Technologia Scramjet - jak powstał silnik hipersoniczny

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2023-12-16 16:14

Pocisk bojowy „ziemia-powietrze” wyglądał nieco nietypowo – jego nos był wydłużony o metalowy stożek. 28 listopada 1991 roku wystartował z poligonu testowego w pobliżu kosmodromu Bajkonur i uległ samozniszczeniu wysoko nad ziemią. Mimo że pocisk nie zestrzelił żadnego obiektu latającego, cel startu został osiągnięty. Po raz pierwszy na świecie przetestowano w locie hipersoniczny silnik strumieniowy (silnik scramjet).

Silnik scramjet, lub, jak mówią, „hiposoniczny przepływ bezpośredni” pozwoli przelecieć z Moskwy do Nowego Jorku w ciągu 2-3 godzin, opuścić skrzydlatą maszynę z atmosfery w kosmos. Samolot lotniczy nie będzie potrzebował samolotu wspomagającego, jak w przypadku Zengera (patrz TM, nr 1, 1991), ani rakiety nośnej, jak w przypadku wahadłowców i Buran (patrz TM nr 4, 1989), - dostarczanie ładunku na orbitę będzie kosztować prawie dziesięć razy taniej. Na Zachodzie takie testy odbędą się nie wcześniej niż za trzy lata…

Silnik scramjet jest w stanie rozpędzić samolot do 15 - 25M (M to liczba Macha, w tym przypadku prędkość dźwięku w powietrzu), podczas gdy najmocniejsze silniki turboodrzutowe, które są wyposażone w nowoczesne samoloty cywilne i wojskowe, są tylko do 3,5 mln. Nie działa szybciej - temperatura powietrza, gdy przepływ we wlocie powietrza jest spowolniony, wzrasta tak bardzo, że turbosprężarka nie jest w stanie go skompresować i dostarczyć do komory spalania (CC). Możliwe jest oczywiście wzmocnienie układu chłodzenia i kompresora, ale wtedy ich gabaryty i waga wzrosną tak bardzo, że prędkości hipersoniczne nie będą wchodziły w rachubę - oderwać się od ziemi.

Silnik strumieniowy pracuje bez sprężarki - powietrze przed stacją sprężarkową jest sprężane pod wpływem wysokiego ciśnienia (rys. 1). Reszta w zasadzie jest taka sama jak w przypadku turboodrzutowca - produkty spalania uchodzące przez dyszę przyspieszają aparat.

Pomysł silnika strumieniowego, wówczas jeszcze nie naddźwiękowego, przedstawił w 1907 roku francuski inżynier Rene Laurent. Ale znacznie później zbudowali prawdziwy „przepływ do przodu”. Tu przodowali sowieccy specjaliści.

Najpierw w 1929 roku jeden ze studentów N. E. Żukowskiego, B. S. Stechkin (późniejszy akademik), stworzył teorię silnika odrzutowego. A potem, cztery lata później, pod kierownictwem projektanta Yu. A.

Silnik mieścił się w powłoce 76-mm armaty i strzelał z lufy z prędkością ponaddźwiękową 588 m/s. Testy trwały dwa lata. Pociski z silnikiem strumieniowym rozwinęły się ponad 2M - w tym czasie żadne urządzenie na świecie nie leciało szybciej. W tym samym czasie Girdowici zaproponowali, zbudowali i przetestowali model pulsującego silnika strumieniowego - jego wlot powietrza okresowo otwierał się i zamykał, w wyniku czego spalanie w komorze spalania pulsowało. Podobne silniki były później używane w Niemczech w rakietach FAU-1.

Pierwsze duże silniki strumieniowe zostały ponownie stworzone przez radzieckich konstruktorów I. A. Merkulova w 1939 roku (poddźwiękowy silnik strumieniowy) i M. M. Bondaryuka w 1944 roku (naddźwiękowy). Od lat 40. prace nad „przepływem bezpośrednim” rozpoczęły się w Centralnym Instytucie Silników Lotniczych (CIAM).

