Scramjet տեխնոլոգիա. ինչպես ստեղծվեց հիպերձայնային շարժիչը

2024 Հեղինակ: Seth Attwood | [email protected]. Վերջին փոփոխված: 2023-12-16 16:07

«Մակերևույթ-օդ» մարտական հրթիռը որոշ չափով արտասովոր տեսք ուներ՝ նրա քիթը երկարացրել էր մետաղական կոնով։ 1991 թվականի նոյեմբերի 28-ին այն թռավ Բայկոնուր տիեզերակայանի մոտ գտնվող փորձադաշտից և ինքնաոչնչացվեց գետնից բարձր: Թեև հրթիռը ոչ մի օդային օբյեկտ չի խոցել, արձակման թիրախը հասել է։ Աշխարհում առաջին անգամ թռիչքի ժամանակ փորձարկվել է հիպերձայնային ramjet շարժիչը (scramjet engine):

Scramjet շարժիչը կամ, ինչպես ասում են, «հիպերձայնային ուղիղ հոսքը» թույլ կտա Մոսկվայից Նյու Յորք թռչել 2-3 ժամում, թեւավոր մեքենան մթնոլորտից թողնել տիեզերք։ Օդատիեզերական ինքնաթիռը կարիք չի ունենա խթանիչ ինքնաթիռի, ինչպես Zenger-ի (տես TM, No. 1, 1991), կամ արձակման մեքենայի, ինչպես մաքոքայինների և Buran-ի համար (տե՛ս TM No 4, 1989), - բեռի առաքում ուղեծիր։ կարժենա գրեթե տասն անգամ ավելի էժան։ Արևմուտքում նման փորձարկումներ տեղի կունենան ոչ շուտ, քան երեք տարի հետո…

Sramjet շարժիչը ունակ է արագացնել օդանավը մինչև 15 - 25M (M-ը Mach թիվն է, այս դեպքում՝ օդում ձայնի արագությունը), մինչդեռ ամենահզոր տուրբոռեակտիվ շարժիչները, որոնք հագեցած են ժամանակակից քաղաքացիական և ռազմական թեւավոր ինքնաթիռներով։, ընդամենը մինչև 3,5 մ. Այն ավելի արագ չի աշխատում - օդի ջերմաստիճանը, երբ հոսքը օդի ընդունման մեջ դանդաղում է, այնքան բարձրանում է, որ տուրբոկոմպրեսորային միավորը չի կարողանում սեղմել այն և մատակարարել այն այրման պալատին (CC): Հնարավոր է, իհարկե, ուժեղացնել հովացման համակարգը և կոմպրեսորը, բայց հետո դրանց չափերն ու քաշը այնքան կավելանան, որ հիպերձայնային արագությունների մասին խոսք լինել չի կարող՝ գետնից իջնելը։

Ռամջեթ շարժիչն աշխատում է առանց կոմպրեսորի - կոմպրեսորային կայանի դիմացի օդը սեղմվում է բարձր արագության ճնշման պատճառով (նկ. 1): Մնացածը, սկզբունքորեն, նույնն է, ինչ տուրբոժետի համար. այրման արտադրանքները, դուրս գալով վարդակից, արագացնում են ապարատը:

Ռամջեթ շարժիչի գաղափարը, որն այն ժամանակ դեռևս հիպերձայնային չէր, առաջ քաշեց 1907 թվականին ֆրանսիացի ինժեներ Ռենե Լորանը: Բայց իրական «առաջ հոսք» կառուցեցին շատ ավելի ուշ։ Այստեղ առաջատար էին խորհրդային մասնագետները։

Նախ՝ 1929 թվականին Ն. Է. Ժուկովսկու ուսանողներից մեկը՝ Բ. Ս. Ստեչկինը (հետագայում՝ ակադեմիկոս), ստեղծեց օդային ռեակտիվ շարժիչի տեսությունը։ Եվ հետո, չորս տարի անց, դիզայներ Յու. Ա. Պոբեդոնոստևի ղեկավարությամբ GIRD-ում (ռեակտիվ շարժիչների ուսումնասիրման խումբ), ստենդում փորձարկումներից հետո ռամջեթն առաջին անգամ ուղարկվեց թռիչքի:

