Scramjet technology - kung paano nilikha ang isang hypersonic na makina

2024 May -akda: Seth Attwood | [email protected]. Huling binago: 2023-12-16 16:18

Ang combat missile na "surface-to-air" ay mukhang hindi karaniwan - ang ilong nito ay pinahaba ng isang metal na kono. Noong Nobyembre 28, 1991, lumipad ito mula sa isang lugar ng pagsubok malapit sa Baikonur cosmodrome at nawasak sa sarili sa itaas ng lupa. Bagama't hindi nabaril ng missile ang anumang aerial object, nakamit ang target ng paglunsad. Sa unang pagkakataon sa mundo, sinubukan ang isang hypersonic ramjet engine (scramjet engine) sa paglipad.

Ang scramjet engine, o, tulad ng sinasabi nila, "hypersonic direct-flow" ay magbibigay-daan upang lumipad mula sa Moscow hanggang New York sa loob ng 2 - 3 oras, iwanan ang may pakpak na makina mula sa kapaligiran patungo sa kalawakan. Ang isang aerospace plane ay hindi mangangailangan ng booster plane, tulad ng para sa Zenger (tingnan ang TM, No. 1, 1991), o isang launch vehicle, tulad ng para sa shuttle at Buran (tingnan ang TM No. 4, 1989), - paghahatid ng kargamento sa orbit ay nagkakahalaga ng halos sampung beses na mas mura. Sa Kanluran, ang mga naturang pagsubok ay magaganap nang hindi mas maaga kaysa sa tatlong taon …

Ang scramjet engine ay may kakayahang pabilisin ang sasakyang panghimpapawid sa 15 - 25M (M ay ang numero ng Mach, sa kasong ito, ang bilis ng tunog sa hangin), habang ang pinakamalakas na turbojet engine, na nilagyan ng modernong sibilyan at militar na may pakpak na sasakyang panghimpapawid., ay hanggang 3.5M lang. Hindi ito gumagana nang mas mabilis - ang temperatura ng hangin, kapag ang daloy sa air intake ay pinabagal, tumataas nang labis na ang yunit ng turbocompressor ay hindi ma-compress ito at ibigay ito sa silid ng pagkasunog (CC). Posible, siyempre, upang palakasin ang sistema ng paglamig at ang tagapiga, ngunit pagkatapos ay ang kanilang mga sukat at timbang ay tataas nang labis na ang mga bilis ng hypersonic ay mawawala sa tanong - upang bumaba sa lupa.

Ang isang ramjet engine ay gumagana nang walang compressor - ang hangin sa harap ng istasyon ng compressor ay naka-compress dahil sa mataas na bilis ng presyon nito (Larawan 1). Ang natitira, sa prinsipyo, ay kapareho ng para sa isang turbojet - mga produkto ng pagkasunog, na tumatakas sa pamamagitan ng nozzle, pinabilis ang aparato.

Ang ideya ng isang ramjet engine, pagkatapos ay hindi pa hypersonic, ay iniharap noong 1907 ng French engineer na si Rene Laurent. Ngunit nakagawa sila ng isang tunay na "pasulong na daloy" sa ibang pagkakataon. Dito nangunguna ang mga espesyalista sa Sobyet.

Una, noong 1929, nilikha ng isa sa mga estudyante ni N. E. Zhukovsky, si B. S. Stechkin (na kalaunan ay isang akademiko), ang teorya ng isang air-jet engine. At pagkatapos, pagkalipas ng apat na taon, sa ilalim ng pamumuno ng taga-disenyo na si Yu. A. Pobedonostsev sa GIRD (Group for the Study of Jet Propulsion), pagkatapos ng mga eksperimento sa stand, ang ramjet ay unang ipinadala sa paglipad.

Ang makina ay nakalagay sa shell ng isang 76-mm na kanyon at pinaputok mula sa bariles sa supersonic na bilis na 588 m / s. Ang mga pagsubok ay nagpatuloy sa loob ng dalawang taon. Ang mga projectile na may ramjet engine ay nakabuo ng higit sa 2M - walang isang aparato sa mundo ang lumipad nang mas mabilis sa oras na iyon. Kasabay nito, iminungkahi, itinayo at sinubukan ng mga Girdovites ang isang modelo ng isang pulsating ramjet engine - ang air intake nito ay pana-panahong binuksan at isinara, bilang isang resulta kung saan ang pagkasunog sa silid ng pagkasunog ay pumutok. Ang mga katulad na makina ay ginamit sa Alemanya sa mga rocket ng FAU-1.

