Scramjet technológia – hogyan jött létre a hiperszonikus motor

2024 Szerző: Seth Attwood | [email protected]. Utoljára módosítva: 2023-12-16 16:07

A "felszín-levegő" harci rakéta kissé szokatlannak tűnt - az orrát egy fémkúp meghosszabbította. 1991. november 28-án felszállt a Bajkonuri kozmodrom közelében lévő tesztterületről, és magasan a föld felett megsemmisült. Bár a rakéta nem lőtt le egyetlen légi tárgyat sem, a kilövési célt sikerült elérni. A világon először teszteltek repülés közben hiperszonikus ramjet motort (scramjet engine).

A scramjet hajtómű, vagy ahogy mondani szokták, "hiperszonikus közvetlen áramlás" lehetővé teszi, hogy Moszkvából New Yorkba repüljön 2-3 óra alatt, és a szárnyas gépet a légkörből az űrbe hagyja. Az űrrepülőgépnek nincs szüksége nyomásfokozó repülőgépre, mint a Zenger esetében (lásd TM, 1. sz., 1991), vagy hordozórakétára, mint a siklók és a Buran esetében (lásd: TM No. 4, 1989), - rakomány pályára szállítása majd tízszer olcsóbb lesz. Nyugaton az ilyen tesztekre legkorábban három év múlva kerül sor …

A scramjet hajtómű képes 15-25M-ig gyorsítani a repülőgépet (M a Mach-szám, jelen esetben a hangsebesség a levegőben), míg a legerősebb turbóhajtóművek, amelyek modern polgári és katonai szárnyas repülőgépekkel vannak felszerelve., legfeljebb 3,5 millió. Nem működik gyorsabban - a levegő hőmérséklete, amikor a levegő beömlő áramlása lelassul, annyira megemelkedik, hogy a turbókompresszor egység nem tudja összenyomni és az égéstérbe (CC) ellátni. Természetesen meg lehet erősíteni a hűtőrendszert és a kompresszort, de akkor a méreteik és a tömegük annyira megnő, hogy a hiperszonikus sebesség szóba sem jöhet - a talajról való leszállás.

A ramjet motor kompresszor nélkül működik - a kompresszorállomás előtti levegő a nagy fordulatszámú nyomása miatt összenyomódik (1. ábra). A többi elvileg ugyanaz, mint a turbóhajtóműnél - a fúvókán keresztül kilépő égéstermékek felgyorsítják a készüléket.

Az akkor még nem hiperszonikus ramjet motor ötletét 1907-ben Rene Laurent francia mérnök terjesztette elő. De jóval később építettek ki egy igazi "előreáramlást". Itt a szovjet szakemberek álltak az élen.

Először 1929-ben N. E. Zsukovszkij egyik tanítványa, B. S. Stechkin (később akadémikus) alkotta meg a légsugárhajtómű elméletét. Négy évvel később pedig Yu. A. Pobedonostsev tervező vezetésével a GIRD-nél (Group for the Study of Jet Propulsion) az állványon végzett kísérletek után a ramjet először repülésbe került.

A motort egy 76 mm-es ágyú héjában helyezték el, és a csőből lőtték ki 588 m/s szuperszonikus sebességgel. A vizsgálatok két évig tartottak. A sugárhajtóműves lövedékek több mint 2 milliót fejlesztettek ki - akkoriban a világon egyetlen eszköz sem repült gyorsabban. Ugyanakkor a Girdoviták egy pulzáló ramjet motor modelljét javasolták, megépítették és tesztelték - légbeömlőnyílása időszakosan kinyílt és bezárult, aminek következtében az égés az égéstérben pulzált. Hasonló hajtóműveket később Németországban is használtak a FAU-1 rakétákon.

Az első nagy sugárhajtású hajtóműveket ismét a szovjet tervezők alkották meg I. A. Merkulov 1939-ben (szubszonikus ramjet motor) és M. M. Bondaryuk 1944-ben (szuperszonikus). A 40-es évek óta a „közvetlen áramlással” kapcsolatos munka a Központi Repülési Motorok Intézetében (CIAM) kezdődött.

