Scramjet-teknik - hur en hypersonisk motor skapades

2024 Författare: Seth Attwood | [email protected]. Senast ändrad: 2023-12-16 16:17

Stridsmissil "yta-till-luft" såg något ovanlig ut - dess nos förlängdes med en metallkon. Den 28 november 1991 lyfte den från en testplats nära Baikonur-kosmodromen och självförstörde högt över marken. Trots att missilen inte sköt ner något luftobjekt uppnåddes uppskjutningsmålet. För första gången i världen testades en hypersonisk ramjetmotor (scramjetmotor) under flygning.

Scramjetmotorn, eller, som de säger, "hypersoniskt direktflöde" gör det möjligt att flyga från Moskva till New York på 2 - 3 timmar, lämna den bevingade maskinen från atmosfären ut i rymden. Ett flygplan kommer inte att behöva ett boosterplan, som för Zenger (se TM, nr. 1, 1991), eller en bärraket, som för skyttlar och Buran (se TM nr. 4, 1989), - leverans av last till omloppsbana kommer att kosta nästan tio gånger billigare. I väst kommer sådana tester att äga rum tidigast om tre år …

Scramjetmotorn är kapabel att accelerera flygplanet till 15 - 25M (M är Mach-talet, i detta fall ljudhastigheten i luften), medan de mest kraftfulla turbojetmotorerna är utrustade med moderna civila och militära flygplan., är bara upp till 3,5 miljoner. Det fungerar inte snabbare - lufttemperaturen, när flödet i luftintaget bromsas, stiger så mycket att turbokompressorenheten inte kan komprimera den och tillföra den till förbränningskammaren (CC). Det är givetvis möjligt att förstärka kylsystemet och kompressorn, men då kommer deras dimensioner och vikt att öka så mycket att hypersoniska hastigheter kommer att vara uteslutna - att komma igång.

En ramjetmotor fungerar utan kompressor - luften framför kompressorstationen komprimeras på grund av dess höghastighetstryck (fig. 1). Resten är i princip densamma som för en turbojet - förbränningsprodukter, som flyr ut genom munstycket, accelererar apparaten.

Idén om en ramjetmotor, då ännu inte hypersonisk, lades fram 1907 av den franske ingenjören Rene Laurent. Men de byggde ett rejält "framåtflöde" långt senare. Här var sovjetiska specialister i täten.

Först, 1929, skapade en av N. E. Zhukovskys elever, B. S. Stechkin (senare akademiker), teorin om en luftjetmotor. Och sedan, fyra år senare, under ledning av designern Yu. A. Pobedonostsev i GIRD (Group for the Study of Jet Propulsion), efter experiment i montern, skickades ramjeten först i flykt.

Motorn var inrymd i skalet på en 76 mm kanon och sköt från pipan med en överljudshastighet på 588 m/s. Testerna pågick i två år. Projektiler med en ramjetmotor utvecklade mer än 2M - inte en enda enhet i världen flög snabbare vid den tiden. Samtidigt föreslog, byggde och testade Girdoviterna en modell av en pulserande ramjetmotor - dess luftintag öppnades och stängdes periodiskt, vilket resulterade i att förbränningen i förbränningskammaren pulserade. Liknande motorer användes senare i Tyskland på FAU-1-raketer.

De första stora ramjetmotorerna skapades igen av de sovjetiska formgivarna I. A. Merkulov 1939 (subsonic ramjetmotor) och M. M. Bondaryuk 1944 (överpersonisk). Sedan 40-talet började arbetet med "direkt flöde" vid Central Institute of Aviation Motors (CIAM).

Vissa typer av flygplan, inklusive missiler, var utrustade med supersoniska ramjetmotorer. Men redan på 50-talet blev det klart att med M-tal som överstiger 6 - 7 är ramjet ineffektiv. Återigen, som i fallet med turbojetmotorn, blev luften som bromsades framför kompressorstationen för varm i den. Det var inte vettigt att kompensera för detta genom att öka ramjetmotorns massa och dimensioner. Dessutom, vid höga temperaturer, börjar molekyler av förbränningsprodukter att dissociera, absorbera energi avsedd att skapa dragkraft.

Det var då 1957 som E. S. Shchetinkov, en berömd vetenskapsman, en deltagare i de första flygtesterna av en ramjetmotor, uppfann en hypersonisk motor. Ett år senare dök publikationer om liknande utveckling upp i väst. Scramjet-förbränningskammaren börjar nästan omedelbart bakom luftintaget och passerar sedan smidigt in i ett expanderande munstycke (fig. 2). Även om luften saktas ner vid ingången till den, till skillnad från tidigare motorer, flyttar den till kompressorstationen, eller snarare rusar den i överljudshastighet. Därför är trycket på kammarens väggar och temperaturen mycket lägre än i en ramjetmotor.

Lite senare föreslogs en scramjetmotor med extern förbränning (Fig. 3) I ett flygplan med en sådan motor kommer bränslet att brinna direkt under flygkroppen, som kommer att fungera som en del av den öppna kompressorstationen. Naturligtvis kommer trycket i förbränningszonen att vara mindre än i en konventionell förbränningskammare - motorns dragkraft kommer att minska något. Men viktökningen kommer att visa sig - motorn kommer att bli av med den massiva ytterväggen på kompressorstationen och en del av kylsystemet. Det är sant att ett pålitligt "öppet direktflöde" ännu inte har skapats - dess finaste timme kommer förmodligen att komma i mitten av XXI-talet.

