Teknologi Scramjet - bagaimana enjin hipersonik dicipta

2024 Pengarang: Seth Attwood | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2023-12-16 16:12

Peluru berpandu tempur "permukaan ke udara" kelihatan agak luar biasa - hidungnya dipanjangkan oleh kon logam. Pada 28 November 1991, ia berlepas dari tapak ujian berhampiran kosmodrom Baikonur dan musnah sendiri tinggi di atas tanah. Walaupun peluru berpandu itu tidak menembak jatuh sebarang objek udara, sasaran pelancaran telah dicapai. Buat pertama kali di dunia, enjin ramjet hipersonik (enjin scramjet) telah diuji dalam penerbangan.

Enjin scramjet, atau, seperti yang mereka katakan, "aliran langsung hipersonik" akan membolehkan untuk terbang dari Moscow ke New York dalam 2 - 3 jam, meninggalkan mesin bersayap dari atmosfera ke angkasa. Pesawat aeroangkasa tidak memerlukan pesawat penggalak, seperti untuk Zenger (lihat TM, No. 1, 1991), atau kenderaan pelancar, seperti untuk pengangkutan ulang-alik dan Buran (lihat TM No. 4, 1989), - penghantaran kargo ke orbit akan menelan kos hampir sepuluh kali lebih murah. Di Barat, ujian sedemikian akan berlaku tidak lebih awal daripada dalam tiga tahun …

Enjin scramjet mampu memecut pesawat kepada 15 - 25M (M ialah nombor Mach, dalam kes ini, kelajuan bunyi di udara), manakala enjin turbojet paling berkuasa, yang dilengkapi dengan pesawat bersayap awam dan tentera moden, hanya sehingga 3.5J. Ia tidak berfungsi dengan lebih cepat - suhu udara, apabila aliran dalam pengambilan udara diperlahankan, meningkat dengan begitu banyak sehingga unit pemampat turbo tidak dapat memampatkannya dan membekalkannya ke ruang pembakaran (CC). Sudah tentu, adalah mungkin untuk mengukuhkan sistem penyejukan dan pemampat, tetapi kemudian dimensi dan beratnya akan meningkat dengan begitu banyak sehingga kelajuan hipersonik tidak dapat dipertikaikan - untuk turun dari tanah.

Enjin ramjet berfungsi tanpa pemampat - udara di hadapan stesen pemampat dimampatkan kerana tekanan berkelajuan tinggi (Rajah 1). Selebihnya, pada dasarnya, adalah sama seperti untuk turbojet - produk pembakaran, melarikan diri melalui muncung, mempercepatkan radas.

Idea enjin ramjet, yang ketika itu belum hipersonik, dikemukakan pada tahun 1907 oleh jurutera Perancis Rene Laurent. Tetapi mereka membina "aliran hadapan" sebenar kemudian. Di sini pakar Soviet memimpin.

Pertama, pada tahun 1929, salah seorang pelajar N. E. Zhukovsky, B. S. Stechkin (kemudian ahli akademik), mencipta teori enjin jet udara. Dan kemudian, empat tahun kemudian, di bawah pimpinan pereka Yu. A. Pobedonostsev dalam GIRD (Kumpulan untuk Kajian Pendorongan Jet), selepas eksperimen di tempat duduk, ramjet pertama kali dihantar ke penerbangan.

Enjin itu ditempatkan di dalam cangkerang meriam 76 mm dan ditembak dari laras pada kelajuan supersonik 588 m / s. Ujian itu berlangsung selama dua tahun. Projektil dengan enjin ramjet dibangunkan lebih daripada 2M - tidak ada satu peranti pun di dunia yang terbang lebih pantas pada masa itu. Pada masa yang sama, Girdovites mencadangkan, membina dan menguji model enjin ramjet berdenyut - pengambilan udaranya dibuka dan ditutup secara berkala, akibatnya pembakaran dalam ruang pembakaran berdenyut. Enjin serupa kemudiannya digunakan di Jerman pada roket FAU-1.

Enjin ramjet besar pertama dicipta semula oleh pereka Soviet I. A. Merkulov pada tahun 1939 (enjin ramjet subsonik) dan M. M. Bondaryuk pada tahun 1944 (supersonik). Sejak tahun 40-an, kerja mengenai "aliran langsung" bermula di Central Institute of Aviation Motors (CIAM).

