Scramjeti tehnoloogia – kuidas loodi hüperhelimootor

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2023-12-16 16:03

Pind-õhk lahingurakett nägi välja mõnevõrra ebatavaline - selle nina pikendas metallkoonus. 28. novembril 1991 tõusis see Baikonuri kosmodroomi lähedal asuvalt katsepaigalt õhku ja hävis kõrgel maapinnast. Kuigi rakett ei tulistanud alla ühtegi õhuobjekti, saavutati stardi sihtmärk. Esimest korda maailmas katsetati lennu ajal hüperhelikiirusega reaktiivmootorit (scramjet engine).

Scramjet-mootor või, nagu öeldakse, "hühelikrooniline otsevool" võimaldab lennata Moskvast New Yorki 2–3 tunniga, tiibadega masina atmosfäärist kosmosesse lahkudes. Kosmoselennuk ei vaja võimenduslennukit, nagu Zenger (vt TM, nr 1, 1991), ega kanderaketti, nagu süstikud ja Buran (vt TM nr 4, 1989), - lasti toimetamine orbiidile läheb ligi kümme korda odavamaks. Läänes toimuvad sellised testid mitte varem kui kolme aasta pärast …

Scramjet-mootor on võimeline kiirendama lennukit 15-25M (M on Machi arv, antud juhul heli kiirus õhus), samas kui võimsaimad turboreaktiivmootorid, mis on varustatud kaasaegsete tsiviil- ja sõjaväe tiibadega lennukitega., on ainult kuni 3,5 miljonit. See ei tööta kiiremini - õhu temperatuur tõuseb õhu sisselaskeava voolu aeglustamisel nii palju, et turbokompressori seade ei suuda seda kokku suruda ja põlemiskambrisse (CC) varustada. Jahutussüsteemi ja kompressorit on muidugi võimalik tugevdada, aga siis suurenevad nende mõõtmed ja kaal nii palju, et hüperhelikiirused ei tule kõne allagi - maast lahti saada.

Reaktiivmootor töötab ilma kompressorita – kompressorijaama ees olev õhk surutakse kokku selle suure kiiruse rõhu tõttu (joonis 1). Ülejäänu on põhimõtteliselt sama, mis turboreaktiivmootori puhul - läbi düüsi väljuvad põlemisproduktid kiirendavad seadet.

Toona veel mitte hüperhelikiirusega reaktiivmootori idee esitas 1907. aastal prantsuse insener Rene Laurent. Kuid tõelise "edasivoolu" ehitasid nad palju hiljem. Siin olid eesotsas nõukogude spetsialistid.

Esiteks, 1929. aastal, lõi üks N. E. Žukovski õpilastest B. S. Stechkin (hilisem akadeemik) õhkreaktiivmootori teooria. Ja siis, neli aastat hiljem, disainer Yu. A. Pobedonostsevi juhtimisel GIRD-is (Group for the Study of Jet Propulsion) saadeti pärast stendis tehtud katseid ramjet esmalt lendu.

Mootor paiknes 76-mm kahuri kestas ja tulistati tünnist ülehelikiirusega 588 m/s. Katsed kestsid kaks aastat. Ramjet-mootoriga mürsud arendasid rohkem kui 2M – tol ajal ei lennanud kiiremini ükski seade maailmas. Samal ajal pakkusid Girdovitid välja, ehitasid ja katsetasid pulseeriva ramjetmootori mudelit - selle õhuvõtuava avanes ja sulgus perioodiliselt, mille tulemusena põlemine põlemiskambris pulseeris. Sarnaseid mootoreid kasutati hiljem Saksamaal FAU-1 rakettidel.

Esimesed suured reaktiivmootorid lõid taas Nõukogude disainerid I. A. Merkulov 1939. aastal (allhelikiirusega reaktiivmootor) ja M. M. Bondaryuk 1944. aastal (ülehelikiirus). Alates 40ndatest alustati Lennumootorite Keskinstituudis (CIAM) tööd "otsevoolu" kallal.

Teatud tüüpi lennukid, sealhulgas raketid, olid varustatud ülehelikiirusega reaktiivmootoritega. Kuid juba 50ndatel sai selgeks, et kui M arv ületab 6–7, on ramjet ebaefektiivne. Taas, nagu turboreaktiivmootori puhul, sattus kompressorijaama ees pidurdatud õhk sinna liiga kuumaks. Seda ei olnud mõtet kompenseerida ramjetmootori massi ja mõõtmete suurendamisega. Lisaks hakkavad põlemisproduktide molekulid kõrgel temperatuuril dissotsieeruma, neelates energiat, mis on mõeldud tõukejõu tekitamiseks.

Just siis 1957. aastal leiutas E. S. Shchetinkov, kuulus teadlane, reaktiivmootori esimestel lennukatsetel osaleja, hüperhelimootori. Aasta hiljem ilmusid läänes väljaanded sarnaste arengute kohta. Scramjeti põlemiskamber algab peaaegu kohe õhu sisselaskeava tagant, seejärel läheb see sujuvalt laienevasse otsikusse (joonis 2). Kuigi õhk on selle sissepääsu juures aeglustunud, liigub see erinevalt eelmistest mootoritest kompressorijaama, õigemini tormab ülehelikiirusel. Seetõttu on selle rõhk kambri seintele ja temperatuur palju madalam kui reaktiivmootoril.

Veidi hiljem pakuti välja välispõlemismootoriga scramjet-mootor (joonis 3) Sellise mootoriga lennukis põleb kütus otse kere all, mis toimib avatud kompressorijaama osana. Loomulikult on rõhk põlemistsoonis väiksem kui tavalises põlemiskambris - mootori tõukejõud väheneb veidi. Kuid kaalutõus selgub - mootor vabaneb kompressorijaama massiivsest välisseinast ja osast jahutussüsteemist. Tõsi, usaldusväärset "avatud otsevoolu" pole veel loodud - selle parim tund saabub tõenäoliselt XXI sajandi keskel.

