Teknologjia Scramjet - si u krijua një motor hipersonik

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. E modifikuara e fundit: 2023-12-16 16:16

Raketa luftarake "sipërfaqe-ajër" dukej disi e pazakontë - hunda e saj ishte zgjatur nga një kon metalik. Më 28 nëntor 1991, ai u ngrit nga një vend testimi pranë kozmodromit Baikonur dhe u vetëshkatërrua lart mbi tokë. Megjithëse raketa nuk rrëzoi asnjë objekt ajror, objektivi i lëshimit u arrit. Për herë të parë në botë, një motor ramjet hipersonik (motor scramjet) u testua në fluturim.

Motori scramjet, ose, siç thonë ata, "rrjedhja e drejtpërdrejtë hipersonike" do të lejojë të fluturojë nga Moska në Nju Jork në 2 - 3 orë, të lërë makinën me krahë nga atmosfera në hapësirë. Një aeroplan i hapësirës ajrore nuk do të ketë nevojë për një aeroplan përforcues, si për Zenger (shih TM, nr. 1, 1991), ose një mjet lëshimi, si për anijet dhe Buran (shih TM Nr. 4, 1989), - dërgimi i ngarkesës në orbitë do të kushtojë pothuajse dhjetë herë më lirë. Në Perëndim, teste të tilla do të zhvillohen jo më herët se në tre vjet …

Motori scramjet është i aftë të përshpejtojë aeroplanin në 15 - 25 M (M është numri Mach, në këtë rast, shpejtësia e zërit në ajër), ndërsa motorët më të fuqishëm turbojet, të cilët janë të pajisur me avionë modernë civilë dhe ushtarakë me krahë, janë vetëm deri në 3.5M. Nuk funksionon më shpejt - temperatura e ajrit, kur rrjedha në hyrjen e ajrit ngadalësohet, rritet aq shumë sa njësia e turbokompresorit nuk është në gjendje ta ngjesh atë dhe ta furnizojë atë në dhomën e djegies (CC). Është e mundur, sigurisht, për të forcuar sistemin e ftohjes dhe kompresorin, por atëherë dimensionet dhe pesha e tyre do të rriten aq shumë sa që shpejtësitë hipersonike nuk do të diskutohen - të zbresin nga toka.

Një motor ramjet punon pa kompresor - ajri përpara stacionit të kompresorit është i ngjeshur për shkak të presionit të tij me shpejtësi të lartë (Fig. 1). Pjesa tjetër, në parim, është e njëjtë si për një turbojet - produktet e djegies, duke ikur përmes hundës, përshpejtojnë aparatin.

Ideja e një motori ramjet, atëherë jo ende hipersonik, u parashtrua në vitin 1907 nga inxhinieri francez Rene Laurent. Por ata ndërtuan një "rrjedhë përpara" të vërtetë shumë më vonë. Këtu specialistët sovjetikë ishin në krye.

Së pari, në vitin 1929, një nga studentët e N. E. Zhukovsky, B. S. Stechkin (më vonë një akademik), krijoi teorinë e një motori ajror. Dhe pastaj, katër vjet më vonë, nën udhëheqjen e projektuesit Yu. A. Pobedonostsev në GIRD (Grupi për Studimin e Propulsionit Jet), pas eksperimenteve në stendë, ramjet u dërgua fillimisht në fluturim.

Motori ishte vendosur në predhën e një topi 76 mm dhe qëllohej nga tyta me një shpejtësi supersonike prej 588 m / s. Testet vazhduan për dy vjet. Predha me një motor ramjet zhvilluan më shumë se 2M - asnjë pajisje e vetme në botë nuk fluturoi më shpejt në atë kohë. Në të njëjtën kohë, Girdovitët propozuan, ndërtuan dhe testuan një model të një motori pulsues ramjet - marrja e tij e ajrit hapej dhe mbyllej periodikisht, si rezultat i të cilit pulsonte djegia në dhomën e djegies. Motorë të ngjashëm u përdorën më vonë në Gjermani në raketat FAU-1.

Motorët e parë të mëdhenj ramjet u krijuan përsëri nga projektuesit sovjetikë I. A. Merkulov në 1939 (motori ramjet nënsonik) dhe M. M. Bondaryuk në 1944 (supersonik). Që nga vitet '40, filloi puna për "rrjedhjen e drejtpërdrejtë" në Institutin Qendror të Motorëve të Aviacionit (CIAM).

