Scramjet-technologie - hoe een hypersonische motor werd gemaakt

2024 Auteur: Seth Attwood | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2023-12-16 16:13

Gevechtsraket "oppervlakte-lucht" zag er enigszins ongewoon uit - de neus was verlengd met een metalen kegel. Op 28 november 1991 steeg het op vanaf een testlocatie in de buurt van de Baikonoer-kosmodroom en vernietigde het zichzelf hoog boven de grond. Hoewel de raket geen enkel object uit de lucht heeft neergeschoten, werd het lanceringsdoel bereikt. Voor het eerst ter wereld werd tijdens de vlucht een hypersonische straalmotor (scramjet-motor) getest.

De scramjet-motor, of, zoals ze zeggen, "hypersonic direct-flow" zal het mogelijk maken om in 2-3 uur van Moskou naar New York te vliegen, de gevleugelde machine vanuit de atmosfeer de ruimte in te laten. Een ruimtevaartvliegtuig heeft geen boostervliegtuig nodig, zoals voor Zenger (zie TM, nr. 1, 1991), of een draagraket, zoals voor shuttles en Buran (zie TM nr. 4, 1989), - levering van vracht in een baan om de aarde kost bijna tien keer goedkoper. In het Westen zullen dergelijke tests niet eerder dan over drie jaar plaatsvinden …

De scramjet-motor is in staat om het vliegtuig te versnellen tot 15 - 25M (M is het Mach-getal, in dit geval de geluidssnelheid in de lucht), terwijl de krachtigste turbojet-motoren, die zijn uitgerust met moderne civiele en militaire gevleugelde vliegtuigen, zijn slechts tot 3,5M. Het werkt niet sneller - de luchttemperatuur, wanneer de stroom in de luchtinlaat wordt vertraagd, stijgt zo veel dat de turbocompressoreenheid deze niet kan comprimeren en naar de verbrandingskamer (CC) kan voeren. Het is natuurlijk mogelijk om het koelsysteem en de compressor te versterken, maar dan zullen hun afmetingen en gewicht zo veel toenemen dat hypersonische snelheden uitgesloten zijn - om van de grond te komen.

Een straalmotor werkt zonder compressor - de lucht voor het compressorstation wordt gecomprimeerd vanwege de hoge snelheidsdruk (Fig. 1). De rest is in principe hetzelfde als voor een turbojet - verbrandingsproducten die door het mondstuk ontsnappen, versnellen het apparaat.

Het idee van een straalmotor, toen nog niet hypersonisch, werd in 1907 naar voren gebracht door de Franse ingenieur Rene Laurent. Maar ze bouwden veel later een echte "voorwaartse stroom" op. Hier liepen Sovjet-specialisten voorop.

Eerst, in 1929, creëerde een van de studenten van N. E. Zhukovsky, B. S. Stechkin (later een academicus), de theorie van een luchtstraalmotor. En toen, vier jaar later, onder leiding van ontwerper Yu. A. Pobedonostsev in de GIRD (Group for the Study of Jet Propulsion), werd de straalmotor na experimenten op de stand voor het eerst in de vlucht gestuurd.

De motor was ondergebracht in de schaal van een 76 mm kanon en werd vanuit de loop afgevuurd met een supersonische snelheid van 588 m / s. De tests duurden twee jaar. Projectielen met een straalmotor ontwikkelden meer dan 2M - geen enkel apparaat ter wereld vloog op dat moment sneller. Tegelijkertijd hebben de Girdovites een model van een pulserende straalmotor voorgesteld, gebouwd en getest - de luchtinlaat ervan werd periodiek geopend en gesloten, waardoor de verbranding in de verbrandingskamer pulseerde. Soortgelijke motoren werden later in Duitsland gebruikt op FAU-1-raketten.

