Scramjet tehnologija - kako je nastal hiperzvočni motor

2024 Avtor: Seth Attwood | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2023-12-16 16:16

Bojna raketa "zemlja-zrak" je bila videti nekoliko nenavadna - njen nos je bil podaljšan s kovinskim stožcem. 28. novembra 1991 je vzletel s poligona blizu kozmodroma Bajkonur in se visoko nad tlemi samouničil. Čeprav raketa ni sestrelila nobenega zračnega predmeta, je bil cilj izstrelitve dosežen. Prvič na svetu je bil v letu preizkušen hiperzvočni ramjet motor (scramjet motor).

Scramjet motor ali, kot pravijo, "hiperzvočni direktni tok" bo omogočil letenje iz Moskve v New York v 2-3 urah in zapustil krilati stroj iz ozračja v vesolje. Vesoljsko letalo ne bo potrebovalo spodbujevalnega letala, kot za Zenger (glej TM, št. 1, 1991), ali nosilne rakete, kot za shuttle in Buran (glej TM št. 4, 1989), - dostava tovora v orbito bo stalo skoraj desetkrat ceneje. Na Zahodu bodo takšni testi potekali ne prej kot čez tri leta …

Scramjet motor je sposoben pospešiti letalo na 15 - 25M (M je Machovo število, v tem primeru hitrost zvoka v zraku), medtem ko so najmočnejši turboreaktivni motorji, ki so opremljeni s sodobnimi civilnimi in vojaškimi krilnimi letali., so le do 3,5 milijona. Ne deluje hitreje - temperatura zraka, ko je pretok v dovodu zraka upočasnjen, naraste toliko, da ga turbokompresorska enota ne more stisniti in dovajati v zgorevalno komoro (CC). Hladilni sistem in kompresor je seveda mogoče okrepiti, a se bodo potem njune mere in teža tako povečale, da hiperzvočne hitrosti ne bodo prišle v poštev – spustiti se s tal.

Ramjet motor deluje brez kompresorja - zrak pred kompresorsko postajo je stisnjen zaradi njegovega hitrega tlaka (slika 1). Ostalo je načeloma enako kot pri turboreaktivnem motorju - produkti zgorevanja, ki uhajajo skozi šobo, pospešijo aparat.

Idejo o ramjet motorju, takrat še nehiperzvočnem, je leta 1907 predstavil francoski inženir Rene Laurent. A pravi "naprej tok" so zgradili veliko kasneje. Tu so prednjačili sovjetski strokovnjaki.

Najprej je leta 1929 eden od učencev N. E. Žukovskega, B. S. Stechkin (kasneje akademik), ustvaril teorijo zračnega motorja. In nato, štiri leta pozneje, pod vodstvom oblikovalca Yu. A. Pobedonostseva v GIRD (Skupina za študij reaktivnega pogona), so po poskusih na stojnici ramjet prvič poslali v let.

Motor je bil nameščen v lupini 76-mm topa in je streljal iz cevi z nadzvočno hitrostjo 588 m / s. Testi so potekali dve leti. Izstrelki z ramjet motorjem so razvili več kot 2 milijona - niti ena naprava na svetu ni letela hitreje. Hkrati so Girdoviti predlagali, zgradili in preizkusili model pulzirajočega ramjetnega motorja - njegov dovod zraka se je občasno odpiral in zapiral, zaradi česar je zgorevanje v zgorevalni komori utripalo. Podobne motorje so kasneje uporabljali v Nemčiji na raketah FAU-1.

Prve velike ramjet motorje sta ponovno ustvarila sovjetska oblikovalca I. A. Merkulov leta 1939 (podzvočni ramjet motor) in M. M. Bondarjuk leta 1944 (nadzvočni). Od 40. let prejšnjega stoletja se je na Centralnem inštitutu za letalske motorje (CIAM) začelo delo na "neposrednem toku".

Nekatere vrste letal, vključno z raketami, so bile opremljene z nadzvočnimi ramjet motorji. Vendar pa je že v 50-ih letih postalo jasno, da je ramjet neučinkovit pri M številkah, ki presegajo 6 - 7. Spet, tako kot pri turboreaktivnem motorju, je zrak, ki je bil zaviran pred kompresorsko postajo, vanj pregret. Tega ni bilo smiselno kompenzirati s povečanjem mase in dimenzij ramjet motorja. Poleg tega se pri visokih temperaturah molekule produktov zgorevanja začnejo disociirati in absorbirajo energijo, namenjeno ustvarjanju potiska.

Takrat je leta 1957 E. S. Shchetinkov, slavni znanstvenik, udeleženec prvih letnih preizkusov ramjet motorja, izumil hiperzvočni motor. Leto pozneje so se na Zahodu pojavile publikacije o podobnih dogodkih. Scramjet zgorevalna komora se začne skoraj takoj za dovodom zraka, nato pa gladko prehaja v ekspanzijsko šobo (slika 2). Čeprav je zrak na vhodu vanj upočasnjen, se za razliko od prejšnjih motorjev premakne do kompresorske postaje ali bolje rečeno, hiti z nadzvočno hitrostjo. Zato sta njegov pritisk na stene komore in temperatura precej nižja kot pri ramjet motorju.

Malo kasneje je bil predlagan scramjet motor z zunanjim zgorevanjem (slika 3) V letalu s takšnim motorjem bo gorivo gorelo neposredno pod trupom, ki bo služil kot del odprte kompresorske postaje. Seveda bo tlak v območju zgorevanja manjši kot v običajni zgorevalni komori - potisk motorja se bo nekoliko zmanjšal. Toda izkazalo se bo povečanje teže - motor se bo znebil masivne zunanje stene kompresorske postaje in dela hladilnega sistema. Res je, zanesljiv "odprti neposredni tok" še ni bil ustvarjen - njegova najboljša ura bo verjetno prišla sredi XXI stoletja.

