Scramjet технология - как е създаден хиперзвуков двигател

2024 Автор: Seth Attwood | [email protected]. Последно модифициран: 2023-12-16 15:58

Бойната ракета "земя-въздух" изглеждаше някак необичайно - носът й беше удължен от метален конус. На 28 ноември 1991 г. излита от полигон близо до космодрума Байконур и се самоунищожава високо над земята. Въпреки че ракетата не свали нито един въздушен обект, целта за изстрелване беше постигната. За първи път в света беше изпробван в полет хиперзвуков рамджет двигател (scramjet engine).

Scramjet двигател, или, както се казва, "хиперзвуков директен поток" ще позволи да лети от Москва до Ню Йорк за 2-3 часа, напускайки крилата машина от атмосферата в космоса. Един авиокосмически самолет няма да се нуждае от бустер, както за Zenger (виж TM, № 1, 1991), или ракета-носител, както за совалките и Буран (виж TM № 4, 1989), - доставка на товари в орбита ще струва почти десет пъти по-евтино. На Запад подобни тестове ще се проведат не по-рано от три години…

Реактивният двигател е способен да ускори самолета до 15 - 25M (M е числото на Мах, в този случай скоростта на звука във въздуха), докато най-мощните турбореактивни двигатели, които са оборудвани със съвременни граждански и военни самолети с крила, са само до 3,5 млн. Не работи по-бързо - температурата на въздуха, когато потокът във въздухозаборника се забави, се повишава толкова много, че турбокомпресорният агрегат не може да го компресира и да го подаде в горивната камера (CC). Възможно е, разбира се, да се подсилят охладителната система и компресора, но тогава размерите и теглото им ще се увеличат толкова много, че за хиперзвукови скорости няма да може и да става дума - да се качат от земята.

ПВРД работи без компресор - въздухът пред компресорната станция се компресира поради високоскоростното му налягане (фиг. 1). Останалото по принцип е същото като при турбореактивен двигател - продуктите от горенето, излизайки през дюзата, ускоряват апарата.

Идеята за въздушно-реактивен двигател, тогава още нехиперзвуков, е предложена през 1907 г. от френския инженер Рене Лоран. Но те изградиха истински "преден поток" много по-късно. Тук съветските специалисти бяха начело.

Първо, през 1929 г., един от учениците на Н. Е. Жуковски, Б. С. Стечкин (по-късно академик), създава теорията за въздушно-реактивния двигател. И след това, четири години по-късно, под ръководството на конструктора Ю. А. Победоносцев в GIRD (Група за изследване на реактивното движение), след експерименти на щанда, ПВРД беше изпратен за първи път в полет.

Двигателят се помещаваше в корпуса на 76-мм оръдие и стреляше от цевта със свръхзвукова скорост от 588 m / s. Тестовете продължиха две години. Снаряди с прямоточен двигател развиват повече от 2 милиона - нито едно устройство в света не летеше по-бързо по това време. В същото време гирдовците предложиха, изградиха и изпробваха модел на пулсиращ рамно-реактивен двигател - неговият въздухозаборник периодично се отваряше и затваряше, в резултат на което горенето в горивната камера пулсираше. Подобни двигатели по-късно се използват в Германия за ракети FAU-1.

Първите големи воздушно-реактивни двигатели са създадени отново от съветските конструктори I. A. Merkulov през 1939 г. (дозвуков воздушно-реактивен двигател) и M. M. Bondaryuk през 1944 г. (свръхзвуков). От 40-те години започва работата по "директния поток" в Централния институт по авиационни двигатели (CIAM).

Някои типове самолети, включително ракети, бяха оборудвани със свръхзвукови воздушно-реактивни двигатели. Въпреки това, още през 50-те години стана ясно, че при M числа, надвишаващи 6 - 7, ramjet е неефективен. Отново, както в случая с турбореактивния двигател, въздухът, който беше спиран пред компресорната станция, влезе в него твърде горещ. Нямаше смисъл да се компенсира това чрез увеличаване на масата и размерите на ПВРД. Освен това при високи температури молекулите на продуктите на горенето започват да се дисоциират, поглъщайки енергия, предназначена да създаде тяга.

Тогава през 1957 г. Е. С. Щетинков, известен учен, участник в първите полетни изпитания на ПВРД, изобретява хиперзвуков двигател. Година по-късно на Запад се появиха публикации за подобни разработки. Горивната камера на Scramjet започва почти непосредствено зад входа за въздух, след което плавно преминава в разширяваща се дюза (фиг. 2). Въпреки че въздухът се забавя на входа към него, за разлика от предишните двигатели, той се придвижва към компресорната станция или по-скоро се втурва със свръхзвукова скорост. Следователно, неговият натиск върху стените на камерата и температурата са много по-ниски, отколкото при воздушно-реактивен двигател.

