Scramjet-teknologi - Hvordan En Hypersonic Motor Ble Opprettet - Alternativ Visning

Scramjet-teknologi - Hvordan En Hypersonic Motor Ble Opprettet - Alternativ Visning
Scramjet-teknologi - Hvordan En Hypersonic Motor Ble Opprettet - Alternativ Visning

Video: Scramjet-teknologi - Hvordan En Hypersonic Motor Ble Opprettet - Alternativ Visning

Video: Scramjet-teknologi - Hvordan En Hypersonic Motor Ble Opprettet - Alternativ Visning
Video: Japan accidentally leaks its new hypersonic-missile that combination of ramjet and scramjet engines 2024, Mars
Anonim

Combat missile "overflate-til-luft" så noe uvanlig ut - nesen ble forlenget av en metallkjegle. 28. november 1991 lanserte hun fra et teststed i nærheten av Baikonur-kosmodromen og selvdestruert høyt over bakken. Selv om missilet ikke skjøt ned noen luftobjekter, ble oppskytingsmålet oppnådd. For første gang i verden ble en hypersonisk ramjet-motor (scramjet-motor) testet under flyging.

Image
Image

Scramjet-motoren, eller som de sier, "hypersonic forward flow" vil tillate deg å fly fra Moskva til New York på 2 - 3 timer, og la den bevingede maskinen fra atmosfæren ut i verdensrommet. Et fly- og romfartøy trenger ikke et boosterfly, som for Zenger (se TM, nr. 1, 1991), eller et utskytningsbil, som for skyttelbusser og Buran (se TM Nr. 4, 1989), - levering av last til bane vil koste nesten ti ganger billigere. I Vesten vil slike tester finne sted tidligst tre år senere …

Scramjet-motoren er i stand til å akselerere flyene til 15 - 25M (M er Mach-nummeret, i dette tilfellet lydhastigheten i luften), mens de kraftigste turbojet-motorene, som er utstyrt med moderne sivile og militærvingede fly, bare er opp til 3,5M. Den fungerer ikke raskere - lufttemperaturen, når strømmen i luftinntaket reduseres, stiger så mye at turbokompressorenheten ikke er i stand til å komprimere den og mate den inn i forbrenningskammeret (CC). Det er selvfølgelig mulig å styrke kjølesystemet og kompressoren, men da vil dimensjonene og vekten øke så mye at hypersoniske hastigheter blir uaktuelt - å komme seg fra bakken.

En ramjet-motor fungerer uten kompressor - luften foran kompressorstasjonen er komprimert på grunn av hastighetshodet (fig. 1). Resten er i prinsippet den samme som for en turbojet - forbrenningsprodukter, som slipper ut gjennom dysen, akselererer apparatet.

Ideen om en ramjet, den gang ennå ikke hypersonisk, ble fremsatt i 1907 av den franske ingeniøren Rene Laurent. Men de bygde en skikkelig "fremoverstrømning" mye senere. Her var sovjetiske spesialister i spissen.

Først, i 1929, opprettet en av studentene til N. E. Zhukovsky, B. S. Stechkin (senere akademiker), teorien om en luftstrålemotor. Og så, fire år senere, under ledelse av designeren Yu. A. Pobedonostsev i GIRD (Group for the Study of Jet Propulsion), etter eksperimenter på standen, ble ramjet først sendt flyvende.

Motoren ble plassert i skallet til en 76 mm kanon og avfyrt fra fatet med en supersonisk hastighet på 588 m / s. Testene pågikk i to år. Prosjektiler med en ramjet-motor utviklet mer enn 2M - ingen andre fly i verden fløy raskere på det tidspunktet. Samtidig foreslo, bygde og testet Girdovittene en modell av en pulserende ramjet-motor - luftinntaket åpnet og lukket med jevne mellomrom, som et resultat av at forbrenningen i forbrenningskammeret pulserte. Lignende motorer ble senere brukt i Tyskland på FAU-1-raketter.

Salgsfremmende video:

De første store ramjetmotorene ble opprettet igjen av sovjetiske designere I. A. Merkulov i 1939 (subsonisk ramjet-motor) og M. Bondaryuk i 1944 (supersonisk). Siden 40-tallet begynte arbeidet med "direkte flyt" ved Central Institute of Aviation Motors (CIAM).