Egyes repülőgéptípusokat, beleértve a rakétákat is, szuperszonikus sugárhajtású hajtóművekkel szerelték fel. Az 50-es években azonban világossá vált, hogy a 6-7-et meghaladó M számokkal a ramjet hatástalan. A turbóhajtóműhöz hasonlóan ismét túl melegen került bele a kompresszorállomás előtt fékezett levegő. Ezt nem volt értelme a ramjet motor tömegének és méreteinek növelésével kompenzálni. Ezenkívül magas hőmérsékleten az égéstermékek molekulái elkezdenek disszociálni, elnyelve a tolóerő létrehozására szolgáló energiát.

Ekkor történt 1957-ben, hogy E. S. Shchetinkov, egy híres tudós, egy ramjet hajtómű első repülési tesztjének résztvevője feltalált egy hiperszonikus hajtóművet. Egy évvel később hasonló fejleményekről publikációk jelentek meg Nyugaton. A scramjet égéskamra szinte közvetlenül a légbeömlő mögött kezdődik, majd simán átmegy egy táguló fúvókába (2. ábra). Bár a levegő a bejáratánál lelassul, a korábbi motorokkal ellentétben a kompresszorállomásra kerül, vagy inkább szuperszonikus sebességgel rohan. Ezért a kamra falaira gyakorolt nyomása és a hőmérséklete sokkal alacsonyabb, mint egy ramjet motorban.

Kicsit később egy külső égésű scramjet motort javasoltak (3. ábra) Egy ilyen motorral rendelkező repülőgépen az üzemanyag közvetlenül a törzs alatt fog égni, amely a nyitott kompresszorállomás részeként fog szolgálni. Természetesen az égési zónában a nyomás kisebb lesz, mint a hagyományos égéstérben - a motor tolóereje kissé csökken. De a súlygyarapodás kiderül - a motor megszabadul a kompresszorállomás masszív külső falától és a hűtőrendszer egy részétől. Igaz, megbízható "nyílt közvetlen áramlást" még nem hoztak létre - a legszebb órája valószínűleg a XXI. század közepén jön el.

Térjünk azonban vissza a scramjet motorhoz, amelyet a tavalyi tél előestéjén teszteltek. Az üzemanyagot egy tartályban körülbelül 20 K (- 253 °C) hőmérsékleten tárolt folyékony hidrogén szolgálta. A szuperszonikus égés volt talán a legnehezebb probléma. A hidrogén egyenletesen oszlik el a kamra szakaszán? Lesz ideje teljesen kiégni? Hogyan kell megszervezni az automatikus égésszabályozást? - kamrába nem szerelhetsz szenzorokat, megolvadnak.

Sem a nagy teljesítményű számítógépeken végzett matematikai modellezés, sem a próbapadi tesztek nem adtak sok kérdésre átfogó választ. Mellesleg, egy légáramlás szimulálásához, például 8M-en, az állványhoz több száz atmoszféra nyomásra és körülbelül 2500 K hőmérsékletre van szükség - a folyékony fém egy forró, nyitott kandallóval ellátott kemencében sokkal "hűvösebb". Még nagyobb sebességnél a hajtómű és a repülőgép teljesítménye csak repülés közben ellenőrizhető.

Hazánkban és külföldön is régóta gondolják. A 60-as években az Egyesült Államok egy scramjet hajtómű tesztelését készítette elő egy nagysebességű X-15 rakétarepülőgépen, de ezekre a jelek szerint soha nem került sor.

