569
Сравнение двигателей при Мах = 4
Двигатель (28 км)Удельная тяга (м / с)Удельный расход топлива (г / кНс)ТМаксимум/ ТопМаксимум/Поязр (s)
ДАСС GN13.6730.017.82283410
Керосин / H2 Ramjet3.6430.117.8573383
ЧАС2 Ramjet3.6526.918.0573786

Наземный испытательный центр

Space Engine Systems разрабатывает наземный испытательный стенд, способный моделировать высокотемпературный входящий поток на больших высотах, связанный со сверхзвуковым полетом. Центр, получивший название испытательного центра для многотопливных реактивных двигателей, имеет модульную структуру и может быть легко адаптирован для многих приложений. В состав объекта входят:

• Система прямого подключения для подачи высокотемпературного воздушного потока к двигателю для имитации сверхзвукового воздушного потока со скоростью до 5 Махов.

• Топливная система для подачи в двигатель нескольких видов топлива, включая жидкий водород, реактивное топливо и твердые наночастицы.

• Пакет измерений, позволяющий собирать и анализировать данные всего протестированного оборудования.

Стенду для испытаний многотопливных реактивных двигателей можно использовать, чтобы лучше понять:

• Предварительно охлажденная силовая установка комбинированного цикла

• Температурные ограничения различных материалов / компонентов газотурбинного двигателя.

• Многотопливное сжигание (обычное, твердое и ракетное топливо)

• Многотопливные форсажные камеры

• Режимы запуска двигателя на большой высоте

• Тяговые характеристики на большой высоте

• Контроль коэффициента байпаса

• Стенд для испытания двигателей и монтажные механизмы.

• Характеристики потока

Внедрение нанотехнологий

Одной из основных задач является разработка метода введения наночастиц таким образом, чтобы способствовать гомогенному смешиванию. Во-вторых, охарактеризуйте свойства теплопередачи текучей смеси.

Требуется лишь небольшое количество наночастиц для обеспечения необходимой двигателю передачи тепла. Было обнаружено, что даже при очень малых массовых нагрузках (0,1%) может быть достигнут большой выигрыш в теплопередаче (40%).[12][13] Следовательно, возможно использовать имеющийся водород в качестве носителя для частиц. Необходимо следить за тем, чтобы содержание водорода оставалось ниже предела воспламеняемости обедненной смеси, чтобы предотвратить неконтролируемое воспламенение до достижения камеры сгорания. Смесь наночастиц и водорода с массовым соотношением 1: 1 будет впрыскиваться в набегающий поток для достижения 0,1% массовой загрузки наночастиц и водорода в воздухе. Впрыскиваемая смесь охлаждает набегающий поток воздуха так, что достигается увеличение давления торможения по мере замедления потока внутри двигателя. Мало того, что передача тепла происходит от частиц к воздуху, передача тепла также происходит вдоль поверхности всасывающего конуса.

Некоторые наночастицы превосходят водород (на единицу объема) и углеводороды (на единицу массы и объема) с точки зрения хранения энергии. Два важных показателя - это энергия на единицу массы и энергия на единицу объема. Транспортные средства обычно проектируются из расчета на единицу объема (из соображений сопротивления).[14] В расчете на единицу объема бор превосходит как водород, так и углеводороды. В пересчете на единицу массы бор превосходит углеводородное топливо, но уступает водороду. Таким образом, двигатели DASS будут использовать превосходные свойства бора наряду с углеводородным и водородным топливом.

Теплообменник

Предлагаемая конструкция теплообменника представляет собой нанопористую пену. Пена укрепит нанопористую структуру, максимизируя теплопередачу и минимизируя падение давления. Это в сочетании с дополнительным эффектом диспергирования наночастиц должно позволить использовать теплообменник меньшего размера.

Исследование

Основные технологические препятствия для двигателя DASS связаны с внедрением нанотехнологий в компоненты двигателя. В сотрудничестве с Университетом Калгари SES оценит возможность использования поверхностных нанопокрытий на теплообменниках, изучит влияние суспензий наночастиц на конвективную теплопередачу и оценит возможность использования металлических наночастиц в качестве дополнительного топлива. Правительство Канады (через финансирование NSERC) также является партнером в проекте DASS Engine.