Noen typer fly, inkludert raketter, var utstyrt med supersoniske ramjet-motorer. Imidlertid på 50-tallet ble det klart at med M-tall som overstiger 6 - 7, er ramjet ineffektiv. Igjen, som for turbojet-motoren, ble lufta som bremset foran kompressorstasjonen, blitt for varm. Det var ikke fornuftig å kompensere for dette ved å øke massen og dimensjonene til ramjet-motoren. I tillegg, ved høye temperaturer, begynner molekyler av forbrenningsprodukter å dissosiere, og absorbere energien som er ment å skape skyvekraft.

Det var da i 1957 at amerikanske sjetsjinkov, en berømt vitenskapsmann, som deltok i de første flyprøvene til en ramjet-motor, oppfant en hypersonisk motor. Et år senere dukket publikasjoner om lignende utvikling ut i Vesten. Forbrenningskammeret til scramjet begynner nesten umiddelbart bak luftinntaket, deretter passerer det glatt inn i et ekspanderende dyse (fig. 2). Selv om luften bremses ved inngangen til den, i motsetning til tidligere motorer, beveger den seg til kompressorstasjonen, eller rettere sagt, suser med supersonisk hastighet. Derfor er trykket på kammerveggene og temperaturen mye lavere enn i en ramjet-motor.

Litt senere ble en scramjet-motor med ekstern forbrenning foreslått (fig. 3) I et fly med en slik motor vil drivstoffet brenne direkte under flykroppen, som vil tjene som en del av den åpne CS. Naturligvis vil trykket i forbrenningssonen være mindre enn i en vanlig forbrenningsmaskin - motorens skyvekraft vil avta noe. Men du får vektøkning - motoren vil bli kvitt den massive ytterveggen på kompressorstasjonen og en del av kjølesystemet. Det er riktignok ennå ikke opprettet en pålitelig "åpen direkte flyt" - den fineste timen vil trolig komme i midten av XXI-tallet.

La oss imidlertid returnere til scramjet-motoren, som ble testet på tirsdag av i fjor vinter. Den ble drevet av flytende hydrogen lagret i en tank ved en temperatur på ca. 20 K (- 253 ° C). Supersonic forbrenning var kanskje det vanskeligste problemet. Vil hydrogen være jevnt fordelt over kammerets tverrsnitt? Vil det ha tid til å brenne helt ut? Hvordan organisere automatisk forbrenningskontroll? - du kan ikke installere sensorer i kammeret, de vil smelte.

Verken matematisk modellering på ekstremt kraftige datamaskiner, eller benketester ga omfattende svar på mange spørsmål. For å simulere en luftstrøm, for eksempel ved 8M, krever stativet et trykk på hundrevis av atmosfærer og en temperatur på omtrent 2500 K - flytende metall i en varm peisovn er mye "kjøligere". Ved enda høyere hastigheter kan ytelse av motor og fly bare bekreftes under flyging.

Det ble tenkt lenge både her og i utlandet. Tilbake på 60-tallet forberedte USA tester av en scramjet-motor på et høyhastighets X-15-rakettfly, men tilsynelatende fant de aldri sted.

Den innenlandske eksperimentelle scramjet-motoren ble produsert i to-modus - med en hastighet som oversteg 3M, fungerte den som en normal "direkte flyt", og etter 5 - 6M - som en hypersonisk en. For dette ble stedene for drivstofftilførsel til kompressorstasjonen endret. Antiflysmissilet som ble fjernet fra drift ble motorakselerator og transportør av det hypersonic flying laboratorium (HLL). GLL, inkludert kontrollsystemer, måling og kommunikasjon med bakken, en hydrogentank og drivstoffenheter, ble forankret til rommene i det andre trinnet, hvor hovedmotoren (LRE) med drivstofftankene, etter fjerning av stridshodet, var igjen. Den første fasen - pulverforsterkere, - etter å ha spredt raketten fra start, skilt ut etter noen sekunder.

Luftfartøy-missil med scramjet ved oppskytningsputen (bildet er publisert for første gang)
Luftfartøy-missil med scramjet ved oppskytningsputen (bildet er publisert for første gang)

Luftfartøy-missil med scramjet ved oppskytningsputen (bildet er publisert for første gang).

Benkprøver og forberedelser for flyturen ble utført ved PI Baranov Central Institute of Aviation Motors, sammen med Luftforsvaret, Fakel maskinbyggingsdesignbyrå, som gjorde om raketten til et flygende laboratorium, Soyuz designbyrå i Tuyev og Temp designbyrå i Moskva, som produserte motoren og drivstoffregulatoren og andre organisasjoner. Programmet ble overvåket av kjente luftfartsspesialister R. I. Kurziner, D. A. Ogorodnikov og V. A. Sosunov.

