Τεχνολογία Scramjet - πώς δημιουργήθηκε ένας υπερηχητικός κινητήρας

2024 Συγγραφέας: Seth Attwood | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2023-12-16 16:02

Ο πύραυλος μάχης "επιφάνεια-αέρα" φαινόταν κάπως ασυνήθιστος - η μύτη του είχε επιμηκυνθεί από έναν μεταλλικό κώνο. Στις 28 Νοεμβρίου 1991, απογειώθηκε από μια περιοχή δοκιμών κοντά στο κοσμοδρόμιο του Μπαϊκονούρ και αυτοκαταστράφηκε ψηλά από το έδαφος. Αν και ο πύραυλος δεν κατέρριψε κανένα εναέριο αντικείμενο, ο στόχος εκτόξευσης επιτεύχθηκε. Για πρώτη φορά στον κόσμο, ένας υπερηχητικός κινητήρας ramjet (κινητήρας scramjet) δοκιμάστηκε κατά την πτήση.

Ο κινητήρας scramjet, ή, όπως λένε, "υπερηχητική άμεση ροή" θα επιτρέψει να πετάξει από τη Μόσχα στη Νέα Υόρκη σε 2 - 3 ώρες, αφήνοντας το φτερωτό μηχάνημα από την ατμόσφαιρα στο διάστημα. Ένα αεροδιαστημικό αεροπλάνο δεν χρειάζεται ένα ενισχυτικό αεροπλάνο, όπως για το Zenger (βλ. TM, Νο. 1, 1991), ή ένα όχημα εκτόξευσης, όπως για τα λεωφορεία και το Buran (βλ. ΤΜ Νο. 4, 1989), - παράδοση φορτίου σε τροχιά θα κοστίσει σχεδόν δέκα φορές φθηνότερα. Στη Δύση, τέτοιες δοκιμές θα πραγματοποιηθούν όχι νωρίτερα από τρία χρόνια …

Ο κινητήρας scramjet είναι ικανός να επιταχύνει το αεροσκάφος στα 15 - 25M (Μ είναι ο αριθμός Mach, σε αυτήν την περίπτωση η ταχύτητα του ήχου στον αέρα), ενώ οι ισχυρότεροι κινητήρες στροβιλοτζετ, οι οποίοι είναι εξοπλισμένοι με σύγχρονα πολιτικά και στρατιωτικά πτερωτά αεροσκάφη, είναι μόνο μέχρι 3,5 εκ. Δεν λειτουργεί γρηγορότερα - η θερμοκρασία του αέρα, όταν η ροή στην εισαγωγή αέρα επιβραδύνεται, αυξάνεται τόσο πολύ που η μονάδα στροβιλοσυμπιεστή δεν μπορεί να τη συμπιέσει και να την τροφοδοτήσει στον θάλαμο καύσης (CC). Είναι δυνατόν, φυσικά, να ενισχυθεί το σύστημα ψύξης και ο συμπιεστής, αλλά τότε οι διαστάσεις και το βάρος τους θα αυξηθούν τόσο πολύ που οι υπερηχητικές ταχύτητες δεν θα συζητηθούν - να κατέβουν από το έδαφος.

Ένας κινητήρας ramjet λειτουργεί χωρίς συμπιεστή - ο αέρας μπροστά από το σταθμό συμπίεσης συμπιέζεται λόγω της πίεσης υψηλής ταχύτητας (Εικ. 1). Το υπόλοιπο, κατ 'αρχήν, είναι το ίδιο με ένα στροβιλοκινητήρα - τα προϊόντα καύσης, που διαφεύγουν από το ακροφύσιο, επιταχύνουν τη συσκευή.

Η ιδέα ενός κινητήρα ramjet, που τότε δεν ήταν ακόμη υπερηχητικός, προτάθηκε το 1907 από τον Γάλλο μηχανικό Rene Laurent. Αλλά έχτισαν μια πραγματική «μπροστινή ροή» πολύ αργότερα. Εδώ οι σοβιετικοί ειδικοί πρωτοστάτησαν.

Πρώτον, το 1929, ένας από τους μαθητές του N. E. Zhukovsky, ο B. S. Stechkin (αργότερα ακαδημαϊκός), δημιούργησε τη θεωρία ενός κινητήρα αεριωθούμενου αέρα. Και μετά, τέσσερα χρόνια αργότερα, υπό την ηγεσία του σχεδιαστή Yu. A. Pobedonostsev στο GIRD (Group for the Study of Jet Propulsion), μετά από πειράματα στο περίπτερο, το ramjet στάλθηκε για πρώτη φορά σε πτήση.

