טכנולוגיית Scramjet - איך נוצר מנוע היפרסוני

2024 מְחַבֵּר: Seth Attwood | [email protected]. שונה לאחרונה: 2023-12-16 16:05

טיל הקרב "משטח לאוויר" נראה קצת יוצא דופן - אפו הוארך על ידי חרוט מתכת. ב-28 בנובמבר 1991, הוא המריא מאתר ניסויים ליד הקוסמודרום בייקונור והושמד בעצמו גבוה מעל פני האדמה. למרות שהטיל לא הפיל אף חפץ אווירי, מטרת השיגור הושגה. לראשונה בעולם נוסה מנוע רמג'ט היפרסוני (מנוע סקראמג'ט) בטיסה.

מנוע הסקראמג'ט, או, כמו שאומרים, "זרימה ישירה היפרסונית" יאפשר לטוס ממוסקבה לניו יורק תוך 2 - 3 שעות, לעזוב את המכונה המכונפת מהאטמוספירה לחלל. מטוס תעופה וחלל לא יזדקק למטוס בוסטר, כמו לזנגר (ראה TM, מס' 1, 1991), או רכב שיגור, כמו עבור מעבורות ובוראן (ראה TM מס' 4, 1989), - משלוח מטען למסלול יעלה זול כמעט פי עשרה. במערב, בדיקות כאלה יתקיימו לא לפני שלוש שנים …

מנוע ה-scramjet מסוגל להאיץ את המטוס ל-15 - 25M (M הוא מספר ה-Mach, במקרה זה, מהירות הקול באוויר), ואילו מנועי הטורבו-ג'ט החזקים ביותר, המצוידים במטוסים מודרניים עם כנף אזרחית וצבאית., הם רק עד 3.5 מיליון. זה לא עובד מהר יותר - טמפרטורת האוויר, כאשר הזרימה בכניסת האוויר מואטת, עולה עד כדי כך שיחידת הטורבו מדחס לא מסוגלת לדחוס אותו ולספק אותו לתא הבעירה (CC). אפשר כמובן לחזק את מערכת הקירור ואת המדחס, אבל אז מידותיהם ומשקלם יגדלו עד כדי כך שמהירויות היפרסוניות לא יהיו באות בחשבון - לרדת מהקרקע.

מנוע ramjet עובד ללא מדחס - האוויר בחזית עמדת המדחס נדחס בגלל הלחץ המהיר שלו (איור 1). השאר, באופן עקרוני, זהה ל-turbojet - מוצרי בעירה, הבורחים דרך הזרבובית, מאיצים את המנגנון.

הרעיון של מנוע ramjet, אז עדיין לא היפרסוני, הועלה בשנת 1907 על ידי המהנדס הצרפתי רנה לורן. אבל הם בנו "זרימה קדימה" אמיתית הרבה יותר מאוחר. כאן הובילו מומחים סובייטים.

ראשית, בשנת 1929, אחד מתלמידיו של נ.אי ז'וקובסקי, ב ש סטצ'קין (לימים אקדמאי), יצר את התיאוריה של מנוע סילון אוויר. ואז, ארבע שנים מאוחר יותר, בהנהגתו של המעצב יו.א. פובדונוסטב ב-GIRD (הקבוצה לחקר הנעת סילון), לאחר ניסויים בדוכן, נשלח ה-ramjet לראשונה לטיסה.

המנוע אוכסן במעטפת של תותח 76 מ"מ ונורה מהקנה במהירות על-קולית של 588 מ"ש. הבדיקות נמשכו במשך שנתיים. קליעים עם מנוע ramjet פיתחו יותר מ-2M - אף מכשיר אחד בעולם לא טס מהר יותר באותה תקופה. במקביל הציעו, בנו ובחנו בני הזוג ג'ירדו דגם של מנוע רמג'ט פועם - כניסת האוויר שלו נפתחה ונסגרת מעת לעת, וכתוצאה מכך פעמה הבעירה בתא הבעירה. מאוחר יותר נעשה שימוש במנועים דומים בגרמניה על רקטות FAU-1.