Niektóre typy samolotów, w tym rakiety, były wyposażone w naddźwiękowe silniki strumieniowe. Jednak już w latach 50. stało się jasne, że przy liczbach M przekraczających 6–7 silnik strumieniowy jest nieskuteczny. Ponownie, podobnie jak w przypadku silnika turboodrzutowego, powietrze hamowane przed stacją kompresorową dostało się do niego zbyt gorące. Nie miało sensu kompensować tego zwiększeniem masy i wymiarów silnika strumieniowego. Ponadto w wysokich temperaturach cząsteczki produktów spalania zaczynają się dysocjować, pochłaniając energię przeznaczoną do wytworzenia ciągu.

To właśnie w 1957 roku E. S. Shchetinkov, słynny naukowiec, uczestnik pierwszych prób w locie silnika strumieniowego, wynalazł silnik naddźwiękowy. Rok później na Zachodzie pojawiły się publikacje o podobnych wydarzeniach. Komora spalania scramjet zaczyna się niemal bezpośrednio za wlotem powietrza, po czym płynnie przechodzi do rozprężającej się dyszy (rys. 2). Chociaż powietrze jest spowalniane na wejściu do niego, w przeciwieństwie do poprzednich silników przemieszcza się do stacji sprężarek, a raczej pędzi z prędkością ponaddźwiękową. Dlatego jego ciśnienie na ściankach komory i temperatura są znacznie niższe niż w silniku strumieniowym.

Nieco później zaproponowano silnik scramjet z zewnętrznym spalaniem (rys. 3) W samolocie z takim silnikiem paliwo będzie spalane bezpośrednio pod kadłubem, który będzie pełnił funkcję otwartej stacji sprężarek. Naturalnie ciśnienie w strefie spalania będzie mniejsze niż w konwencjonalnej komorze spalania - ciąg silnika nieznacznie się zmniejszy. Ale przybierze na wadze - silnik pozbędzie się masywnej zewnętrznej ściany tłoczni i części układu chłodzenia. Co prawda nie stworzono jeszcze niezawodnego „otwartego bezpośredniego przepływu” – jego najlepsza godzina prawdopodobnie nadejdzie w połowie XXI wieku.

Wróćmy jednak do silnika scramjet, który był testowany w przeddzień zeszłej zimy. Zasilany był ciekłym wodorem przechowywanym w zbiorniku o temperaturze ok. 20 K (- 253°C). Prawdopodobnie najtrudniejszym problemem było spalanie naddźwiękowe. Czy wodór zostanie równomiernie rozprowadzony w sekcji komory? Czy zdąży się całkowicie wypalić? Jak zorganizować automatyczną kontrolę spalania? - nie można zamontować czujników w komorze, będą się topić.

Ani modelowanie matematyczne na super potężnych komputerach, ani testy laboratoryjne nie dostarczyły wyczerpujących odpowiedzi na wiele pytań. Nawiasem mówiąc, aby zasymulować przepływ powietrza np. 8M, stanowisko wymaga ciśnienia setek atmosfer i temperatury około 2500 K - ciekły metal w gorącym piecu martenowskim jest znacznie „chłodniejszy”. Przy jeszcze wyższych prędkościach osiągi silnika i samolotu można zweryfikować tylko w locie.

Myślano o tym od dawna zarówno w naszym kraju, jak i za granicą. W latach 60. Stany Zjednoczone przygotowywały testy silnika scramjet na szybkim samolocie rakietowym X-15, jednak najwyraźniej nigdy nie miały miejsca.