Малко по-късно беше предложен струен двигател с външно горене (фиг. 3) В самолет с такъв двигател горивото ще гори директно под фюзелажа, който ще служи като част от отворената компресорна станция. Естествено, налягането в зоната на горене ще бъде по-малко, отколкото в конвенционалната горивна камера - тягата на двигателя ще намалее леко. Но увеличаването на теглото ще се окаже - двигателят ще се отърве от масивната външна стена на компресорната станция и част от охладителната система. Вярно е, че надежден "отворен директен поток" все още не е създаден - най-добрият му час вероятно ще дойде в средата на XXI век.

Нека се върнем обаче към скремджетния двигател, който беше тестван в навечерието на миналата зима. Захранваше се с течен водород, съхраняван в резервоар при температура от около 20 K (- 253 ° C). Свръхзвуковото горене беше може би най-трудният проблем. Ще бъде ли водородът равномерно разпределен върху секцията на камерата? Ще има ли време да изгори напълно? Как да организираме автоматичен контрол на горенето? - не можете да инсталирате сензори в камера, те ще се стопят.

Нито математическото моделиране на свръхмощни компютри, нито лабораторните тестове дадоха изчерпателни отговори на много въпроси. Между другото, за да се симулира въздушен поток, например при 8M, стойката изисква налягане от стотици атмосфери и температура от около 2500 K - течният метал в гореща мартенова пещ е много "по-хладен". При още по-високи скорости работата на двигателя и самолета може да се провери само по време на полет.

Отдавна се мисли както у нас, така и в чужбина. Още през 60-те години на миналия век САЩ подготвяха изпитания на струен двигател на високоскоростен ракетен самолет X-15, но очевидно те никога не се състояха.

Домашният експериментален Scramjet двигател е направен двурежим - при скорост на полета над 3M, той работи като обикновен "директен поток", а след 5 - 6M - като хиперзвуков. За това бяха променени местата за подаване на гориво към компресорната станция. Зенитната ракета, която се сваля от въоръжение, стана ускорител на двигателя и носител на хиперзвуковата летяща лаборатория (HLL). GLL, който включва системи за управление, измервания и комуникация със земята, резервоар за водород и горивни блокове, бяха прикачени към отделенията на втория етап, където след отстраняването на бойната глава главният двигател (LRE) с неговото гориво останаха танкове. Първият етап - прахови ускорители, - след като разпръсна ракетата от самото начало, се отдели след няколко секунди.

Стендови изпитания и подготовка за полета бяха проведени в Централния институт по авиационни двигатели им. П. И. Баранов, съвместно с ВВС, машиностроителното конструкторско бюро "Факел", което превърна ракетата си в летяща лаборатория, конструкторското бюро "Союз" в Туев и конструкторското бюро Temp в Москва, което произвежда двигателя и регулатора на горивото, и други организации. Известните авиационни специалисти R. I. Kurziner, D. A. Ogorodnikov и V. A. Sosunov ръководеха програмата.

За да подпомогне полета, CIAM създаде мобилен комплекс за зареждане с течен водород и бордова система за снабдяване с течен водород. Сега, когато течният водород се счита за едно от най-обещаващите горива, опитът от боравене с него, натрупан в CIAM, може да бъде полезен за мнозина.

… Ракетата изстреля късно вечерта, вече беше почти тъмно. Няколко мига по-късно носителят на "конус" изчезна в ниски облаци. Настъпи тишина, която беше неочаквана в сравнение с първоначалния тътен. Тестерите, които наблюдаваха старта, дори си помислиха: наистина ли всичко се обърка? Не, апаратът продължи по предвидения си път. На 38-та секунда, когато скоростта достигна 3.5M, двигателят стартира, водородът започна да тече в CC.

Но на 62-ра неочакваното наистина се случи: автоматичното спиране на подаването на гориво беше задействано - двигателят на струйно реактивно управление се изключи. След това, на около 195-та секунда, той автоматично стартира отново и работи до 200-та… Преди това беше определен като последна секунда от полета. В този момент ракетата, все още над територията на полигона, се самоунищожи.

Максималната скорост беше 6200 км/ч (малко повече от 5,2M). Работата на двигателя и неговите системи се следи от 250 бордови сензора. Измерванията бяха предадени на земята чрез радиотелеметрия.

Все още не е обработена цялата информация, а по-подробен разказ за полета е преждевременно. Но вече е ясно, че след няколко десетилетия пилотите и космонавтите ще се движат по „хиперзвуковия преден поток“.

От редактора. За 1995 г. или следващите няколко години са планирани летателни изпитания на двигатели с струйно реактивни двигатели на самолета X-30 в САЩ и на Hytex в Германия. Нашите специалисти биха могли в близко бъдеще да тестват „директния поток“със скорост над 10M върху мощни ракети, които сега се изтеглят от въоръжение. Вярно е, че те са доминирани от нерешен проблем. Не научни или технически. CIAM няма пари. Не са достъпни дори за полупросяшките заплати на служителите.

Какво следва? Сега има само четири държави в света, които имат пълен цикъл на изграждане на самолетни двигатели - от фундаментални изследвания до производство на серийни продукти. Това са САЩ, Англия, Франция и засега Русия. Така занапред нямаше да има повече такива – трима.

Американците сега инвестират стотици милиони долари в програмата за Scramjet …