Scramjet-teknologi - hvordan en hypersonisk motor ble skapt

2024 Forfatter: Seth Attwood | [email protected]. Sist endret: 2023-12-16 16:13

Kampmissil "overflate-til-luft" så noe uvanlig ut - nesen ble forlenget med en metallkjegle. Den 28. november 1991 tok den av fra et teststed nær Baikonur-kosmodromen og selvødelagt høyt over bakken. Selv om missilet ikke skjøt ned noen luftobjekt, ble utskytingsmålet nådd. For første gang i verden ble en hypersonisk ramjet-motor (scramjet-motor) testet under flyging.

Scramjet-motoren, eller, som de sier, "hypersonisk direktestrøm" vil tillate å fly fra Moskva til New York på 2 - 3 timer, forlate den bevingede maskinen fra atmosfæren og ut i verdensrommet. Et romfartsfly vil ikke trenge et boosterfly, som for Zenger (se TM, nr. 1, 1991), eller en bærerakett, som for skyttelbusser og Buran (se TM nr. 4, 1989), - levering av last til bane vil koste nesten ti ganger billigere. I Vesten vil slike tester ikke finne sted tidligere enn om tre år …

Scramjet-motoren er i stand til å akselerere flyet til 15 - 25M (M er Mach-tallet, i dette tilfellet lydhastigheten i luften), mens de kraftigste turbojetmotorene, som er utstyrt med moderne sivile og militære bevingede fly, er bare opptil 3,5 millioner. Det fungerer ikke raskere - lufttemperaturen, når strømmen i luftinntaket bremses, stiger så mye at turbokompressorenheten ikke klarer å komprimere den og tilføre den til forbrenningskammeret (CC). Det er selvfølgelig mulig å styrke kjølesystemet og kompressoren, men da vil dimensjonene og vekten deres øke så mye at hypersoniske hastigheter vil være uaktuelt - å komme seg fra bakken.

En ramjetmotor fungerer uten kompressor - luften foran kompressorstasjonen komprimeres på grunn av høyhastighetstrykket (fig. 1). Resten er i prinsippet det samme som for en turbojet - forbrenningsprodukter, som slipper ut gjennom dysen, akselererer apparatet.

Ideen om en ramjet-motor, da ennå ikke hypersonisk, ble fremmet i 1907 av den franske ingeniøren Rene Laurent. Men de bygde en skikkelig «forward flow» mye senere. Her var sovjetiske spesialister i spissen.

Først, i 1929, skapte en av N. E. Zhukovskys studenter, B. S. Stechkin (senere en akademiker), teorien om en luftjetmotor. Og så, fire år senere, under ledelse av designeren Yu. A. Pobedonostsev i GIRD (Group for the Study of Jet Propulsion), etter eksperimenter på standen, ble ramjet først sendt på flukt.

Motoren var plassert i skallet til en 76 mm kanon og skjøt fra løpet med en supersonisk hastighet på 588 m/s. Testene pågikk i to år. Prosjektiler med en ramjet-motor utviklet mer enn 2M - ikke en eneste enhet i verden fløy raskere på den tiden. Samtidig foreslo, bygget og testet Girdovitene en modell av en pulserende ramjet-motor - luftinntaket åpnet og lukket periodisk, som et resultat av at forbrenningen i forbrenningskammeret pulserte. Lignende motorer ble senere brukt i Tyskland på FAU-1-raketter.

De første store ramjet-motorene ble skapt igjen av sovjetiske designere I. A. Merkulov i 1939 (subsonisk ramjetmotor) og MM Bondaryuk i 1944 (overpersonisk). Siden 40-tallet begynte arbeidet med "direkte flyt" ved Central Institute of Aviation Motors (CIAM).

Noen typer fly, inkludert missiler, var utstyrt med supersoniske ramjetmotorer. Tilbake på 50-tallet ble det imidlertid klart at med M-tall over 6 - 7, er ramjet ineffektiv. Igjen, som i tilfellet med turbojetmotoren, ble luften som ble bremset foran kompressorstasjonen for varm inn i den. Det var ikke fornuftig å kompensere for dette ved å øke massen og dimensjonene til ramjet-motoren. I tillegg, ved høye temperaturer, begynner molekyler av forbrenningsprodukter å dissosiere, og absorberer energi beregnet på å skape skyvekraft.

Det var da i 1957 at E. S. Shchetinkov, en kjent vitenskapsmann, en deltaker i de første flytestene av en ramjet-motor, oppfant en hypersonisk motor. Et år senere dukket det opp publikasjoner om lignende utvikling i Vesten. Scramjet-forbrenningskammeret begynner nesten umiddelbart bak luftinntaket, deretter passerer det jevnt inn i en ekspanderende dyse (fig. 2). Selv om luften bremses ned ved inngangen til den, i motsetning til tidligere motorer, beveger den seg til kompressorstasjonen, eller rettere sagt, suser med supersonisk hastighet. Derfor er trykket på kammerveggene og temperaturen mye lavere enn i en ramjet-motor.

Litt senere ble det foreslått en scramjetmotor med ekstern forbrenning (fig. 3) I et fly med en slik motor vil drivstoffet brenne direkte under flykroppen, som vil tjene som en del av den åpne kompressorstasjonen. Naturligvis vil trykket i forbrenningssonen være mindre enn i et konvensjonelt forbrenningskammer - motorkraften vil avta litt. Men vektøkningen vil vise seg - motoren vil kvitte seg med den massive ytterveggen til kompressorstasjonen og en del av kjølesystemet. Det er sant at en pålitelig "åpen direkte flyt" ennå ikke er opprettet - den fineste timen vil sannsynligvis komme i midten av XXI århundre.

