Mesin SABRE, Pesawat Konvensional yang Dapat Keluar Angkasa

prototipe Pesawat SABRE yang di simpan di musium sains

SABRE berada di jantung mesin roket yang dirancang untuk pesawat konvensional langsung ke angkasa (satu tahap ke orbit) untuk memungkinkan akses ruang efektif yang handal, responsif dan biaya, dan dalam konfigurasi yang berbeda untuk memungkinkan pesawat melakukan penerbangan pada kecepatan tinggi (lima kali kecepatan suara) di atmosfer.

Di masa lalu, upaya untuk merancang satu tahap ke orbit sistem propulsi telah gagal sebagian besar disebabkan oleh berat suatu pengoksidasi on-board seperti oksigen cair, yang dibutuhkan oleh mesin roket konvensional. Salah satu solusi yang mungkin untuk mengurangi jumlah oksidator on-board yang dibutuhkan adalah dengan menggunakan oksigen yang sudah ada di atmosfer dalam proses pembakaran seperti mesin jet biasa. Ini penghematan berat dan akan memungkinkan transisi tunggal dari menggunakan kendaraan peluncur multi-tahap untuk multi-stage penggunaan kendaraan peluncur tunggal.


SABRE adalah mesin pertama yang mencapai tujuan ini dengan beroperasi dalam dua mode roket: awalnya dalam mode bernapas dan kemudian dalam mode roket konvensional:

1. Modus menghirup udara - mesin roket menggunakan udara atmosfer sebagai sumber oksigen (seperti dalam mesin jet yang khas) untuk membakar dengan bahan bakar hidrogen cair dalam ruang pembakaran roket

2. Modus roket konvensional - mesin berada di atas atmosfer dan transisi menggunakan konvensional on-board oksigen cair.

Dalam kedua modus dorong yang dihasilkan menggunakan ruang pembakaran roket dan nozel. Hal ini dimungkinkan melalui sintesis dari unsur roket dan teknologi turbin gas.

Pendekatan ini memungkinkan kendaraan bertenaga SABRE untuk menyimpan membawa lebih dari 250 ton oksidan on-board dalam perjalanan mereka ke orbit, dan menghilangkan kebutuhan untuk tahap besar, menggunakanya pertama yang disingkirkan setelah oksidan yang dikandungnya telah habis, yang memungkinkan pengembangan pertama sepenuhnya kendaraan akses ruang dapat digunakan kembali seperti Skylon.

Sementara ini terdengar sederhana, masalahnya adalah bahwa dalam modus bernapas, udara harus dikompresi menjadi sekitar 140 atmosfer sebelum injeksi ke dalam ruang pembakaran yang menimbulkan suhu sangat tinggi sehingga akan meleleh setiap bahan yang diketahui. SABRE menghindari ini dengan terlebih dahulu memakai pendinginan udara untuk di gunakan  sebagai penukar panas Pra-dingin (precooler) sampai hampir cair. Kemudian kompresor turbo yang relatif konvensional menggunakan teknologi mesin jet dapat digunakan untuk memampatkan udara ke tekanan yang dibutuhkan.

Ini berarti ketika SABRE berada di atmosfer bumi mesin bisa menggunakan udara untuk membakar dengan bahan bakar hidrogen daripada oksigen cair seperti yang digunakan ketika dalam modus roket, dan  memberikan 8 kali lipat perbaikan dalam konsumsi propelan. Modus bernapas dapat digunakan sampai mesin telah mencapai lebih dari 5 kali kecepatan suara dan ketinggian 25 kilometer yang merupakan 20% dari kecepatan dan 20% dari ketinggian yang dibutuhkan untuk mencapai orbit. Sisanya 80% dapat dicapai dengan menggunakan mesin SABRE dalam mode roket.

Untuk akses ruang, dorong selama bernapas pendakian adalah variabel tetapi sekitar 200 ton per mesin. Selama pendakian roket ini meningkat menjadi 300 ton tetapi kemudian mencekik bawah menuju akhir pendakian untuk membatasi percepatan longitudinal untuk 3.0g.


Evolusi Engine Siklus SABRE

Desain SABRE berevolusi dari Mesin Siklus Liquid-Air (LACE) yang memiliki ruang pembakaran roket tunggal dengan pompa terkait, pra-burner dan nosel yang digunakan dalam kedua mode. Mesin LACE menggunakan kapasitas pendinginan kriogenik bahan bakar hidrogen cair untuk mencairkan udara yang masuk sebelum memompa. Sayangnya, mencairkan udara dalam jenis siklus memerlukan aliran bahan bakar yang sangat tinggi.

Ini kesalahan yang harus dihindari di mesin SABRE, yang hanya mendingin udara untuk batas uap dan menghindari pencairan, sehingga mengurangi kebutuhan pendinginan dan aliran bahan bakar hidrogen cair. Hal ini juga memungkinkan penggunaan kompresor turbo yang relatif konvensional dan menghindari kebutuhan untuk kondensor udara.

Mesin SABRE pada dasarnya adalah sebuah siklus mesin roket tertutup dengan tambahan pre-cooled turbo kompresor untuk memberikan tekanan pasokan udara yang tinggi ke ruang bakar. Hal ini memungkinkan operasi dari nol kecepatan maju di landasan pacu dan hingga Mach 5,5 dalam mode bernapas selama pendakian. Sebagai kerapatan udara jatuh dengan ketinggian mesin akhirnya beralih ke roket murni mendorong kendaraannya (misalnya Skylon) ke kecepatan orbital (sekitar Mach 25).

Diagram menunjukkan dalam bentuk yang disederhanakan siklus SABRE lengkap. Udara dari intake (biru) ditampilkan akan meskipun Pra-cooler dan ke kompresor. Pendinginan dicapai dengan helium (hijau) yang telah dirinya didinginkan oleh HX4 menggunakan bahan bakar hidrogen cair (ungu). Setelah itu telah meninggalkan Pra-pendingin helium selanjutnya dipanaskan di HX3 oleh produk-produk dari Pra-burner untuk memberikan energi yang cukup untuk menggerakkan turbin dan hidrogen cair (LH2) pompa.

Dalam mode roket HX3 menyediakan semua energi untuk menggerakkan pompa LH2 dan oksigen cair (LOX) pompa dalam mesin. Menggunakan kembali panas dengan cara ini meningkatkan efisiensi mesin.

Sebagai diagram siklus, menggambarkan penggunaan penukar panas ringan yang diperlukan dalam mesin SABRE dan merupakan inovasi teknologi kunci untuk memungkinkan mesin SABRE untuk dikembangkan.

Animasi di bawah ini menunjukkan siklus SABRE dalam bentuk disederhanakan.


Anatomy mesin SABRE