Krajowy eksperymentalny silnik scramjet był dwutrybowy - przy prędkości lotu przekraczającej 3M działał jako zwykły "przepływ bezpośredni", a po 5 - 6M - jako hipersoniczny. W tym celu zmieniono miejsca dostarczania paliwa do tłoczni. Wycofywany z uzbrojenia pocisk przeciwlotniczy stał się akceleratorem silnika i nośnikiem hipersonicznego laboratorium latającego (HLL). GLL, w skład którego wchodzą systemy sterowania, pomiary i komunikacja z ziemią, zbiornik wodoru i jednostki paliwowe, zadokowany został do przedziałów drugiego stopnia, gdzie po zdjęciu głowicy, silnik główny (LRE) wraz z paliwem pozostały czołgi. Pierwszy etap - prochowe boostery - po rozpędzeniu rakiety od samego początku, oddzielił się po kilku sekundach.

Testy stanowiskowe i przygotowania do lotu przeprowadzono w Centralnym Instytucie Silników Lotniczych im. PI Baranowa, wspólnie z Siłami Powietrznymi, biurem projektowym Fakel, które przekształciło swoją rakietę w latające laboratorium, biurem projektowym Sojuz w Tujewie i biuro projektowe Temp w Moskwie, które produkowało silnik i regulator paliwa oraz inne organizacje. Program nadzorowali znani specjaliści lotnictwa R. I. Kurzyner, D. A. Ogorodnikov i V. A. Sosunov.

Aby wesprzeć lot, CIAM stworzył mobilny kompleks tankowania ciekłym wodorem oraz pokładowy system zaopatrzenia w ciekły wodór. Teraz, gdy ciekły wodór jest uważany za jedno z najbardziej obiecujących paliw, doświadczenia związane z jego obsługą, zgromadzone w CIAM, mogą być przydatne dla wielu.

…Rakieta wystartowała późnym wieczorem, było już prawie ciemno. Kilka chwil później nosiciel „stożek” zniknął w niskich chmurach. Zapadła cisza, która była nieoczekiwana w porównaniu z początkowym hukiem. Testerzy, którzy obserwowali start, pomyśleli nawet: czy naprawdę wszystko poszło nie tak? Nie, aparat kontynuował swoją zamierzoną ścieżkę. W 38. sekundzie, gdy prędkość osiągnęła 3,5 M, silnik się uruchomił, do CC zaczął napływać wodór.

Ale 62. naprawdę wydarzyło się nieoczekiwane: uruchomiono automatyczne wyłączenie dopływu paliwa - silnik scramjet wyłączył się. Następnie, około 195. sekundy, automatycznie uruchomił się ponownie i pracował do 200…. Wcześniej ustalono, że jest to ostatnia sekunda lotu. W tym momencie rakieta, wciąż nad terenem poligonu, uległa samozniszczeniu.

Maksymalna prędkość wynosiła 6200 km/h (nieco ponad 5,2M). Pracę silnika i jego systemów monitorowało 250 czujników pokładowych. Pomiary były transmitowane na ziemię za pomocą telemetrii radiowej.

Nie wszystkie informacje zostały jeszcze przetworzone, a bardziej szczegółowa historia lotu jest przedwczesna. Ale już teraz jest jasne, że za kilkadziesiąt lat piloci i kosmonauci będą jeździć na „hipodźwiękowym przepływie do przodu”.

Od redaktora. Testy w locie silników scramjet na samolocie X-30 w USA i na Hytex w Niemczech planowane są na 1995 lub kilka następnych lat. Nasi specjaliści mogliby w niedalekiej przyszłości przetestować „bezpośredni przepływ” z prędkością ponad 10M na potężnych pociskach, które są obecnie wycofywane ze służby. To prawda, że dominuje w nich nierozwiązany problem. Nie naukowy ani techniczny. CIAM nie ma pieniędzy. Nie są dostępne nawet za na wpół żebracze pensje pracowników.

Co dalej? Obecnie tylko cztery kraje na świecie mają pełny cykl budowy silników lotniczych – od badań podstawowych po produkcję wyrobów seryjnych. Są to USA, Anglia, Francja i na razie Rosja. Więc w przyszłości nie będzie ich więcej - trzy.

Amerykanie inwestują teraz setki milionów dolarów w program scramjet…