Ang unang malalaking ramjet engine ay nilikha muli ng mga taga-disenyo ng Sobyet na si I. A. Merkulov noong 1939 (subsonic ramjet engine) at M. M. Bondaryuk noong 1944 (supersonic). Mula noong 40s, nagsimula ang trabaho sa "direktang daloy" sa Central Institute of Aviation Motors (CIAM).

Ang ilang uri ng sasakyang panghimpapawid, kabilang ang mga missile, ay nilagyan ng mga supersonic ramjet engine. Gayunpaman, noong 50s naging malinaw na sa mga numero ng M na lumampas sa 6 - 7, ang ramjet ay hindi epektibo. Muli, tulad ng sa kaso ng turbojet engine, ang hangin na nakapreno sa harap ng istasyon ng compressor ay pumasok dito ng masyadong mainit. Hindi makatuwirang bayaran ito sa pamamagitan ng pagtaas ng masa at sukat ng ramjet engine. Bilang karagdagan, sa mataas na temperatura, ang mga molekula ng mga produkto ng pagkasunog ay nagsisimulang maghiwalay, sumisipsip ng enerhiya na nilayon upang lumikha ng thrust.

Noon ay noong 1957 na si E. S. Shchetinkov, isang sikat na siyentipiko, isang kalahok sa mga unang pagsubok sa paglipad ng isang ramjet engine, ay nag-imbento ng isang hypersonic na makina. Pagkalipas ng isang taon, ang mga publikasyon tungkol sa mga katulad na pag-unlad ay lumitaw sa Kanluran. Ang scramjet combustion chamber ay nagsisimula halos kaagad sa likod ng air intake, pagkatapos ay maayos itong pumasa sa isang lumalawak na nozzle (Larawan 2). Bagaman ang hangin ay pinabagal sa pasukan dito, hindi tulad ng mga nakaraang makina, ito ay gumagalaw sa istasyon ng compressor, o sa halip, nagmamadali sa supersonic na bilis. Samakatuwid, ang presyon nito sa mga dingding ng silid at ang temperatura ay mas mababa kaysa sa isang ramjet engine.

Maya-maya, iminungkahi ang isang scramjet engine na may panlabas na pagkasunog (Larawan 3) Sa isang sasakyang panghimpapawid na may tulad na makina, ang gasolina ay direktang susunugin sa ilalim ng fuselage, na magsisilbing bahagi ng bukas na istasyon ng compressor. Naturally, ang presyon sa combustion zone ay mas mababa kaysa sa isang conventional combustion chamber - ang engine thrust ay bababa nang bahagya. Ngunit ang pagtaas ng timbang ay lalabas - ang makina ay aalisin ang napakalaking panlabas na dingding ng istasyon ng compressor at bahagi ng sistema ng paglamig. Totoo, ang isang maaasahang "bukas na direktang daloy" ay hindi pa nagagawa - ang pinakamahusay na oras nito ay malamang na darating sa kalagitnaan ng XXI siglo.

Bumalik tayo, gayunpaman, sa scramjet engine, na sinubukan noong bisperas ng huling taglamig. Ito ay pinalakas ng likidong hydrogen na nakaimbak sa isang tangke sa temperatura na humigit-kumulang 20 K (- 253 ° C). Ang supersonic combustion ay marahil ang pinakamahirap na problema. Magiging pantay ba ang hydrogen sa bahagi ng silid? Magkakaroon ba ito ng oras upang ganap na masunog? Paano ayusin ang awtomatikong kontrol sa pagkasunog? - hindi ka maaaring mag-install ng mga sensor sa isang silid, matutunaw sila.

Wala alinman sa mathematical modelling sa napakalakas na mga computer, o mga bench test na nagbigay ng komprehensibong mga sagot sa maraming tanong. Sa pamamagitan ng paraan, upang gayahin ang isang daloy ng hangin, halimbawa, sa 8M, ang stand ay nangangailangan ng isang presyon ng daan-daang mga atmospheres at isang temperatura ng tungkol sa 2500 K - ang likidong metal sa isang mainit na open-hearth furnace ay mas "mas malamig". Sa mas mataas na bilis, mapapatunayan lamang ang pagganap ng makina at sasakyang panghimpapawid sa paglipad.

Matagal na itong pinag-isipan sa ating bansa at sa ibang bansa. Noong 60s, ang Estados Unidos ay naghahanda ng mga pagsubok ng isang scramjet engine sa isang high-speed X-15 rocket aircraft, gayunpaman, tila, hindi sila naganap.