A hazai kísérleti scramjet hajtómű kettős üzemmódra készült - 3M-t meghaladó repülési sebességnél közönséges "direkt áramlásként", 5-6M után pedig hiperszonikusként működött. Ehhez megváltoztatták a kompresszorállomás üzemanyag-ellátásának helyeit. A forgalomból kivont légvédelmi rakéta a hiperszonikus repülőlaboratórium (HLL) motorgyorsítója és hordozója lett. A vezérlőrendszereket, méréseket és a földdel való kommunikációt, hidrogéntartályt és üzemanyagegységeket magában foglaló GLL-t a második lépcső rekeszéibe dokkolták, ahol a robbanófej eltávolítása után a főmotor (LRE) az üzemanyaggal együtt. tankok maradtak. Az első fokozat - porráerősítők -, miután a rakétát az indulástól fogva szétszórták, néhány másodperc múlva szétváltak.

A próbapadi teszteket és a repülésre való felkészítést a PI Baranov Központi Repülési Motorok Intézetében végezték a légierővel, a rakétáját repülő laboratóriummá alakító Fakel gépgyártó tervezőirodával, a tujevi Szojuz tervezőirodával és a moszkvai Temp tervezőiroda, amely a motort és az üzemanyag-szabályozót gyártotta, és más szervezetek. A programot a jól ismert repülési szakemberek, R. I. Kurziner, D. A. Ogorodnikov és V. A. Sosunov irányították.

A repülés támogatására a CIAM egy mobil folyékony hidrogén-utántöltő komplexumot és egy fedélzeti folyékony hidrogén-ellátó rendszert hozott létre. Most, amikor a folyékony hidrogént tartják az egyik legígéretesebb üzemanyagnak, sokak számára hasznos lehet a CIAM-nál felhalmozott kezelési tapasztalat.

… A rakéta késő este indult, már majdnem sötét volt. Néhány pillanattal később a "kúp" hordozó eltűnt az alacsony felhők között. A kezdeti dübörgéshez képest váratlan csend támadt. A rajtot végignéző tesztelők még arra is gondoltak: tényleg minden rosszul sült el? Nem, a készülék folytatta a tervezett utat. A 38. másodpercben, amikor a fordulatszám elérte a 3,5 M-t, a motor beindult, a hidrogén elkezdett folyni a CC-be.

Ám a 62-es napon valóban megtörtént a váratlan: kiváltott az üzemanyag-ellátás automatikus leállítása - a scramjet motorja leállt. Aztán körülbelül a 195. másodpercnél automatikusan újraindult és a 200. másodpercig működött… Korábban a repülés utolsó másodperceként határozták meg. Ebben a pillanatban a rakéta, miközben még mindig a tesztterület felett volt, önmagát megsemmisítette.

A maximális sebesség 6200 km/h volt (valamivel több, mint 5,2 M). A motor és rendszereinek működését 250 fedélzeti érzékelő figyelte. A méréseket rádiótelemetriával továbbították a talajra.

Még nem dolgoztak fel minden információt, a repüléssel kapcsolatos részletesebb sztori még korai. De már most világos, hogy néhány évtizeden belül a pilóták és űrhajósok a „hiperszonikus előre áramlást” fogják meglovagolni.

A szerkesztőtől. A scramjet hajtóművek repülési tesztjeit az X-30-as repülőgépeken az USA-ban és a Hytex-en Németországban tervezik 1995-ben vagy a következő néhány évben. Szakembereink a közeljövőben több mint 10 M sebességgel tesztelhetik a „közvetlen áramlást” nagy teljesítményű rakétákon, amelyeket most kivonnak a szolgálatból. Igaz, egy megoldatlan probléma uralja őket. Nem tudományos vagy műszaki. A CIAM-nak nincs pénze. Még az alkalmazottak félig koldus fizetésére sem kaphatók.

Mi a következő lépés? Ma már csak négy olyan ország van a világon, ahol a repülőgép-hajtóművek teljes gyártási ciklusa működik – az alapkutatástól a sorozatgyártásig. Ezek az USA, Anglia, Franciaország és egyelőre Oroszország. Így a jövőben nem lesz belőlük több – három.

Az amerikaiak most több száz millió dollárt fektetnek be a scramjet programba…