Бойната ракета "повърхност-въздух" изглеждаше някак необичайно - носът й беше удължен от метален конус. На 28 ноември 1991 г. тя излита от тестова площадка близо до космодрома Байконур и се самоунищожава високо над земята. Въпреки че ракетата не е сваляла нито един въздушен обект, целта за изстрелване е постигната. За първи път в света хиперзвуков раменен двигател (scramjet двигател) е тестван в полет.
Scramjet двигателят или, както се казва, "хиперзвуков поток напред" ще ви позволи да летите от Москва до Ню Йорк за 2 - 3 часа, оставете крилата машина от атмосферата в космоса. Един космически самолет няма да се нуждае от бустер самолет, както за Zenger (вж. TM, № 1, 1991), нито ракети-носители, както за совалки и Buran (виж TM № 4, 1989 г.), - доставката на товари до орбита ще струва почти десет пъти по-евтино. На Запад подобни тестове ще се проведат не по-рано от три години по-късно …
Scramjet двигателят е способен да ускори самолета до 15 - 25M (M е номерът на Mach, в случая скоростта на звука във въздуха), докато най-мощните турбореактивни двигатели, които са оборудвани с модерни граждански и военни крилати самолети, са само до 3.5M. Не работи по-бързо - температурата на въздуха, когато дебитът на входящия въздух се намалява, се повишава толкова много, че турбокомпресорният агрегат не е в състояние да го компресира и подаде в горивната камера (CC). Възможно е, разбира се, да се укрепи охладителната система и компресора, но тогава размерите и теглото им ще се увеличат толкова много, че хиперзвуковите скорости няма да бъдат излишни - да слезете от земята.
Реактивният двигател работи без компресор - въздухът пред компресорната станция се компресира поради скоростта на главата (фиг. 1). Останалото по принцип е същото като при турбореактивните продукти - изгарянето през дюзата ускорява апарата.
Идеята за рамета, тогава все още не е хиперзвукова, е представена през 1907 г. от френския инженер Рене Лоран. Но те изградиха истински "напред поток" много по-късно. Тук съветските специалисти бяха начело.
Първо, през 1929 г. един от студентите на Н. Е. Жуковски, Б. С. Стечкин (по-късно академик), създава теорията за въздушно-реактивен двигател. И след това, четири години по-късно, под ръководството на дизайнера Ю. А. Победоносцев от GIRD (Jet Propulsion Study Group), след експерименти на щанда, раметът за първи път е изпратен да лети.
Двигателят е бил разположен в корпуса на 76-мм оръдие и е стрелял от цевта със свръхзвукова скорост от 588 м / сек. Тестовете продължиха две години. Снарядите с раменен двигател са разработили повече от 2M - никой друг самолет в света не е летял по-бързо по това време. В същото време Гирдовитите предложиха, изградиха и изпробваха модел на пулсиращ раметоносен двигател - неговият входящ въздух периодично се отваря и затваря, в резултат на което горенето в горивната камера пулсира. По-късно подобни двигатели бяха използвани в Германия върху ракети FAU-1.
Промоционално видео:
Първите големи ракетни двигатели отново са създадени от съветските дизайнери И. А. Меркулов през 1939 г. (дозвуков раметов двигател) и М. М. Бондарюк през 1944 г. (свръхзвуков). От 40-те години в Централния институт на авиационните двигатели (CIAM) започва работа по "директен поток".
Някои видове самолети, включително ракети, бяха оборудвани със свръхзвукови ракетни двигатели. Въпреки това, през 50-те години стана ясно, че с M числа над 6 - 7, ramjet е неефективен. Отново, както в случая с турбореактивния двигател, въздухът, спирачен пред компресорната станция, влезе в него твърде горещо. Нямаше смисъл да компенсираме това с увеличаване на масата и размерите на раметоновия двигател. В допълнение, при високи температури молекулите на продуктите от горенето започват да се дисоциират, поглъщайки енергията, предназначена за създаване на тяга.