מנועי ה-ramjet הגדולים הראשונים נוצרו שוב על ידי המעצבים הסובייטיים I. A. Merkulov ב-1939 (מנוע רמ-ג'ט תת-קולי) ו-M. M. Bondaryuk ב-1944 (סופר-סופר). מאז שנות ה-40 החלה העבודה על "זרימה ישירה" במכון המרכזי למנועי תעופה (CIAM).

סוגים מסוימים של מטוסים, כולל טילים, היו מצוידים במנועי רמג'ט על-קוליים. עם זאת, עוד בשנות ה-50 התברר שעם מספרי M העולים על 6 - 7, ה-ramjet אינו יעיל. שוב, כמו במקרה של מנוע הטורבו, האוויר שנבלם מול עמדת המדחס התחמם לתוכו. לא היה הגיוני לפצות על כך על ידי הגדלת המסה והממדים של מנוע ה-ramjet. בנוסף, בטמפרטורות גבוהות, מולקולות של תוצרי בעירה מתחילות להתנתק ולספוג אנרגיה שנועדה ליצור דחף.

זה היה אז ב-1957 ש-E. S. Shchetinkov, מדען מפורסם, שותף במבחני הטיסה הראשונים של מנוע רמ-ג'ט, המציא מנוע היפרסוני. שנה לאחר מכן הופיעו במערב פרסומים על התפתחויות דומות. תא הבעירה של scramjet מתחיל כמעט מיד מאחורי כניסת האוויר, ואז הוא עובר בצורה חלקה לתוך זרבובית מתרחבת (איור 2). האוויר אמנם מואט בכניסה אליו, אבל בניגוד למנועים קודמים, הוא נע לתחנת המדחס, או יותר נכון, ממהר במהירות על-קולית. לכן, הלחץ שלו על דפנות החדר והטמפרטורה נמוכים בהרבה מאשר במנוע רמג'ט.

מעט מאוחר יותר הוצע מנוע סקראמג'ט עם בעירה חיצונית (איור 3) במטוס עם מנוע כזה, הדלק יישרף ישירות מתחת לגוף המטוס, שישמש חלק מתחנת המדחס הפתוחה. מטבע הדברים, הלחץ באזור הבעירה יהיה נמוך יותר מאשר בתא בעירה רגיל - דחף המנוע יקטן מעט. אבל העלייה במשקל תתברר - המנוע ייפטר מהקיר החיצוני המאסיבי של תחנת המדחס וחלק ממערכת הקירור. נכון, עדיין לא נוצרה "זרימה ישירה פתוחה" אמינה - שעתה הטובה ביותר תגיע כנראה באמצע המאה ה-XXI.

נחזור, עם זאת, למנוע הסקראמג'ט, שנבחן ערב החורף שעבר. הוא הודלק על ידי מימן נוזלי המאוחסן במיכל בטמפרטורה של כ-20 K (-253 מעלות צלזיוס). בעירה על-קולית הייתה אולי הבעיה הקשה ביותר. האם מימן יתפזר באופן שווה על פני קטע החדר? האם יהיה לו זמן להישרף לחלוטין? איך לארגן בקרת בעירה אוטומטית? - אתה לא יכול להתקין חיישנים בתא, הם יימסו.

לא מודלים מתמטיים במחשבים חזקים במיוחד, וגם מבחני ספסל לא סיפקו תשובות מקיפות לשאלות רבות. אגב, כדי לדמות זרימת אוויר, למשל, ב-8M, הדוכן דורש לחץ של מאות אטמוספרות וטמפרטורה של כ-2500 K - מתכת נוזלית בתנור חם פתוח היא הרבה יותר "מגניבה". במהירויות גבוהות עוד יותר, ניתן לאמת את ביצועי המנוע והמטוס רק בטיסה.

חשבו על זה זמן רב גם בארצנו וגם מחוצה לה. עוד בשנות ה-60, ארצות הברית הכינה ניסויים של מנוע סקראמג'ט במטוס רקטי X-15 במהירות גבוהה, אולם, ככל הנראה, הם מעולם לא התקיימו.

