Scramjet teknolojisi - hipersonik bir motor nasıl oluşturuldu?

2024 Yazar: Seth Attwood | [email protected]. Son düzenleme: 2023-12-16 16:18

Savaş füzesi "karadan havaya" biraz sıra dışı görünüyordu - burnu metal bir koni ile uzatıldı. 28 Kasım 1991'de Baykonur kozmodromu yakınlarındaki bir test alanından havalandı ve yerden yüksekte kendi kendini imha etti. Füze herhangi bir hava nesnesini düşürmese de, fırlatma hedefine ulaşıldı. Dünyada ilk kez hipersonik bir ramjet motoru (scramjet motoru) uçuşta test edildi.

Scramjet motoru veya dedikleri gibi, "hipsonik doğrudan akış", Moskova'dan New York'a 2 - 3 saat içinde uçmasına izin verecek, kanatlı makineyi atmosferden uzaya bırakacak. Bir uzay uçağı, Zenger'de olduğu gibi (bkz. TM, No. 1, 1991) bir takviye uçağa veya mekikler ve Buran'da olduğu gibi bir fırlatma aracına (bkz. TM No. 4, 1989), - yükün yörüngeye teslimine ihtiyaç duymayacaktır. neredeyse on kat daha ucuza mal olacak. Batı'da, bu tür testler üç yıldan daha erken olmayacak …

Scramjet motoru, uçağı 15 - 25M'ye kadar hızlandırabilir (M, Mach sayısıdır, bu durumda havadaki ses hızıdır), modern sivil ve askeri kanatlı uçaklarla donatılmış en güçlü turbojet motorları, sadece 3.5M'ye kadar. Daha hızlı çalışmaz - hava girişindeki akış yavaşladığında hava sıcaklığı o kadar yükselir ki turbo kompresör ünitesi onu sıkıştıramaz ve yanma odasına (CC) besleyemez. Tabii ki, soğutma sistemini ve kompresörü güçlendirmek mümkündür, ancak boyutları ve ağırlıkları o kadar artacaktır ki, hipersonik hızlar söz konusu olmayacaktır - yerden kalkmak.

Ramjet motor kompresörsüz çalışır - kompresör istasyonunun önündeki hava, yüksek hızlı basıncı nedeniyle sıkıştırılır (Şekil 1). Gerisi, prensip olarak, memeden kaçan bir turbojet - yanma ürünleri ile aynıdır, aparatı hızlandırır.

O zamanlar henüz hipersonik olmayan bir ramjet motoru fikri, 1907'de Fransız mühendis Rene Laurent tarafından ortaya atıldı. Ama çok daha sonra gerçek bir "ileri akış" oluşturdular. Burada Sovyet uzmanları başı çekiyordu.

İlk olarak, 1929'da N. E. Zhukovsky'nin öğrencilerinden biri olan B. S. Stechkin (daha sonra bir akademisyen), bir hava jetli motor teorisini yarattı. Ve sonra, dört yıl sonra, GIRD'deki (Jet Propulsion Çalışma Grubu) tasarımcı Yu. A. Pobedonostsev'in önderliğinde, standdaki deneylerden sonra, ramjet ilk önce uçuşa gönderildi.

Motor, 76 mm'lik bir topun kabuğuna yerleştirildi ve namludan 588 m / s süpersonik bir hızda ateşlendi. Testler iki yıl boyunca devam etti. Ramjet motorlu mermiler 2M'den fazla geliştirildi - o sırada dünyadaki tek bir cihaz daha hızlı uçmadı. Aynı zamanda, Girdovitler, titreşimli bir ramjet motorun bir modelini önerdi, inşa etti ve test etti - hava girişi periyodik olarak açılıp kapandı, bunun sonucunda yanma odasındaki yanma darbeli oldu. Benzer motorlar daha sonra Almanya'da FAU-1 roketlerinde kullanıldı.

İlk büyük ramjet motorları, 1939'da (ses altı ramjet motoru) Sovyet tasarımcıları I. A. Merkulov ve 1944'te (süpersonik) M. M. Bondaryuk tarafından yeniden yaratıldı. 40'lı yıllardan beri, Merkez Havacılık Motorları Enstitüsü'nde (CIAM) "doğrudan akış" üzerine çalışmalar başladı.

