Scramjet-teknologi - hvordan en hypersonisk motor blev skabt

2024 Forfatter: Seth Attwood | [email protected]. Sidst ændret: 2023-12-16 16:01

Kampmissilet "overflade-til-luft" så noget usædvanligt ud - dets næse blev forlænget med en metalkegle. Den 28. november 1991 lettede den fra et teststed nær Baikonur-kosmodromen og selvdestruerede højt over jorden. Selvom missilet ikke skød noget luftobjekt ned, blev affyringsmålet nået. For første gang i verden blev en hypersonisk ramjet-motor (scramjet-motor) testet under flyvning.

Scramjet-motoren, eller, som de siger, "hypersonisk direkte-flow" vil tillade at flyve fra Moskva til New York på 2 - 3 timer, forlade den bevingede maskine fra atmosfæren ud i rummet. Et rumfartsfly har ikke brug for et boosterfly, som for Zenger (se TM, nr. 1, 1991), eller et løftefartøj, som for shuttles og Buran (se TM nr. 4, 1989), - levering af last til kredsløb vil koste næsten ti gange billigere. I Vesten vil sådanne test ikke finde sted tidligere end om tre år …

Scramjetmotoren er i stand til at accelerere flyet til 15 - 25M (M er Mach-tallet, i dette tilfælde lydens hastighed i luften), mens de kraftigste turbojetmotorer, som er udstyret med moderne civile og militære bevingede fly, er kun op til 3,5 mio. Det virker ikke hurtigere - lufttemperaturen, når flowet i luftindtaget decelereres, stiger så meget, at turbokompressorenheden ikke er i stand til at komprimere den og tilføre den til forbrændingskammeret (CC). Det er selvfølgelig muligt at forstærke kølesystemet og kompressoren, men så vil deres dimensioner og vægt stige så meget, at hypersoniske hastigheder er udelukket - at komme fra jorden.

En ramjetmotor fungerer uden kompressor - luften foran kompressorstationen komprimeres på grund af dets højhastighedstryk (fig. 1). Resten er i princippet det samme som for en turbojet - forbrændingsprodukter, der slipper ud gennem dysen, accelererer apparatet.

Ideen om en ramjet-motor, dengang endnu ikke hypersonisk, blev fremsat i 1907 af den franske ingeniør Rene Laurent. Men de byggede et rigtigt "forward flow" meget senere. Her var sovjetiske specialister i spidsen.

Først i 1929 skabte en af N. E. Zhukovskys elever, B. S. Stechkin (senere en akademiker), teorien om en luftjetmotor. Og så, fire år senere, under ledelse af designeren Yu. A. Pobedonostsev i GIRD (Group for the Study of Jet Propulsion), efter eksperimenter på standen, blev ramjetflyet først sendt i flyvning.

Motoren var anbragt i granaten på en 76 mm kanon og affyret fra løbet med en supersonisk hastighed på 588 m/s. Testene varede i to år. Projektiler med en ramjet-motor udviklede mere end 2M - ikke en eneste enhed i verden fløj hurtigere på det tidspunkt. På samme tid foreslog, byggede og testede Girdoviterne en model af en pulserende ramjetmotor - dens luftindtag åbnede og lukkede periodisk, som et resultat af, at forbrændingen i forbrændingskammeret pulserede. Lignende motorer blev senere brugt i Tyskland på FAU-1 raketter.

De første store ramjetmotorer blev skabt igen af de sovjetiske designere I. A. Merkulov i 1939 (subsonisk ramjetmotor) og M. M. Bondaryuk i 1944 (supersonisk). Siden 40'erne begyndte arbejdet med "direkte flow" på Central Institute of Aviation Motors (CIAM).

Nogle typer fly, inklusive missiler, var udstyret med supersoniske ramjetmotorer. Men tilbage i 50'erne blev det klart, at med M-tal over 6 - 7, er ramjet ineffektiv. Igen, som i tilfældet med turbojetmotoren, blev luften, der blev bremset foran kompressorstationen, for varm ind i den. Det gav ikke mening at kompensere for dette ved at øge ramjetmotorens masse og dimensioner. Desuden begynder molekyler af forbrændingsprodukter ved høje temperaturer at dissociere og absorbere energi beregnet til at skabe fremstød.

Det var dengang i 1957, at E. S. Shchetinkov, en berømt videnskabsmand, en deltager i de første flyvetest af en ramjetmotor, opfandt en hypersonisk motor. Et år senere dukkede publikationer om lignende udvikling op i Vesten. Scramjet-forbrændingskammeret begynder næsten umiddelbart bag luftindtaget og passerer derefter jævnt ind i en ekspanderende dyse (fig. 2). Selvom luften bremses ved indgangen til den, i modsætning til tidligere motorer, bevæger den sig til kompressorstationen, eller rettere, skynder sig med supersonisk hastighed. Derfor er dets tryk på kammervæggene og temperaturen meget lavere end i en ramjetmotor.

Lidt senere blev en scramjetmotor med ekstern forbrænding foreslået (fig. 3) I et fly med en sådan motor vil brændstoffet brænde direkte under skroget, som vil tjene som en del af den åbne kompressorstation. Naturligvis vil trykket i forbrændingszonen være mindre end i et konventionelt forbrændingskammer - motorkraften vil falde lidt. Men vægtforøgelsen vil vise sig - motoren vil slippe af med den massive ydervæg af kompressorstationen og en del af kølesystemet. Sandt nok er et pålideligt "åbent direkte flow" endnu ikke blevet skabt - dets fineste time vil sandsynligvis komme i midten af det XXI århundrede.

