فن آوری Scramjet - چگونه یک موتور مافوق صوت ایجاد شد

2024 نویسنده: Seth Attwood | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2023-12-16 16:03

موشک رزمی "سطح به هوا" تا حدودی غیرعادی به نظر می رسید - دماغه آن توسط یک مخروط فلزی درازتر شده بود. در 28 نوامبر 1991، از یک سایت آزمایشی در نزدیکی کیهان بایکونور بلند شد و در ارتفاعات بالای زمین خود ویران شد. اگرچه این موشک هیچ شیء هوایی را ساقط نکرد، اما هدف پرتاب به دست آمد. برای اولین بار در جهان یک موتور رم جت مافوق صوت (موتور اسکرام جت) در حین پرواز آزمایش شد.

موتور اسکرام جت یا همانطور که می گویند "جریان مستقیم مافوق صوت" امکان پرواز از مسکو به نیویورک را در مدت 2 تا 3 ساعت فراهم می کند و دستگاه بالدار را از جو به فضا رها می کند. یک هواپیمای هوافضا به هواپیمای تقویت کننده نیاز نخواهد داشت، مانند Zenger (به TM، شماره 1، 1991 مراجعه کنید)، یا به وسیله نقلیه پرتاب، مانند شاتل ها و بوران (به TM شماره 4، 1989 مراجعه کنید)، - تحویل محموله به مدار. تقریبا ده برابر ارزان تر خواهد بود. در غرب، چنین آزمایشاتی زودتر از سه سال آینده انجام می شود …

موتور اسکرام جت قادر است هواپیما را تا 15 - 25M شتاب دهد (M عدد ماخ است، در این مورد سرعت صوت در هوا است)، در حالی که قوی ترین موتورهای توربوجت که مجهز به هواپیماهای مدرن بالدار غیر نظامی و نظامی هستند. ، فقط تا 3.5M هستند. سریعتر کار نمی کند - دمای هوا، هنگامی که جریان ورودی هوا کاهش می یابد، به حدی افزایش می یابد که واحد توربو کمپرسور قادر به فشرده سازی آن و تامین آن به محفظه احتراق (CC) نیست. البته می توان سیستم خنک کننده و کمپرسور را تقویت کرد، اما در این صورت ابعاد و وزن آنها به قدری افزایش می یابد که سرعت های مافوق صوت قابل بحث نیست - برای خارج شدن از زمین.

یک موتور رم جت بدون کمپرسور کار می کند - هوای جلوی ایستگاه کمپرسور به دلیل فشار زیاد آن فشرده می شود (شکل 1). بقیه، در اصل، مانند یک توربوجت است - محصولات احتراق، با خروج از نازل، دستگاه را تسریع می کنند.

ایده یک موتور رم جت که در آن زمان هنوز مافوق صوت نبود، در سال 1907 توسط مهندس فرانسوی رنه لوران مطرح شد. اما آنها خیلی دیرتر یک "جریان رو به جلو" واقعی ایجاد کردند. در اینجا متخصصان شوروی پیشتاز بودند.

ابتدا، در سال 1929، یکی از شاگردان N. E. Zhukovsky، B. S. Stechkin (بعدها یک آکادمیک)، نظریه موتور جت هوا را ایجاد کرد. و سپس، چهار سال بعد، تحت رهبری طراح Yu. A. Pobedonostsev در GIRD (گروه مطالعه پیشرانه جت)، پس از آزمایشات در جایگاه، رام جت ابتدا به پرواز فرستاده شد.

موتور در پوسته یک توپ 76 میلی متری قرار داشت و با سرعت مافوق صوت 588 متر بر ثانیه از لوله شلیک می شد. آزمایشات به مدت دو سال ادامه یافت. پرتابه هایی با موتور رم جت بیش از 2M توسعه یافتند - در آن زمان هیچ وسیله ای در جهان سریعتر پرواز نمی کرد. در همان زمان، Girdovites مدلی از یک موتور ramjet ضربان دار را پیشنهاد، ساخت و آزمایش کرد - ورودی هوای آن به طور دوره ای باز و بسته می شود، در نتیجه احتراق در محفظه احتراق پالس می کند. موتورهای مشابه بعداً در آلمان روی موشک های FAU-1 استفاده شد.

اولین موتورهای رم جت بزرگ دوباره توسط طراحان شوروی I. A. Merkulov در سال 1939 (موتور رم جت مافوق صوت) و M. M. Bondaryuk در سال 1944 (فوق صوت) ایجاد شدند. از دهه 40، کار بر روی "جریان مستقیم" در موسسه مرکزی موتورهای هوانوردی (CIAM) آغاز شد.

برخی از انواع هواپیما از جمله موشک ها به موتورهای رم جت مافوق صوت مجهز بودند. با این حال، در دهه 50 مشخص شد که با اعداد M بیش از 6 - 7، ramjet بی اثر است. باز هم مانند موتور توربوجت، هوایی که در جلوی ایستگاه کمپرسور ترمز شده بود، خیلی داغ وارد آن شد. جبران این موضوع با افزایش جرم و ابعاد موتور رمجت منطقی نبود. علاوه بر این، در دماهای بالا، مولکول های محصولات احتراق شروع به جدا شدن می کنند و انرژی مورد نظر برای ایجاد نیروی رانش را جذب می کنند.

