Scramjet technologija – kaip buvo sukurtas hipergarsinis variklis

2024 Autorius: Seth Attwood | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2023-12-16 16:11

Kovinė raketa „paviršius-oras“atrodė kiek neįprastai – jos nosį pailgino metalinis kūgis. 1991 m. lapkričio 28 d. jis pakilo iš bandymų poligono netoli Baikonūro kosmodromo ir sunaikino aukštai virš žemės. Nors raketa nenumušė jokio oro objekto, paleidimo tikslas buvo pasiektas. Pirmą kartą pasaulyje skrydžio metu buvo išbandytas hipergarsinis reaktyvinis variklis (scramjet engine).

„Scramjet“variklis, arba, kaip sakoma, „higarsinis tiesioginis srautas“leis iš Maskvos į Niujorką nuskristi per 2–3 valandas, iš atmosferos į kosmosą paliks sparnuotą mašiną. Aviacijos ir kosmoso lėktuvui nereikės revakcinacijos lėktuvo, kaip Zenger (žr. TM, Nr. 1, 1991), arba nešančiosios raketos, kaip šaudyklėms ir Buran (žr. TM Nr. 4, 1989), - krovinio pristatymas į orbitą kainuos beveik dešimt kartų pigiau. Vakaruose tokie bandymai vyks ne anksčiau kaip po trejų metų …

„Scramjet“variklis gali pagreitinti orlaivį iki 15–25M (M yra Macho skaičius, šiuo atveju garso greitis ore), o galingiausi turboreaktyviniai varikliai, kuriuose įrengti modernūs civiliniai ir kariniai sparnuoti orlaiviai., yra tik iki 3,5 mln. Greičiau neveikia – oro temperatūra, sulėtėjus srautui oro įsiurbimo angoje, pakyla tiek, kad turbokompresoriaus blokas nepajėgia jo suspausti ir tiekti į degimo kamerą (CC). Galima, žinoma, sustiprinti aušinimo sistemą ir kompresorių, bet tada jų matmenys ir svoris padidės tiek, kad hipergarsiniai greičiai nebebus iš piršto laužti – pakilti nuo žemės.

Ramreaktyvinis variklis veikia be kompresoriaus – oras prieš kompresorių stotį yra suspaustas dėl jo didelio greičio slėgio (1 pav.). Likusi dalis iš esmės yra tokia pati kaip ir turboreaktyviniam varikliui - degimo produktai, išeinantys per purkštuką, pagreitina aparatą.

1907 m. prancūzų inžinierius Rene Laurent'as iškėlė idėją apie reaktyvinį variklį, kuris tada dar nebuvo hipergarsinis. Tačiau tikrą „srauto srautą“jie sukūrė daug vėliau. Čia pirmavo sovietų specialistai.

Pirmiausia, 1929 m., vienas iš N. E. Žukovskio mokinių B. S. Stechkinas (vėliau akademikas) sukūrė oro reaktyvinio variklio teoriją. Ir tada, po ketverių metų, vadovaujant dizaineriui Yu. A. Pobedonostsevui iš GIRD (reaktyvinio varymo tyrimo grupės), po eksperimentų stende, reaktyvinis lėktuvas pirmą kartą buvo išsiųstas į skrydį.

Variklis buvo patalpintas 76 mm patrankos apvalkale ir šaudomas iš vamzdžio viršgarsiniu 588 m/s greičiu. Bandymai tęsėsi dvejus metus. Sviediniai su ramreaktyviniu varikliu išvystė daugiau nei 2M – greičiau nei vienas prietaisas pasaulyje tuo metu neskriejo. Tuo pačiu metu Girdovitai pasiūlė, pastatė ir išbandė pulsuojančio reaktyvinio variklio modelį - jo oro įsiurbimo anga periodiškai atsidarė ir užsidarė, dėl ko degimas degimo kameroje pulsavo. Panašūs varikliai vėliau buvo naudojami Vokietijoje FAU-1 raketose.

Pirmuosius didelius reaktyvinius variklius vėl sukūrė sovietų konstruktoriai I. A. Merkulovas 1939 metais (ikigarsinis reaktyvinis variklis) ir M. M. Bondaryuk 1944 metais (viršgarsinis). Nuo 40-ųjų Centriniame aviacijos variklių institute (CIAM) prasidėjo „tiesioginio srauto“darbas.

Kai kurie orlaivių tipai, įskaitant raketas, buvo aprūpinti viršgarsiniais reaktyviniais varikliais. Tačiau šeštajame dešimtmetyje tapo aišku, kad kai M skaičius viršija 6–7, „ramjet“yra neveiksmingas. Vėlgi, kaip ir į turboreaktyvinį variklį, prieš kompresorių stotį stabdomas oras į jį pateko per karštas. Nebuvo prasmės to kompensuoti didinant rametinio variklio masę ir matmenis. Be to, esant aukštai temperatūrai, degimo produktų molekulės pradeda disocijuoti, sugerdamos energiją, skirtą traukai sukurti.

Būtent tada 1957 metais E. S. Ščetinkovas, garsus mokslininkas, pirmųjų reaktyvinio variklio skrydžio bandymų dalyvis, išrado hipergarsinį variklį. Po metų Vakaruose pasirodė publikacijos apie panašius įvykius. Scramjet degimo kamera prasideda beveik iškart už oro įsiurbimo angos, tada sklandžiai pereina į besiplečiantį antgalį (2 pav.). Nors prie įėjimo į jį oras sulėtinamas, skirtingai nei ankstesniuose varikliuose, jis juda į kompresorių stotį, tiksliau, veržiasi viršgarsiniu greičiu. Todėl jo slėgis kameros sienelėms ir temperatūra yra daug žemesni nei reaktyviniame variklyje.

Kiek vėliau buvo pasiūlytas scramjet variklis su išorinio degimo (3 pav.) Orlaivyje su tokiu varikliu degalai degs tiesiai po fiuzeliažu, kuris tarnaus kaip atviros kompresorinės stoties dalis. Natūralu, kad slėgis degimo zonoje bus mažesnis nei įprastoje degimo kameroje – variklio trauka šiek tiek sumažės. Tačiau svorio padidėjimas pasirodys - variklis atsikratys masyvios išorinės kompresoriaus stoties sienelės ir dalies aušinimo sistemos. Tiesa, patikimas „atviras tiesioginis srautas“dar nesukurtas – geriausia jo valanda tikriausiai ateis XXI amžiaus viduryje.

Tačiau grįžkime prie scramjet variklio, kuris buvo išbandytas praėjusios žiemos išvakarėse. Jį kūrė skystas vandenilis, laikomas bake maždaug 20 K (- 253 °C) temperatūroje. Viršgarsinis degimas buvo bene sunkiausia problema. Ar vandenilis bus tolygiai paskirstytas kameros dalyje? Ar turės laiko visiškai perdegti? Kaip organizuoti automatinį degimo valdymą? - kameroje negalima montuoti jutiklių, jie išsilydys.

Nei matematinis modeliavimas itin galinguose kompiuteriuose, nei stendiniai testai nepateikė išsamių atsakymų į daugelį klausimų. Beje, norint imituoti oro srautą, pavyzdžiui, esant 8M, stove reikalingas šimtų atmosferų slėgis ir apie 2500 K temperatūra – skystas metalas karštoje atviro židinio krosnyje yra daug „vėsesnis“. Dar didesniu greičiu variklio ir orlaivio veikimą galima patikrinti tik skrydžio metu.

Tiek mūsų šalyje, tiek užsienyje apie tai galvojama jau seniai. Dar septintajame dešimtmetyje JAV ruošė greitaeigio X-15 raketinio lėktuvo scramjet variklio bandymus, tačiau, matyt, jie taip ir neįvyko.