Disa lloje avionësh, përfshirë raketat, ishin të pajisura me motorë ramjet supersonikë. Sidoqoftë, në vitet '50 u bë e qartë se me numrat M që kalojnë 6 - 7, ramjet është joefektiv. Përsëri, si në rastin e motorit turbojet, ajri që frenohej përpara stacionit të kompresorit u fut në të shumë i nxehtë. Nuk kishte kuptim të kompensohej kjo duke rritur masën dhe dimensionet e motorit ramjet. Përveç kësaj, në temperatura të larta, molekulat e produkteve të djegies fillojnë të shpërndahen, duke thithur energjinë e synuar për të krijuar shtytje.

Ishte atëherë në vitin 1957 që E. S. Shchetinkov, një shkencëtar i famshëm, pjesëmarrës në testet e para të fluturimit të një motori ramjet, shpiku një motor hipersonik. Një vit më vonë, botime për zhvillime të ngjashme u shfaqën në Perëndim. Dhoma e djegies scramjet fillon pothuajse menjëherë pas hyrjes së ajrit, pastaj kalon pa probleme në një grykë që zgjerohet (Fig. 2). Megjithëse ajri ngadalësohet në hyrje të tij, ndryshe nga motorët e mëparshëm, ai lëviz në stacionin e kompresorit, ose më saktë, nxiton me shpejtësi supersonike. Prandaj, presioni i tij në muret e dhomës dhe temperatura janë shumë më të ulëta se në një motor ramjet.

Pak më vonë, u propozua një motor scramjet me djegie të jashtme (Fig. 3) Në një avion me një motor të tillë, karburanti do të digjet direkt nën gyp, i cili do të shërbejë si pjesë e stacionit të kompresorit të hapur. Natyrisht, presioni në zonën e djegies do të jetë më i vogël se në një dhomë djegieje konvencionale - shtytja e motorit do të ulet paksa. Por fitimi në peshë do të rezultojë - motori do të heqë qafe murin masiv të jashtëm të stacionit të kompresorit dhe një pjesë të sistemit të ftohjes. Vërtetë, ende nuk është krijuar një "rrjedhë e hapur e drejtpërdrejtë" e besueshme - ora e saj më e mirë ndoshta do të vijë në mesin e shekullit XXI.

Le të kthehemi, megjithatë, te motori scramjet, i cili u testua në prag të dimrit të kaluar. Ai ushqehej nga hidrogjeni i lëngshëm i ruajtur në një rezervuar në një temperaturë prej rreth 20 K (- 253 ° C). Djegia supersonike ishte ndoshta problemi më i vështirë. A do të shpërndahet hidrogjeni në mënyrë të barabartë në seksionin e dhomës? A do të ketë kohë të digjet plotësisht? Si të organizoni kontrollin automatik të djegies? - Nuk mund të instaloni sensorë në një dhomë, ata do të shkrihen.

As modelimi matematik në kompjuterë super të fuqishëm, as testet e stolit nuk dhanë përgjigje gjithëpërfshirëse për shumë pyetje. Nga rruga, për të simuluar një rrjedhë ajri, për shembull, në 8M, stendat kërkon një presion prej qindra atmosferash dhe një temperaturë prej rreth 2500 K - metali i lëngshëm në një furrë të nxehtë me vatër të hapur është shumë "më i ftohtë". Në shpejtësi edhe më të larta, performanca e motorit dhe e avionit mund të verifikohet vetëm gjatë fluturimit.

Është menduar prej kohësh si në vendin tonë ashtu edhe jashtë saj. Në vitet '60, Shtetet e Bashkuara po përgatisnin teste të një motori scramjet në një avion raketë me shpejtësi të lartë X-15, megjithatë, me sa duket, ato nuk u zhvilluan kurrë.