Pa se vrnimo k scramjet motorju, ki so ga preizkusili na predvečer lanske zime. Za gorivo je bil tekoči vodik, shranjen v rezervoarju pri temperaturi okoli 20 K (- 253 ° C). Nadzvočno izgorevanje je bilo morda najtežji problem. Ali bo vodik enakomerno razporejen po delu komore? Bo imel čas, da popolnoma izgore? Kako organizirati avtomatski nadzor zgorevanja? - senzorjev ne morete namestiti v komoro, se bodo stopili.

Niti matematično modeliranje na super zmogljivih računalnikih niti testi na klopi niso dali izčrpnih odgovorov na številna vprašanja. Mimogrede, za simulacijo zračnega toka, na primer pri 8M, stojalo zahteva pritisk na stotine atmosfer in temperaturo približno 2500 K - tekoča kovina v vroči odprtini peči je veliko "hladnejša". Pri še višjih hitrostih je zmogljivost motorja in letala mogoče preveriti le med letom.

Tako pri nas kot v tujini se že dolgo razmišlja. Že v 60. letih so Združene države pripravljale teste scramjet motorja na hitrem raketnem letalu X-15, vendar očitno niso nikoli potekali.

Domači eksperimentalni scramjet motor je bil izdelan v dvojnem načinu - pri hitrosti leta, ki je presegala 3M, je deloval kot navaden "neposredni tok", po 5 - 6M - kot hiperzvočni. Za to so bili spremenjeni kraji dovoda goriva v kompresorsko postajo. Protiletalska raketa, ki se umika iz uporabe, je postala pospeševalnik motorja in nosilec hipersoničnega letečega laboratorija (HLL). GLL, ki vključuje krmilne sisteme, meritve in komunikacijo s tlemi, rezervoar za vodik in gorivne enote, je bil privezan v oddelke druge stopnje, kjer je po odstranitvi bojne glave glavni motor (LRE) z gorivom tanki so ostali. Prva stopnja - ojačevalniki prahu, - ko je raketa razpršila od začetka, se je po nekaj sekundah ločila.

Preizkusi na mizi in priprave na let so bili izvedeni na Centralnem inštitutu za letalske motorje PI Baranov, skupaj z letalskimi silami, konstruktivnim birojem za strojegradnjo Fakel, ki je svojo raketo spremenil v leteči laboratorij, konstruktivnim birojem Sojuz v Tujevu in oblikovalski biro Temp v Moskvi, ki je izdelal motor, regulator goriva in druge organizacije. Program so nadzirali znani letalski strokovnjaki R. I. Kurziner, D. A. Ogorodnikov in V. A. Sosunov.

Za podporo leta je CIAM ustvaril mobilni kompleks za oskrbo s tekočim vodikom in sistem za oskrbo s tekočim vodikom. Zdaj, ko tekoči vodik velja za eno najbolj obetavnih goriv, so izkušnje z ravnanjem z njim, ki so si jih nabrali v CIAM, lahko koristne mnogim.

… Raketa je izstrelila pozno zvečer, bila je že skoraj tema. Nekaj trenutkov pozneje je nosilec »storžka« izginil v nizkih oblakih. Zavladala je tišina, ki je bila v primerjavi s prvotnim ropotom nepričakovana. Preizkuševalci, ki so spremljali štart, so si celo razmišljali: ali je šlo res vse narobe? Ne, aparat je nadaljeval po predvideni poti. V 38. sekundi, ko je hitrost dosegla 3,5M, se je motor zagnal, vodik je začel pritekati v CC.

Toda 62. se je res zgodilo nepričakovano: sprožila se je samodejna zaustavitev oskrbe z gorivom - motor scramjet se je ugasnil. Nato se je približno ob 195. sekundi samodejno spet zagnal in deloval do 200. … Prej je bil določen kot zadnja sekunda leta. V tem trenutku se je raketa, medtem ko je bila še nad ozemljem testnega mesta, samouničila.

Največja hitrost je bila 6200 km / h (nekaj več kot 5,2M). Delovanje motorja in njegovih sistemov je spremljalo 250 vgrajenih senzorjev. Meritve so bile prenesene z radijsko telemetrijo na tla.

Vse informacije še niso obdelane, podrobnejša zgodba o letu pa je preuranjena. A že zdaj je jasno, da bodo piloti in kozmonavti čez nekaj desetletij vozili "hiperzvočni tok naprej".

Od urednika. Leta 1995 ali naslednjih nekaj let so načrtovani letni preizkusi scramjet motorjev na letalu X-30 v ZDA in na Hytexu v Nemčiji. Naši strokovnjaki bi lahko v bližnji prihodnosti preizkusili "neposredni tok" s hitrostjo več kot 10M na močnih raketah, ki jih zdaj umikajo iz uporabe. Res je, pri njih prevladuje nerešen problem. Ne znanstveno ali tehnično. CIAM nima denarja. Niti za napol beraške plače zaposlenih niso na voljo.

Kaj je naslednje? Zdaj so na svetu le štiri države, ki imajo celoten cikel gradnje letalskih motorjev - od temeljnih raziskav do proizvodnje serijskih izdelkov. To so ZDA, Anglija, Francija in za zdaj Rusija. Tako jih v prihodnje ne bi bilo več – trije.

Američani zdaj vlagajo na stotine milijonov dolarjev v program scramjet …