For å støtte flyreisen, opprettet CIAM et mobilt flytende hydrogenpåfyllingsanlegg og et ombord flytende hydrogentilførselssystem. Når flytende hydrogen anses som et av de mest lovende drivstoffene, kan opplevelsen av å håndtere det, akkumulert ved CIAM, være nyttig for mange.

… Raketten ble skutt ut sent på kvelden, den var allerede nesten mørk. På få øyeblikk forsvant bæreren av "kjeglen" i lave skyer. Det var en stillhet som var uventet sammenlignet med den innledende rumlingen. Testerne som så på starten tenkte til og med: gikk alt virkelig galt? Nei, apparatet fortsatte på sin bestemte vei. På det 38. sekundet, da hastigheten nådde 3,5 M, startet motoren, hydrogen begynte å strømme inn i CC.

Men den 62. skjedde det uventede virkelig: automatisk avstengning av drivstofftilførselen fungerte - scramjet-motoren stengte. Så, omtrent på det 195. sekundet, startet den automatisk opp igjen og fungerte til det 200. Det ble tidligere bestemt som siste sekund av flyturen. I dette øyeblikket ødela raketten, selv om den fortsatt var over testområdet, territoriet.

Maksimal hastighet var 6200 km / t (drøyt 5,2M). Motoren og dens systemer ble overvåket av 250 ombord sensorer. Målingene ble overført til bakken med radiotelemetri.

Ikke all informasjon er blitt behandlet ennå, og en mer detaljert historie om flyturen er for tidlig. Men det er allerede klart nå at om noen tiår vil pilotene og kosmonautene sykle på den "hypersoniske fremstrømmen".

Fra redaktøren. Flytester av scramjet-motorer på X-30-fly i USA og på Hytex i Tyskland er planlagt for 1995 eller de neste årene. Våre spesialister kunne imidlertid i nær fremtid teste den "direkte strømmen" med en hastighet på mer enn 10M på kraftige missiler, som nå trekkes ut av drift. Det er sant at de er dominert av et uløst problem. Ikke vitenskapelig eller teknisk. CIAM har ingen penger. De er ikke engang tilgjengelige for halvt tiggende lønn til ansatte.

Hva blir det neste? Nå er det bare fire land i verden som har en full syklus med bygging av flymotorer - fra grunnleggende forskning til serieproduksjon. Dette er USA, England, Frankrike og foreløpig Russland. Så det vil ikke være flere av dem i fremtiden - tre.

Amerikanerne investerer nå hundrevis av millioner av dollar i scramjet-programmet …

Image
Image

Figur: 1. Skjematisk diagram over en ramjet-motor (ramjet): 1 - sentralen i luftinntaket, 2 - halsen på luftinntaket, 3 - forbrenningskammeret (CC), 4 - dyse med en kritisk seksjon. Hvite piler indikerer drivstofflevering. Utformingen av luftinntaket er slik at luftstrømmen som har kommet inn i det blir hemmet og kommer inn i kompressorstasjonen under høyt trykk. Forbrenningsprodukter, som forlater forbrenningskammeret, akselereres i et smalt munnstykke til lydens hastighet. Interessant nok må dysen utvides for å akselerere gassene ytterligere. Eksemplet med en elv, når strømmen akselererer i forhold til innsnevringen av bankene, er bare egnet for subsoniske strømmer.

Figur: 2. Skjematisk diagram over en hypersonisk ramjet-motor (scramjet-motor): 1 - CS, 2 - ekspanderende dyse. CS-en begynner ikke bak diffusoren, som i ramjet-motoren, men nesten umiddelbart bak halsen på luftinntaket. Drivstoff-luftblandingen brenner med supersonisk hastighet. Forbrenningsproduktene akselereres enda mer i det ekspanderende munnstykket.

Figur: 3. Skjematisk diagram av en scramjet-motor med ekstern forbrenning: 1 - innsprøytningspunkt for drivstoff. Forbrenning skjer på utsiden av motoren - trykket på forbrenningsproduktene er mindre enn i et lukket forbrenningskammer, men skyvekraften - kraften som virker på veggene i luftrammen er større enn frontmotstanden, som setter enheten i bevegelse.

Forfattere: Yuri SHIKHMAN, Vyacheslav SEMENOV, forskere fra Central Institute of Aviation Motors

Anbefalt: