Technológia Scramjet – ako vznikol hypersonický motor

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Naposledy zmenené: 2023-12-16 16:15

Bojová strela "zem-vzduch" vyzerala trochu nezvyčajne - jej nos bol predĺžený kovovým kužeľom. 28. novembra 1991 odštartovala z testovacieho miesta neďaleko kozmodrómu Bajkonur a vysoko nad zemou sa sama zničila. Aj keď raketa nezostrelila žiadny vzdušný objekt, cieľ odpálenia bol dosiahnutý. Prvýkrát na svete bol za letu testovaný hypersonický náporový motor (scramjet engine).

Motor scramjet, alebo, ako sa hovorí, „hypersonický priamy prúd“umožní letieť z Moskvy do New Yorku za 2 - 3 hodiny, opustiť okrídlený stroj z atmosféry do vesmíru. Letecké lietadlo nebude potrebovať pomocné lietadlo ako Zenger (pozri TM, č. 1, 1991), ani nosnú raketu, ako raketoplány a Buran (pozri TM č. 4, 1989), - dodanie nákladu na obežnú dráhu bude stáť takmer desaťkrát lacnejšie. Na Západe sa takéto testy uskutočnia najskôr o tri roky …

Scramjet motor je schopný zrýchliť lietadlo na 15 - 25M (M je Machovo číslo, v tomto prípade rýchlosť zvuku vo vzduchu), zatiaľ čo najvýkonnejšie prúdové motory, ktorými sú vybavené moderné civilné a vojenské lietadlá s krídlami, sú len do 3,5 milióna. Nepracuje rýchlejšie - teplota vzduchu pri spomalení prúdenia v nasávaní vzduchu stúpne natoľko, že ho turbokompresorová jednotka nie je schopná stlačiť a dodávať do spaľovacej komory (CC). Zosilniť chladiaci systém a kompresor je, samozrejme, možné, ale potom sa ich rozmery a hmotnosť zväčšia natoľko, že hypersonické otáčky neprichádzajú do úvahy – odlepiť sa od zeme.

Náporový motor pracuje bez kompresora - vzduch pred kompresorovou stanicou je stlačený vďaka svojmu vysokootáčkovému tlaku (obr. 1). Zvyšok je v zásade rovnaký ako pri prúdovom motore - produkty spaľovania unikajúce cez dýzu urýchľujú zariadenie.

Myšlienku náporového motora, vtedy ešte nie hypersonického, predložil v roku 1907 francúzsky inžinier Rene Laurent. Skutočný „tok vpred“si ale vybudovali oveľa neskôr. Tu boli na čele sovietski špecialisti.

Najprv v roku 1929 jeden zo študentov N. E. Žukovského, B. S. Stechkin (neskôr akademik), vytvoril teóriu prúdového motora. A potom, o štyri roky neskôr, pod vedením konštruktéra Yu. A. Pobedonostseva v GIRD (Skupina pre štúdium prúdového pohonu), po experimentoch na stanovišti, bol nápor prvýkrát poslaný do letu.

Motor bol uložený v plášti 76 mm kanóna a strieľal z hlavne nadzvukovou rýchlosťou 588 m/s. Testy trvali dva roky. Projektily s náporovým motorom vyvinuté viac ako 2M – ani jedno zariadenie na svete vtedy nelietalo rýchlejšie. Girdovci zároveň navrhli, postavili a otestovali model pulzujúceho náporového motora - jeho prívod vzduchu sa periodicky otváral a zatváral, v dôsledku čoho spaľovanie v spaľovacej komore pulzovalo. Podobné motory boli neskôr použité v Nemecku na raketách FAU-1.

Prvé veľké náporové motory vytvorili opäť sovietski konštruktéri I. A. Merkulov v roku 1939 (podzvukový náporový motor) a M. M. Bondaryuk v roku 1944 (nadzvukový). Od 40. rokov sa v Centrálnom inštitúte leteckých motorov (CIAM) začalo pracovať na „priamom toku“.

Niektoré typy lietadiel, vrátane rakiet, boli vybavené nadzvukovými náporovými motormi. V 50-tych rokoch sa však ukázalo, že s číslami M presahujúcimi 6 - 7 je nápor neúčinný. Opäť ako v prípade prúdového motora sa do neho dostal príliš horúci vzduch, ktorý bol brzdený pred kompresorovou stanicou. Nemalo zmysel to kompenzovať zvýšením hmotnosti a rozmerov náporového motora. Navyše, pri vysokých teplotách sa molekuly produktov spaľovania začnú oddeľovať a absorbovať energiu určenú na vytvorenie ťahu.

Vtedy v roku 1957 E. S. Shchetinkov, slávny vedec, účastník prvých letových testov náporového motora, vynašiel hypersonický motor. O rok neskôr sa na Západe objavili publikácie o podobnom vývoji. Spaľovacia komora scramjet začína takmer bezprostredne za nasávaním vzduchu, potom plynulo prechádza do expandujúcej trysky (obr. 2). Aj keď je vzduch pri vstupe do neho spomalený, na rozdiel od predchádzajúcich motorov sa presúva do kompresorovej stanice, respektíve sa rúti nadzvukovou rýchlosťou. Preto je jeho tlak na steny komory a teplota oveľa nižšie ako v náporovom motore.

O niečo neskôr bol navrhnutý scramjet motor s vonkajším spaľovaním (obr. 3) V lietadle s takýmto motorom bude palivo horieť priamo pod trupom, ktorý bude slúžiť ako súčasť otvorenej kompresorovej stanice. Prirodzene, tlak v spaľovacej zóne bude menší ako v klasickej spaľovacej komore – ťah motora sa mierne zníži. Prírastok hmotnosti sa ale prejaví - motor sa zbaví masívnej vonkajšej steny kompresorovej stanice a časti chladiaceho systému. Je pravda, že spoľahlivý "otvorený priamy tok" ešte nebol vytvorený - jeho najlepšia hodina pravdepodobne príde v polovici XXI.

