Scramjet-tekniikka - kuinka hypersonic-moottori luotiin

2024 Kirjoittaja: Seth Attwood | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2023-12-16 16:04

Taisteluohjus "pinta-ilma" näytti hieman epätavalliselta - sen nokkaa pidensi metallikartio. 28. marraskuuta 1991 se lähti koepaikalta lähellä Baikonurin kosmodromia ja tuhoutui itsensä korkealla maanpinnan yläpuolella. Vaikka ohjus ei ampunut alas yhtään ilmaesinettä, laukaisutavoite saavutettiin. Ensimmäistä kertaa maailmassa testattiin hypersonic ramjet -moottoria (scramjet engine) lennon aikana.

Scramjet-moottori tai, kuten sanotaan, "hypersonic direct-flow" mahdollistaa lennon Moskovasta New Yorkiin 2-3 tunnissa, jättäen siivekäs koneen ilmakehästä avaruuteen. Ilmailukone ei tarvitse tehostinkonetta, kuten Zenger (katso TM, nro 1, 1991), tai kantorakettia, kuten sukkulat ja Buran (katso TM nro 4, 1989), - lastin toimittaminen kiertoradalle tulee maksamaan lähes kymmenen kertaa halvemmalla. Lännessä tällaiset testit suoritetaan aikaisintaan kolmen vuoden kuluttua …

Scramjet-moottori pystyy kiihdyttämään lentokoneen 15 - 25M (M on Mach-luku, tässä tapauksessa äänen nopeus ilmassa), kun taas tehokkaimmat suihkuturbiinimoottorit, jotka on varustettu nykyaikaisilla siviili- ja sotilassiivellisillä lentokoneilla., ovat vain 3,5 miljoonaa. Se ei toimi nopeammin - ilman lämpötila, kun ilmanottoa hidastetaan, nousee niin paljon, että turbokompressoriyksikkö ei pysty puristamaan sitä ja syöttämään sitä polttokammioon (CC). On tietysti mahdollista vahvistaa jäähdytysjärjestelmää ja kompressoria, mutta silloin niiden mitat ja paino kasvavat niin paljon, että hyperääninopeudet eivät tule kysymykseen - päästä irti maasta.

Ramjet-moottori toimii ilman kompressoria - kompressoriaseman edessä oleva ilma puristuu sen suuren nopeuden paineen vuoksi (kuva 1). Loput ovat periaatteessa samat kuin suihkuturbiinissa - suuttimen läpi karkaavat palamistuotteet kiihdyttävät laitetta.

Ranskalainen insinööri Rene Laurent esitti vuonna 1907 idean ramjet-moottorista, joka ei ollut vielä hypersonic. Mutta he rakensivat todellisen "eteenpäin virtauksen" paljon myöhemmin. Tässä Neuvostoliiton asiantuntijat olivat johdossa.

Ensin vuonna 1929 yksi N. E. Žukovskin opiskelijoista, B. S. Stechkin (myöhemmin akateemikko), loi teorian ilmasuihkumoottorista. Ja sitten, neljä vuotta myöhemmin, suunnittelija Yu. A. Pobedonostsevin johdolla GIRD:ssä (Group for the Study of Jet Propulsion) osastolla tehtyjen kokeiden jälkeen ramjet lähetettiin ensin lentoon.

Moottori sijoitettiin 76 mm:n tykin kuoreen ja ammuttiin piipusta yliääninopeudella 588 m/s. Testit kestivät kaksi vuotta. Ramjet-moottorilla varustetut ammukset kehittivät yli 2M - yksikään laite maailmassa ei lentänyt nopeammin tuolloin. Samaan aikaan Girdovitit ehdottivat, rakensivat ja testasivat sykkivän ramjet-moottorin mallia - sen ilmanotto avautui ja suljettiin ajoittain, minkä seurauksena palaminen polttokammiossa pulssi. Samanlaisia moottoreita käytettiin myöhemmin Saksassa FAU-1-raketeissa.

Ensimmäiset suuret suihkusuihkumoottorit loivat jälleen Neuvostoliiton suunnittelijat I. A. Merkulov vuonna 1939 (aliäänimoottori) ja M. M. Bondaryuk vuonna 1944 (yliäänimoottori). 40-luvulta lähtien työ "suoravirtauksen" parissa aloitettiin Central Institute of Aviation Motorsissa (CIAM).