Тогава през 1957 г. Е. С. Щетинков, известен учен, участник в първите летателни изпитания на раметоносен двигател, изобретява хиперзвуков двигател. Година по-късно на Запад се появяват публикации за подобни развития. Горивната камера Scramjet започва почти веднага зад всмукателния въздух, след което плавно преминава в разширяваща се дюза (фиг. 2). Въпреки че въздухът се забавя на входа на него, за разлика от предишните двигатели, той се придвижва към компресорната станция или по-скоро се втурва със свръхзвукова скорост. Следователно, налягането му върху стените на камерата и температурата са много по-ниски, отколкото при двигател с раменен двигател.
Малко по-късно беше предложен скрежетен двигател с външно горене (фиг. 3) В самолет с такъв двигател горивото ще изгори директно под фюзелажа, който ще служи като част от отворения CS. Естествено, налягането в зоната на горене ще бъде по-малко, отколкото в конвенционален горивен агрегат - тягата на двигателя ще намалее леко. Но получавате наддаване на тегло - двигателят ще се отърве от масивната външна стена на компресорната станция и част от охладителната система. Вярно е, че все още не е създаден надежден „открит директен поток“- най-добрият му час вероятно ще дойде в средата на XXI век.
Нека се върнем обаче към двигателя scramjet, който беше тестван в навечерието на миналата зима. Захранва се с течен водород, съхраняван в резервоар при температура около 20 К (- 253 ° С). Свръхзвуковото горене беше може би най-трудният проблем. Дали водородът ще бъде равномерно разпределен по напречното сечение на камерата? Ще има ли време да изгори напълно? Как да организираме автоматичен контрол на горенето? - не можете да инсталирате сензори в камерата, те ще се стопят.
Нито математическото моделиране на свръхмощни компютри, нито стенд тестовете дават изчерпателни отговори на много въпроси. Между другото, за да симулирате въздушен поток, например, при 8M, стойката изисква налягане от стотици атмосфери и температура около 2500 K - течен метал в гореща пещ на открито е много по-хладен. При още по-високи скорости работата на двигателя и самолета може да бъде проверена само при полет.
Мислеше се дълго и тук, и в чужбина. Още през 60-те години Съединените щати подготвяха тестове на мотоциклетен двигател на високоскоростен ракетен самолет X-15, обаче, очевидно, те не се състояха.
Вътрешният експериментален scramjet двигател е направен в двоен режим - при скорост на полета над 3M, той работи като нормален "директен поток", а след 5 - 6M - като хиперзвуков. За това бяха променени местата за подаване на гориво към компресорната станция. Иззетата от експлоатация зенитна ракета стана ускорител на двигателя и носител на хиперзвуковата летяща лаборатория (HLL). GLL, включително системи за управление, измерване и комуникация със земята, резервоар за водород и горивни агрегати, бяха закачени до отделенията на втория етап, където след отстраняването на бойната глава остава основният двигател (LRE) с резервоарите за гориво. Първият етап - прахови бустери, - след като е разпръснал ракетата от самото начало, отделен след няколко секунди.
Противовъздушна ракета със Scramjet на стартовата площадка (снимката е публикувана за първи път).
Бенч тестовете и подготовката за полета бяха извършени в Централния институт на авиационните двигатели „П. И. Баранов“, заедно с ВВС, конструкторското бюро за машиностроене „Факел“, което превърна ракетата в летяща лаборатория, конструкторското бюро „Союз“в Туев и конструкторското бюро „Темп“в Москва, което произвеждаше двигателя и регулатора на горивото и други организации. Програмата се ръководеше от известни авиационни специалисти Р. И. Курзинер, Д. А. Огородников и В. А. Сосунов.