Buitinis eksperimentinis scramjet variklis buvo pagamintas dvigubu režimu - kai skrydžio greitis viršija 3M, jis veikė kaip įprastas „tiesioginis srautas“, o po 5–6M - kaip hipergarsinis. Tam buvo pakeistos kuro padavimo į kompresorių stotį vietos. Iš eksploatacijos nutraukiama priešlėktuvinė raketa tapo variklio greitintuvu ir hipergarsinės skraidymo laboratorijos (HLL) nešėja. GLL, apimantis valdymo sistemas, matavimus ir ryšį su žeme, vandenilio baką ir degalų blokus, buvo prijungtas prie antrojo etapo skyrių, kur, pašalinus kovinę galvutę, pagrindinis variklis (LRE) su degalais. liko tankai. Pirmoji pakopa – parako stiprintuvai, – išsklaidę raketą nuo starto, atsiskyrė po kelių sekundžių.

Bandymai stende ir pasiruošimas skrydžiui buvo atlikti PI Baranovo centriniame aviacijos variklių institute kartu su oro pajėgomis, Fakel mašinų gamybos projektavimo biuru, kuris savo raketą pavertė skraidančia laboratorija, Sojuz projektavimo biuru Tujeve ir variklį ir kuro reguliatorių gaminęs Temp projektavimo biuras Maskvoje ir kitos organizacijos. Programai vadovavo žinomi aviacijos specialistai R. I. Kurzineris, D. A. Ogorodnikovas ir V. A. Sosunovas.

Siekdama paremti skrydį, CIAM sukūrė mobilų skysto vandenilio papildymo kompleksą ir laive esančią skysto vandenilio tiekimo sistemą. Dabar, kai skystasis vandenilis laikomas vienu perspektyviausių degalų, CIAM sukaupta darbo su juo patirtis gali praversti daugeliui.

… Raketa paleido vėlai vakare, jau buvo beveik tamsu. Po kelių akimirkų „kūgio“vežėjas dingo žemuose debesyse. Stojo tyla, kuri buvo netikėta, lyginant su pradiniu ūžesiu. Startą stebėję bandytojai net pagalvojo: ar tikrai viskas klostėsi ne taip? Ne, aparatas toliau ėjo numatytu keliu. 38 sekundę, kai greitis pasiekė 3,5M, variklis užsivedė, vandenilis pradėjo tekėti į CC.

Tačiau 62 dieną išties nutiko tai, kas netikėta: suveikė automatinis degalų tiekimo išjungimas – užgeso scramjet variklis. Tada, maždaug 195 sekundę, jis automatiškai vėl įsijungė ir veikė iki 200… Anksčiau tai buvo nustatyta kaip paskutinė skrydžio sekundė. Šiuo metu raketa, dar būdama virš bandymų poligono teritorijos, savaime sunaikino.

Maksimalus greitis buvo 6200 km/h (šiek tiek daugiau nei 5,2M). Variklio ir jo sistemų veikimą stebėjo 250 borto jutiklių. Matavimai radijo telemetrija buvo perduodami į žemę.

Dar ne visa informacija apdorota, o detalesnė istorija apie skrydį per anksti. Tačiau jau dabar aišku, kad po kelių dešimtmečių lakūnai ir kosmonautai važiuos „higarsiniu pirmyn srautu“.

Iš redaktoriaus. „Scramjet“variklių skrydžio bandymai su X-30 lėktuvu JAV ir „Hytex“Vokietijoje planuojami 1995 m. arba kelerius ateinančius metus. Mūsų specialistai artimiausiu metu galėtų išbandyti „tiesioginį srautą“didesniu nei 10M greičiu ant galingų raketų, kurios dabar yra pašalinamos iš tarnybos. Tiesa, juose dominuoja neišspręsta problema. Ne mokslinis ar techninis. CIAM neturi pinigų. Jų net ir už pusiau elgetiškas darbuotojų atlyginimus negalima gauti.

Kas toliau? Dabar pasaulyje yra tik keturios šalys, kuriose yra visas orlaivių variklių gamybos ciklas – nuo pagrindinių tyrimų iki serijinių gaminių gamybos. Tai JAV, Anglija, Prancūzija ir kol kas Rusija. Tad ateityje jų nebeliktų – trys.

Amerikiečiai dabar investuoja šimtus milijonų dolerių į scramjet programą…