Jotkut lentokonetyypit, mukaan lukien ohjukset, varustettiin yliääninopeussuihkumoottoreilla. Kuitenkin jo 50-luvulla kävi selväksi, että kun M-luvut ylittävät 6 - 7, ramjet on tehoton. Jälleen, kuten turboreettisen moottorin tapauksessa, kompressoriaseman edessä jarrutettu ilma pääsi liian kuumaksi. Tätä ei ollut järkevää kompensoida lisäämällä ramjet-moottorin massaa ja mittoja. Lisäksi korkeissa lämpötiloissa palamistuotteiden molekyylit alkavat dissosioitua ja absorboivat energiaa, joka on tarkoitettu työntövoiman luomiseen.

Sitten vuonna 1957 E. S. Shchetinkov, kuuluisa tiedemies, joka osallistui ensimmäisiin ramjet-moottorin lentokokeisiin, keksi hyperäänimoottorin. Vuotta myöhemmin lännessä ilmestyi julkaisuja samankaltaisesta kehityksestä. Scramjet-polttokammio alkaa lähes välittömästi ilmanottoaukon takaa, jonka jälkeen se siirtyy sujuvasti laajenevaan suuttimeen (kuva 2). Vaikka ilmaa hidastetaan sen sisäänkäynnissä, toisin kuin aikaisemmissa moottoreissa, se siirtyy kompressoriasemalle tai pikemminkin ryntää yliääninopeudella. Siksi sen paine kammion seiniin ja lämpötila ovat paljon alhaisemmat kuin suihkumoottorissa.

Hieman myöhemmin ehdotettiin ulkopolttomoottoria (kuva 3). Tällaisella moottorilla varustetussa lentokoneessa polttoaine palaa suoraan rungon alla, joka toimii osana avointa kompressoriasemaa. Luonnollisesti palamisvyöhykkeen paine on pienempi kuin tavanomaisessa palotilassa - moottorin työntövoima laskee hieman. Mutta painonnousu ilmenee - moottori pääsee eroon kompressoriaseman massiivisesta ulkoseinästä ja osasta jäähdytysjärjestelmää. Totta, luotettavaa "avointa suoraa virtausta" ei ole vielä luotu - sen hienoin hetki tulee todennäköisesti XXI-luvun puolivälissä.

Palataan kuitenkin viime talven aattona testattuun scramjet-moottoriin. Sen polttoaineena oli nestemäinen vety, joka oli varastoitu säiliöön noin 20 K (-253 °C) lämpötilassa. Yliäänipoltto oli ehkä vaikein ongelma. Jakaantuuko vety tasaisesti kammion alueelle? Onko sillä aikaa palaa kokonaan loppuun? Kuinka järjestää automaattinen palamisen ohjaus? - antureita ei voi asentaa kammioon, ne sulavat.

Matemaattinen mallinnus supertehokkailla tietokoneilla tai penkkitestit eivät antaneet kattavia vastauksia moneen kysymykseen. Muuten, ilmavirran simuloimiseksi, esimerkiksi 8M:ssä, jalusta vaatii satojen ilmakehän paineen ja noin 2500 K lämpötilan - nestemäinen metalli kuumassa avouunissa on paljon "viileämpää". Vielä suuremmilla nopeuksilla moottorin ja lentokoneen suorituskyky voidaan tarkistaa vain lennon aikana.

Sitä on ajateltu pitkään sekä kotimaassamme että ulkomailla. 60-luvulla Yhdysvallat valmisteli scramjet-moottorin testejä nopealla X-15-rakettilentokoneella, mutta ilmeisesti niitä ei koskaan tehty.