Beberapa jenis pesawat, termasuk peluru berpandu, dilengkapi dengan enjin ramjet supersonik. Walau bagaimanapun, pada tahun 50-an menjadi jelas bahawa dengan nombor M melebihi 6 - 7, ramjet tidak berkesan. Sekali lagi, seperti dalam kes enjin turbojet, udara yang dibrek di hadapan stesen pemampat masuk ke dalamnya terlalu panas. Ia tidak masuk akal untuk mengimbangi ini dengan meningkatkan jisim dan dimensi enjin ramjet. Di samping itu, pada suhu tinggi, molekul produk pembakaran mula berpisah, menyerap tenaga yang bertujuan untuk mencipta tujahan.

Pada tahun 1957, E. S. Shchetinkov, seorang saintis terkenal, peserta dalam ujian penerbangan pertama enjin ramjet, mencipta enjin hipersonik. Setahun kemudian, penerbitan mengenai perkembangan serupa muncul di Barat. Kebuk pembakaran scramjet bermula hampir serta-merta di belakang pengambilan udara, kemudian ia lancar masuk ke muncung yang mengembang (Gamb. 2). Walaupun udara diperlahankan di pintu masuk ke sana, tidak seperti enjin sebelumnya, ia bergerak ke stesen pemampat, atau lebih tepat, bergegas pada kelajuan supersonik. Oleh itu, tekanannya pada dinding ruang dan suhu jauh lebih rendah daripada dalam enjin ramjet.

Tidak lama kemudian, enjin scramjet dengan pembakaran luar telah dicadangkan (Rajah 3) Dalam pesawat dengan enjin sedemikian, bahan api akan terbakar terus di bawah fiuslaj, yang akan berfungsi sebagai sebahagian daripada stesen pemampat terbuka. Sememangnya, tekanan dalam zon pembakaran akan kurang daripada dalam kebuk pembakaran konvensional - tujahan enjin akan berkurangan sedikit. Tetapi penambahan berat akan berubah - enjin akan menyingkirkan dinding luar besar stesen pemampat dan sebahagian daripada sistem penyejukan. Benar, "aliran langsung terbuka" yang boleh dipercayai belum lagi dicipta - masa terbaiknya mungkin akan datang pada pertengahan abad XXI.

Mari kita kembali, bagaimanapun, kepada enjin scramjet, yang telah diuji pada malam musim sejuk yang lalu. Ia dijana oleh hidrogen cecair yang disimpan dalam tangki pada suhu kira-kira 20 K (- 253 ° C). Pembakaran supersonik mungkin merupakan masalah yang paling sukar. Adakah hidrogen akan diagihkan sama rata ke atas bahagian ruang? Adakah ia mempunyai masa untuk terbakar sepenuhnya? Bagaimana untuk mengatur kawalan pembakaran automatik? - anda tidak boleh memasang sensor dalam ruang, ia akan cair.

Pemodelan matematik pada komputer yang sangat berkuasa, mahupun ujian bangku tidak memberikan jawapan yang komprehensif kepada banyak soalan. Dengan cara ini, untuk mensimulasikan aliran udara, sebagai contoh, pada 8M, pendirian memerlukan tekanan ratusan atmosfera dan suhu kira-kira 2500 K - logam cecair dalam relau perapian terbuka yang panas adalah lebih "lebih sejuk". Pada kelajuan yang lebih tinggi, prestasi enjin dan pesawat hanya boleh disahkan dalam penerbangan.

Ia telah lama difikirkan baik di negara kita mahupun di luar negara. Pada tahun 60-an, Amerika Syarikat sedang menyediakan ujian enjin scramjet pada pesawat roket X-15 berkelajuan tinggi, bagaimanapun, nampaknya, ia tidak pernah berlaku.