Ο κινητήρας ήταν τοποθετημένος στο κέλυφος ενός πυροβόλου 76 mm και εκτοξεύτηκε από την κάννη με υπερηχητική ταχύτητα 588 m / s. Οι δοκιμές συνεχίστηκαν για δύο χρόνια. Τα βλήματα με κινητήρα ramjet ανέπτυξαν περισσότερα από 2M - καμία συσκευή στον κόσμο δεν πέταξε πιο γρήγορα εκείνη την εποχή. Ταυτόχρονα, οι Girdovites πρότειναν, κατασκεύασαν και δοκίμασαν ένα μοντέλο παλλόμενου κινητήρα ramjet - η εισαγωγή αέρα του άνοιγε και έκλεινε περιοδικά, με αποτέλεσμα να πάλλεται η καύση στον θάλαμο καύσης. Παρόμοιοι κινητήρες χρησιμοποιήθηκαν αργότερα στη Γερμανία σε πυραύλους FAU-1.

Οι πρώτοι μεγάλοι κινητήρες ramjet δημιουργήθηκαν ξανά από τους Σοβιετικούς σχεδιαστές I. A. Merkulov το 1939 (υποηχητικός κινητήρας ramjet) και M. M. Bondaryuk το 1944 (υπερηχητικός). Από τη δεκαετία του '40, οι εργασίες για την "άμεση ροή" ξεκίνησαν στο Central Institute of Aviation Motors (CIAM).

Ορισμένοι τύποι αεροσκαφών, συμπεριλαμβανομένων των πυραύλων, ήταν εξοπλισμένοι με υπερηχητικούς κινητήρες ramjet. Ωστόσο, στη δεκαετία του '50 έγινε σαφές ότι με τους αριθμούς M που υπερβαίνουν το 6 - 7, το ramjet είναι αναποτελεσματικό. Και πάλι, όπως στην περίπτωση του κινητήρα turbojet, ο αέρας που φρενάρει μπροστά από το σταθμό συμπίεσης μπήκε πολύ ζεστός. Δεν είχε νόημα να αντισταθμιστεί αυτό αυξάνοντας τη μάζα και τις διαστάσεις του κινητήρα ramjet. Επιπλέον, σε υψηλές θερμοκρασίες, τα μόρια των προϊόντων καύσης αρχίζουν να διασπώνται, απορροφώντας ενέργεια που προορίζεται να δημιουργήσει ώθηση.

Ήταν τότε το 1957 που ο E. S. Shchetinkov, ένας διάσημος επιστήμονας, συμμετέχων στις πρώτες δοκιμές πτήσης ενός κινητήρα ramjet, εφηύρε έναν υπερηχητικό κινητήρα. Ένα χρόνο αργότερα, δημοσιεύματα για παρόμοιες εξελίξεις εμφανίστηκαν στη Δύση. Ο θάλαμος καύσης scramjet ξεκινά σχεδόν αμέσως πίσω από την εισαγωγή αέρα και μετά περνάει ομαλά σε ένα διαστελλόμενο ακροφύσιο (Εικ. 2). Αν και ο αέρας επιβραδύνεται στην είσοδο του, σε αντίθεση με τους προηγούμενους κινητήρες, μετακινείται προς το σταθμό συμπίεσης ή μάλλον ορμά με υπερηχητική ταχύτητα. Επομένως, η πίεσή του στα τοιχώματα του θαλάμου και η θερμοκρασία είναι πολύ χαμηλότερη από ό,τι σε έναν κινητήρα ramjet.

Λίγο αργότερα, προτάθηκε ένας κινητήρας scramjet με εξωτερική καύση (Εικ. 3) Σε ένα αεροσκάφος με τέτοιο κινητήρα, το καύσιμο θα καίγεται απευθείας κάτω από την άτρακτο, το οποίο θα χρησιμεύσει ως μέρος του ανοιχτού σταθμού συμπίεσης. Φυσικά, η πίεση στη ζώνη καύσης θα είναι μικρότερη από ό,τι σε έναν συμβατικό θάλαμο καύσης - η ώθηση του κινητήρα θα μειωθεί ελαφρώς. Αλλά η αύξηση βάρους θα αποδειχθεί - ο κινητήρας θα απαλλαγεί από το τεράστιο εξωτερικό τοίχωμα του σταθμού συμπίεσης και μέρος του συστήματος ψύξης. Είναι αλήθεια ότι δεν έχει δημιουργηθεί ακόμη μια αξιόπιστη "ανοικτή άμεση ροή" - η καλύτερη ώρα θα έρθει πιθανώς στα μέσα του 21ου αιώνα.

