Scramjet tehnologija - kako je nastao hipersonični motor

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Zadnja promjena: 2023-12-16 16:06

Borbena raketa "zemlja-zrak" izgledala je pomalo neobično - nos joj je bio produžen metalnim konusom. 28. studenog 1991. poletio je s poligona u blizini kozmodroma Baikonur i samouništen visoko iznad zemlje. Iako projektil nije srušio nijedan zračni objekt, cilj lansiranja je postignut. Prvi put u svijetu u letu je testiran hipersonični ramjet motor (scramjet engine).

Scramjet motor, ili, kako kažu, "hipersonični izravni tok" omogućit će letenje od Moskve do New Yorka za 2-3 sata, ostavljajući krilati stroj iz atmosfere u svemir. Zrakoplovnom zrakoplovu neće biti potreban booster avion, kao za Zenger (vidi TM, br. 1, 1991.), ili lansirno vozilo, kao za šatlove i Buran (vidi TM br. 4, 1989.), - isporuka tereta u orbitu koštat će gotovo deset puta jeftinije. Na Zapadu će se takvi testovi održati najkasnije za tri godine…

Scramjet motor je sposoban ubrzati zrakoplov do 15 - 25M (M je Machov broj, u ovom slučaju brzina zvuka u zraku), dok su najsnažniji turbomlazni motori, koji su opremljeni modernim civilnim i vojnim krilnim zrakoplovima, su samo do 3,5M. Ne radi brže - temperatura zraka, kada je protok u dovodu zraka usporen, raste toliko da ga turbokompresorska jedinica nije u stanju komprimirati i opskrbiti ga u komoru za izgaranje (CC). Moguće je, naravno, pojačati rashladni sustav i kompresor, ali tada će im se dimenzije i težina toliko povećati da hipersonične brzine neće dolaziti u obzir – odmaknuti se od tla.

Ramjet motor radi bez kompresora - zrak ispred kompresorske stanice je komprimiran zbog njegovog brzog tlaka (slika 1). Ostalo je, u principu, isto kao i za turbomlazni - proizvodi izgaranja, koji izlaze kroz mlaznicu, ubrzavaju aparat.

Ideju o ramjet motoru, tada još ne hipersoničnom, iznio je 1907. francuski inženjer Rene Laurent. No, pravi "forward flow" izgradili su mnogo kasnije. Ovdje su prednjačili sovjetski stručnjaci.

Prvo, 1929. godine, jedan od učenika N. E. Žukovskog, B. S. Stechkin (kasnije akademik), stvorio je teoriju zračnog mlaznog motora. A onda, četiri godine kasnije, pod vodstvom dizajnera Yu. A. Pobedonostseva u GIRD-u (Grupa za proučavanje mlaznog pogona), nakon eksperimenata na štandu, ramjet je prvi put poslan u let.

Motor je bio smješten u školjku topa kalibra 76 mm i ispaljen iz cijevi nadzvučnom brzinom od 588 m / s. Testovi su trajali dvije godine. Projektili s ramjet motorom razvili su se više od 2M - niti jedan uređaj na svijetu nije letio brže. Istodobno, Girdoviti su predložili, izgradili i testirali model pulsirajućeg ramjet motora - njegov se usis zraka povremeno otvarao i zatvarao, zbog čega je izgaranje u komori za izgaranje pulsiralo. Slični motori kasnije su korišteni u Njemačkoj na raketama FAU-1.

Prve velike ramjet motore ponovno su stvorili sovjetski dizajneri I. A. Merkulov 1939. (podzvučni ramjet motor) i M. M. Bondarjuk 1944. (supersonični). Od 40-ih godina počinje rad na "izravnom toku" u Središnjem institutu za zrakoplovne motore (CIAM).

Neke vrste zrakoplova, uključujući rakete, bile su opremljene nadzvučnim ramjet motorima. Međutim, još 50-ih godina postalo je jasno da s M brojevima koji prelaze 6 - 7, ramjet je neučinkovit. Opet, kao i u slučaju turbomlaznog motora, zrak koji se kočio ispred kompresorske stanice u njega je ušao prevruć. Nije imalo smisla to kompenzirati povećanjem mase i dimenzija ramjet motora. Osim toga, pri visokim temperaturama, molekule produkata izgaranja počinju se disocirati, upijajući energiju namijenjenu stvaranju potiska.

Tada je 1957. E. S. Shchetinkov, poznati znanstvenik, sudionik prvih letnih ispitivanja ramjet motora, izumio hipersonični motor. Godinu dana kasnije, na Zapadu su se pojavile publikacije o sličnim zbivanjima. Scramjet komora za izgaranje počinje gotovo odmah iza usisnika zraka, a zatim glatko prelazi u mlaznicu koja se širi (slika 2). Iako je zrak na ulazu u njega usporen, za razliku od prethodnih motora, on se kreće do kompresorske stanice, odnosno juri nadzvučnom brzinom. Stoga su njegov pritisak na stijenke komore i temperatura znatno niži nego u ramjet motoru.

Nešto kasnije predložen je scramjet motor s vanjskim izgaranjem (slika 3.) U zrakoplovu s takvim motorom gorivo će gorjeti izravno ispod trupa, koji će služiti kao dio otvorene kompresorske stanice. Naravno, tlak u zoni izgaranja bit će manji nego u konvencionalnoj komori za izgaranje - potisak motora će se lagano smanjiti. No dobit će se na težini - motor će se riješiti masivnog vanjskog zida kompresorske stanice i dijela rashladnog sustava. Istina, pouzdani "otvoreni izravni tok" još nije stvoren - njegov će najbolji čas vjerojatno doći sredinom XXI stoljeća.