Motori i brendshëm eksperimental scramjet u bë me modalitet të dyfishtë - me një shpejtësi fluturimi që kalon 3M, ai funksionoi si një "rrjedhë e drejtpërdrejtë" e zakonshme dhe pas 5 - 6M - si një hipersonik. Për këtë, vendet e furnizimit me karburant në stacionin e kompresorit u ndryshuan. Raketa kundërajrore, e cila po hiqet nga shërbimi, u bë përshpejtuesi i motorit dhe transportuesi i laboratorit të fluturimit hipersonik (HLL). GLL, i cili përfshin sistemet e kontrollit, matjet dhe komunikimin me tokën, një rezervuar hidrogjeni dhe njësi karburanti, u ankorua në ndarjet e fazës së dytë, ku, pas heqjes së kokës, motori kryesor (LRE) me karburantin e tij. tanket mbetën. Faza e parë - përforcuesit pluhur, - pasi e shpërndanë raketën që në fillim, u nda pas disa sekondash.

Testet në stol dhe përgatitja për fluturimin u kryen në Institutin Qendror të Aviacionit PI Baranov, së bashku me Forcën Ajrore, byronë e projektimit të makinerive Fakel, e cila e ktheu raketën e saj në një laborator fluturues, byronë e projektimit Soyuz në Tuyev dhe byroja e projektimit Temp në Moskë, e cila prodhoi motorin dhe rregullatorin e karburantit dhe organizata të tjera. Specialistët e njohur të aviacionit R. I. Kurziner, D. A. Ogorodnikov dhe V. A. Sosunov mbikëqyrën programin.

Për të mbështetur fluturimin, CIAM krijoi një kompleks të lëvizshëm karburanti me hidrogjen të lëngshëm dhe një sistem furnizimi me hidrogjen të lëngshëm në bord. Tani, kur hidrogjeni i lëngshëm konsiderohet si një nga lëndët djegëse më premtuese, përvoja e trajtimit të tij, e akumuluar në CIAM, mund të jetë e dobishme për shumë njerëz.

… Raketa u lëshua vonë në mbrëmje, tashmë ishte pothuajse errësirë. Pak çaste më vonë, transportuesi "kon" u zhduk në retë e ulëta. Pati një heshtje që ishte e papritur në krahasim me gjëmimin fillestar. Testuesit që ndoqën fillimin madje menduan: a shkoi vërtet gjithçka keq? Jo, aparati vazhdoi rrugën e synuar. Në sekondën e 38-të, kur shpejtësia arriti në 3.5 M, motori filloi, hidrogjeni filloi të rrjedhë në CC.

Por në datën 62, ndodhi me të vërtetë e papritura: u shkaktua mbyllja automatike e furnizimit me karburant - motori scramjet u mbyll. Më pas, rreth sekondës së 195-të, automatikisht u ndez përsëri dhe funksionoi deri në të 200-ën … Më parë ishte përcaktuar si sekonda e fundit e fluturimit. Në këtë moment, raketa, ndërsa ishte ende mbi territorin e kantierit të testimit, u vetëshkatërrua.

Shpejtësia maksimale ishte 6200 km / orë (pak më shumë se 5.2 M). Funksionimi i motorit dhe sistemeve të tij u monitorua nga 250 sensorë në bord. Matjet u transmetuan me radio telemetri në tokë.

Jo të gjitha informacionet janë përpunuar ende, dhe një histori më e detajuar rreth fluturimit është e parakohshme. Por tashmë është e qartë se pas disa dekadash pilotët dhe kozmonautët do të kalojnë "rrjedhjen përpara hipersonike".

Nga redaktori. Testet e fluturimit të motorëve scramjet në avionët X-30 në SHBA dhe në Hytex në Gjermani janë planifikuar për vitin 1995 ose vitet e ardhshme. Specialistët tanë mund të testojnë në të ardhmen e afërt "rrjedhjen e drejtpërdrejtë" me një shpejtësi prej më shumë se 10 M në raketa të fuqishme, të cilat tani po tërhiqen nga shërbimi. Vërtetë, ato dominohen nga një problem i pazgjidhur. Jo shkencore apo teknike. CIAM nuk ka para. Nuk disponohen as për pagat gjysmë lypës të punonjësve.

Ç'pritet më tej? Tani janë vetëm katër vende në botë që kanë një cikël të plotë të ndërtimit të motorëve të avionëve - nga kërkimi bazë deri te prodhimi i produkteve serike. Këto janë SHBA, Anglia, Franca dhe për momentin Rusia. Kështu që nuk do të kishte më prej tyre në të ardhmen - tre.

Amerikanët tani po investojnë qindra miliona dollarë në programin scramjet …