Ας επιστρέψουμε, όμως, στον κινητήρα scramjet, που δοκιμάστηκε παραμονές του περασμένου χειμώνα. Τροφοδοτήθηκε από υγρό υδρογόνο που ήταν αποθηκευμένο σε μια δεξαμενή σε θερμοκρασία περίπου 20 K (- 253 ° C). Η υπερηχητική καύση ήταν ίσως το πιο δύσκολο πρόβλημα. Το υδρογόνο θα κατανεμηθεί ομοιόμορφα στο τμήμα του θαλάμου; Θα έχει χρόνο να καεί εντελώς; Πώς να οργανώσετε τον αυτόματο έλεγχο καύσης; - Δεν μπορείτε να εγκαταστήσετε αισθητήρες σε θάλαμο, θα λιώσουν.

Ούτε η μαθηματική μοντελοποίηση σε υπερισχυρούς υπολογιστές, ούτε τα τεστ πάγκου έδωσαν ολοκληρωμένες απαντήσεις σε πολλά ερωτήματα. Παρεμπιπτόντως, για την προσομοίωση μιας ροής αέρα, για παράδειγμα, στα 8M, η βάση απαιτεί πίεση εκατοντάδων ατμοσφαιρών και θερμοκρασία περίπου 2500 K - το υγρό μέταλλο σε έναν καυτό κλίβανο ανοιχτής εστίας είναι πολύ πιο "δροσερό". Σε ακόμη υψηλότερες ταχύτητες, η απόδοση του κινητήρα και του αεροσκάφους μπορεί να επαληθευτεί μόνο κατά την πτήση.

Έχει σκεφτεί εδώ και πολύ καιρό τόσο στη χώρα μας όσο και στο εξωτερικό. Πίσω στη δεκαετία του '60, οι Ηνωμένες Πολιτείες ετοίμαζαν δοκιμές ενός κινητήρα scramjet σε ένα αεροσκάφος πυραύλων υψηλής ταχύτητας X-15, ωστόσο, προφανώς, δεν πραγματοποιήθηκαν ποτέ.

Ο εγχώριος πειραματικός κινητήρας scramjet έγινε διπλής λειτουργίας - με ταχύτητα πτήσης που υπερβαίνει τα 3M, λειτούργησε ως συνηθισμένη "άμεση ροή" και μετά από 5 - 6M - ως υπερηχητικός. Για αυτό, άλλαξαν οι χώροι παροχής καυσίμου στο σταθμό συμπίεσης. Ο αντιαεροπορικός πύραυλος, που αφαιρείται από υπηρεσία, έγινε ο επιταχυντής κινητήρα και ο φορέας του υπερηχητικού εργαστηρίου πτήσης (HLL). Το GLL, το οποίο περιλαμβάνει συστήματα ελέγχου, μετρήσεις και επικοινωνία με το έδαφος, δεξαμενή υδρογόνου και μονάδες καυσίμου, προσδέθηκε στα διαμερίσματα του δεύτερου σταδίου, όπου, μετά την αφαίρεση της κεφαλής, ο κύριος κινητήρας (LRE) με το καύσιμο του. τανκς παρέμειναν. Το πρώτο στάδιο - ενισχυτές σκόνης - έχοντας διασκορπίσει τον πύραυλο από την αρχή, διαχωρίστηκε μετά από λίγα δευτερόλεπτα.

Οι δοκιμές σε πάγκο και η προετοιμασία για την πτήση πραγματοποιήθηκαν στο PI Baranov Central Institute of Aviation Motors, μαζί με την Πολεμική Αεροπορία, το γραφείο σχεδιασμού μηχανημάτων Fakel, το οποίο μετέτρεψε τον πύραυλο του σε εργαστήριο πτήσης, το γραφείο σχεδιασμού Soyuz στο Tuyev και το γραφείο σχεδιασμού Temp στη Μόσχα, το οποίο κατασκεύαζε τον κινητήρα και τον ρυθμιστή καυσίμου και άλλους οργανισμούς. Οι γνωστοί ειδικοί της αεροπορίας R. I. Kurziner, D. A. Ogorodnikov και V. A. Sosunov επέβλεψαν το πρόγραμμα.