De eerste grote straalmotormotoren werden opnieuw gemaakt door Sovjetontwerpers I. A. Merkulov in 1939 (subsonische straalmotor) en MM Bondaryuk in 1944 (supersonisch). Sinds de jaren 40 begon het werk aan "directe stroom" bij het Central Institute of Aviation Motors (CIAM).

Sommige soorten vliegtuigen, waaronder raketten, waren uitgerust met supersonische straalmotoren. In de jaren 50 werd echter duidelijk dat met M-nummers van meer dan 6 - 7 de straalmotor niet effectief is. Nogmaals, zoals in het geval van de turbojetmotor, werd de lucht die voor het compressorstation werd afgeremd, er te heet in. Het had geen zin om dit te compenseren door de massa en afmetingen van de straalmotor te vergroten. Bovendien beginnen moleculen van verbrandingsproducten bij hoge temperaturen te dissociëren en energie te absorberen die bedoeld is om stuwkracht te creëren.

Het was toen in 1957 dat E. S. Shchetinkov, een beroemde wetenschapper, een deelnemer aan de eerste vliegtests van een straalmotor, een hypersonische motor uitvond. Een jaar later verschenen in het Westen publicaties over soortgelijke ontwikkelingen. De scramjet-verbrandingskamer begint bijna direct achter de luchtinlaat en gaat vervolgens soepel over in een expanderend mondstuk (Fig. 2). Hoewel de lucht bij de ingang ervan wordt vertraagd, beweegt deze, in tegenstelling tot eerdere motoren, naar het compressorstation, of beter gezegd, met supersonische snelheid. Daarom is de druk op de kamerwanden en de temperatuur veel lager dan in een straalmotor.

Even later werd een scramjet-motor met externe verbranding voorgesteld (Fig. 3) In een vliegtuig met een dergelijke motor zal de brandstof direct onder de romp verbranden, die zal dienen als onderdeel van het open compressorstation. Uiteraard zal de druk in de verbrandingszone lager zijn dan in een conventionele verbrandingskamer - de stuwkracht van de motor zal iets afnemen. Maar de gewichtstoename zal blijken - de motor zal de massieve buitenmuur van het compressorstation en een deel van het koelsysteem kwijtraken. Toegegeven, een betrouwbare "open directe stroom" is nog niet gecreëerd - het beste uur zal waarschijnlijk in het midden van de eenentwintigste eeuw komen.

Laten we echter terugkeren naar de scramjet-motor, die aan de vooravond van de afgelopen winter werd getest. Het werd gevoed door vloeibare waterstof opgeslagen in een tank bij een temperatuur van ongeveer 20 K (-253 ° C). Supersonische verbranding was misschien wel het moeilijkste probleem. Zal waterstof gelijkmatig over het deel van de kamer worden verdeeld? Zal het tijd hebben om volledig op te branden? Hoe de automatische verbrandingsregeling organiseren? - je kunt geen sensoren in een kamer installeren, ze zullen smelten.

Noch wiskundige modellering op superkrachtige computers, noch bench-tests gaven uitgebreide antwoorden op veel vragen. Trouwens, om een luchtstroom te simuleren, bijvoorbeeld bij 8M, vereist de standaard een druk van honderden atmosfeer en een temperatuur van ongeveer 2500 K - vloeibaar metaal in een hete open haard is veel "koeler". Bij nog hogere snelheden kunnen de prestaties van de motor en het vliegtuig alleen tijdens de vlucht worden geverifieerd.

Zowel in ons land als in het buitenland wordt er lang over nagedacht. In de jaren 60 waren de Verenigde Staten bezig met het voorbereiden van tests van een scramjet-motor op een snel X-15-raketvliegtuig, maar blijkbaar hebben ze nooit plaatsgevonden.