Kotimainen kokeellinen scramjet-moottori tehtiin kaksimuotoiseksi - yli 3M lentonopeudella se toimi tavallisena "suoravirtauksena" ja 5 - 6M jälkeen - hypersonic-moottorina. Tätä varten kompressoriaseman polttoaineen syöttöpaikkoja muutettiin. Käytöstä poistettavasta ilmatorjuntaohjuksesta tuli hypersonic flying laboratorion (HLL) moottorin kiihdytin ja kantaja. GLL, joka sisältää ohjausjärjestelmät, mittaukset ja yhteydenpidon maahan, vetysäiliön ja polttoaineyksiköt, telakoitiin toisen vaiheen osastoihin, joissa taistelukärjen poiston jälkeen pääkone (LRE) polttoaineineen. tankit jäivät. Ensimmäinen vaihe - jauhevahvistimet - hajotettuaan raketin alusta, erottui muutaman sekunnin kuluttua.

Penkkitestit ja lentovalmistelut suoritettiin PI Baranov Central Institute of Aviation Motors -instituutissa yhdessä ilmavoimien, Fakelin koneenrakennussuunnittelutoimiston, joka muutti raketistaan lentävän laboratorion, Sojuzin suunnittelutoimiston Tuyevissa ja Moskovan Temp-suunnittelutoimisto, joka valmisti moottorin ja polttoaineen säätimen sekä muut organisaatiot. Tunnetut ilmailuasiantuntijat R. I. Kurziner, D. A. Ogorodnikov ja V. A. Sosunov ohjasivat ohjelmaa.

Lennon tukemiseksi CIAM loi liikkuvan nestemäisen vedyn tankkauskompleksin ja laivaan nestemäisen vedyn syöttöjärjestelmän. Nyt, kun nestemäistä vetyä pidetään yhtenä lupaavimpana polttoaineena, CIAM:ssa kertynyt kokemus sen käsittelystä voi olla hyödyksi monille.

… Raketti laukaistiin myöhään illalla, oli jo melkein pimeää. Muutama hetki myöhemmin "kartio"-kantaja katosi mataliin pilviin. Siellä vallitsi hiljaisuus, joka oli odottamaton alkuperäiseen jylinään verrattuna. Alkua katsoneet testaajat jopa ajattelivat: menikö kaikki todella pieleen? Ei, laite jatkoi suunnitellulla tiellä. 38. sekunnissa, kun nopeus saavutti 3,5M, moottori käynnistyi, vetyä alkoi virrata CC:hen.

Mutta 62. päivänä tapahtui odottamaton: polttoaineen syötön automaattinen sammutus laukesi - scramjetin moottori sammui. Sitten, noin 195. sekunnissa, se käynnistyi automaattisesti uudelleen ja toimi 200. sekuntiin asti… Se määriteltiin aiemmin lennon viimeiseksi sekunniksi. Tällä hetkellä raketti tuhoutui itsensä ollessaan vielä koealueen yläpuolella.

Huippunopeus oli 6200 km/h (hieman yli 5,2M). Moottorin ja sen järjestelmien toimintaa valvottiin 250:llä koneessa olevalla anturilla. Mittaukset välitettiin radiotelemetrialla maahan.

Kaikkia tietoja ei ole vielä käsitelty, ja tarkempi tarina lennosta on ennenaikaista. Mutta nyt on jo selvää, että muutaman vuosikymmenen kuluttua lentäjät ja kosmonautit ajavat "hypersonista eteenpäinvirtausta".

Toimittajalta. Scramjet-moottoreiden lentokokeet X-30-koneissa Yhdysvalloissa ja Hytexissä Saksassa suunnitellaan vuonna 1995 tai lähivuosina. Asiantuntijamme voisivat lähitulevaisuudessa testata "suoraa virtausta" yli 10M:n nopeudella tehokkailla ohjuksilla, jotka nyt vedetään pois käytöstä. On totta, että heitä hallitsee ratkaisematon ongelma. Ei tieteellistä tai teknistä. CIAM:lla ei ole rahaa. Niitä ei saa edes työntekijöiden puolikerjäläisiin palkoihin.

Mitä seuraavaksi? Nyt maailmassa on vain neljä maata, joissa on täysi sykli lentokoneiden moottoreiden rakentamiseen - perustutkimuksesta sarjatuotteiden tuotantoon. Nämä ovat USA, Englanti, Ranska ja toistaiseksi Venäjä. Joten niitä ei olisi enää tulevaisuudessa - kolme.

Amerikkalaiset sijoittavat nyt satoja miljoonia dollareita scramjet-ohjelmaan…