Füzeler de dahil olmak üzere bazı uçak türleri, süpersonik ramjet motorlarıyla donatıldı. Bununla birlikte, 50'lerde, M sayılarının 6 - 7'yi aşmasıyla ramjet'in etkisiz olduğu anlaşıldı. Yine turbojet motorda olduğu gibi kompresör istasyonunun önünde frenlenen hava çok sıcak içeri girdi. Ramjet motorunun kütlesini ve boyutlarını artırarak bunu telafi etmek mantıklı değildi. Ek olarak, yüksek sıcaklıklarda, yanma ürünleri molekülleri ayrışmaya başlar ve itme yaratması amaçlanan enerjiyi emer.

O zaman 1957'de, ünlü bir bilim adamı olan, bir ramjet motorunun ilk uçuş testlerine katılan E. S. Shchetinkov, hipersonik bir motor icat etti. Bir yıl sonra, Batı'da benzer gelişmelerle ilgili yayınlar ortaya çıktı. Scramjet yanma odası, hava girişinin hemen arkasından başlar, ardından düzgün bir şekilde genişleyen bir nozüle geçer (Şekil 2). Girişte hava yavaşlasa da, önceki motorlardan farklı olarak kompresör istasyonuna hareket eder veya daha doğrusu süpersonik hızda koşar. Bu nedenle, oda duvarları üzerindeki basıncı ve sıcaklığı, bir ramjet motorundan çok daha düşüktür.

Kısa bir süre sonra, harici yanmalı bir scramjet motoru önerildi (Şekil 3) Böyle bir motora sahip bir uçakta, yakıt doğrudan açık kompresör istasyonunun bir parçası olarak hizmet edecek olan gövdenin altında yanacaktır. Doğal olarak, yanma bölgesindeki basınç, geleneksel bir yanma odasından daha az olacaktır - motor itişi biraz azalacaktır. Ancak ağırlık artışı ortaya çıkacak - motor, kompresör istasyonunun büyük dış duvarından ve soğutma sisteminin bir kısmından kurtulacak. Doğru, güvenilir bir "açık doğrudan akış" henüz oluşturulmadı - en iyi saati muhtemelen XXI yüzyılın ortalarında gelecek.

Ancak, geçen kış arifesinde test edilen scramjet motoruna dönelim. Yaklaşık 20 K (-253 °C) sıcaklıkta bir tankta depolanan sıvı hidrojen ile yakıt sağlandı. Süpersonik yanma belki de en zor problemdi. Hidrojen, odanın bölümü üzerinde eşit olarak dağıtılacak mı? Tamamen yanmak için zamanı olacak mı? Otomatik yanma kontrolü nasıl organize edilir? - bir odaya sensör takamazsınız, erirler.

Ne süper güçlü bilgisayarlarda matematiksel modelleme, ne de test testleri pek çok soruya kapsamlı cevaplar vermedi. Bu arada, örneğin 8M'de bir hava akışını simüle etmek için stand, yüzlerce atmosferlik bir basınç ve yaklaşık 2500 K'lık bir sıcaklık gerektirir - sıcak açık ocaklı bir fırında sıvı metal çok daha "soğuktur". Daha da yüksek hızlarda, motor ve uçak performansı yalnızca uçuşta doğrulanabilir.

Hem ülkemizde hem de yurtdışında uzun süredir düşünülüyor. 60'lı yıllarda, Amerika Birleşik Devletleri yüksek hızlı bir X-15 roket uçağında bir scramjet motorunun testleri hazırlıyordu, ancak görünüşe göre bunlar asla gerçekleşmedi.