De binnenlandse experimentele scramjet-motor werd dual-mode gemaakt - bij een vliegsnelheid van meer dan 3M werkte hij als een gewone "directe stroom", en na 5 - 6M - als een hypersonische. Hiervoor werden de plaatsen van brandstoftoevoer naar het compressorstation gewijzigd. De luchtafweerraket, die uit dienst wordt genomen, werd de motorversneller en de drager van het hypersonische vlieglaboratorium (HLL). De GLL, die controlesystemen, metingen en communicatie met de grond, een waterstoftank en brandstofeenheden omvat, werd aangemeerd aan de compartimenten van de tweede trap, waar, na het verwijderen van de kernkop, de hoofdmotor (LRE) met zijn brandstof tanks bleven. De eerste trap - poeder boosters - nadat de raket vanaf het begin was verspreid, brak na een paar seconden af.

Banktests en voorbereiding voor de vlucht werden uitgevoerd in het PI Baranov Central Institute of Aviation Motors, samen met de luchtmacht, het ontwerpbureau voor machinebouw van Fakel, dat zijn raket in een vliegend laboratorium veranderde, het Sojoez-ontwerpbureau in Tuyev en het ontwerpbureau Temp in Moskou, dat de motor en de brandstofregelaar produceerde, en andere organisaties. De bekende luchtvaartspecialisten R. I. Kurziner, D. A. Ogorodnikov en V. A. Sosunov begeleidden het programma.

Om de vlucht te ondersteunen, heeft CIAM een mobiel tankcomplex voor vloeibare waterstof en een toevoersysteem voor vloeibare waterstof aan boord gecreëerd. Nu vloeibare waterstof wordt beschouwd als een van de meest veelbelovende brandstoffen, kan de ervaring met het omgaan met waterstof, opgedaan bij CIAM, voor velen nuttig zijn.

… De raket werd laat in de avond gelanceerd, het was al bijna donker. Enkele ogenblikken later verdween de "kegel"-drager in lage wolken. Er viel een stilte die onverwacht was vergeleken met het aanvankelijke gerommel. De testers die naar de start keken, dachten zelfs: is alles echt misgegaan? Nee, het apparaat ging verder op de ingeslagen weg. Op de 38e seconde, toen de snelheid 3,5M bereikte, startte de motor en begon waterstof in de CC te stromen.

Maar op de 62e gebeurde het onverwachte: de automatische uitschakeling van de brandstoftoevoer werd geactiveerd - de scramjet-motor stopte. Toen, rond de 195e seconde, startte het automatisch weer en werkte tot de 200e … Het was eerder bepaald als de laatste seconde van de vlucht. Op dit moment vernietigde de raket, terwijl hij nog steeds boven het territorium van de testlocatie was, zichzelf.

De maximale snelheid was 6200 km/u (iets meer dan 5,2M). De werking van de motor en zijn systemen werd gecontroleerd door 250 boordsensoren. De metingen werden via radiotelemetrie naar de grond verzonden.

Nog niet alle informatie is verwerkt en een uitgebreider verhaal over de vlucht is voorbarig. Maar het is nu al duidelijk dat over enkele decennia de piloten en kosmonauten de "hypersonic forward flow" zullen berijden.

Van de redactie. Vliegtesten van scramjet-motoren op de X-30 vliegtuigen in de VS en op de Hytex in Duitsland zijn gepland voor 1995 of de komende jaren. Onze specialisten zouden in de nabije toekomst de "directe stroom" kunnen testen met een snelheid van meer dan 10M op krachtige raketten, die nu uit dienst worden genomen. Toegegeven, ze worden gedomineerd door een onopgelost probleem. Niet wetenschappelijk of technisch. CIAM heeft geen geld. Ze zijn niet eens beschikbaar voor de halfarmige salarissen van werknemers.

Wat is het volgende? Nu zijn er slechts vier landen in de wereld die een volledige cyclus van vliegtuigmotorenbouw hebben - van fundamenteel onderzoek tot productie van serieproducten. Dit zijn de VS, Engeland, Frankrijk en voorlopig Rusland. Dus er zouden er in de toekomst niet meer zijn - drie.

De Amerikanen investeren nu honderden miljoenen dollars in het scramjet-programma…