Поверхностные нанопокрытия теплообменников

В научной литературе было показано, что покрытие твердого тела наночастицами увеличивает скорость конвективной теплопередачи от твердых тел.[15] Было предложено несколько механизмов, включая увеличение общей площади поверхности, связанной с нанопокрытием.[16] По сути, возможно, что наночастицы действуют как мелкие ребра, которые, как известно, повышают эффективность теплообменника.[17] Поскольку эти наноразмерные ребра малы, перепад давления также намного меньше, чем по сравнению с потерями давления в крупномасштабном ребре. Это снижает требования к работе по перекачиванию или сжатию жидкости, когда она проходит через теплообменник. Наличие шероховатости поверхности, связанной с отложениями наночастиц, также способствует перемешиванию, что напрямую влияет на конвективную теплопередачу.

Суспензии наночастиц для передачи тепла

Суспензия большого количества мелких твердых частиц в газе приводит к большому отношению площади поверхности к объему. Исследования в научной литературе показали, что существует уникальное взаимодействие между свойствами твердых наночастиц и жидкостью-носителем.[18][19] Конечным результатом, который не наблюдается с частицами большего размера (например, микронами), является изменение свойств объемной жидкости. Например, Ли и др. (1999) и Wang et al. (1999) экспериментально показали, что суспензия частиц CuO диаметром 24 и 23 нм в воде увеличивает теплопроводность воды на 34%. SES будет исследовать потенциальное увеличение теплопроводности газов с взвешенными наночастицами.

Сжигание наночастиц

Металлические порошки были рассмотрены в качестве альтернативного топлива для дыхательных двигателей из-за их большого содержания энергии на единицу массы и на единицу объема по сравнению с жидким углеводородным топливом.[7] Хотя водород имеет большее энергосодержание на единицу массы, чем металлическое топливо, водородное топливо необходимо хранить при очень высоких давлениях, криогенно охлаждать или абсорбировать другими материалами, чтобы накопить практическое количество массы.[20] Напротив, металлические частицы можно эффективно и безопасно упаковывать и хранить. Поскольку общая скорость сгорания пропорциональна площади поверхности, использование частиц меньшего размера может улучшить сгорание и повысить производительность двигателя.[21] Было обнаружено, что наночастицы обычно имеют более низкую температуру плавления, воспламеняются при более низких температурах и имеют более высокую скорость горения, чем частицы большего размера.[22] Поэтому в новой конструкции авиадвигателя SES рассматривается использование топлива из твердых частиц или добавки из твердых частиц к обычному топливу.

Специализированные продукты и услуги

Сотрудничая с группой компаний CAN-K, SES предлагает широкий выбор компонентов и услуг для аэрокосмической отрасли. Все производство осуществляется в соответствии со стандартами управления качеством AS 9100 C и ISO 9001. Продукция включает:

  • Специализированная планетарная коробка передач (сверхлегкая), способная работать при температуре окружающей среды до 420 градусов Цельсия (испытана в течение 45 минут при полной нагрузке и полном откачке масла с помощью вакуума). Отсутствие металлургических или механических повреждений;
  • Высокоскоростной редуктор для газотурбинных двигателей;
  • Эффективный и легкий теплообменник;
  • Жидкостный / многофазный двухвинтовой и трехвинтовой насос для аэрокосмической и космической техники;
  • Гидравлические многоканальные насосы для автоматического переключателя крутящего момента или других аэрокосмических приложений;
  • Системы привода со сложными шарнирами равных угловых скоростей (ШРУС);
  • Нестандартные подшипники (гидродинамические и гидростатические);
  • Подшипники для высоких температур;
  • Вакуумное оперативное оборудование (индивидуальное исполнение);
  • Двойная роторная система, вращающаяся в противоположных направлениях, адаптированная для вертолетов
  • Система двигателя с постоянными магнитами, адаптируемая к требованиям аэрокосмической и космической техники;
  • Изготовленные на заказ легкие и жаропрочные материалы;
  • Сборочные узлы аэрокосмической и космической техники по индивидуальному заказу заказчика;
  • DASS Lander для космического применения; и
  • Нано-масло для длительного использования.