Vratimo se, međutim, na scramjet motor koji je testiran uoči prošle zime. Napajao se tekućim vodikom pohranjenim u spremniku na temperaturi od oko 20 K (- 253 °C). Nadzvučno izgaranje bilo je možda najteži problem. Hoće li vodik biti ravnomjerno raspoređen po dijelu komore? Hoće li imati vremena da potpuno izgori? Kako organizirati automatsku kontrolu izgaranja? - ne možete ugraditi senzore u komoru, oni će se rastopiti.

Ni matematičko modeliranje na super-moćnim računalima, niti testovi na klupi nisu dali iscrpne odgovore na mnoga pitanja. Usput, za simulaciju strujanja zraka, na primjer, na 8M, postolju je potreban pritisak od stotine atmosfera i temperatura od oko 2500 K - tekući metal u vrućoj peći otvorenog ložišta puno je "hladniji". Pri još većim brzinama performanse motora i zrakoplova mogu se provjeriti samo u letu.

Dugo se o tome razmišlja i kod nas i u inozemstvu. Još 60-ih godina, Sjedinjene Države su pripremale testove scramjet motora na brzom raketnom zrakoplovu X-15, međutim, očito se nikada nisu održali.

Domaći eksperimentalni scramjet motor napravljen je dual-mode - pri brzini leta većoj od 3M radio je kao običan "izravni tok", a nakon 5 - 6M - kao hipersonični. Za to su promijenjena mjesta opskrbe gorivom kompresorske stanice. Protuzrakoplovna raketa, koja se uklanja iz upotrebe, postala je akcelerator motora i nosač hipersoničnog letećeg laboratorija (HLL). GLL, koji uključuje upravljačke sustave, mjerenja i komunikaciju sa zemljom, spremnik vodika i jedinice za gorivo, usidreni su u odjeljke drugog stupnja, gdje je, nakon uklanjanja bojne glave, glavni motor (LRE) s gorivom tenkovi ostali. Prva faza - pojačivači praha - nakon što je raspršila raketu od početka, odvojila se nakon nekoliko sekundi.

Ispitivanja na klupi i priprema za let obavljeni su u Središnjem institutu za zrakoplovne motore PI Baranov, zajedno s ratnim zrakoplovstvom, projektantskim biroom za strojogradnju Fakel, koji je svoju raketu pretvorio u leteći laboratorij, projektnim biroom Soyuz u Tujevu i Projektni biro Temp u Moskvi, koji je proizvodio motor, i regulator goriva, i druge organizacije. Program su nadzirali poznati zrakoplovni stručnjaci R. I. Kurziner, D. A. Ogorodnikov i V. A. Sosunov.

Kako bi podržao let, CIAM je stvorio mobilni kompleks za punjenje tekućim vodikom i ugrađeni sustav za opskrbu tekućim vodikom. Sada, kada se tekući vodik smatra jednim od najperspektivnijih goriva, iskustvo rukovanja njime, akumulirano u CIAM-u, može biti korisno mnogima.

… Raketa je lansirana kasno navečer, već je bio gotovo mrak. Nekoliko trenutaka kasnije, "konusni" nosač je nestao u niskim oblacima. Zavladala je tišina koja je bila neočekivana u usporedbi s početnom tutnjavom. Testeri koji su gledali početak čak su pomislili: je li stvarno sve pošlo po zlu? Ne, aparat je nastavio svojim predviđenim putem. U 38. sekundi, kada je brzina dosegla 3,5M, motor se upalio, vodik je počeo teći u CC.

No, 62. se dogodilo neočekivano: aktiviralo se automatsko gašenje dovoda goriva - ugasio se scramjet motor. Zatim se, otprilike u 195. sekundi, automatski ponovno pokrenuo i radio do 200. … Prethodno je određen kao posljednja sekunda leta. U ovom trenutku, raketa se, dok je još bila nad teritorijom poligona, samouništavala.

Maksimalna brzina bila je 6200 km/h (nešto više od 5,2M). Rad motora i njegovih sustava pratilo je 250 ugrađenih senzora. Mjerenja su prenesena radiotelemetrijom na tlo.

Nisu još obrađene sve informacije, a detaljnija priča o letu je preuranjena. Ali već sada je jasno da će se za nekoliko desetljeća piloti i kozmonauti voziti "hiperzvučnim prednjim tokom".

Od urednika. Letna ispitivanja scramjet motora na zrakoplovu X-30 u SAD-u i na Hytexu u Njemačkoj planirana su za 1995. ili sljedećih nekoliko godina. Naši stručnjaci bi u bliskoj budućnosti mogli testirati "izravni tok" brzinom većom od 10M na snažnim projektilima, koji se sada povlače iz upotrebe. Istina, njima dominira neriješen problem. Ni znanstveno ni tehničko. CIAM nema novca. Nema ih ni za poluprosjačke plaće zaposlenika.

Što je sljedeće? Sada postoje samo četiri zemlje na svijetu koje imaju puni ciklus izgradnje zrakoplovnih motora - od temeljnih istraživanja do proizvodnje serijskih proizvoda. To su SAD, Engleska, Francuska i za sada Rusija. Tako da ih ubuduće više ne bi bilo – troje.

Amerikanci sada ulažu stotine milijuna dolara u program scramjet…