Շարժիչը տեղավորվել է 76 մմ թնդանոթի պարկուճում և գնդակից կրակել 588 մ/վ գերձայնային արագությամբ։ Թեստերը շարունակվել են երկու տարի։ Ռամջեթ շարժիչով արկերը զարգացրել են ավելի քան 2 մ. աշխարհում ոչ մի սարք այն ժամանակ ավելի արագ չէր թռչում: Միևնույն ժամանակ, Գիրդովիտները առաջարկեցին, կառուցեցին և փորձարկեցին պուլսացիոն ռամջեթ շարժիչի մոդելը. դրա օդի ընդունումը պարբերաբար բացվում և փակվում էր, ինչի արդյունքում այրման պալատում այրումը իմպուլսացավ: Նմանատիպ շարժիչներ հետագայում օգտագործվել են Գերմանիայում FAU-1 հրթիռների վրա:

Առաջին խոշոր ramjet շարժիչները կրկին ստեղծվել են խորհրդային դիզայներներ I. A. Merkulov-ի կողմից 1939 թվականին (ենթաձայնային ramjet շարժիչ) և M. M. Bondaryuk-ը 1944 թվականին (գերձայնային): 40-ական թվականներից ի վեր «ուղիղ հոսքի» աշխատանքները սկսվել են Ավիացիոն շարժիչների կենտրոնական ինստիտուտում (CIAM):

Ինքնաթիռների որոշ տեսակներ, ներառյալ հրթիռները, հագեցած էին գերձայնային ռամջեթ շարժիչներով։ Այնուամենայնիվ, դեռևս 50-ականներին պարզ դարձավ, որ 6-7-ը գերազանցող M թվերի դեպքում ռամջեթն անարդյունավետ է: Կրկին, ինչպես տուրբոռեակտիվ շարժիչի դեպքում, կոմպրեսորային կայանի դիմաց արգելակված օդը չափազանց տաք է մտել դրա մեջ։ Իմաստ չուներ դա փոխհատուցել՝ ավելացնելով ռամջեթի շարժիչի զանգվածն ու չափերը։ Բացի այդ, բարձր ջերմաստիճանի դեպքում այրման արտադրանքի մոլեկուլները սկսում են տարանջատվել՝ կլանելով էներգիա, որը նախատեսված է մղում ստեղծելու համար:

Հենց այդ ժամանակ 1957 թվականին Է. Ս. Շչետինկովը, հայտնի գիտնական, ռամջեթ շարժիչի առաջին թռիչքային փորձարկումների մասնակից, հայտնագործեց հիպերձայնային շարժիչը: Մեկ տարի անց նմանատիպ զարգացումների մասին հրապարակումներ հայտնվեցին Արեւմուտքում։ Sramjet այրման պալատը սկսվում է գրեթե անմիջապես օդի ընդունման հետևից, այնուհետև այն սահուն անցնում է ընդլայնվող վարդակի մեջ (նկ. 2): Չնայած օդը դանդաղում է նրա մուտքի մոտ, ի տարբերություն նախորդ շարժիչների, այն շարժվում է դեպի կոմպրեսորային կայան, ավելի ճիշտ՝ շտապում է գերձայնային արագությամբ։ Հետևաբար, նրա ճնշումը խցիկի պատերին և ջերմաստիճանը շատ ավելի ցածր են, քան ռամջեթ շարժիչում:

Քիչ ավելի ուշ առաջարկվեց արտաքին այրման շարժիչ ռեակտիվ շարժիչ (նկ. 3) Նման շարժիչ ունեցող ինքնաթիռում վառելիքը կայրվի անմիջապես ֆյուզելաժի տակ, որը կծառայի որպես բաց կոմպրեսորային կայանի մաս։ Բնականաբար, այրման գոտում ճնշումը կլինի ավելի քիչ, քան սովորական այրման պալատում. շարժիչի մղումը մի փոքր կնվազի: Բայց քաշի ավելացումը կստացվի. շարժիչը կազատվի կոմպրեսորային կայանի զանգվածային արտաքին պատից և հովացման համակարգի մի մասից: Ճիշտ է, հուսալի «բաց ուղիղ հոսք» դեռ չի ստեղծվել. դրա լավագույն ժամը հավանաբար կգա XXI դարի կեսերին:

