Tecnologia Scramjet: com es va crear un motor hipersònic

2024 Autora: Seth Attwood | [email protected]. Última modificació: 2023-12-16 16:00

El míssil de combat "terra-aire" semblava una mica inusual: el seu nas s'allargava per un con metàl·lic. El 28 de novembre de 1991, va enlairar des d'un lloc de proves prop del cosmòdrom de Baikonur i es va autodestruir molt per sobre del sòl. Tot i que el míssil no va enderrocar cap objecte aeri, l'objectiu de llançament es va aconseguir. Per primera vegada al món, es va provar en vol un motor estatorreactor hipersònic (motor scramjet).

El motor scramjet, o, com diuen, "flux directe hipersònic" permetrà volar de Moscou a Nova York en 2-3 hores, deixar la màquina alada de l'atmosfera a l'espai. Un avió aeroespacial no necessitarà un avió de reforç, com per a Zenger (vegeu TM, núm. 1, 1991), ni un vehicle de llançament, com per a llançadores i Buran (vegeu TM núm. 4, 1989), - lliurament de càrrega a l'òrbita costarà gairebé deu vegades més barat. A Occident, aquestes proves tindran lloc no abans de tres anys…

El motor scramjet és capaç d'accelerar l'avió a 15 - 25M (M és el nombre de Mach, en aquest cas, la velocitat del so a l'aire), mentre que els motors turborreactors més potents, que estan equipats amb avions alats civils i militars moderns., són només fins a 3,5 milions. No funciona més ràpid: la temperatura de l'aire, quan el flux d'entrada d'aire es desaccelera, augmenta tant que la unitat del turbocompressor no és capaç de comprimir-lo i subministrar-lo a la cambra de combustió (CC). És possible, per descomptat, enfortir el sistema de refrigeració i el compressor, però aleshores les seves dimensions i pes augmentaran tant que les velocitats hipersòniques quedaran fora de qüestió: sortir de terra.

Un motor ramjet funciona sense compressor: l'aire davant de l'estació de compressió es comprimeix a causa de la seva pressió d'alta velocitat (Fig. 1). La resta, en principi, és el mateix que per a un turborreactor: els productes de combustió, que s'escapen a través del broquet, acceleren l'aparell.

La idea d'un motor estatorreactor, llavors encara no hipersònic, va ser proposada el 1907 per l'enginyer francès René Laurent. Però van construir un autèntic "flux endavant" molt més tard. Aquí els especialistes soviètics estaven al capdavant.

Primer, el 1929, un dels estudiants de N. E. Zhukovsky, B. S. Stechkin (després acadèmic), va crear la teoria d'un motor d'aire. I després, quatre anys més tard, sota el lideratge del dissenyador Yu. A. Pobedonostsev al GIRD (Grup per a l'estudi de la propulsió a reacció), després d'experiments a l'estand, el estatorreactor es va enviar per primera vegada al vol.

El motor estava allotjat a la closca d'un canó de 76 mm i disparava des del canó a una velocitat supersònica de 588 m / s. Les proves van durar dos anys. Els projectils amb un motor ramjet van desenvolupar més de 2 milions: cap dispositiu al món va volar més ràpid en aquell moment. Al mateix temps, els Girdovites van proposar, construir i provar un model d'un motor estatorreactor pulsant: la seva entrada d'aire s'obria i tancava periòdicament, com a resultat de la qual cosa la combustió a la cambra de combustió pulsava. Motors similars es van utilitzar posteriorment a Alemanya en coets FAU-1.

Els primers grans motors estatorreactors van ser creats de nou pels dissenyadors soviètics I. A. Merkulov el 1939 (motor subsònic de estatorreactor) i M. M. Bondaryuk el 1944 (supersònic). Des dels anys 40 es va començar a treballar sobre el "flux directe" a l'Institut Central de Motors d'Aviació (CIAM).

Alguns tipus d'avions, inclosos els míssils, estaven equipats amb motors estatorreactors supersònics. No obstant això, als anys 50 es va fer evident que amb els números M que superen els 6-7, l'estatorreactor és ineficaç. De nou, com en el cas del motor turborreactor, l'aire que es frenava davant de l'estació de compressor hi va entrar massa calent. No tenia sentit compensar-ho augmentant la massa i les dimensions del motor estatorreactor. A més, a altes temperatures, les molècules dels productes de la combustió comencen a dissociar-se, absorbint energia destinada a crear empenta.

Va ser aleshores l'any 1957 que E. S. Shchetinkov, un científic famós, participant en les primeres proves de vol d'un motor de reactor, va inventar un motor hipersònic. Un any més tard, a Occident van aparèixer publicacions sobre avenços similars. La cambra de combustió de scramjet comença gairebé immediatament darrere de la presa d'aire, després passa suaument a un broquet d'expansió (Fig. 2). Tot i que l'aire es ralenteix a l'entrada, a diferència dels motors anteriors, es trasllada a l'estació de compressor, o millor dit, es precipita a velocitat supersònica. Per tant, la seva pressió a les parets de la cambra i la temperatura són molt més baixes que en un motor de reacció.