За да подкрепи полета, CIAM създаде мобилен комплекс за зареждане с течен водород и бордова система за подаване на течен водород. Сега, когато течният водород се счита за едно от най-обещаващите горива, опитът за работа с него, натрупан в CIAM, може да бъде полезен за мнозина.
… Ракетата изстреля късно вечерта, вече беше почти тъмно. След няколко мига носителят на „конуса“изчезна в ниски облаци. Настъпи тишина, която беше неочаквана в сравнение с първоначалния тътен. Тестерите, които гледаха старта, дори си мислеха: наистина ли всичко се обърка? Не, апаратът продължи по предвидения път. На 38-ата секунда, когато скоростта достигна 3.5M, двигателят стартира, водородът започва да постъпва в CC.
Но на 62-ро се случи наистина неочакваното: автоматичното изключване на подаването на гориво работеше - scramjet двигателят се изключи. След това, около 195-та секунда, тя автоматично стартира отново и работи до 200-та … Преди това беше определена като последната секунда на полета. В този момент ракетата, докато все още е над територията на тестовата площадка, се самоунищожи.
Максималната скорост беше 6200 км / ч (малко над 5,2 М). Двигателят и неговите системи бяха наблюдавани от 250 вградени сензора. Измерванията бяха предадени на земята чрез радио телеметрия.
Все още не е обработена цялата информация и по-подробна история за полета е преждевременна. Но вече е ясно, че след няколко десетилетия пилотите и космонавтите ще управляват "хиперзвуковия поток напред".
От редактора. Полетните изпитания на мотоциклетни двигатели на самолети X-30 в САЩ и на Hytex в Германия са планирани за 1995 г. или следващите няколко години. Нашите специалисти обаче биха могли в близко бъдеще да изпробват "директния поток" със скорост над 10 М върху мощни ракети, които сега се изтеглят от експлоатация. Вярно е, че те са доминирани от нерешен проблем. Не е научно или техническо. CIAM няма пари. Те дори не са достъпни за половинчието на просяци заплатите на служителите.
Какво следва? Сега има само четири държави в света, които имат пълен цикъл на изграждане на двигатели на самолети - от фундаментални изследвания до серийно производство. Това са САЩ, Англия, Франция и засега Русия. Така че в бъдеще няма да има повече от тях - три.
Сега американците инвестират стотици милиони долари в програмата Scramjet …
Фигура: 1. Схематична диаграма на раменен двигател (ramjet): 1 - централното тяло на входящия въздух, 2 - гърлото на всмукателния въздух, 3 - горивната камера (CC), 4 - накрайник с критично сечение. Белите стрелки означават доставка на гориво. Конструкцията на всмукателния въздух е такава, че въздушният поток, който е влязъл в него, се инхибира и навлиза в компресорната станция под високо налягане. Продуктите от горенето, излизайки от горивната камера, се ускоряват в стеснен накрайник до скоростта на звука. Интересното е, че дюзата трябва да се разшири, за да ускори допълнително газовете. Примерът с река, когато токът се ускорява пропорционално на стесняване на бреговете, е подходящ само за звукови потоци.
Фигура: 2. Схематична схема на хиперзвуков раметонен двигател (scramjet двигател): 1 - CS, 2 - разширяваща се дюза. CS започва не зад дифузора, както при рамета, а почти веднага зад гърлото на всмукателния въздух. Сместа гориво-въздух гори свръхзвукова скорост. Продуктите от горенето се ускоряват още повече в разширяващата се дюза.
Фигура: 3. Принципна схема на скрайвет двигател с външно горене: 1 - точка на впръскване на горивото. Изгарянето се извършва от външната страна на двигателя - налягането на продуктите от горенето е по-малко, отколкото в затворена горивна камера, но тягата - силата, действаща върху стените на въздушната рамка, е по-голяма от челното съпротивление, което привежда устройството в движение.
Автори: Юрий ШИХМАН, Вячеслав СЕМЕНОВ, изследователи от Централния институт на авиационните двигатели