Рекомендации

  1. ^ Главная страница Space Engine Systems Inc.
  2. ^ Группа компаний CAN-K Главная страница
  3. ^ [1]
  4. ^ [2]
  5. ^ В. Балепин; Дж. Чиприано и М. Бертус (1996). «Комбинированная силовая установка для ракеты ССТО - от эскизного проекта до демонстратора ТРД с глубоким охлаждением». Комбинированная силовая установка для ракеты ССТО - От концептуального проекта до демонстрации ТРД с глубоким охлаждением. Конференция по космическим самолетам и гиперзвуковым системам и технологиям, AIAA-96-4497, Норфолк, Вирджиния. Дои:10.2514/6.1996-4497.
  6. ^ Махлуф, Абдель Салам Хамди; Тигиняну, Ион (2011). Нанопокрытия и ультратонкие пленки: технологии и применение. Woohead Publishing в материалах.
  7. ^ а б С. Горошин; А. Хиггинс и М. Камель (2001). «Порошки металлов как топливо для гиперзвуковых ПВРД». 37-я Совместная двигательная конференция и выставка. 37-я Совместная конференция и выставка по двигательным установкам, AIAA-2001-3919, Солт-Лейк-Сити, Юта. Дои:10.2514/6.2001-3919.
  8. ^ Heiser, W .; Пратт, Д. (1994). Гиперзвуковой воздушный движитель. Образовательная серия AIAA. С. 20–21.
  9. ^ В. Хайзер (2010). «Сравнение одноступенчатых орбитальных систем с двухступенчатым выводом на орбиту». Журнал AIAA по космическим кораблям и ракетам, Vol. 47, № 1, стр. 222-223. Дои:10.2514/6.2001-3919. Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)
  10. ^ Ф. Дживрадж; Р. Варвилл; А. Бонд и Г. Паниагуа (2007). "Двигатель Scimitar с предварительным охлаждением, Мах 5" (PDF). 2-я Европейская конференция по аэрокосмическим наукам (EUCASS). Получено 2014-07-01.
  11. ^ «Водород - удельная теплоемкость». Инженерный инструмент. Получено 27 апреля 2016.
  12. ^ Триведи, Маулин; Йохансен, Крейг (2015). «Принудительная конвективная теплопередача в наноаэрозоле Al2O3-воздух» (PDF). 13-я Международная конференция по преобразованию энергии: 3799. Дои:10.2514/6.2015-3799. ISBN  978-1-62410-376-6.
  13. ^ Триведи, Маулин; Джаганнатан, Рангеш; Йохансен, Крейг (17 июля 2016 г.). «Улучшение конвективного теплообмена с помощью наноаэрозолей». Международный журнал тепломассообмена. 102: 1180–1189. Дои:10.1016 / j.ijheatmasstransfer.2016.07.017.
  14. ^ Хайзер, Уильям; Пратт, Дэвид (1994). Гиперзвуковой воздушный движитель (Иллюстрированный ред.). AIAA. п. 587. ISBN  1-56347-035-7.
  15. ^ Р. Сентилкумар; А. Нандхакумар и С. Прабху (2013). «Анализ естественной конвективной теплопередачи алюминиевых ребер с нанопокрытием методом Тагучи». Тепло- и массообмен Vol. 49, с. 55-64. Отсутствует или пусто | url = (помощь)
  16. ^ С. Кумар; С. Суреш и К. Раджив (2012). «Улучшение теплопередачи за счет наноструктурированного покрытия углеродных нанотрубок». Международный журнал научных и инженерных исследований Vol. 3. С. 1-5. Отсутствует или пусто | url = (помощь)
  17. ^ Incropera, F .; ДеВитт, Д. (1996). Основы тепломассообмена 4-е изд.. Wiley and Sons.
  18. ^ С. Ли; С. Чой и Дж. Истман (1999). «Измерение теплопроводности жидкостей, содержащих наночастицы оксидов». Пер. ASME J. Теплопередача, Vol. 121, стр. 280-289. Отсутствует или пусто | url = (помощь)
  19. ^ X. Wang; X. Xu & S. Choi (1999). «Теплопроводность смеси наночастиц и жидкости». J., Thermophys. Теплообмен, Vol. 13. С. 474-480. Отсутствует или пусто | url = (помощь)
  20. ^ С. Сатьяпал; Я. Петрович; C. Читать; Дж. Томас и Дж. Ордас (2007). «Национальный проект по хранению водорода Министерства энергетики США: прогресс в достижении требований к водородным транспортным средствам». Катализ сегодня, Vol. 120, стр. 246-256. Отсутствует или пусто | url = (помощь)
  21. ^ Р.А. Йеттер; Г.А. Риша и С.Ф. Сын (2009). «Горение металлических частиц и нанотехнологии». Труды Института горения. 32. С. 1819–1838. Отсутствует или пусто | url = (помощь)
  22. ^ Ю. Хуанг; Г. Риша; В. Янг и Р. Йеттер (2009). «Влияние размера частиц на горение пыли алюминиевых частиц в воздухе». Горение и пламя, Vol. 156. С. 5-13. Отсутствует или пусто | url = (помощь)