Վերադառնանք, սակայն, զրահամեքենայի շարժիչին, որը փորձարկվել է անցած ձմռան նախաշեմին։ Այն սնվում էր հեղուկ ջրածնով, որը պահվում էր տանկում մոտ 20 Կ (- 253 ° C) ջերմաստիճանում: Գերձայնային այրումը թերեւս ամենադժվար խնդիրն էր: Արդյո՞ք ջրածինը հավասարաչափ կբաշխվի խցիկի հատվածի վրա: Արդյո՞ք այն ժամանակ կունենա ամբողջովին այրվելու համար: Ինչպե՞ս կազմակերպել այրման ավտոմատ հսկողություն: - խցիկում չես կարող սենսորներ տեղադրել, դրանք կհալվեն։

Ոչ մաթեմատիկական մոդելավորումը գերհզոր համակարգիչների վրա, ոչ էլ նստարանային թեստերը շատ հարցերի սպառիչ պատասխաններ չտվեցին: Ի դեպ, օդի հոսքը մոդելավորելու համար, օրինակ, 8M-ում, կանգառը պահանջում է հարյուրավոր մթնոլորտների ճնշում և մոտ 2500 Կ ջերմաստիճան - հեղուկ մետաղը տաք բաց օջախ վառարանում շատ ավելի «սառ է»: Նույնիսկ ավելի բարձր արագությունների դեպքում շարժիչի և ինքնաթիռի աշխատանքը կարող է ստուգվել միայն թռիչքի ժամանակ:

Դա վաղուց է մտածված թե՛ մեր երկրում, թե՛ դրսում։ Դեռևս 60-ականներին Միացյալ Նահանգները պատրաստում էր արագընթաց X-15 հրթիռային ինքնաթիռի վրա թրթռիչային շարժիչի փորձարկումներ, սակայն, ըստ երևույթին, դրանք երբեք տեղի չունեցան:

Կենցաղային փորձարարական scramjet շարժիչը պատրաստվել է երկռեժիմով՝ 3M-ից ավելի թռիչքի արագությամբ, այն աշխատում էր որպես սովորական «ուղիղ հոսք», իսկ 5-ից հետո՝ 6M՝ որպես հիպերձայնային: Դրա համար փոխվել են կոմպրեսորային կայանի վառելիքի մատակարարման վայրերը։ Զենիթային հրթիռը, որը հանվում է ծառայությունից, դարձել է շարժիչի արագացուցիչը և հիպերձայնային թռչող լաբորատորիայի (HLL) կրողը։ GLL-ը, որը ներառում է կառավարման համակարգեր, չափումներ և կապ գետնի հետ, ջրածնի բաք և վառելիքի ագրեգատներ, ամրացվեցին երկրորդ փուլի խցիկներին, որտեղ մարտագլխիկի հեռացումից հետո հիմնական շարժիչը (LRE) իր վառելիքով: տանկերը մնացին։ Առաջին փուլը` փոշու ուժեղացուցիչներ, - ի սկզբանե ցրելով հրթիռը, մի քանի վայրկյանից բաժանվեց:

Նստարանի փորձարկումները և թռիչքի նախապատրաստումը կատարվել են Պ. Ի. Բարանովի անվան ավիացիոն շարժիչների կենտրոնական ինստիտուտում՝ օդուժի, «Ֆակել» մեքենաշինական նախագծային բյուրոյի հետ միասին, որն իր հրթիռը վերածել է թռչող լաբորատորիայի, Տուևի «Սոյուզ» նախագծային բյուրոյի և Մոսկվայի Temp կոնստրուկտորական բյուրոն, որն արտադրում էր շարժիչը և վառելիքի կարգավորիչը, և այլ կազմակերպություններ։ Ծրագիրը ղեկավարել են հայտնի ավիացիոն մասնագետներ Ռ. Ի. Կուրզիները, Դ. Ա. Օգորոդնիկովը և Վ. Ա. Սոսունովը։