Una mica més tard, es va proposar un motor scramjet amb combustió externa (Fig. 3) En un avió amb aquest motor, el combustible cremarà directament sota el fuselatge, que servirà com a part de l'estació de compressor oberta. Naturalment, la pressió a la zona de combustió serà menor que en una cambra de combustió convencional: l'empenta del motor disminuirà lleugerament. Però l'augment de pes es produirà: el motor s'eliminarà de la paret exterior massiva de l'estació de compressor i part del sistema de refrigeració. És cert que encara no s'ha creat un "flux directe obert" fiable: la seva millor hora probablement arribarà a mitjans del segle XXI.

Tornem, però, al motor scramjet, que es va provar la vigília de l'hivern passat. S'alimentava amb hidrogen líquid emmagatzemat en un dipòsit a una temperatura d'uns 20 K (-253 ° C). La combustió supersònica va ser potser el problema més difícil. L'hidrogen es distribuirà uniformement per la secció de la cambra? Tindrà temps d'esgotar-se completament? Com organitzar el control automàtic de la combustió? - No podeu instal·lar sensors en una cambra, es fonen.

Ni els models matemàtics en ordinadors superpoders, ni les proves de banc van donar respostes exhaustives a moltes preguntes. Per cert, per simular un flux d'aire, per exemple, a 8M, el suport requereix una pressió de centenars d'atmosferes i una temperatura d'uns 2500 K: el metall líquid en un forn calent de foc obert és molt més "fresquet". A velocitats encara més altes, el rendiment del motor i de l'avió només es pot verificar en vol.

S'ha pensat durant molt de temps tant al nostre país com a l'estranger. A la dècada dels 60, els Estats Units estaven preparant proves d'un motor scramjet en un avió coet X-15 d'alta velocitat, però, pel que sembla, no es van dur a terme mai.

El motor scramjet experimental domèstic es va fer en mode dual: a una velocitat de vol que superava els 3M, funcionava com un "flux directe" normal i, després de 5-6M, com a hipersònic. Per a això, es van canviar els llocs de subministrament de combustible a l'estació de compressió. El míssil antiaeri, que s'està retirant del servei, es va convertir en l'accelerador del motor i el portador del laboratori de vol hipersònic (HLL). El GLL, que inclou sistemes de control, mesures i comunicació amb el terra, un dipòsit d'hidrogen i unitats de combustible, es van acoblar als compartiments de la segona etapa, on, després de la retirada de l'ogiva, el motor principal (LRE) amb el seu combustible. van quedar tancs. La primera etapa - impulsors de pols - després d'haver dispersat el coet des del principi, es va separar després d'uns segons.

Les proves de banc i la preparació per al vol es van dur a terme a l'Institut Central de Motors d'Aviació PI Baranov, juntament amb la Força Aèria, l'oficina de disseny de construcció de màquines Fakel, que va convertir el seu coet en un laboratori volador, l'oficina de disseny Soiuz a Tuyev i l'oficina de disseny temporal de Moscou, que va fabricar el motor, i el regulador de combustible, i altres organitzacions. Els coneguts especialistes en aviació R. I. Kurziner, D. A. Ogorodnikov i V. A. Sosunov van supervisar el programa.

Per donar suport al vol, CIAM va crear un complex mòbil de recàrrega d'hidrogen líquid i un sistema de subministrament d'hidrogen líquid a bord. Ara, quan l'hidrogen líquid es considera un dels combustibles més prometedors, l'experiència de manejar-lo, acumulada al CIAM, pot ser útil per a molts.

… El coet es va llançar a última hora del vespre, ja era gairebé fosc. Uns instants després, el portador "con" va desaparèixer en els núvols baixos. Hi va haver un silenci inesperat en comparació amb el rebombori inicial. Els provadors que van veure la sortida van pensar fins i tot: realment va anar tot malament? No, l'aparell va continuar el camí previst. En el segon 38, quan la velocitat va arribar als 3,5 M, el motor va arrencar, l'hidrogen va començar a fluir al CC.

Però el dia 62 va passar realment l'inesperat: es va activar l'aturada automàtica del subministrament de combustible: es va apagar el motor scramjet. Aleshores, al voltant del segon 195, es va tornar a engegar automàticament i va funcionar fins al 200… Abans es va determinar com l'últim segon del vol. En aquest moment, el coet, mentre encara estava sobre el territori del lloc de prova, es va autodestruir.

La velocitat màxima va ser de 6200 km/h (una mica més de 5,2M). El funcionament del motor i dels seus sistemes es va controlar mitjançant 250 sensors a bord. Les mesures es van transmetre per radiotelemetria a terra.

Encara no s'ha processat tota la informació, i una història més detallada sobre el vol és prematura. Però ara ja està clar que d'aquí a unes dècades els pilots i cosmonautes muntaran el "flux cap endavant hipersònic".

De l'editor. Les proves de vol de motors scramjet a l'avió X-30 als EUA i a l'Hytex a Alemanya estan previstes per al 1995 o els propers anys. Els nostres especialistes podrien, en un futur proper, provar el "flux directe" a una velocitat de més de 10 M en míssils potents, que ara s'estan retirant del servei. És cert que estan dominats per un problema no resolt. Ni científic ni tècnic. El CIAM no té diners. Ni tan sols estan disponibles per als salaris mig captaires dels empleats.

Que segueix? Ara només hi ha quatre països al món que tenen un cicle complet de construcció de motors d'avions, des de la investigació bàsica fins a la producció de productes en sèrie. Es tracta dels EUA, Anglaterra, França i, de moment, Rússia. Així que no n'hi hauria més en el futur: tres.

Els nord-americans estan invertint centenars de milions de dòlars en el programa scramjet…