La oss imidlertid gå tilbake til scramjet-motoren, som ble testet på tampen av forrige vinter. Den ble drevet av flytende hydrogen lagret i en tank ved en temperatur på omtrent 20 K (- 253 ° C). Supersonisk forbrenning var kanskje det vanskeligste problemet. Vil hydrogen være jevnt fordelt over delen av kammeret? Vil den ha tid til å brenne ut fullstendig? Hvordan organisere automatisk forbrenningskontroll? - du kan ikke installere sensorer i et kammer, de vil smelte.

Verken matematisk modellering på superkraftige datamaskiner eller benketester ga utfyllende svar på mange spørsmål. Forresten, for å simulere en luftstrøm, for eksempel ved 8M, krever stativet et trykk på hundrevis av atmosfærer og en temperatur på omtrent 2500 K - flytende metall i en varm åpen ildovn er mye "kjøligere". Ved enda høyere hastigheter kan motor- og flyytelsen kun verifiseres under flyging.

Det har vært tenkt lenge både i vårt land og i utlandet. Tilbake på 60-tallet forberedte USA tester av en scramjet-motor på et høyhastighets X-15 rakettfly, men tilsynelatende fant de aldri sted.

Den innenlandske eksperimentelle scramjet-motoren ble laget dual-mode - med en flyhastighet som oversteg 3M, fungerte den som en vanlig "direkte flyt", og etter 5 - 6M - som en hypersonisk. For dette ble stedene for drivstofftilførsel til kompressorstasjonen endret. Luftvernmissilet, som blir tatt ut av drift, ble motorakseleratoren og bæreren til det hypersoniske flylaboratoriet (HLL). GLL, som inkluderer kontrollsystemer, målinger og kommunikasjon med bakken, en hydrogentank og drivstoffenheter, ble dokket til avdelingene i det andre trinnet, hvor hovedmotoren (LRE) med drivstoffet etter fjerning av stridshodet tanks gjensto. Det første trinnet - pulverforsterkere, - etter å ha spredt raketten fra starten, skilte seg etter noen sekunder.

Benketester og forberedelse til flyturen ble utført ved PI Baranov Central Institute of Aviation Motors, sammen med Air Force, Fakel maskinbyggende designbyrå, som gjorde raketten sin til et flygende laboratorium, Soyuz designbyrå i Tuyev og Temp-designbyrået i Moskva, som produserte motoren og drivstoffregulatoren, og andre organisasjoner. De kjente luftfartsspesialistene R. I. Kurziner, D. A. Ogorodnikov og V. A. Sosunov overvåket programmet.

For å støtte flyvningen opprettet CIAM et mobilt drivstoffkompleks for flytende hydrogen og et forsyningssystem for flytende hydrogen ombord. Nå, når flytende hydrogen regnes som et av de mest lovende drivstoffene, kan erfaringen med å håndtere det, samlet hos CIAM, være nyttig for mange.

… Raketten ble skutt opp sent på kvelden, det var allerede nesten mørkt. Noen få øyeblikk senere forsvant «kjegle»-bæreren inn i lave skyer. Det ble en stillhet som var uventet sammenlignet med den første rumlingen. Testerne som så starten tenkte til og med: gikk egentlig alt galt? Nei, apparatet fortsatte på sin tiltenkte vei. I det 38. sekundet, da hastigheten nådde 3,5M, startet motoren, hydrogen begynte å strømme inn i CC.

Men den 62. skjedde virkelig det uventede: den automatiske avstengingen av drivstofftilførselen ble utløst - scramjet-motoren ble slått av. Så, omtrent i det 195. sekundet, startet den automatisk opp igjen og virket til det 200. … Det var tidligere bestemt som siste sekund av flyturen. I dette øyeblikket ble raketten selvdestruert mens den fortsatt var over teststedets territorium.

Maksimal hastighet var 6200 km/t (litt mer enn 5,2M). Driften av motoren og dens systemer ble overvåket av 250 sensorer ombord. Målinger ble overført med radiotelemetri til bakken.

Ikke all informasjon er behandlet ennå, og en mer detaljert historie om flyturen er for tidlig. Men det er allerede nå klart at om noen tiår vil pilotene og kosmonautene ri den "hypersoniske fremoverstrømmen".

Fra redaktøren. Flytester av scramjet-motorer på X-30-flyene i USA og på Hytex i Tyskland er planlagt i 1995 eller de neste årene. Våre spesialister kan i nær fremtid teste "direktestrømmen" med en hastighet på over 10M på kraftige missiler, som nå blir tatt ut av drift. Riktignok er de dominert av et uløst problem. Ikke vitenskapelig eller teknisk. CIAM har ingen penger. De er ikke engang tilgjengelige for de halvt tiggere lønningene til ansatte.

Hva blir det neste? Nå er det bare fire land i verden som har en full syklus med bygging av flymotorer – fra grunnforskning til produksjon av serieprodukter. Dette er USA, England, Frankrike og foreløpig Russland. Så det ville ikke være flere av dem i fremtiden - tre.

Amerikanerne investerer nå hundrevis av millioner av dollar i scramjet-programmet …