Yerli deneysel scramjet motoru çift modlu hale getirildi - 3M'yi aşan bir uçuş hızında, sıradan bir "doğrudan akış" olarak ve 5 - 6M'den sonra - hipersonik olarak çalıştı. Bunun için kompresör istasyonuna yakıt besleme yerleri değiştirildi. Hizmetten kaldırılan uçaksavar füzesi, motor hızlandırıcısı ve hipersonik uçuş laboratuvarının (HLL) taşıyıcısı oldu. Kontrol sistemleri, ölçümler ve yerle iletişim, bir hidrojen tankı ve yakıt ünitelerini içeren GLL, savaş başlığının çıkarılmasından sonra ana motorun (LRE) yakıtı ile birlikte ikinci aşamanın bölmelerine yerleştirildi. tanklar kaldı. İlk aşama - toz güçlendiriciler, - roketi başlangıçtan itibaren dağıtmak, birkaç saniye sonra ayrıldı.

PI Baranov Merkez Havacılık Motorları Enstitüsü'nde, Hava Kuvvetleri, roketini uçan bir laboratuvara dönüştüren Fakel makine yapımı tasarım bürosu, Tuyev'deki Soyuz tasarım bürosu ve uçuş için tezgah testleri ve uçuşa hazırlık gerçekleştirildi. motoru ve yakıt regülatörünü üreten Moskova'daki Temp tasarım bürosu ve diğer kuruluşlar. Tanınmış havacılık uzmanları R. I. Kurziner, D. A. Ogorodnikov ve V. A. Sosunov programı denetledi.

Uçuşu desteklemek için CIAM, mobil bir sıvı hidrojen yakıt ikmali kompleksi ve yerleşik bir sıvı hidrojen besleme sistemi oluşturdu. Şimdi, sıvı hidrojen en umut verici yakıtlardan biri olarak kabul edildiğinde, CIAM'de biriken onu kullanma deneyimi birçokları için faydalı olabilir.

… Akşam geç saatlerde roket fırlatıldı, hava çoktan kararmıştı. Birkaç dakika sonra, "koni" taşıyıcısı alçak bulutların içinde kayboldu. İlk gürültüye kıyasla beklenmedik bir sessizlik oldu. Başlamayı izleyen testçiler şunu bile düşündüler: Her şey gerçekten ters mi gitti? Hayır, cihaz amaçlanan yolunda devam etti. 38. saniyede, hız 3.5M'ye ulaştığında motor çalıştı, hidrojen CC'ye akmaya başladı.

Ancak 62'sinde, beklenmeyen gerçekten oldu: yakıt beslemesinin otomatik kapanması tetiklendi - scramjet motoru kapatıldı. Ardından yaklaşık 195. saniyede otomatik olarak yeniden başladı ve 200. saniyeye kadar çalıştı… Daha önce uçuşun son saniyesi olarak belirlenmişti. Şu anda roket, test sahasının sınırları üzerindeyken kendi kendini imha etti.

Maksimum hız 6200 km / s idi (5,2M'den biraz fazla). Motorun ve sistemlerinin çalışması 250 yerleşik sensör tarafından izlendi. Ölçümler radyo telemetri ile yere iletildi.

Tüm bilgiler henüz işlenmedi ve uçuşla ilgili daha ayrıntılı bir hikaye erken. Ancak birkaç on yıl içinde pilotların ve kozmonotların "hipsonik ileri akışa" binecekleri şimdiden açık.

Editörden. ABD'de X-30 uçaklarında ve Almanya'da Hytex'te scramjet motorlarının uçuş testleri 1995 veya önümüzdeki birkaç yıl için planlanıyor. Uzmanlarımız, yakın gelecekte, şu anda hizmetten çekilen güçlü füzeler üzerinde 10M'den daha yüksek bir hızda "doğrudan akışı" test edebilirler. Doğru, çözülmemiş bir sorun tarafından yönetiliyorlar. Bilimsel veya teknik değil. CIAM'in parası yok. Çalışanların yarı dilenci maaşları için bile müsait değiller.

Sıradaki ne? Artık dünyada, temel araştırmalardan seri ürünlerin üretimine kadar, tam bir uçak motoru yapımı döngüsüne sahip sadece dört ülke var. Bunlar ABD, İngiltere, Fransa ve şimdilik Rusya. Yani gelecekte onlardan daha fazla olmayacaktı - üç.

Amerikalılar şimdi scramjet programına yüz milyonlarca dolar yatırım yapıyor …