Bojni izstrelki "od zemlje do zraka" so bili videti nekoliko nenavadni - nos je bil podaljšan s kovinskim stožcem. 28. novembra 1991 je izstrelila s testnega mesta blizu kozmodroma Baikonur in se samouničila visoko nad tlemi. Čeprav raketa ni izstrelila nobenega zračnega predmeta, je bil cilj izstrelitve dosežen. Prvič na svetu so med letom preizkusili hiperzvočni ramjet motor (scramjet motor).
Motor Scramjet ali, kot pravijo, "hipersonicni pretok naprej" vam bo v 2 - 3 urah omogočil letenje iz Moskve v New York, krilni stroj pa iz atmosfere pustite v vesolje. Letalsko vesoljsko letalo ne bo potrebovalo letala za ojačanje, kot pri Zengerju (glej TM, št. 1, 1991) ali lansirnem vozilu, kot pri ladjah in Buranu (glej TM Št. 4, 1989), - dobava tovora v orbito bo stala skoraj desetkrat ceneje. Na Zahodu bodo takšni testi potekali najpozneje tri leta kasneje …
Scramjet motor lahko letalo pospeši na 15 - 25M (M je številka Macha, v tem primeru hitrost zvoka v zraku), najmočnejši turbojetni motorji, ki so opremljeni s sodobnimi civilnimi in vojaškimi krilatimi letali, pa le do 3,5 m. Hitreje ne deluje - temperatura zraka, ko se pretok dovoda zraka upočasni, se toliko dvigne, da ga turbokompresorska enota ne more stisniti in dovajati v zgorevalno komoro (CC). Seveda je mogoče okrepiti hladilni sistem in kompresor, toda potem se bodo njihove dimenzije in teža toliko povečale, da hiperzvočne hitrosti ne pridejo v poštev - spustili bi se s tal.
Motor ramjet deluje brez kompresorja - zrak pred kompresorsko postajo se stisne zaradi svoje hitrostne glave (slika 1). Ostalo je načeloma enako kot za turbojet, ki izgorevajo skozi šobo in pospešijo aparat.
Zamisel o ramjetu, takrat še ne hipersoničnem, je leta 1907 predstavil francoski inženir Rene Laurent. A pravi "napredni tok" so zgradili veliko pozneje. Tu so vodili sovjetski strokovnjaki.
Najprej je leta 1929 eden od študentov N. E. Zhukovsky, B. S. Stechkin (kasneje akademik), ustvaril teorijo zračnega reaktorja. In potem, štiri leta pozneje, je pod vodstvom oblikovalca Yu. A. Pobedonostseva na GIRD (Jet Propulsion Study Group) po poskusih na stojnici ramjet prvič poslal v letenje.
Motor je bil nameščen v lupini 76 mm topa in je iz sodu streljal z nadzvočno hitrostjo 588 m / s. Testi so trajali dve leti. Projektil z ramjetnim motorjem je razvil več kot 2 milijona - v nobenem času še nobeno drugo letalo na svetu ni letelo hitreje. Hkrati so Girdoviti predlagali, izdelali in preizkusili model pulzirajočega ramjet motorja - njegov dovod zraka se je občasno odpiral in zapiral, zaradi česar je zgorevanje v zgorevalni komori pulziralo. Podobne motorje so kasneje uporabili v Nemčiji na raketah FAU-1.
Promocijski video:
Prvi veliki ramjetni motorji so znova ustvarili sovjetski oblikovalci I. A. Merkulov leta 1939 (podzvočni ramjet motor) in M. M. Bondaryuk leta 1944 (nadzvočni). Od 40-ih let se je na Centralnem inštitutu za letalske motorje (CIAM) začelo delo na "direktnem toku".
Nekatere vrste zrakoplovov, vključno z raketami, so bile opremljene z nadzvočnimi ramjetnimi motorji. Vendar je že v 50. letih postalo jasno, da ramjet pri številkah M, ki presegajo 6 - 7, ni učinkovit. Ponovno se je, tako kot v primeru turbojetnega motorja, zrak zaviral pred kompresorsko postajo prevroče. Tega ni imelo smisla nadomestiti s povečanjem mase in dimenzij ramjet motorja. Poleg tega se pri visokih temperaturah molekule produktov zgorevanja začnejo disociirati in absorbirajo energijo, namenjeno ustvarjanju potiska.