Թռիչքին աջակցելու համար CIAM-ը ստեղծեց շարժական հեղուկ ջրածնի լիցքավորման համալիր և օդանավի հեղուկ ջրածնի մատակարարման համակարգ: Այժմ, երբ հեղուկ ջրածինը համարվում է ամենախոստումնալից վառելիքներից մեկը, դրա հետ աշխատելու փորձը, որը կուտակվել է CIAM-ում, կարող է օգտակար լինել շատերի համար:

…Հրթիռն արձակվեց ուշ երեկոյան, արդեն համարյա մութ էր։ Մի քանի ակնթարթ անց «կոն» կրողն անհետացավ ցածր ամպերի մեջ։ Լռություն տիրեց, որն անսպասելի էր սկզբնական դղրդյունի համեմատ։ Փորձարկողները, ովքեր դիտեցին մեկնարկը, նույնիսկ մտածեցին. Ոչ, ապարատը շարունակեց իր նախատեսված ճանապարհը: 38-րդ վայրկյանին, երբ արագությունը հասավ 3,5 մ-ի, շարժիչը միացավ, ջրածինը սկսեց հոսել CC:

Բայց 62-ին, իրոք, տեղի ունեցավ անսպասելին. գործարկվեց վառելիքի մատակարարման ավտոմատ անջատումը. թրթռիչի շարժիչն անջատվեց։ Այնուհետև, մոտավորապես 195-րդ վայրկյանին, այն ինքնաբերաբար նորից գործարկվեց և աշխատեց մինչև 200-րդ… Նախապես որոշված էր որպես թռիչքի վերջին վայրկյան: Այս պահին հրթիռը, գտնվելով փորձադաշտի տարածքում, ինքնաոչնչացել է։

Առավելագույն արագությունը կազմել է 6200 կմ/ժ (5,2 մ-ից մի փոքր ավելի): Շարժիչի և դրա համակարգերի աշխատանքը վերահսկվել է 250 ցուցիչով: Չափումները ռադիոհեռաչափով փոխանցվել են գետնին:

Դեռևս ոչ բոլոր տեղեկություններն են մշակվել, իսկ թռիչքի մասին ավելի մանրամասն պատմությունը վաղաժամ է։ Բայց հիմա արդեն պարզ է, որ մի քանի տասնամյակից օդաչուներն ու տիեզերագնացները կքշեն «հիպերձայնային առաջ հոսքը»։

Խմբագրից։ ԱՄՆ-ում X-30 ինքնաթիռների և Գերմանիայում Hytex-ի վրա 1995-ին կամ հաջորդ մի քանի տարիներին ծրագրվում են թռիչքային ռեակտիվ շարժիչների թռիչքային փորձարկումներ: Մեր մասնագետները մոտ ապագայում կարող են փորձարկել «ուղիղ հոսքը» 10 մ-ից ավելի արագությամբ հզոր հրթիռների վրա, որոնք այժմ դուրս են բերվում ծառայությունից։ Ճիշտ է, նրանց վրա գերակշռում է չլուծված խնդիրը։ Ոչ գիտական կամ տեխնիկական: CIAM-ը փող չունի. Աշխատակիցների կիսամուրացկան աշխատավարձերի համար էլ հասանելի չեն։

Ի՞նչ է հաջորդը: Այժմ աշխարհում ընդամենը չորս երկիր կա, որոնք ունեն ինքնաթիռի շարժիչների կառուցման ամբողջական ցիկլ՝ հիմնարար հետազոտությունից մինչև սերիական արտադրանքի արտադրություն: Դրանք են՝ ԱՄՆ-ը, Անգլիան, Ֆրանսիան և առայժմ Ռուսաստանը։ Այնպես որ, ապագայում դրանք այլեւս չեն լինի՝ երեքը։

Ամերիկացիներն այժմ հարյուր միլիոնավոր դոլարներ են ներդնում scramjet ծրագրում…