Stridsmissil "yta-till-luft" såg något ovanlig ut - näsan förlängdes av en metallkon. Den 28 november 1991 lanserade hon från en testplats nära Baikonurs kosmodrome och självförstörde högt över marken. Även om missilen inte skjutit ner några flygobjekt, uppnåddes uppskjutningsmålet. För första gången i världen testades en hypersonisk ramjetmotor (scramjetmotor) under flygning.
Scramjet-motorn eller, som de säger, "hypersonic framåtflöde" gör att du kan flyga från Moskva till New York på 2-3 timmar, lämna den bevingade maskinen från atmosfären i rymden. Ett flyg- och rymdplan behöver inte ett boosterplan, som för Zenger (se TM, nr 1, 1991), eller ett lanseringsfordon, som för skyttlar och Buran (se TM Nr 4, 1989), - leverans av last till bana kostar nästan tio gånger billigare. I väst kommer sådana tester att äga rum tidigast tre år senare …
Scramjet-motorn kan påskynda flygplanet upp till 15 - 25M (M är Mach-numret, i detta fall hastigheten på ljudet i luften), medan de mest kraftfulla turbojet-motorerna, som är utrustade med moderna civila och militärvingade flygplan, endast är upp till 3,5 M. Det fungerar inte snabbare - lufttemperaturen, när flödet i luftintaget minskas, stiger så mycket att turbocompressorenheten inte kan komprimera den och mata den till förbränningskammaren (CC). Det är naturligtvis möjligt att stärka kylsystemet och kompressorn, men då kommer deras dimensioner och vikt att öka så mycket att hypersoniska hastigheter kommer att vara ifrågasatta - att gå upp från marken.
En ramjetmotor fungerar utan kompressor - luften framför kompressorstationen är komprimerad på grund av dess hastighetshuvud (Fig. 1). Resten är i princip densamma som för en turbojet - förbränningsprodukter, som rinner ut genom munstycket, påskyndar apparaten.
Idén om en ramjet, då ännu inte hypersonisk, lades fram 1907 av den franska ingenjören Rene Laurent. Men de byggde ett riktigt "framåtflöde" mycket senare. Här ledde sovjetiska specialister.
Först, 1929, skapade en av eleverna till N. Zhukovsky, B. S. Stechkin (senare en akademiker) teorin om en luftstrålmotor. Och sedan, fyra år senare, under ledning av designern Yu. A. Pobedonostsev vid GIRD (Jet Propulsion Study Group), efter experiment på standen, skickades ramjet först flygande.
Motorn var inrymd i skalet på en 76 mm kanon och avfyrades från trumman med en supersonisk hastighet av 588 m / s. Testen pågick i två år. Projektiler med en ramjetmotor utvecklade mer än 2M - inga andra flygplan i världen flög snabbare vid den tiden. Samtidigt föreslog, byggde och testade Girdoviterna en modell av en pulserande ramjetmotor - dess luftintag öppnades och stängdes regelbundet, vilket resulterade i att förbränningen i förbränningskammaren pulsade. Liknande motorer användes senare i Tyskland på FAU-1 raketer.
Kampanjvideo:
De första stora ramjetmotorerna skapades igen av sovjetiska designers I. A. Merkulov 1939 (subsonisk ramjetmotor) och M. Bondaryuk 1944 (supersonisk). Sedan 40-talet började arbetet med "direkt flöde" vid Central Institute of Aviation Motors (CIAM).
Vissa typer av flygplan, inklusive missiler, var utrustade med supersoniska ramjetmotorer. Men redan på 50-talet blev det klart att med M-siffror som överstiger 6 - 7 är ramjet ineffektivt. Återigen, som i fallet med turbojetmotorn, bromsades luften framför kompressorstationen för varm. Det var inte vettigt att kompensera för detta genom att öka ramjetmotorns massa och dimensioner. Dessutom börjar molekyler av förbränningsprodukter vid höga temperaturer att dissocieras och absorberar energin avsedd att skapa drivkraft.