Nato je leta 1957 E. S. Shchetinkov, znani znanstvenik, udeleženec prvih letalskih preizkusov ramjet motorja, izumil hiperzvočni motor. Leto kasneje so se na Zahodu pojavile publikacije o podobnem dogajanju. Izgorevalna komora scramjet se začne skoraj takoj za dovodom zraka, nato pa gladko preide v razširljivo šobo (slika 2). Čeprav se zrak na vhodu vanj upočasni, se za razliko od prejšnjih motorjev premakne do kompresorske postaje ali bolje rečeno, hiti z nadzvočno hitrostjo. Zato sta njegov pritisk na stene komore in temperatura precej nižja kot pri ramjet motorju.
Nekaj kasneje je bil predlagan scramjet motor z zunanjim zgorevanjem (slika 3). Za letala s takšnim motorjem bo gorivo gorilo neposredno pod trupom, ki bo služilo kot del odprte kompresorske postaje. Seveda bo tlak v območju zgorevanja manjši kot v običajnem gorilniku - potisk motorja se bo nekoliko zmanjšal. Toda dobite povečanje teže - motor se bo znebil masivne zunanje stene kompresorske postaje in dela hladilnega sistema. Res je, zanesljiv "odprt neposredni tok" še ni bil ustvarjen - njegova najboljša ura bo verjetno prišla sredi XXI stoletja.
Vrnimo se vseeno k motorju scramjet, ki so ga preizkusili na predvečer lanske zime. Napajal ga je tekoči vodik, shranjen v rezervoarju pri temperaturi približno 20 K (- 253 ° C). Nadzvočno izgorevanje je bilo morda najtežja težava. Ali bo vodik enakomerno razporejen po prerezu komore? Bo imel čas, da popolnoma izgori? Kako organizirati samodejni nadzor zgorevanja? - v komori ne morete namestiti senzorjev, ki se talijo.
Niti matematično modeliranje na ultra močnih računalnikih niti klopni testi niso nudili izčrpnih odgovorov na številna vprašanja. Mimogrede, za simulacijo pretoka zraka, na primer pri 8M, stojalo zahteva pritisk na stotine atmosfer in temperaturo približno 2500 K - tekoča kovina v vroči peči na prostem je veliko hladnejša. Pri še višjih hitrostih je mogoče delovanje motorja in letala preveriti le med letom.
Dolgo se je razmišljalo tako tu kot v tujini. Združene države Amerike so že v 60. letih pripravljale preizkuse gnanega motorja na hitrem raketnem letalu X-15, vendar se očitno niso zgodile.
Domači eksperimentalni scramjet motor je bil narejen z dvojnim načinom - pri hitrosti leta, ki presega 3M, je deloval kot navaden "napredni tok", po 5 - 6M - pa kot hiperzvočni. Za to so bila spremenjena mesta dovoda goriva v kompresorsko postajo. Odstranjena protiletalska raketa je postala pospeševalnik motorja in nosilec hiperzvočne leteče laboratorije (HLL). GLL, ki vključuje krmilne sisteme, meritve in komunikacijo s tlemi, rezervoarjem za vodik in gorivnimi sklopi, je bil pripet v predelke druge stopnje, kjer je po odstranitvi bojne glave ostal glavni motor (LRE) s svojimi rezervoarji za gorivo. Prva stopnja - ojačevalniki prahu -, ko je raketa od začetka razpršila raketo, se po nekaj sekundah ločila.
Protivavionska raketa s scramjetom na izstrelitveni ploščici (fotografija je objavljena prvič).
Benčni preizkusi in priprava na let so bili izvedeni na Centralnem inštitutu za letalske motorje PI Baranov, skupaj z zračnimi silami, oblikovalskim birojem Fakel za gradnjo strojev, ki je svojo raketo spremenil v leteči laboratorij, sojetskim birojem Soyuz v Tujevu in oblikovalskim birojem Temp v Moskvi, ki je izdelal motor in regulatorja goriva ter druge organizacije. Program so nadzirali znani letalski specialisti R. I. Kurziner, D. A. Ogorodnikov in V. A. Sosunov.
