Scramjet tehnologija - kako je stvoren hipersonični motor

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Zadnja izmjena: 2023-12-16 15:59

Borbena raketa "zemlja-vazduh" izgledala je pomalo neobično - nos joj je bio produžen metalnim konusom. 28. novembra 1991. poleteo je sa poligona u blizini kosmodroma Bajkonur i samouništen visoko iznad zemlje. Iako projektil nije oborio nijedan vazdušni objekat, cilj lansiranja je postignut. Po prvi put u svijetu, u letu je testiran hipersonični ramjet motor (scramjet motor).

Scramjet motor, ili, kako kažu, "hipersonični direktni tok" omogućit će da od Moskve do New Yorka preleti za 2-3 sata, a krilatu mašinu napusti iz atmosfere u svemir. Vazduhoplovnom avionu neće biti potreban buster avion, kao za Zenger (videti TM, br. 1, 1991), ili lansirna raketa, kao za šatlove i Buran (videti TM br. 4, 1989), - isporuka tereta u orbitu koštaće skoro deset puta jeftinije. Na Zapadu će se takvi testovi održati najkasnije za tri godine…

Scramjet motor je sposoban da ubrza avion do 15 - 25M (M je Mahov broj, u ovom slučaju brzina zvuka u vazduhu), dok su najmoćniji turbomlazni motori, koji su opremljeni savremenim civilnim i vojnim krilnim avionima, 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 dopremiti u komoru za sagorijevanje (CC). Moguće je, naravno, pojačati sistem hlađenja i kompresor, ali će tada njihove dimenzije i težina porasti toliko da hipersonične brzine neće dolaziti u obzir - da se dižu sa zemlje.

Ramjet motor radi bez kompresora - vazduh ispred kompresorske stanice je komprimovan zbog pritiska velike brzine (Sl. 1). Ostalo je, u principu, isto kao i za turbomlazni - proizvodi sagorevanja, koji izlaze kroz mlaznicu, ubrzavaju aparat.

Ideju o ramjet motoru, tada još ne hipersoničnom, iznio je 1907. francuski inženjer Rene Laurent. Ali pravi "tok naprijed" 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 vazdušno-mlaznog motora. A onda, četiri godine kasnije, pod vodstvom konstruktora Yu. A. Pobedonostseva u GIRD-u (Grupa za proučavanje mlaznog pogona), nakon eksperimenata na štandu, ramjet je prvi put poslat u let.

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

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

Neki tipovi aviona, uključujući rakete, bili su opremljeni nadzvučnim ramjet motorima. Međutim, još 50-ih godina postalo je jasno da sa M brojevima koji prelaze 6 - 7, ramjet je neefikasan. Opet, kao iu slučaju turbomlaznog motora, vazduh koji je kočen ispred kompresorske stanice ušao je u njega prevruć. Nije imalo smisla to kompenzirati povećanjem mase i dimenzija ramjet motora. Osim toga, na visokim temperaturama, molekuli produkata izgaranja počinju da se disociraju, upijajući energiju namijenjenu stvaranju potiska.

Tada je 1957. godine E. S. Shchetinkov, poznati naučnik, učesnik prvih letnih testova ramjet motora, izumio hipersonični motor. Godinu dana kasnije, na Zapadu su se pojavile publikacije o sličnim dešavanjima. Komora za sagorevanje scramjet počinje skoro odmah iza usisnika vazduha, 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. Zbog toga su njegov pritisak na zidove komore i temperatura mnogo niži nego kod ramjet motora.

Nešto kasnije predložen je scramjet motor sa vanjskim sagorijevanjem (slika 3). U avionu s takvim motorom gorivo će sagorijevati direktno ispod trupa, koji će služiti kao dio otvorene kompresorske stanice. Naravno, pritisak u zoni sagorevanja će biti manji nego u konvencionalnoj komori za sagorevanje - potisak motora će se malo smanjiti. Ali dobit će se na težini - motor će se riješiti masivnog vanjskog zida kompresorske stanice i dijela rashladnog sistema. Istina, pouzdan "otvoreni direktni tok" još nije stvoren - njegov najbolji čas će vjerovatno doći sredinom XXI vijeka.