Låt oss dock återgå till scramjetmotorn, som testades på tröskeln till i vintras. Det drevs av flytande väte lagrat i en tank vid en temperatur av cirka 20 K (- 253 ° C). Överljudsförbränning var kanske det svåraste problemet. Kommer väte att fördelas jämnt över sektionen av kammaren? Kommer den hinna bränna ut helt? Hur organiserar man automatisk förbränningskontroll? - du kan inte installera sensorer i en kammare, de kommer att smälta.

Varken matematisk modellering på superkraftiga datorer eller bänktester gav heltäckande svar på många frågor. Förresten, för att simulera ett luftflöde, till exempel vid 8M, kräver stativet ett tryck på hundratals atmosfärer och en temperatur på cirka 2500 K - flytande metall i en varm ugn med öppen spis är mycket "svalare". Vid ännu högre hastigheter kan motorns och flygplanets prestanda endast verifieras under flygning.

Det har man tänkt länge både i vårt land och utomlands. Tillbaka på 60-talet förberedde USA tester av en scramjetmotor på ett höghastighets X-15-raketflygplan, men de ägde uppenbarligen aldrig rum.

Den inhemska experimentella scramjetmotorn gjordes dual-mode - vid en flyghastighet som översteg 3M fungerade den som ett vanligt "direktflöde" och efter 5 - 6M - som en hypersonisk. För detta ändrades platserna för bränsletillförsel till kompressorstationen. Luftvärnsmissilen, som tas ur drift, blev motoracceleratorn och bäraren för det hypersoniska flyglaboratoriet (HLL). GLL, som inkluderar styrsystem, mätningar och kommunikation med marken, en vätgastank och bränsleenheter, dockades till avdelningarna i det andra steget, där, efter borttagandet av stridsspetsen, huvudmotorn (LRE) med dess bränsle tankar fanns kvar. Det första steget - krutförstärkare, - efter att ha spridit raketen från början, separerades efter några sekunder.

Bänktester och förberedelser för flygningen utfördes vid PI Baranov Central Institute of Aviation Motors, tillsammans med flygvapnet, Fakels maskinbyggande designbyrå, som förvandlade sin raket till ett flygande laboratorium, Soyuz designbyrå i Tuyev och Temp-designbyrån i Moskva, som tillverkade motorn och bränsleregulatorn, och andra organisationer. De välkända flygspecialisterna R. I. Kurziner, D. A. Ogorodnikov och V. A. Sosunov övervakade programmet.

För att stödja flygningen skapade CIAM ett mobilt tankningskomplex för flytande väte och ett försörjningssystem för flytande väte ombord. Nu, när flytande väte anses vara ett av de mest lovande bränslena, kan erfarenheten av att hantera det, samlad på CIAM, vara användbar för många.

… Raketen sköt upp sent på kvällen, det var redan nästan mörkt. Några ögonblick senare försvann "kon"-bäraren i låga moln. Det blev en tystnad som var oväntad jämfört med det inledande mullret. Testarna som såg starten tänkte till och med: gick allting verkligen fel? Nej, apparaten fortsatte på sin avsedda väg. Vid den 38:e sekunden, när hastigheten nådde 3,5M, startade motorn, väte började flöda in i CC.

Men den 62:a hände det oväntade verkligen: den automatiska avstängningen av bränsletillförseln utlöstes - scramjetmotorn stängdes av. Sedan, ungefär vid den 195:e sekunden, startade den automatiskt igen och fungerade fram till den 200:e … Det var tidigare fastställt som den sista sekunden av flygningen. I detta ögonblick förstörde raketen sig själv, medan den fortfarande var över testplatsens territorium.

Maxhastigheten var 6200 km/h (något mer än 5,2M). Driften av motorn och dess system övervakades av 250 sensorer ombord. Mätningar sändes med radiotelemetri till marken.

Inte all information har behandlats ännu, och en mer detaljerad berättelse om flygningen är förhastad. Men det är redan nu klart att om några decennier kommer piloterna och kosmonauterna att rida på det "hypersoniska framåtflödet".

Från redaktören. Flygtester av scramjetmotorer på X-30-planen i USA och på Hytex i Tyskland är planerade till 1995 eller de närmaste åren. Våra specialister kan inom en snar framtid testa det "direkta flödet" med en hastighet av mer än 10M på kraftfulla missiler, som nu tas ur drift. Det är sant att de domineras av ett olöst problem. Inte vetenskapligt eller tekniskt. CIAM har inga pengar. De är inte ens tillgängliga för de anställdas halvt tiggare.

Vad kommer härnäst? Nu finns det bara fyra länder i världen som har en hel cykel för att bygga flygmotorer – från grundforskning till produktion av serieprodukter. Dessa är USA, England, Frankrike och för tillfället Ryssland. Så det skulle inte bli fler av dem i framtiden - tre.

Amerikanerna investerar nu hundratals miljoner dollar i scramjet-programmet …