Det var då 1957 som Shchetinkov, en berömd forskare, som deltog i de första flygtesterna av en ramjetmotor, uppfann en hypersonisk motor. Ett år senare dök upp publikationer om liknande utveckling i väst. Förbränningskammaren för scramjet börjar nästan omedelbart bakom luftintaget, sedan passerar den smidigt in i ett expanderande munstycke (fig. 2). Även om luften bromsas vid ingången till den, till skillnad från tidigare motorer, flyttar den till kompressorstationen, eller snarare rusar med supersonisk hastighet. Därför är trycket på kammarväggarna och temperaturen mycket lägre än i en ramjetmotor.
Lite senare föreslogs en scramjet-motor med utvändig förbränning (Fig. 3) I ett flygplan med en sådan motor kommer bränslet att brinna direkt under flygkroppen, som kommer att tjäna som en del av den öppna CS. Naturligtvis kommer trycket i förbränningszonen att vara mindre än i en konventionell brännare - motorns drivkraft kommer att minska något. Men du får en viktökning - motorn kommer att bli av med den massiva ytterväggen i kompressorstationen och en del av kylsystemet. Det är riktigt att ett tillförlitligt "öppet direktflöde" ännu inte har skapats - den finaste timmen kommer förmodligen att komma i mitten av XXI-talet.
Låt oss dock återvända till scramjet-motorn, som testades i förväg förra vintern. Det bränslades av flytande väte lagrat i en tank vid en temperatur av cirka 20 K (- 253 ° C). Supersonic förbränning var kanske det svåraste problemet. Kommer väte att fördelas jämnt över kammartvärsnittet? Kommer det att ha tid att bränna helt ut? Hur organiserar jag automatisk förbränningskontroll? - du kan inte installera sensorer i kammaren, de kommer att smälta.
Varken matematisk modellering på ultrakraftiga datorer eller bänkprover gav omfattande svar på många frågor. För att simulera ett luftflöde, till exempel vid 8M, kräver stativet ett tryck av hundratals atmosfärer och en temperatur på cirka 2500 K - flytande metall i en varm öppen spis är mycket svalare. Vid ännu högre hastigheter kan motor- och flygplanets prestanda endast verifieras under flygning.
Det var tänkt länge både här och utomlands. Redan på 60-talet förberedde Förenta staterna tester av en scramjet-motor på ett höghastighets X-15 raketflygplan, men de uppenbarligen visade sig att de inte ägde rum.
Den inhemska experimentella scramjet-motorn tillverkades med två lägen - vid en flyghastighet som översteg 3M, fungerade den som ett normalt "direktflöde", och efter 5 - 6M - som en hypersonisk motor. För detta ändrades bränsletillförselplatserna till kompressorstationen. Den flygplanmissil som togs bort från drift blev motoraccelerator och bärare för det hypersonic flygande laboratoriet (HLL). GLL, som inkluderar styrsystem, mätningar och kommunikation med marken, en vätketank och bränslepatroner, anslutades till avdelningarna i det andra steget, där, efter avlägsnandet av stridsspetsen, var huvudmotorn (LRE) med dess bränsletankar kvar. Det första steget - pulverförstärkare, - efter att ha spridit raketen från början, separerades efter några sekunder.
Luftfartygsmissil med scramjet vid startplattan (foto publiceras för första gången).
Bänkprover och förberedelser för flygningen genomfördes vid PI Baranov Central Institute of Aviation Motors, tillsammans med flygvapnet, Fakel maskinbyggnadsdesignbyrå, som gjorde sin raket till ett flygande laboratorium, Soyuz designbyrå i Tuyev och Temp designbyrån i Moskva, som tillverkade motorn och bränsleregleraren och andra organisationer. Programmet övervakades av kända flygspecialister R. I. Kurziner, D. A. Ogorodnikov och V. A. Sosunov.