Vratimo se, međutim, na scramjet motor, koji je testiran uoči prošle zime. Napajao se tečnim vodonikom pohranjenim u rezervoaru na temperaturi od oko 20 K (-253 °C). Nadzvučno sagorijevanje je možda bio najteži problem. Hoće li vodonik biti ravnomjerno raspoređen po dijelu komore? Hoće li imati vremena da potpuno izgori? Kako organizovati automatsku kontrolu sagorevanja? - ne možete ugraditi senzore u komoru, oni će se istopiti.

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

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

Domaći eksperimentalni scramjet motor napravljen je dual-mode - pri brzini leta većoj od 3M radio je kao običan "direktan tok", a nakon 5 - 6M - kao hipersonični. Zbog toga su promijenjena mjesta dovoda goriva do kompresorske stanice. Protuavionska raketa, koja se uklanja iz upotrebe, postala je akcelerator motora i nosač hipersonične leteće laboratorije (HLL). GLL, koji uključuje sisteme upravljanja, mjerenja i komunikaciju sa zemljom, rezervoar za vodonik i jedinice za gorivo, usidren je u odjeljke drugog stepena, gdje je, nakon uklanjanja bojeve glave, glavni motor (LRE) sa svojim gorivom tenkovi ostali. Prva faza - pojačivači baruta - nakon što je raketu raspršila od starta, odvojila se nakon nekoliko sekundi.

Ispitivanja na klupi i priprema za let obavljeni su u Centralnom institutu za motore vazduhoplovstva PI Baranov, zajedno sa Vazduhoplovnim snagama, Projektantskim biroom za mašinogradnju Fakel, koji je svoju raketu pretvorio u leteću laboratoriju, Konstruktorskim biroom Sojuz u Tujevu i Projektni biro Temp u Moskvi, koji je proizvodio motor, i regulator goriva, i druge organizacije. Program su nadgledali poznati vazduhoplovni stručnjaci R. I. Kurziner, D. A. Ogorodnikov i V. A. Sosunov.

Kako bi podržao let, CIAM je stvorio mobilni kompleks za punjenje tečnim vodonikom i ugrađeni sistem za dovod tečnog vodonika. Sada, kada se tečni vodonik smatra jednim od najperspektivnijih goriva, iskustvo rukovanja njime, akumulirano u CIAM-u, može biti korisno mnogima.

… Raketa je lansirana kasno uveče, već je bio skoro mrak. Nekoliko trenutaka kasnije, "konusni" nosač je nestao u niskim oblacima. Zavladala je tišina koja je bila neočekivana u poređenju sa prvobitnom tutnjavom. Testeri koji su gledali start su čak pomislili: da li je zaista sve pošlo po zlu? Ne, aparat je nastavio svojim planiranim putem. U 38. sekundi, kada je brzina dostigla 3,5M, motor se upalio, vodonik je počeo da teče u CC.

No, 62. se zaista dogodilo neočekivano: aktiviralo se automatsko isključivanje dovoda goriva - ugasio se scramjet motor. Zatim se, otprilike u 195. sekundi, automatski ponovo pokrenuo i radio do 200. … Ranije je određen kao posljednja sekunda leta. U ovom trenutku raketa se, dok je još bila iznad teritorije poligona, samouništavala.

Maksimalna brzina bila je 6200 km/h (nešto više od 5,2M). Rad motora i njegovih sistema pratilo je 250 ugrađenih senzora. Mjerenja su prenošena radio telemetrijom na zemlju.

Još uvijek nisu obrađene sve informacije, a detaljnija priča o letu je preuranjena. Ali već sada je jasno da će se za nekoliko decenija piloti i kosmonauti voziti "hipersoničnim naprednim tokom".

Od urednika. Letna ispitivanja scramjet motora na avionu X-30 u SAD-u i na Hytexu u Njemačkoj planirana su za 1995. ili narednih nekoliko godina. Naši stručnjaci bi u bliskoj budućnosti mogli da testiraju "direktan tok" brzinom većom od 10M na moćnim projektilima, koji se sada povlače iz upotrebe. Istina, njima dominira neriješen problem. Ne naučno ili tehničko. CIAM nema novca. Nisu dostupni ni za poluprosjačke plate zaposlenih.

Šta je sledeće? Sada postoje samo četiri zemlje u svijetu koje imaju puni ciklus izgradnje avionskih motora - od osnovnih istraživanja do proizvodnje serijskih proizvoda. To su SAD, Engleska, Francuska i za sada Rusija. Tako da ih ubuduće više ne bi bilo - tri.

Amerikanci sada ulažu stotine miliona dolara u Scramjet program…