Ang domestic experimental scramjet engine ay ginawang dual-mode - sa bilis ng paglipad na lumampas sa 3M, gumana ito bilang isang ordinaryong "direktang daloy", at pagkatapos ng 5 - 6M - bilang isang hypersonic. Para dito, binago ang mga lugar ng supply ng gasolina sa istasyon ng compressor. Ang anti-aircraft missile, na inaalis sa serbisyo, ay naging engine accelerator at carrier ng hypersonic flying laboratory (HLL). Ang GLL, na kinabibilangan ng mga control system, mga sukat at komunikasyon sa lupa, isang tangke ng hydrogen at mga yunit ng gasolina, ay naka-dock sa mga compartment ng ikalawang yugto, kung saan, pagkatapos ng pag-alis ng warhead, ang pangunahing makina (LRE) kasama ang gasolina nito. nanatili ang mga tangke. Ang unang yugto - mga boosters ng pulbos, - na nakakalat ang rocket mula sa simula, na pinaghiwalay pagkatapos ng ilang segundo.

Ang mga bench test at paghahanda para sa paglipad ay isinagawa sa PI Baranov Central Institute of Aviation Motors, kasama ang Air Force, ang Fakel machine-building design bureau, na ginawang isang flying laboratory ang rocket nito, ang Soyuz design bureau sa Tuyev at ang Temp design bureau sa Moscow, na gumawa ng makina, at fuel regulator, at iba pang organisasyon. Ang mga kilalang espesyalista sa aviation na sina R. I. Kurziner, D. A. Ogorodnikov at V. A. Sosunov ay pinangangasiwaan ang programa.

Upang suportahan ang paglipad, lumikha ang CIAM ng mobile liquid hydrogen refueling complex at isang onboard na liquid hydrogen supply system. Ngayon, kapag ang likidong hydrogen ay itinuturing na isa sa mga pinaka-promising na panggatong, ang karanasan sa paghawak nito, na naipon sa CIAM, ay maaaring maging kapaki-pakinabang sa marami.

… Ang rocket ay inilunsad sa huli ng gabi, ito ay halos madilim na. Pagkalipas ng ilang sandali, nawala ang "cone" carrier sa mababang ulap. Nagkaroon ng katahimikan na hindi inaasahan kumpara sa unang dagundong. Naisip pa nga ng mga tester na nanood sa simula: nagkamali ba talaga ang lahat? Hindi, nagpatuloy ang apparatus sa nilalayon nitong landas. Sa ika-38 segundo, nang umabot sa 3.5M ang bilis, nagsimula ang makina, nagsimulang dumaloy ang hydrogen sa CC.

Ngunit noong ika-62, talagang nangyari ang hindi inaasahang: ang awtomatikong pagsara ng supply ng gasolina ay na-trigger - ang scramjet engine ay nagsara. Pagkatapos, sa humigit-kumulang ika-195 segundo, awtomatiko itong nagsimulang muli at gumana hanggang ika-200 … Nauna itong tinukoy bilang huling segundo ng paglipad. Sa sandaling ito, ang rocket, habang nasa ibabaw pa rin ng teritoryo ng site ng pagsubok, ay nawasak sa sarili.

Ang maximum na bilis ay 6200 km / h (bahagyang higit sa 5.2M). Ang pagpapatakbo ng makina at mga sistema nito ay sinusubaybayan ng 250 on-board sensor. Ang mga sukat ay ipinadala sa pamamagitan ng radio telemetry sa lupa.

Hindi pa naproseso ang lahat ng impormasyon, at ang isang mas detalyadong kuwento tungkol sa paglipad ay napaaga. Ngunit malinaw na ngayon na sa loob ng ilang dekada ay sasakay ang mga piloto at kosmonaut sa "hypersonic forward flow".

Mula sa editor. Ang mga pagsubok sa paglipad ng mga scramjet engine sa X-30 na sasakyang panghimpapawid sa USA at sa Hytex sa Germany ay binalak para sa 1995 o sa susunod na ilang taon. Ang aming mga espesyalista ay maaaring, sa malapit na hinaharap, subukan ang "direktang daloy" sa bilis na higit sa 10M sa malalakas na missile, na ngayon ay binawi mula sa serbisyo. Totoo, pinangungunahan sila ng hindi nalutas na problema. Hindi siyentipiko o teknikal. Walang pera ang CIAM. Ni hindi sila magagamit sa kalahating pulubi na suweldo ng mga empleyado.

Anong susunod? Ngayon ay mayroon na lamang apat na bansa sa mundo na may buong ikot ng pagbuo ng makina ng sasakyang panghimpapawid - mula sa pangunahing pananaliksik hanggang sa paggawa ng mga serial na produkto. Ito ay ang USA, England, France at, sa ngayon, Russia. Kaya't wala na sila sa hinaharap - tatlo.

Ang mga Amerikano ay namumuhunan na ngayon ng daan-daang milyong dolyar sa scramjet program …