För att stödja flygningen skapade CIAM ett mobilt bränslepåfyllningskomplex och ett ombord vätskeförsörjningssystem. När flytande väte betraktas som ett av de mest lovande bränslena kan erfarenheten av att hantera det, ackumulerat vid CIAM, vara användbar för många.
… Raketen startade sent på kvällen, det var redan nästan mörkt. På några ögonblick försvann "konen" i låga moln. Det fanns en tystnad som var oväntad jämfört med den ursprungliga rumlen. Testarna som tittade på starten tänkte till och med: gick allt verkligen fel? Nej, apparaten fortsatte på sin avsedda väg. På den 38: e sekunden, när hastigheten nådde 3,5 M, startade motorn, väte började strömma in i CC.
Men på den 62: e händde det oväntade verkligen: den automatiska avstängningen av bränsletillförseln fungerade - scramjet-motorn stängdes av. Därefter, ungefär den 195: e sekunden, startade den automatiskt igen och fungerade till 200: e … Det bestämdes tidigare som den sista sekunden av flygningen. I detta ögonblick förstörde raketen, medan den fortfarande var över testplatsens territorium.
Maxhastigheten var 6200 km / h (drygt 5,2 M). Motorn och dess system övervakades av 250 ombordgivare. Mätningarna överfördes till marken med radiotelemetri.
Inte all information har behandlats ännu, och en mer detaljerad berättelse om flygningen är för tidig. Men det är redan nu klart att om några decennier kommer piloterna och kosmonauterna att rida på det "hypersoniska framåtflödet".
Från redaktören. Flygtest av scramjet-motorer på X-30-flygplan i USA och på Hytex i Tyskland planeras för 1995 eller de närmaste åren. Våra specialister kan emellertid inom en snar framtid testa det "direkta flödet" med en hastighet av mer än 10 M på kraftfulla missiler, som nu dras ur drift. Det är sant att de domineras av ett olöst problem. Inte vetenskapligt eller tekniskt. CIAM har inga pengar. De är inte ens tillgängliga för de anställdas halvt tigga löner.
Vad kommer härnäst? Nu finns det bara fyra länder i världen som har en fullständig cykel med flygmotorbyggnad - från grundläggande forskning till serieproduktion. Dessa är USA, England, Frankrike och för tillfället Ryssland. Så det skulle inte finnas fler av dem i framtiden - tre.
Amerikanerna investerar nu hundratals miljoner dollar i scramjet-programmet …
Figur: 1. Schematiskt diagram över en ramjetmotor (ramjet): 1 - den centrala kroppen i luftintaget, 2 - luftintaget i halsen, 3 - förbränningskammaren (CC), 4 - munstycket med en kritisk sektion. Vita pilar indikerar bränsletillförsel. Utformningen av luftintaget är sådan att luftflödet som har trängt in i det hämmas och kommer in i kompressorstationen under högt tryck. Förbränningsprodukter som lämnar förbränningskammaren accelereras i ett smalt munstycke till ljudets hastighet. Intressant nog måste munstycket utvidgas för att ytterligare accelerera gaserna. Exemplet med en flod, när strömmen accelererar i förhållande till minskningen av bankerna, är endast lämplig för subsoniska flöden.
Figur: 2. Schematiskt diagram över en hypersonisk ramjetmotor (scramjetmotor): 1 - CS, 2 - expanderande munstycke. CS börjar inte bakom diffusorn, som i ramjetmotorn, utan nästan omedelbart bakom luftintaget. Bränsle-luftblandningen brinner med supersonisk hastighet. Förbränningsprodukterna accelereras ännu mer i det expanderande munstycket.
Figur: 3. Schematiskt diagram över en scramjet-motor med extern förbränning: 1 - bränsleinsprutningspunkt. Förbränning sker på utsidan av motorn - förbränningsprodukternas tryck är mindre än i en stängd förbränningskammare, men drivkraften - kraften som verkar på väggarna i flygramen är större än frontmotståndet, vilket sätter enheten i rörelse.
Författare: Yuri SHIKHMAN, Vyacheslav SEMENOV, forskare vid Central Institute of Aviation Motors