Vráťme sa však k motoru scramjet, ktorý bol testovaný v predvečer minulej zimy. Poháňal ho kvapalný vodík uložený v nádrži pri teplote asi 20 K (- 253 °C). Nadzvukové spaľovanie bolo azda najťažším problémom. Bude vodík rovnomerne distribuovaný po sekcii komory? Bude mať čas úplne vyhorieť? Ako organizovať automatické riadenie spaľovania? - senzory nemôžete nainštalovať do komory, roztavia sa.

Ani matematické modelovanie na supervýkonných počítačoch, ani testy na skúšobnej stolici neposkytli vyčerpávajúce odpovede na mnohé otázky. Mimochodom, na simuláciu prúdenia vzduchu, napríklad pri 8M, stojan vyžaduje tlak stoviek atmosfér a teplotu asi 2500 K - tekutý kov v horúcej otvorenej peci je oveľa "chladnejší". Pri ešte vyšších rýchlostiach možno výkon motora a lietadla overiť iba za letu.

U nás aj v zahraničí sa o tom uvažovalo už dlho. V 60-tych rokoch sa v USA pripravovali testy scramjet motora na vysokorýchlostnom raketovom lietadle X-15, ale zjavne sa nikdy neuskutočnili.

Domáci experimentálny scramjet motor bol vyrobený v dvojrežime - pri rýchlosti letu presahujúcej 3M fungoval ako obyčajný "priamy prúd" a po 5 - 6M - ako hypersonický. Za týmto účelom sa zmenili miesta prívodu paliva do kompresorovej stanice. Urýchľovačom motora a nosičom hypersonického lietajúceho laboratória (HLL) sa stala protilietadlová strela, ktorá sa vyraďuje z prevádzky. GLL, ktorý zahŕňa riadiace systémy, merania a komunikáciu so zemou, vodíkovú nádrž a palivové jednotky, boli ukotvené v priestoroch druhého stupňa, kde sa po odstránení bojovej hlavice nachádzal hlavný motor (LRE) s palivom. zostali tanky. Prvý stupeň - práškové zosilňovače - po rozptýlení rakety od štartu sa po niekoľkých sekundách oddelil.

Skúšky na skúšobnej stolici a príprava na let sa uskutočnili v Ústrednom inštitúte leteckých motorov PI Baranova spolu s letectvom, konštrukčnou kanceláriou strojárstva Fakel, ktorá zmenila svoju raketu na lietajúce laboratórium, konštrukčnou kanceláriou Sojuz v Tujeve a Temp Design Bureau v Moskve, ktorá vyrobila motor a regulátor paliva a ďalšie organizácie. Na program dohliadali známi leteckí špecialisti R. I. Kurziner, D. A. Ogorodnikov a V. A. Sosunov.

Na podporu letu CIAM vytvoril mobilný komplex na tankovanie kvapalného vodíka a palubný systém dodávky kvapalného vodíka. Teraz, keď sa kvapalný vodík považuje za jedno z najsľubnejších palív, skúsenosti s manipuláciou s ním, získané v CIAM, môžu byť pre mnohých užitočné.

… Raketa odštartovala neskoro večer, už bola skoro tma. O pár chvíľ nato „kužeľový“nosič zmizol v nízkej oblačnosti. Nastalo ticho, ktoré bolo v porovnaní s počiatočným dunením nečakané. Testeri, ktorí sledovali štart, si dokonca mysleli: naozaj sa všetko pokazilo? Nie, prístroj pokračoval v zamýšľanej ceste. V 38. sekunde, keď otáčky dosiahli 3,5 M, motor naskočil, do CC začal prúdiť vodík.

Ale 62. sa skutočne stalo neočakávané: spustilo sa automatické odstavenie prívodu paliva – vypol scramjetový motor. Potom sa asi v 195. sekunde automaticky znova naštartoval a fungoval do 200. … Predtým bola určená ako posledná sekunda letu. V tejto chvíli sa raketa, ešte nad územím testovacieho miesta, sama zničila.

Maximálna rýchlosť bola 6200 km/h (o niečo viac ako 5,2M). Činnosť motora a jeho systémov monitorovalo 250 palubných senzorov. Merania boli prenášané rádiovou telemetriou na zem.

Všetky informácie ešte nie sú spracované a podrobnejší príbeh o lete je predčasný. Už teraz je ale jasné, že o pár desaťročí budú piloti a kozmonauti jazdiť „nadzvukovým dopredným prúdom“.

Od redaktora. Letové skúšky scramjet motorov na lietadlách X-30 v USA a na Hytexe v Nemecku sú plánované na rok 1995 alebo niekoľko najbližších rokov. Naši špecialisti by mohli v blízkej budúcnosti otestovať „priamy prúd“rýchlosťou viac ako 10M na výkonných raketách, ktoré sa teraz sťahujú z prevádzky. Pravda, dominuje im nevyriešený problém. Nie vedecké ani technické. CIAM nemá peniaze. Nie sú dostupné ani na polovičné žobrácke platy zamestnancov.

Čo bude ďalej? Teraz sú na svete len štyri krajiny, ktoré majú celý cyklus výroby leteckých motorov – od základného výskumu až po výrobu sériových produktov. Ide o USA, Anglicko, Francúzsko a zatiaľ Rusko. V budúcnosti by ich teda nebolo viac – tri.

Američania teraz investujú stovky miliónov dolárov do programu scramjet …