Για να υποστηρίξει την πτήση, η CIAM δημιούργησε ένα κινητό συγκρότημα ανεφοδιασμού υγρού υδρογόνου και ένα ενσωματωμένο σύστημα παροχής υγρού υδρογόνου. Τώρα, όταν το υγρό υδρογόνο θεωρείται ένα από τα πιο πολλά υποσχόμενα καύσιμα, η εμπειρία χειρισμού του, που έχει συσσωρευτεί στο CIAM, μπορεί να είναι χρήσιμη σε πολλούς.

… Ο πύραυλος εκτοξεύτηκε αργά το βράδυ, είχε ήδη σχεδόν σκοτεινιάσει. Λίγες στιγμές αργότερα, ο φορέας «κώνος» εξαφανίστηκε σε χαμηλά σύννεφα. Ακολούθησε μια σιωπή που ήταν απροσδόκητη σε σύγκριση με την αρχική βουή. Οι δοκιμαστές που παρακολούθησαν την έναρξη σκέφτηκαν ακόμη και: μήπως όλα πήγαν στραβά; Όχι, η συσκευή συνέχισε την προβλεπόμενη πορεία της. Στο 38ο δευτερόλεπτο, όταν η ταχύτητα έφτασε τα 3,5M, ο κινητήρας ξεκίνησε, το υδρογόνο άρχισε να ρέει στο CC.

Αλλά στις 62, συνέβη πραγματικά το απροσδόκητο: ενεργοποιήθηκε η αυτόματη διακοπή της παροχής καυσίμου - ο κινητήρας scramjet έκλεισε. Στη συνέχεια, περίπου στο 195ο δευτερόλεπτο, ξεκίνησε αυτόματα ξανά και λειτούργησε μέχρι το 200ο … Προηγουμένως είχε καθοριστεί ως το τελευταίο δευτερόλεπτο της πτήσης. Αυτή τη στιγμή, ο πύραυλος, ενώ βρισκόταν ακόμη πάνω από το έδαφος του χώρου δοκιμών, αυτοκαταστράφηκε.

Η μέγιστη ταχύτητα ήταν 6200 km/h (λίγο περισσότερο από 5,2M). Η λειτουργία του κινητήρα και των συστημάτων του παρακολουθούνταν από 250 εποχούμενους αισθητήρες. Οι μετρήσεις μεταδόθηκαν με ραδιοτηλεμετρία στο έδαφος.

Δεν έχουν υποβληθεί ακόμη σε επεξεργασία όλες οι πληροφορίες και μια πιο λεπτομερής ιστορία για την πτήση είναι πρόωρη. Αλλά είναι ήδη ξεκάθαρο τώρα ότι σε μερικές δεκαετίες οι πιλότοι και οι κοσμοναύτες θα οδηγούν την «υπερηχητική προς τα εμπρός ροή».

Από τον συντάκτη. Οι πτητικές δοκιμές κινητήρων scramjet στα αεροσκάφη X-30 στις ΗΠΑ και στο Hytex στη Γερμανία έχουν προγραμματιστεί για το 1995 ή τα επόμενα χρόνια. Οι ειδικοί μας θα μπορούσαν, στο εγγύς μέλλον, να δοκιμάσουν την «άμεση ροή» με ταχύτητα άνω των 10 M σε ισχυρούς πυραύλους, οι οποίοι πλέον αποσύρονται από την υπηρεσία. Είναι αλήθεια ότι κυριαρχούνται από ένα άλυτο πρόβλημα. Όχι επιστημονικά ή τεχνικά. Το CIAM δεν έχει χρήματα. Δεν διατίθενται ούτε για τους μισογυνιστικούς μισθούς των εργαζομένων.

Τι έπεται? Τώρα υπάρχουν μόνο τέσσερις χώρες στον κόσμο που έχουν έναν πλήρη κύκλο κατασκευής κινητήρων αεροσκαφών - από τη βασική έρευνα έως την παραγωγή σειριακών προϊόντων. Αυτές είναι οι ΗΠΑ, η Αγγλία, η Γαλλία και, προς το παρόν, η Ρωσία. Άρα δεν θα υπήρχαν περισσότερα από αυτά στο μέλλον - τρία.

Οι Αμερικανοί επενδύουν τώρα εκατοντάδες εκατομμύρια δολάρια στο πρόγραμμα scramjet…