Tehnologia Scramjet - cum a fost creat un motor hipersonic

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Modificat ultima dată: 2023-12-16 16:15

Racheta de luptă „sol-aer” arăta oarecum neobișnuit - nasul era prelungit de un con de metal. Pe 28 noiembrie 1991, a decolat de pe un loc de testare din apropierea cosmodromului Baikonur și s-a autodistrus la înălțimea solului. Deși racheta nu a doborât niciun obiect aerian, ținta de lansare a fost atinsă. Pentru prima dată în lume, un motor hipersonic ramjet (motor scramjet) a fost testat în zbor.

Motorul scramjet, sau, după cum se spune, „flux direct hipersonic” va permite să zboare de la Moscova la New York în 2 - 3 ore, să părăsească mașina înaripată din atmosferă în spațiu. Un avion aerospațial nu va avea nevoie de un avion de propulsie, ca pentru Zenger (vezi TM, No. 1, 1991), sau de un vehicul de lansare, ca pentru navete și Buran (vezi TM No. 4, 1989), - livrarea mărfurilor pe orbită va costa de aproape zece ori mai ieftin. În Occident, astfel de teste vor avea loc nu mai devreme de trei ani…

Motorul scramjet este capabil să accelereze aeronava la 15 - 25M (M este numărul Mach, în acest caz, viteza sunetului în aer), în timp ce cele mai puternice motoare cu turboreacție, care sunt echipate cu avioane moderne civile și militare cu aripi., sunt doar până la 3,5 milioane. Nu funcționează mai repede - temperatura aerului, atunci când debitul în admisia de aer este încetinit, crește atât de mult încât unitatea turbocompresorului nu este capabil să-l comprima și să-l alimenteze în camera de ardere (CC). Este posibil, desigur, să se întărească sistemul de răcire și compresorul, dar apoi dimensiunile și greutatea lor vor crește atât de mult încât vitezele hipersonice vor fi excluse - să coboare de la sol.

Un motor ramjet funcționează fără compresor - aerul din fața stației de compresor este comprimat datorită presiunii sale de mare viteză (Fig. 1). Restul, în principiu, este același ca pentru un turboreactor - produsele de ardere, care scapă prin duză, accelerează aparatul.

Ideea unui motor ramjet, pe atunci încă nehipersonic, a fost propusă în 1907 de inginerul francez Rene Laurent. Dar au construit un adevărat „flux înainte” mult mai târziu. Aici specialiştii sovietici erau în frunte.

Mai întâi, în 1929, unul dintre studenții lui N. E. Jukovsky, B. S. Stechkin (mai târziu un academician), a creat teoria unui motor cu reacție de aer. Și apoi, patru ani mai târziu, sub conducerea designerului Yu. A. Pobedonostsev în GIRD (Grupul pentru Studiul Propulsiunii Jet), după experimente la stand, ramjet-ul a fost trimis pentru prima dată în zbor.

Motorul a fost găzduit în carcasa unui tun de 76 mm și a tras din țeavă cu o viteză supersonică de 588 m / s. Testele au durat doi ani. Proiectilele cu un motor ramjet au dezvoltat mai mult de 2M - nici un singur dispozitiv din lume nu zbura mai repede la acel moment. În același timp, Girdoviții au propus, construit și testat un model de motor ramjet pulsat - admisia sa de aer se deschidea și se închidea periodic, drept urmare arderea în camera de ardere a pulsat. Motoare similare au fost folosite ulterior în Germania pe rachetele FAU-1.

Primele motoare ramjet mari au fost create din nou de designerii sovietici I. A. Merkulov în 1939 (motor subsonic ramjet) și M. M. Bondaryuk în 1944 (supersonic). Începând cu anii’40, la Institutul Central al Motoarelor de Aviație (CIAM) au început lucrările privind „fluxul direct”.

Unele tipuri de aeronave, inclusiv rachete, erau echipate cu motoare supersonice ramjet. Cu toate acestea, în anii 50 a devenit clar că, cu numerele M care depășesc 6 - 7, ramjet-ul este ineficient. Din nou, ca și în cazul motorului cu turboreacție, aerul care a fost frânat în fața stației de compresor a intrat în el prea fierbinte. Nu avea sens să compensem acest lucru prin creșterea masei și dimensiunilor motorului ramjet. În plus, la temperaturi ridicate, moleculele de produse de combustie încep să se disocieze, absorbind energia menită să creeze forță.

Atunci, în 1957, E. S. Shchetinkov, un om de știință celebru, participant la primele teste de zbor ale unui motor ramjet, a inventat un motor hipersonic. Un an mai târziu, în Occident au apărut publicații despre evoluții similare. Camera de ardere scramjet începe aproape imediat în spatele admisiei de aer, apoi trece lin într-o duză de expansiune (Fig. 2). Deși aerul este încetinit la intrarea în el, spre deosebire de motoarele anterioare, acesta se deplasează la stația de compresoare sau, mai degrabă, se repezi cu viteză supersonică. Prin urmare, presiunea sa pe pereții camerei și temperatura sunt mult mai scăzute decât într-un motor ramjet.

Puțin mai târziu, a fost propus un motor scramjet cu ardere externă (Fig. 3) Într-o aeronavă cu un astfel de motor, combustibilul va arde direct sub fuzelaj, care va servi ca parte a stației de compresoare deschise. Desigur, presiunea în zona de ardere va fi mai mică decât într-o cameră de ardere convențională - tracțiunea motorului va scădea ușor. Dar creșterea în greutate se va dovedi - motorul va scăpa de peretele exterior masiv al stației de compresor și de o parte a sistemului de răcire. Adevărat, un „flux direct deschis” de încredere nu a fost încă creat - cea mai bună oră va veni probabil la mijlocul secolului XXI.