Lad os dog vende tilbage til scramjet-motoren, som blev testet på tærsklen til sidste vinter. Den blev drevet af flydende brint opbevaret i en tank ved en temperatur på omkring 20 K (- 253 ° C). Supersonisk forbrænding var måske det sværeste problem. Vil brint blive jævnt fordelt over sektionen af kammeret? Vil den nå at brænde helt ud? Hvordan organiseres automatisk forbrændingskontrol? - du kan ikke installere sensorer i et kammer, de vil smelte.

Hverken matematisk modellering på superkraftige computere eller bænktest gav omfattende svar på mange spørgsmål. For at simulere en luftstrøm, for eksempel ved 8M, kræver stativet i øvrigt et tryk på hundredvis af atmosfærer og en temperatur på omkring 2500 K - flydende metal i en varm åben ildovn er meget "kølere". Ved endnu højere hastigheder kan motorens og flyets ydeevne kun verificeres under flyvning.

Det har været tænkt længe både i vores land og i udlandet. Tilbage i 60'erne forberedte USA test af en scramjetmotor på et højhastigheds X-15 raketfly, men de fandt tilsyneladende aldrig sted.

Den indenlandske eksperimentelle scramjet-motor blev lavet dual-mode - ved en flyvehastighed på over 3M fungerede den som et almindeligt "direkte flow", og efter 5 - 6M - som en hypersonisk. Til dette blev brændstofforsyningsstederne til kompressorstationen ændret. Luftværnsmissilet, som er ved at blive taget ud af drift, blev motoracceleratoren og bæreren af det hypersoniske flyvende laboratorium (HLL). GLL'en, som omfatter kontrolsystemer, målinger og kommunikation med jorden, en brinttank og brændstofenheder, blev docket til rummene på anden etape, hvor hovedmotoren (LRE) med dens brændstof efter fjernelse af sprænghovedet tanke tilbage. Det første trin - pulverforstærkere, - efter at have spredt raketten fra starten, blev adskilt efter et par sekunder.

Bænktests og forberedelse til flyvningen blev udført på PI Baranov Central Institute of Aviation Motors sammen med luftvåbnet, Fakels maskinbygningsdesignbureau, som forvandlede sin raket til et flyvende laboratorium, Soyuz designbureau i Tuyev og Temp designbureau i Moskva, som fremstillede motoren og brændstofregulatoren og andre organisationer. De velkendte luftfartsspecialister R. I. Kurziner, D. A. Ogorodnikov og V. A. Sosunov overvågede programmet.

For at støtte flyvningen skabte CIAM et mobilt tankningskompleks for flydende brint og et indbygget flydende brintforsyningssystem. Nu, når flydende brint betragtes som et af de mest lovende brændstoffer, kan erfaringen med at håndtere det, akkumuleret hos CIAM, være nyttig for mange.

… Raketten blev affyret sent på aftenen, det var allerede næsten mørkt. Få øjeblikke senere forsvandt "kegle"-bæreren ind i lave skyer. Der var en stilhed, der var uventet i forhold til den indledende rumlen. Testerne, der så starten, tænkte endda: gik alt virkelig galt? Nej, apparatet fortsatte på sin tilsigtede vej. I det 38. sekund, da hastigheden nåede 3,5 M, startede motoren, brint begyndte at strømme ind i CC.

Men den 62. skete det uventede virkelig: den automatiske nedlukning af brændstofforsyningen blev udløst - scramjet-motoren slukkede. Så, omkring det 195. sekund, startede den automatisk op igen og virkede indtil det 200. … Det var tidligere bestemt som det sidste sekund af flyvningen. I dette øjeblik blev raketten, mens den stadig var over teststedets territorium, selvdestrueret.

Den maksimale hastighed var 6200 km/t (lidt mere end 5,2M). Driften af motoren og dens systemer blev overvåget af 250 indbyggede sensorer. Målinger blev transmitteret med radiotelemetri til jorden.

Ikke alle oplysninger er behandlet endnu, og en mere detaljeret historie om flyvningen er for tidlig. Men det er allerede nu klart, at piloterne og kosmonauterne om få årtier vil ride på den "hypersoniske fremadgående strøm".

Fra redaktøren. Flyvetest af scramjetmotorer på X-30-flyene i USA og på Hytex i Tyskland er planlagt til 1995 eller de næste par år. Vores specialister kunne i den nærmeste fremtid teste det "direkte flow" med en hastighed på mere end 10M på kraftige missiler, som nu tages ud af drift. Sandt nok er de domineret af et uløst problem. Ikke videnskabeligt eller teknisk. CIAM har ingen penge. De er ikke engang tilgængelige for de ansattes halvt tiggere lønninger.

Hvad er det næste? Nu er der kun fire lande i verden, der har en fuld cyklus af flymotorbygning - fra grundforskning til produktion af serieprodukter. Det er USA, England, Frankrig og indtil videre Rusland. Så der ville ikke være flere af dem i fremtiden - tre.

Amerikanerne investerer nu hundredvis af millioner af dollars i scramjet-programmet …