Scramjet tehnoloģija - kā tika izveidots hiperskaņas dzinējs

2024 Autors: Seth Attwood | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2023-12-16 16:11

Kaujas raķetes "virsma-gaiss" izskatījās nedaudz neparasti - tās degunu pagarināja metāla konuss. 1991. gada 28. novembrī tas pacēlās no izmēģinājumu poligona netālu no Baikonuras kosmodroma un pašiznīcinājās augstu virs zemes. Lai gan raķete nenotrieka nevienu gaisa objektu, palaišanas mērķis tika sasniegts. Pirmo reizi pasaulē lidojuma laikā tika pārbaudīts hiperskaņas ramjet dzinējs (scramjet engine).

Skramreaktīvais dzinējs jeb, kā mēdz teikt, "hipersoniskā tiešā plūsma" ļaus no Maskavas uz Ņujorku aizlidot 2-3 stundās, spārnoto mašīnu no atmosfēras atstāt kosmosā. Aviācijas un kosmosa lidmašīnām nebūs vajadzīga revakcinācijas lidmašīna, kā Zenger (sk. TM, Nr. 1, 1991), vai nesējraķete, kā atspolēm un Buran (sk. TM Nr. 4, 1989), - kravas nogādāšana orbītā maksās gandrīz desmit reizes lētāk. Rietumos šādas pārbaudes notiks ne agrāk kā pēc trim gadiem …

Skramreaktīvais dzinējs spēj paātrināt lidaparātu līdz 15 - 25M (M ir Maha skaitlis, šajā gadījumā skaņas ātrums gaisā), savukārt jaudīgākie turboreaktīvie dzinēji, kas ir aprīkoti ar modernām civilajām un militārajām spārnotajām lidmašīnām., ir tikai līdz 3,5 miljoniem. Tas nedarbojas ātrāk - gaisa temperatūra, palēninot plūsmu gaisa ieplūdē, paaugstinās tik ļoti, ka turbokompresora bloks nespēj to saspiest un piegādāt sadegšanas kamerā (CC). Var, protams, nostiprināt dzesēšanas sistēmu un kompresoru, bet tad to izmēri un svars pieaugs tik daudz, ka par hiperskaņas ātrumu nebūs runas - tikt no zemes.

Reaktīvais dzinējs darbojas bez kompresora - kompresoru stacijas priekšā esošais gaiss tiek saspiests tā ātrgaitas spiediena dēļ (1. att.). Pārējais principā ir tāds pats kā turboreaktīvai - sadegšanas produkti, kas izplūst caur sprauslu, paātrina aparātu.

Ideju par reaktīvo dzinēju, kas tolaik vēl nebija hiperskaņas, 1907. gadā izvirzīja franču inženieris Renē Lorāns. Bet īstu "plūsmu uz priekšu" viņi izveidoja daudz vēlāk. Šeit padomju speciālisti bija vadībā.

Pirmkārt, 1929. gadā viens no Ņ. E. Žukovska studentiem B. S. Stechkins (vēlāk akadēmiķis) radīja teoriju par gaisa reaktīvo dzinēju. Un tad, četrus gadus vēlāk, dizainera Yu. A. Pobedonostsev vadībā GIRD (Reaktīvās dzinējspēka izpētes grupa) pēc eksperimentiem stendā, ramreaktīvā lidmašīna vispirms tika nosūtīta lidojumā.

Dzinējs tika ievietots 76 mm lielgabala korpusā un tika izšauts no stobra ar virsskaņas ātrumu 588 m/s. Pārbaudes ilga divus gadus. Šāviņi ar reaktīvo dzinēju attīstīja vairāk nekā 2M - neviena ierīce pasaulē tolaik nelidoja ātrāk. Tajā pašā laikā Girdovites piedāvāja, uzbūvēja un pārbaudīja pulsējoša ramreaktīvā dzinēja modeli - tā gaisa ieplūdes atvere periodiski atvērās un aizvērās, kā rezultātā sadegšana degkamerā pulsēja. Līdzīgus dzinējus vēlāk izmantoja Vācijā uz FAU-1 raķetēm.