V podporo letu je CIAM ustvaril mobilni sistem za dovajanje tekočega vodika in sistem za oskrbo s tekočim vodikom. Zdaj, ko tekoči vodik velja za eno najbolj obetavnih goriv, je lahko izkušnja z njim, ki se je nabrala na CIAM, mnogim koristna.
… Raketa se je izstrelila pozno zvečer, bila je že skoraj temačna. V nekaj trenutkih je nosilec "stožca" izginil v nizke oblake. Nastala je tišina, ki je bila nepričakovana v primerjavi s prvotnim ropotanjem. Preizkuševalci, ki so gledali začetek, so celo pomislili: ali je res šlo vse narobe? Ne, aparat je nadaljeval po predvideni poti. V 38. sekundi, ko je hitrost dosegla 3,5 M, se je motor zagnal, vodik je začel pritekati v CC.
Toda na 62. mestu se je zares zgodilo nepričakovano: samodejni izklop dovoda goriva je deloval - motor scramjet se je ugasnil. Potem se je okoli 195. sekunde samodejno zagnalo znova in delovalo do 200. leta. Pred tem je bila določena kot zadnja sekunda leta. V tem trenutku se je raketa, medtem ko je še vedno nad ozemljem testnega mesta, samouničila.
Največja hitrost je bila 6200 km / h (nekaj več kot 5,2 milijona). Motor in njegove sisteme je spremljalo 250 vgrajenih tipal. Meritve so preko radijske telemetrije prenesli na tla.
Vse informacije še niso obdelane, podrobnejša zgodba o letu pa je prezgodnja. Toda že zdaj je jasno, da bodo piloti in kozmonavti čez nekaj desetletij vozili po "hipersoničnem toku naprej".
Od urednika. Poletni testi scramjet motorjev na letalih X-30 v ZDA in na Hytexu v Nemčiji so načrtovani za leto 1995 ali naslednjih nekaj let. Naši strokovnjaki pa bi lahko v bližnji prihodnosti preizkusili "neposredni tok" s hitrostjo več kot 10 M na močnih raketah, ki jih zdaj umikajo iz uporabe. Res je, da obvladuje nerešen problem. Ni znanstveno ali tehnično. CIAM nima denarja. Za napol beraške plače zaposlenih niso na voljo.
Kaj je naslednje? Zdaj obstajajo le štiri države na svetu, ki imajo celoten cikel gradnje letalskih motorjev - od temeljnih raziskav do serijske proizvodnje. To so ZDA, Anglija, Francija in za zdaj Rusija. Tako jih v prihodnje ne bi bilo več - tri.
Američani zdaj v program scramjet vlagajo sto milijonov dolarjev …
Slika: 1. Shematski diagram ramjet motorja (ramjet motor): 1 - osrednje telo dovoda zraka, 2 - grlo dovoda zraka, 3 - zgorevalna komora (CC), 4 - šoba s kritičnim odsekom. Bele puščice označujejo dovod goriva. Zasnova dovoda zraka je taka, da je pretok zraka, ki je vstopil vanj, blokiran in v visok kompresor vstopi v kompresorsko postajo. Produkti zgorevanja, ki zapuščajo zgorevalno komoro, pospešujejo v zoženi šobi do hitrosti zvoka. Zanimivo je, da je treba šobo razširiti, da pline še pospešijo. Primer z reko, ko tok pospešuje sorazmerno z zožitvijo bregov, je primeren le za podzvočne tokove.
Slika: 2. Shematski diagram hiperzvočnega ramjet motorja (scramjet motor): 1 - CS, 2 - razširljiva šoba. CS se začne ne za difuzorjem, kot pri ramjet motorju, ampak skoraj takoj za grlom dovoda zraka. Mešanica goriva in zraka gori z nadzvočno hitrostjo. Izdelki zgorevanja se še bolj pospešijo v razpršilni šobi.
Slika: 3. Shematski diagram scramjet motorja z zunanjim zgorevanjem: 1 - točka vbrizga goriva. Izgorevanje se pojavi na zunanji strani motorja - tlak produktov zgorevanja je manjši kot v zaprti zgorevalni komori, toda potisk - sila, ki deluje na stene ogrodja, je večji od čelnega upora, zaradi česar se naprava premika.
Avtorji: Jurij ŠIKHMAN, Vjačeslav SEMENOV, raziskovalci Centralnega inštituta za letalske motorje