Scramjet-tegnologie - hoe 'n hipersoniese enjin geskep is

2024 Outeur: Seth Attwood | [email protected]. Laas verander: 2023-12-16 15:56

Gevegsmissiel "oppervlak-tot-lug" het ietwat ongewoon gelyk - sy neus is met 'n metaalkegel verleng. Op 28 November 1991 het dit opgestyg vanaf 'n toetsterrein naby die Baikonoer-kosmodrome en selfvernietig hoog bo die grond. Alhoewel die missiel geen lugvoorwerp neergeskiet het nie, is die lanseringsteiken bereik. Vir die eerste keer in die wêreld is 'n hipersoniese ramjet-enjin (scramjet-enjin) tydens vlug getoets.

Die scramjet-enjin, of, soos hulle sê, "hipersoniese direkte-vloei" sal toelaat om van Moskou na New York te vlieg in 2 - 3 uur, verlaat die gevleuelde masjien uit die atmosfeer in die ruimte. 'n Ruimtevaartvliegtuig sal nie 'n boostervliegtuig nodig hê, soos vir Zenger (sien TM, No. 1, 1991), of 'n lanseervoertuig, soos vir pendeltuie en Buran (sien TM No. 4, 1989), - aflewering van vrag na 'n wentelbaan sal amper tien keer goedkoper kos. In die Weste sal sulke toetse nie vroeër as oor drie jaar plaasvind nie …

Die scramjet-enjin is in staat om die vliegtuig tot 15 - 25M te versnel (M is die Mach-nommer, in hierdie geval, die spoed van klank in die lug), terwyl die kragtigste turbojet-enjins toegerus is met moderne burgerlike en militêre gevleuelde vliegtuie, is slegs tot 3.5M. Dit werk nie vinniger nie – die lugtemperatuur, wanneer die vloei in die luginlaat vertraag word, styg so baie dat die turbokompressoreenheid nie in staat is om dit saam te druk en na die verbrandingskamer (CC) toe te voer nie. Dit is natuurlik moontlik om die verkoelingstelsel en die kompressor te versterk, maar dan sal hul afmetings en gewig so toeneem dat hipersoniese snelhede nie ter sprake sal wees nie – om van die grond af te kom.

’n Ramjet-enjin werk sonder’n kompressor – die lug voor die kompressorstasie word saamgepers as gevolg van sy hoëspoeddruk (Fig. 1). Die res is in beginsel dieselfde as vir 'n turbojet - verbrandingsprodukte wat deur die mondstuk ontsnap, versnel die apparaat.

Die idee van 'n ramjet-enjin, toe nog nie hipersonies nie, is in 1907 deur die Franse ingenieur Rene Laurent voorgehou. Maar hulle het heelwat later’n regte “vorentoevloei” gebou. Hier was Sowjet-spesialiste voor.

Eers, in 1929, het een van N. E. Zhukovsky se studente, B. S. Stechkin (later 'n akademikus), die teorie van 'n lugstraalenjin geskep. En toe, vier jaar later, onder leiding van ontwerper Yu. A. Pobedonostsev in die GIRD (Groep vir die Studie van Straalaandrywing), na eksperimente by die staanplek, is die ramjet eers in vlug gestuur.

Die enjin was in die dop van 'n 76 mm-kanon gehuisves en het teen 'n supersoniese spoed van 588 m/s uit die loop geskiet. Die toetse het vir twee jaar aangehou. Projektiele met 'n ramjet-enjin het meer as 2M ontwikkel - nie 'n enkele toestel in die wêreld het destyds vinniger gevlieg nie. Terselfdertyd het die Girdovites 'n model van 'n pulserende ramjet-enjin voorgestel, gebou en getoets - sy luginlaat het periodiek oopgemaak en toegemaak, waardeur die verbranding in die verbrandingskamer gepuls het. Soortgelyke enjins is later in Duitsland op FAU-1-vuurpyle gebruik.