Pirmos lielos reaktīvos dzinējus atkal radīja padomju dizaineri I. A. Merkulovs 1939.gadā (zemskaņas reaktīvais dzinējs) un M. M. Bondarjuks 1944.gadā (virsskaņas dzinējs). Kopš 40. gadiem Centrālajā Aviācijas motoru institūtā (CIAM) sākās darbs pie "tiešās plūsmas".

Daži gaisa kuģu veidi, tostarp raķetes, bija aprīkoti ar virsskaņas reaktīvo dzinēju dzinējiem. Tomēr 50. gados kļuva skaidrs, ka, ja M skaitļi pārsniedz 6–7, ramjets ir neefektīvs. Atkal, tāpat kā turboreaktīvo dzinēju gadījumā, gaiss, kas tika bremzēts kompresoru stacijas priekšā, tajā iekļuva pārāk karsts. Nebija jēgas to kompensēt, palielinot ramjet dzinēja masu un izmērus. Turklāt augstā temperatūrā sadegšanas produktu molekulas sāk sadalīties, absorbējot enerģiju, kas paredzēta vilces radīšanai.

Toreiz 1957. gadā E. S. Ščetinkovs, slavens zinātnieks, pirmo reaktīvo dzinēju lidojuma testu dalībnieks, izgudroja hiperskaņas dzinēju. Gadu vēlāk Rietumos parādījās publikācijas par līdzīgām norisēm. Scramjet sadegšanas kamera sākas gandrīz uzreiz aiz gaisa ieplūdes, pēc tam tā vienmērīgi pāriet uz izplešanās sprauslu (2. att.). Lai gan gaiss pie ieejas tajā tiek palēnināts, atšķirībā no iepriekšējiem dzinējiem, tas virzās uz kompresoru staciju, pareizāk sakot, steidzas virsskaņas ātrumā. Tāpēc tā spiediens uz kameras sienām un temperatūra ir daudz zemāka nekā reaktīvo dzinēju.

Nedaudz vēlāk tika piedāvāts scramjet dzinējs ar ārējo degšanu (3. att.) Lidmašīnā ar šādu dzinēju degviela sadegs tieši zem fizelāžas, kas kalpos kā daļa no atvērtās kompresoru stacijas. Protams, spiediens degšanas zonā būs mazāks nekā parastajā sadegšanas kamerā - dzinēja vilce nedaudz samazināsies. Taču svara pieaugums izrādīsies – dzinējs atbrīvosies no masīvās kompresoru stacijas ārsienas un daļas dzesēšanas sistēmas. Tiesa, uzticama "atvērtā tiešā plūsma" vēl nav radīta - tās smalkākā stunda, iespējams, pienāks XXI gadsimta vidū.

Atgriezīsimies tomēr pie scramjet dzinēja, kas tika pārbaudīts pagājušās ziemas priekšvakarā. To darbināja šķidrais ūdeņradis, kas tika uzglabāts tvertnē aptuveni 20 K (-253 °C) temperatūrā. Virsskaņas sadegšana, iespējams, bija visgrūtākā problēma. Vai ūdeņradis tiks vienmērīgi sadalīts pa kameras sekciju? Vai būs laiks pilnībā izdegt? Kā organizēt automātisko degšanas kontroli? - kamerā nevar uzstādīt sensorus, tie izkusīs.

Ne matemātiskā modelēšana uz īpaši jaudīgiem datoriem, ne stenda testi nesniedza izsmeļošas atbildes uz daudziem jautājumiem. Starp citu, lai simulētu gaisa plūsmu, piemēram, pie 8M, stendam nepieciešams simtiem atmosfēru spiediens un aptuveni 2500 K temperatūra - šķidrais metāls karstā martena krāsnī ir daudz "vēsāks". Pie vēl lielāka ātruma dzinēja un gaisa kuģa darbību var pārbaudīt tikai lidojuma laikā.

Par to jau sen ir domāts gan pie mums, gan ārzemēs. Jau 60. gados ASV gatavoja skramreaktīvo dzinēju testus ātrgaitas raķešu lidmašīnām X-15, taču acīmredzot tie nekad nenotika.