Să revenim, însă, la motorul scramjet, care a fost testat în ajunul iernii trecute. A fost alimentat cu hidrogen lichid depozitat într-un rezervor la o temperatură de aproximativ 20 K (- 253 ° C). Arderea supersonică a fost poate cea mai dificilă problemă. Hidrogenul va fi distribuit uniform pe secțiunea camerei? Va avea timp să se consume complet? Cum se organizează controlul automat al arderii? - nu poti instala senzori intr-o camera, se vor topi.

Nici modelarea matematică pe computere super-puternice, nici testele pe banc nu au oferit răspunsuri cuprinzătoare la multe întrebări. Apropo, pentru a simula un flux de aer, de exemplu, la 8M, suportul necesită o presiune de sute de atmosfere și o temperatură de aproximativ 2500 K - metalul lichid într-un cuptor fierbinte cu vatră deschisă este mult mai „rece”. La viteze și mai mari, performanța motorului și a aeronavei poate fi verificată doar în zbor.

Se gândește de multă vreme atât la noi, cât și în străinătate. În anii '60, Statele Unite pregăteau teste ale unui motor scramjet pe o rachetă de mare viteză X-15, însă, se pare, nu au avut loc niciodată.

Motorul scramjet experimental intern a fost realizat în mod dublu - la o viteză de zbor care depășește 3M, a funcționat ca un „flux direct obișnuit”, iar după 5 - 6M - ca unul hipersonic. Pentru aceasta s-au schimbat locurile de alimentare cu combustibil a statiei de compresoare. Racheta antiaeriană, care este scoasă din serviciu, a devenit acceleratorul motorului și purtătorul laboratorului de zbor hipersonic (HLL). GLL, care include sisteme de control, măsurători și comunicare cu solul, un rezervor de hidrogen și unități de combustibil, au fost andocate în compartimentele din a doua etapă, unde, după îndepărtarea focosului, motorul principal (LRE) cu combustibilul său. au rămas rezervoare. Prima etapă - amplificatoare de pulbere, - după ce a dispersat racheta de la început, s-a separat după câteva secunde.

Testele pe bancă și pregătirea pentru zbor au fost efectuate la Institutul Central de Motoare de Aviație PI Baranov, împreună cu Forțele Aeriene, biroul de proiectare a construcțiilor de mașini Fakel, care și-a transformat racheta într-un laborator zburător, biroul de proiectare Soyuz din Tuyev și biroul de proiectare Temp din Moscova, care a fabricat motorul și regulatorul de combustibil și alte organizații. Cunoscuții specialiști în aviație R. I. Kurziner, D. A. Ogorodnikov și V. A. Sosunov au supravegheat programul.

Pentru a sprijini zborul, CIAM a creat un complex mobil de realimentare cu hidrogen lichid și un sistem de alimentare cu hidrogen lichid la bord. Acum, când hidrogenul lichid este considerat unul dintre cei mai promițători combustibili, experiența de manipulare a acestuia, acumulată la CIAM, poate fi utilă multora.

… Racheta s-a lansat seara târziu, era deja aproape întuneric. Câteva momente mai târziu, purtătorul „con” a dispărut în norii de jos. Urmă o tăcere neașteptată în comparație cu bubuitul inițial. Testerii care au urmărit startul chiar s-au gândit: chiar a mers totul prost? Nu, aparatul a continuat pe calea propusă. La a 38-a secundă, când viteza a atins 3,5 M, motorul a pornit, hidrogenul a început să curgă în CC.

Dar pe 62, s-a întâmplat cu adevărat neașteptat: a fost declanșată oprirea automată a alimentării cu combustibil - motorul scramjet s-a oprit. Apoi, cam la a 195-a secundă, a pornit din nou automat și a funcționat până la a 200-a… A fost stabilit anterior ca ultima secundă a zborului. În acest moment, racheta, în timp ce era încă peste teritoriul locului de testare, s-a autodistrus.

Viteza maximă a fost de 6200 km/h (puțin mai mult de 5,2M). Funcționarea motorului și a sistemelor sale a fost monitorizată de 250 de senzori la bord. Măsurătorile au fost transmise prin radio telemetrie la sol.

Nu toate informațiile au fost încă procesate, iar o poveste mai detaliată despre zbor este prematură. Dar este deja clar acum că în câteva decenii piloții și cosmonauții vor călări „fluxul înainte hipersonic”.

De la editor. Testele de zbor ale motoarelor scramjet pe aeronava X-30 din SUA și pe Hytex din Germania sunt planificate pentru 1995 sau următorii câțiva ani. Specialiștii noștri ar putea, în viitorul apropiat, să testeze „fluxul direct” la o viteză de peste 10M pe rachete puternice, care acum sunt retrase din serviciu. Adevărat, ele sunt dominate de o problemă nerezolvată. Nu științific sau tehnic. CIAM nu are bani. Nici măcar nu sunt disponibile pentru salariile pe jumătate cerșetoare ale angajaților.

Ce urmeaza? Acum există doar patru țări din lume care au un ciclu complet de construcție a motoarelor de aeronave - de la cercetarea de bază până la producția de produse de serie. Acestea sunt SUA, Anglia, Franța și, deocamdată, Rusia. Deci nu ar mai fi în viitor - trei.

Americanii investesc acum sute de milioane de dolari în programul scramjet…