Die eerste groot ramstraal-enjins is weer geskep deur Sowjet-ontwerpers I. A. Merkulov in 1939 (subsoniese ramstraalenjin) en M. M. Bondaryuk in 1944 (supersonies). Sedert die 40's het werk aan "direkte vloei" by die Central Institute of Aviation Motors (CIAM) begin.

Sommige soorte vliegtuie, insluitend missiele, was toegerus met supersoniese ramjet-enjins. In die 50's het dit egter duidelik geword dat met M-getalle wat 6 - 7 oorskry, die ramjet ondoeltreffend is. Weereens, soos in die geval van die turbojet-enjin, het die lug wat voor die kompressorstasie gerem is, te warm daarin geraak. Dit het nie sin gemaak om hiervoor te vergoed deur die massa en afmetings van die ramjet-enjin te vergroot nie. Daarbenewens, by hoë temperature, begin molekules van verbrandingsprodukte dissosieer, wat energie absorbeer wat bedoel is om stukrag te skep.

Dit was toe in 1957 dat E. S. Shchetinkov, 'n beroemde wetenskaplike, 'n deelnemer aan die eerste vlugtoetse van 'n ramjet-enjin, 'n hipersoniese enjin uitgevind het.’n Jaar later het publikasies oor soortgelyke ontwikkelings in die Weste verskyn. Die scramjet-verbrandingskamer begin byna onmiddellik agter die luginlaat, dan gaan dit glad oor in 'n uitdyende spuitstuk (Fig. 2). Alhoewel die lug by die ingang daartoe vertraag word, beweeg dit anders as vorige enjins na die kompressorstasie, of liewer, jaag teen supersoniese spoed. Daarom is sy druk op die kamerwande en die temperatuur baie laer as in 'n ramjet-enjin.

'n Bietjie later is 'n scramjet-enjin met uitwendige verbranding voorgestel (Fig. 3) In 'n vliegtuig met so 'n enjin sal die brandstof direk onder die romp brand, wat as deel van die oop kompressorstasie sal dien. Natuurlik sal die druk in die ontbrandingsone minder wees as in 'n konvensionele ontbrandingskamer - die enjinstoot sal effens afneem. Maar die gewigstoename sal uitdraai - die enjin sal ontslae raak van die massiewe buitemuur van die kompressorstasie en 'n deel van die verkoelingstelsel. Dit is waar, 'n betroubare "oop direkte vloei" is nog nie geskep nie - sy beste uur sal waarskynlik in die middel van die XXI eeu kom.

Kom ons keer egter terug na die scramjet-enjin, wat op die vooraand van verlede winter getoets is. Dit is aangevuur deur vloeibare waterstof wat in 'n tenk gestoor is by 'n temperatuur van ongeveer 20 K (- 253 ° C). Supersoniese verbranding was miskien die moeilikste probleem. Sal waterstof eweredig oor die gedeelte van die kamer versprei word? Sal dit tyd hê om heeltemal uit te brand? Hoe om outomatiese verbrandingsbeheer te organiseer? - jy kan nie sensors in 'n kamer installeer nie, hulle sal smelt.

Nóg wiskundige modellering op superkragtige rekenaars, nóg banktoetse het omvattende antwoorde op baie vrae verskaf. Terloops, om 'n lugvloei te simuleer, byvoorbeeld by 8M, vereis die staander 'n druk van honderde atmosfeer en 'n temperatuur van ongeveer 2500 K - vloeibare metaal in 'n warm oophaardoond is baie "koeler". Teen selfs hoër snelhede kan enjin- en vliegtuigprestasie slegs tydens vlug geverifieer word.

Dit is lankal gedink in ons land en in die buiteland. In die 60's was die Verenigde State besig om toetse van 'n scramjet-enjin op 'n hoëspoed X-15-vuurpylvliegtuig voor te berei, maar dit het blykbaar nooit plaasgevind nie.