Iekšzemes eksperimentālais scramjet dzinējs tika izveidots divrežīmā - pie lidojuma ātruma, kas pārsniedza 3M, tas darbojās kā parasta "tiešā plūsma", bet pēc 5 - 6M - kā hiperskaņas. Šim nolūkam tika mainītas degvielas padeves vietas kompresoru stacijai. Pretgaisa raķete, kas tiek izņemta no ekspluatācijas, kļuva par dzinēja paātrinātāju un hiperskaņas lidošanas laboratorijas (HLL) nesēju. GLL, kas ietver vadības sistēmas, mērījumus un saziņu ar zemi, ūdeņraža tvertni un degvielas blokus, tika pieslēgts otrā posma nodalījumiem, kur pēc kaujas galviņas noņemšanas galvenais dzinējs (LRE) ar degvielu. tanki palika. Pirmais posms - pulvera pastiprinātāji, - izkliedējuši raķeti no starta, atdalījušies pēc dažām sekundēm.

Pārbaudes uz stenda un sagatavošanās lidojumam tika veiktas PI Baranova Centrālajā aviācijas motoru institūtā kopā ar gaisa spēkiem, Fakel mašīnbūves projektēšanas biroju, kas savu raķeti pārvērta par lidojošu laboratoriju, Sojuz projektēšanas biroju Tujevā un Temp projektēšanas birojs Maskavā, kas ražoja dzinēju un degvielas regulatoru, un citas organizācijas. Programmu vadīja pazīstamie aviācijas speciālisti R. I. Kurziners, D. A. Ogorodņikovs un V. A. Sosunovs.

Lai atbalstītu lidojumu, CIAM izveidoja mobilo šķidrā ūdeņraža uzpildes kompleksu un borta šķidrā ūdeņraža padeves sistēmu. Tagad, kad šķidrais ūdeņradis tiek uzskatīts par vienu no perspektīvākajām degvielām, CIAM uzkrātā pieredze darbā ar to var noderēt daudziem.

… Raķete palaista vēlu vakarā, bija jau gandrīz tumšs. Dažus mirkļus vēlāk "čiekura" nesējs pazuda zemajos mākoņos. Iestājās klusums, kas bija negaidīts salīdzinājumā ar sākotnējo dārdoņu. Testētāji, kuri vēroja startu, pat domāja: vai tiešām viss nogāja greizi? Nē, aparāts turpināja savu paredzēto ceļu. 38. sekundē, kad ātrums sasniedza 3,5M, motors iedarbojās, ūdeņradis sāka plūst CC.

Taču 62. datumā patiešām notika negaidītais: tika iedarbināta automātiska degvielas padeves izslēgšana – izslēdzās scramjet dzinējs. Pēc tam aptuveni 195. sekundē tas automātiski atkal sāka darboties un darbojās līdz 200. sekundei… Iepriekš tā tika noteikta kā lidojuma pēdējā sekunde. Šobrīd raķete, vēl atrodoties virs poligona teritorijas, pati iznīcinājās.

Maksimālais ātrums bija 6200 km/h (nedaudz vairāk par 5,2M). Dzinēja un tā sistēmu darbību uzraudzīja 250 borta sensori. Mērījumi tika pārraidīti ar radiotelemetriju uz zemi.

Visa informācija vēl nav apstrādāta, un plašāks stāsts par lidojumu ir pāragrs. Taču jau tagad ir skaidrs, ka pēc dažām desmitgadēm piloti un kosmonauti brauks ar "hipersonisko priekšu plūsmu".

No redaktora. Scramjet dzinēju lidojuma testi ar X-30 lidmašīnām ASV un Hytex Vācijā ir plānoti 1995. gadā vai tuvākajos gados. Mūsu speciālisti tuvākajā nākotnē varētu pārbaudīt "tiešo plūsmu" ar ātrumu vairāk nekā 10M uz jaudīgām raķetēm, kuras tagad tiek izņemtas no dienesta. Tiesa, tajos dominē neatrisināta problēma. Ne zinātniski, ne tehniski. CIAM nav naudas. Tie nav pieejami pat darbinieku pusubaga algām.

Ko tālāk? Šobrīd pasaulē ir tikai četras valstis, kurās ir pilns lidmašīnu dzinēju būves cikls – no fundamentāliem pētījumiem līdz sērijveida produktu ražošanai. Tās ir ASV, Anglija, Francija un pagaidām Krievija. Tātad turpmāk tādu vairs nebūtu – trīs.

Amerikāņi tagad investē simtiem miljonu dolāru scramjet programmā …