Enjin scramjet eksperimen domestik dibuat dwi-mod - pada kelajuan penerbangan melebihi 3M, ia berfungsi sebagai "aliran langsung" biasa, dan selepas 5 - 6M - sebagai hipersonik. Untuk ini, tempat bekalan bahan api ke stesen pemampat telah ditukar. Peluru berpandu anti-pesawat itu, yang sedang dikeluarkan daripada perkhidmatan, menjadi pemecut enjin dan pembawa makmal terbang hipersonik (HLL). GLL, yang merangkumi sistem kawalan, pengukuran dan komunikasi dengan tanah, tangki hidrogen dan unit bahan api, dilabuhkan ke petak peringkat kedua, di mana, selepas penyingkiran kepala peledak, enjin utama (LRE) dengan bahan apinya kereta kebal kekal. Peringkat pertama - penggalak serbuk, - setelah menyebarkan roket dari awal, dipisahkan selepas beberapa saat.

Ujian bangku dan persediaan untuk penerbangan telah dijalankan di PI Baranov Central Institute of Aviation Motors, bersama dengan Tentera Udara, biro reka bentuk mesin Fakel, yang menjadikan roketnya sebagai makmal terbang, biro reka bentuk Soyuz di Tuyev dan biro reka bentuk Temp di Moscow, yang mengeluarkan enjin dan pengawal selia bahan api, dan organisasi lain. Pakar penerbangan terkenal R. I. Kurziner, D. A. Ogorodnikov dan V. A. Sosunov menyelia program itu.

Untuk menyokong penerbangan, CIAM mencipta kompleks pengisian bahan api hidrogen cecair mudah alih dan sistem bekalan hidrogen cecair di atas kapal. Kini, apabila hidrogen cecair dianggap sebagai salah satu bahan api yang paling menjanjikan, pengalaman mengendalikannya, yang terkumpul di CIAM, boleh berguna kepada ramai orang.

… Roket dilancarkan lewat petang, hari sudah hampir gelap. Beberapa saat kemudian, pembawa "kon" hilang ke awan rendah. Kesunyian yang tidak dijangka berbanding dentuman awal. Penguji yang menonton permulaan pun berfikir: adakah semuanya benar-benar salah? Tidak, radas meneruskan jalan yang dimaksudkan. Pada saat ke-38, apabila kelajuan mencapai 3.5M, enjin dihidupkan, hidrogen mula mengalir ke CC.

Tetapi pada 62hb, perkara yang tidak dijangka benar-benar berlaku: penutupan automatik bekalan bahan api telah dicetuskan - enjin scramjet ditutup. Kemudian, pada kira-kira saat ke-195, ia secara automatik dimulakan semula dan berfungsi sehingga ke-200 … Ia sebelum ini ditentukan sebagai detik terakhir penerbangan. Pada masa ini, roket itu, semasa masih di atas wilayah tapak ujian, musnah sendiri.

Kelajuan maksimum ialah 6200 km / j (lebih sedikit daripada 5.2M). Operasi enjin dan sistemnya dipantau oleh 250 penderia on-board. Pengukuran telah dihantar melalui telemetri radio ke tanah.

Belum semua maklumat telah diproses lagi, dan cerita yang lebih terperinci tentang penerbangan itu adalah pramatang. Tetapi sudah jelas sekarang bahawa dalam beberapa dekad juruterbang dan angkasawan akan menaiki "aliran hadapan hipersonik".

Daripada editor. Ujian penerbangan enjin scramjet pada pesawat X-30 di Amerika Syarikat dan pada Hytex di Jerman dirancang untuk tahun 1995 atau beberapa tahun akan datang. Pakar kami boleh, dalam masa terdekat, menguji "aliran langsung" pada kelajuan lebih daripada 10M pada peluru berpandu berkuasa, yang kini ditarik balik daripada perkhidmatan. Benar, mereka dikuasai oleh masalah yang tidak dapat diselesaikan. Bukan saintifik atau teknikal. CIAM tidak mempunyai wang. Mereka tidak ada pun untuk gaji separuh pengemis pekerja.

Apa yang akan datang? Kini terdapat hanya empat negara di dunia yang mempunyai kitaran penuh pembinaan enjin pesawat - daripada penyelidikan asas kepada pengeluaran produk bersiri. Ini ialah Amerika Syarikat, England, Perancis dan, buat masa ini, Rusia. Jadi tidak akan ada lagi daripada mereka pada masa hadapan - tiga.

Orang Amerika kini melabur ratusan juta dolar dalam program scramjet …