Die binnelandse eksperimentele scramjet-enjin is dubbelmodus gemaak - teen 'n vlugspoed van meer as 3M, het dit gewerk as 'n gewone "direkte vloei", en na 5 - 6M - as 'n hipersoniese een. Hiervoor is die plekke van brandstoftoevoer na die kompressorstasie verander. Die lugafweermissiel, wat uit diens verwyder word, het die enjinversneller en die draer van die hipersoniese vlieënde laboratorium (HLL) geword. Die GLL, wat beheerstelsels, metings en kommunikasie met die grond, 'n waterstoftenk en brandstofeenhede insluit, is vasgemeer aan die kompartemente van die tweede fase, waar, na die verwydering van die plofkop, die hoofenjin (LRE) met sy brandstof tenks oorgebly. Die eerste fase - poeierversterkers, - nadat die vuurpyl van die begin af versprei het, het na 'n paar sekondes geskei.

Banktoetse en voorbereiding vir die vlug is uitgevoer by die PI Baranov Central Institute of Aviation Motors, saam met die Lugmag, die Fakel-masjienbou-ontwerpburo, wat sy vuurpyl in 'n vlieënde laboratorium verander het, die Soyuz-ontwerpburo in Tuyev en die Temp-ontwerpburo in Moskou, wat die enjin vervaardig het, en die brandstofreguleerder, en ander organisasies. Die bekende lugvaartspesialiste R. I. Kurziner, D. A. Ogorodnikov en V. A. Sosunov het toesig gehou oor die program.

Om die vlug te ondersteun, het CIAM 'n mobiele vloeibare waterstofaanvullingskompleks en 'n vloeibare waterstoftoevoerstelsel aan boord geskep. Nou, wanneer vloeibare waterstof as een van die mees belowende brandstowwe beskou word, kan die ervaring van die hantering daarvan, opgehoop by CIAM, vir baie nuttig wees.

… Die vuurpyl het laataand gelanseer, dit was al amper donker. 'n Paar oomblikke later het die "kegel"-draer in lae wolke verdwyn. Daar was 'n stilte wat onverwags was in vergelyking met die aanvanklike gedreun. Die toetsers wat die wegspring dopgehou het, het selfs gedink: het alles regtig verkeerd geloop? Nee, die apparaat het voortgegaan op sy beoogde pad. Op die 38ste sekonde, toe die spoed 3.5M bereik het, het die enjin begin, waterstof het in die CC begin vloei.

Maar op die 62ste het die onverwagte werklik gebeur: die outomatiese afskakeling van die brandstoftoevoer is geaktiveer - die scramjet-enjin het afgeskakel. Toe, omtrent die 195ste sekonde, het dit outomaties weer begin en tot die 200ste gewerk … Dit is voorheen as die laaste sekonde van die vlug bepaal. Op hierdie oomblik het die vuurpyl, terwyl dit nog oor die gebied van die toetsterrein was, self vernietig.

Die maksimum spoed was 6200 km/h (effens meer as 5,2M). Die werking van die enjin en sy stelsels is deur 250 boordsensors gemonitor. Metings is deur radiotelemetrie na die grond oorgedra.

Nie al die inligting is nog verwerk nie, en 'n meer gedetailleerde storie oor die vlug is voortydig. Maar dit is nou reeds duidelik dat die vlieëniers en ruimtevaarders oor 'n paar dekades die "hipersoniese vorentoe vloei" sal ry.

Van die redakteur. Vlugtoetse van scramjet-enjins op die X-30-vliegtuie in die VSA en op die Hytex in Duitsland word vir 1995 of die volgende paar jaar beplan. Ons spesialiste kan in die nabye toekoms die "direkte vloei" teen 'n spoed van meer as 10M toets op kragtige missiele, wat nou uit diens onttrek word. Hulle word weliswaar deur 'n onopgeloste probleem oorheers. Nie wetenskaplik of tegnies nie. CIAM het nie geld nie. Hulle is nie eers beskikbaar vir die half bedelaarsalarisse van werknemers nie.

Wat is volgende? Nou is daar net vier lande in die wêreld wat 'n volledige siklus van vliegtuigenjinbou het - van basiese navorsing tot produksie van reeksprodukte. Dit is die VSA, Engeland, Frankryk en, vir nou, Rusland. Daar sou dus nie meer van hulle in die toekoms wees nie – drie.

Die Amerikaners belê nou honderde miljoene dollars in die scramjet-program …