Tuleme aga tagasi eelmise talve eel testitud scramjet-mootori juurde. Selle kütuseks oli vedel vesinik, mida hoiti paagis temperatuuril umbes 20 K (-253 °C). Ülehelikiirusega põlemine oli ehk kõige keerulisem probleem. Kas vesinik jaotub ühtlaselt üle kambri sektsiooni? Kas sellel on aega täielikult läbi põleda? Kuidas korraldada automaatset põlemisjuhtimist? - kambrisse andureid paigaldada ei saa, need sulavad.

Ei matemaatiline modelleerimine ülivõimsatel arvutitel ega ka katsetestid ei andnud ammendavaid vastuseid paljudele küsimustele. Muide, õhuvoolu simuleerimiseks, näiteks 8M juures, vajab statiiv sadade atmosfääride rõhku ja umbes 2500 K temperatuuri – vedel metall kuumas avatud koldeahjus on palju "jahedam". Veelgi suurematel kiirustel saab mootori ja lennuki jõudlust kontrollida ainult lennu ajal.

Seda on nii meil kui ka välismaal pikalt mõelnud. 60ndatel valmistasid Ameerika Ühendriigid ette kiirreaktiivmootori katseid kiirel X-15 rakettlennukil, kuid ilmselt ei toimunud neid kunagi.

Kodumaine eksperimentaalne scramjet-mootor tehti kaherežiimiliseks - lennukiirusel, mis ületas 3M, töötas see tavalise "otsevooluna" ja pärast 5 - 6M - hüperhelikiirusega. Selleks muudeti kompressorjaama kütuse etteande kohti. Käitusest eemaldatavast õhutõrjerakettist sai hüpersonic lendava labori (HLL) mootori kiirendi ja kandja. GLL, mis sisaldab juhtimissüsteeme, mõõtmisi ja sidet maaga, vesinikupaaki ja kütuseühikuid, dokiti teise etapi sektsioonidesse, kus pärast lõhkepea eemaldamist peamootor (LRE) koos kütusega. tankid jäid. Esimene etapp - pulbrivõimendid - pärast raketi stardist hajutamist, eraldati mõne sekundi pärast.

Stendikatsetused ja lennuks ettevalmistamine viidi läbi PI Baranovi Lennumootorite Keskinstituudis koos õhujõududega, Fakeli masinaehituse projekteerimisbürooga, mis muutis oma raketi lendava labori, Sojuzi projekteerimisbürooga Tujevis ja mootorit ja kütuseregulaatorit valmistanud Temp projekteerimisbüroo Moskvas ja muud organisatsioonid. Programmi juhendasid tuntud lennundusspetsialistid R. I. Kurziner, D. A. Ogorodnikov ja V. A. Sosunov.

Lennu toetamiseks lõi CIAM mobiilse vedela vesiniku tankimiskompleksi ja pardal oleva vedela vesiniku toitesüsteemi. Nüüd, kui vedelat vesinikku peetakse üheks paljutõotavamaks kütuseks, võib CIAM-is kogutud kogemus selle käitlemisel olla paljudele kasulik.

… Rakett startis hilisõhtul, oli juba peaaegu pime. Mõni hetk hiljem kadus "koonuse" kandja madalatesse pilvedesse. Tekkis vaikus, mis oli esialgse mürinaga võrreldes ootamatu. Starti jälginud testijad isegi mõtlesid: kas tõesti läks kõik viltu? Ei, aparaat jätkas oma ettenähtud rada. 38. sekundil, kui kiirus jõudis 3,5M-ni, läks mootor käima, vesinik hakkas CC-sse voolama.

Kuid 62. kuupäeval juhtus tõesti ootamatu: käivitati kütusevarustuse automaatne väljalülitamine – scramjeti mootor lülitus välja. Siis, umbes 195. sekundil, käivitus see automaatselt uuesti ja töötas kuni 200…. Varem määrati see lennu viimaseks sekundiks. Sel hetkel hävis rakett, olles veel katsepaiga territooriumi kohal.

Maksimaalne kiirus oli 6200 km/h (veidi üle 5,2M). Mootori ja selle süsteemide tööd jälgis 250 pardaandurit. Mõõtmised edastati raadiotelemeetria abil maapinnale.

Kogu infot pole veel töödeldud ning täpsem jutt lennu kohta on ennatlik. Kuid juba praegu on selge, et mõne aastakümne pärast sõidavad piloodid ja kosmonaudid "hühelikiirusel edasi".

Toimetaja käest. Scramjet-mootorite lennukatsetused lennukitel X-30 USA-s ja Hytexil Saksamaal on planeeritud 1995. aastale või lähiaastatele. Meie spetsialistid võiksid lähitulevikus katsetada "otset voogu" kiirusega üle 10M võimsatel rakettidel, mis praegu kasutusest kõrvaldatakse. Tõsi, neid domineerib lahendamata probleem. Mitte teaduslik ega tehniline. CIAM-il pole raha. Neid ei saa isegi töötajate poolkerjuste palkade eest.

Mis järgmiseks? Nüüd on maailmas vaid neli riiki, kus on lennukimootorite ehitamise täistsükkel – alusuuringutest kuni seeriatoodete tootmiseni. Need on USA, Inglismaa, Prantsusmaa ja praeguseks Venemaa. Nii et neid ei oleks tulevikus rohkem – kolm.

Ameeriklased investeerivad praegu scramjeti programmi sadu miljoneid dollareid …