מנוע ה-scramjet הניסיוני המקומי נעשה דו-מצבי - במהירות טיסה העולה על 3M, הוא עבד כ"זרימה ישירה" רגילה, ולאחר 5 - 6M - כעל-קולי. לשם כך שונו מקומות אספקת הדלק לתחנת המדחס. טיל הנ"מ שהוצא משירות הפך למאיץ המנוע ולנשא של מעבדת הטיסה ההיפרסונית (HLL). ה-GLL, הכולל מערכות בקרה, מדידות ותקשורת עם הקרקע, מיכל מימן ויחידות דלק, עגנו לתאים של השלב השני, שם לאחר הסרת ראש הנפץ, המנוע הראשי (LRE) עם הדלק שלו. נשארו טנקים. השלב הראשון - מאיצי אבקה, - לאחר פיזור הרקטה מההתחלה, נפרד לאחר מספר שניות.

בדיקות ספסל והכנה לטיסה בוצעו במכון המרכזי למנועי תעופה ברנוב, יחד עם חיל האוויר, לשכת תכנון מבני מכונות "פאקל", שהפכה את הרקטה שלה למעבדה מעופפת, לשכת התכנון של סויוז בטוייב ו לשכת התכנון של טמפ במוסקבה, שייצרה את המנוע, ווסת הדלק וארגונים נוספים. מומחי התעופה הידועים R. I. Kurziner, D. A. Ogorodnikov ו-V. A. Sosunov פיקחו על התוכנית.

כדי לתמוך בטיסה, יצרה CIAM מתחם תדלוק מימן נוזלי נייד ומערכת אספקת מימן נוזלי מובנית. כעת, כאשר מימן נוזלי נחשב לאחד הדלקים המבטיחים ביותר, הניסיון בטיפול בו, שנצבר ב-CIAM, יכול להיות שימושי עבור רבים.

… הרקטה שוגרה בשעת ערב מאוחרת, כבר היה כמעט חושך. כמה רגעים לאחר מכן, מנשא ה"קונוס" נעלם בעננים נמוכים. השתררה דממה שלא הייתה צפויה בהשוואה לרעש הראשוני. הטסטרים שצפו בהתחלה אפילו חשבו: האם באמת הכל השתבש? לא, המנגנון המשיך בדרכו המיועדת. בשנייה ה-38, כשהמהירות הגיעה ל-3.5M, המנוע התניע, מימן החל לזרום לתוך ה-CC.

אבל ב-62, הבלתי צפוי באמת קרה: הכיבוי האוטומטי של אספקת הדלק הופעל - מנוע הסקראמג'ט כבה. ואז, בערך בשנייה ה-195, הוא התניע שוב אוטומטית ועבד עד ה-200… זה נקבע בעבר כשניה האחרונה של הטיסה. ברגע זה הרקטה, בעודה מעל שטח אתר הניסוי, הושמדה מעצמה.

המהירות המרבית הייתה 6200 קמ ש (קצת יותר מ-5.2M). פעולת המנוע ומערכותיו נוטרה על ידי 250 חיישנים על הסיפון. המדידות הועברו באמצעות רדיו טלמטריה לקרקע.

עדיין לא כל המידע עובד, וסיפור מפורט יותר על הטיסה מוקדם מדי. אבל כבר עכשיו ברור שבעוד כמה עשורים הטייסים והקוסמונאוטים ירכבו על "הזרימה ההיפרסונית קדימה".

מהעורך. ניסויי טיסה של מנועי סקראמג'ט במטוסי X-30 בארה"ב וב-Hytex בגרמניה מתוכננים לשנת 1995 או לשנים הקרובות. המומחים שלנו יוכלו, בעתיד הקרוב, לבחון את "הזרימה הישירה" במהירות של יותר מ-10M על טילים רבי עוצמה, אשר כעת נסוגים משירות. נכון, הם נשלטים על ידי בעיה לא פתורה. לא מדעי או טכני. ל-CIAM אין כסף. הם אפילו לא זמינים למשכורות חצי קבצנים של עובדים.

מה הלאה? כעת יש רק ארבע מדינות בעולם שיש להן מחזור שלם של בניית מנועי מטוסים - ממחקר בסיסי ועד ייצור מוצרים סדרתיים. אלו הן ארה ב, אנגליה, צרפת ולעת עתה רוסיה. אז לא יהיו יותר מהם בעתיד - שלושה.

האמריקאים משקיעים כעת מאות מיליוני דולרים בתוכנית סקראמג'ט…