پس از آن در سال 1957 بود که E. S. Shchetinkov، دانشمند مشهور، شرکت کننده در اولین آزمایشات پرواز یک موتور رم جت، یک موتور مافوق صوت را اختراع کرد. یک سال بعد، انتشاراتی در مورد تحولات مشابه در غرب ظاهر شد. محفظه احتراق اسکرام جت تقریباً بلافاصله از پشت ورودی هوا شروع می شود، سپس به آرامی به یک نازل در حال گسترش می رود (شکل 2). اگرچه هوا در ورودی آن کند می شود، اما برخلاف موتورهای قبلی، به سمت ایستگاه کمپرسور حرکت می کند یا بهتر است بگوییم با سرعت مافوق صوت می شتابد. بنابراین، فشار آن بر روی دیواره های محفظه و دما بسیار کمتر از یک موتور رم جت است.

کمی بعد، یک موتور اسکرام جت با احتراق خارجی پیشنهاد شد (شکل 3) در هواپیمای با چنین موتوری، سوخت مستقیماً در زیر بدنه می سوزد، که به عنوان بخشی از ایستگاه کمپرسور باز عمل می کند. به طور طبیعی، فشار در منطقه احتراق کمتر از یک محفظه احتراق معمولی خواهد بود - نیروی رانش موتور کمی کاهش می یابد. اما افزایش وزن به نظر می رسد - موتور از دیواره بیرونی عظیم ایستگاه کمپرسور و بخشی از سیستم خنک کننده خلاص می شود. درست است که هنوز یک "جریان مستقیم باز" قابل اعتماد ایجاد نشده است - بهترین ساعت آن احتمالاً در اواسط قرن بیست و یکم فرا خواهد رسید.

با این حال، به موتور اسکرام جت که در آستانه زمستان گذشته آزمایش شد، برگردیم. سوخت آن توسط هیدروژن مایع ذخیره شده در یک مخزن در دمای حدود 20 کلوین (- 253 درجه سانتیگراد) تامین می شد. احتراق مافوق صوت شاید سخت ترین مشکل بود. آیا هیدروژن به طور مساوی در بخش محفظه توزیع می شود؟ آیا زمان برای سوختن کامل خواهد داشت؟ چگونه کنترل احتراق خودکار را سازماندهی کنیم؟ - شما نمی توانید سنسورها را در یک محفظه نصب کنید، آنها ذوب می شوند.

نه مدل‌سازی ریاضی روی رایانه‌های فوق قدرتمند و نه تست‌های نیمکتی پاسخ جامعی به بسیاری از سؤالات ندادند. به هر حال، برای شبیه سازی جریان هوا، به عنوان مثال، در 8M، پایه به فشار صدها اتمسفر و دمای حدود 2500 K نیاز دارد - فلز مایع در یک کوره گرم باز گرم بسیار "خنکتر" است. در سرعت‌های بالاتر، عملکرد موتور و هواپیما فقط در حین پرواز قابل تأیید است.

مدت هاست که هم در کشور ما و هم در خارج از کشور فکر می شود. در دهه 60، ایالات متحده در حال آماده سازی آزمایشات یک موتور اسکرام جت بر روی یک هواپیمای موشکی پرسرعت X-15 بود، اما ظاهراً هرگز انجام نشد.

موتور اسکرم جت آزمایشی داخلی دو حالته ساخته شد - با سرعت پرواز بیش از 3M، به عنوان یک "جریان مستقیم" معمولی و بعد از 5 - 6M - به عنوان یک مافوق صوت کار می کرد. برای این کار، مکان های عرضه سوخت به ایستگاه کمپرسور تغییر کرد. موشک ضدهوایی که در حال حذف از خدمت است، به شتاب دهنده موتور و حامل آزمایشگاه پرواز مافوق صوت (HLL) تبدیل شد. GLL که شامل سیستم‌های کنترل، اندازه‌گیری و ارتباط با زمین، یک مخزن هیدروژن و واحدهای سوخت است، به محفظه‌های مرحله دوم متصل شد، جایی که پس از برداشتن کلاهک، موتور اصلی (LRE) با سوخت آن. تانک ها باقی ماندند. مرحله اول - تقویت کننده های پودر، - با پراکنده کردن موشک از ابتدا، پس از چند ثانیه جدا شد.

آزمایش‌های نیمکت و آماده‌سازی برای پرواز در مؤسسه مرکزی موتورهای هوانوردی پی‌آی بارانوف همراه با نیروی هوایی، دفتر طراحی ماشین‌سازی فاکل که موشک خود را به آزمایشگاه پرواز تبدیل کرد، دفتر طراحی سایوز در توییف و دفتر طراحی Temp در مسکو که موتور و تنظیم کننده سوخت و سایر سازمان ها را تولید می کرد. متخصصان معروف هوانوردی R. I. Kurziner، D. A. Ogorodnikov و V. A. Sosunov بر این برنامه نظارت داشتند.

برای پشتیبانی از پرواز، CIAM یک مجتمع سوخت‌گیری هیدروژن مایع متحرک و یک سیستم تامین هیدروژن مایع روی هواپیما ایجاد کرد. اکنون، زمانی که هیدروژن مایع به عنوان یکی از امیدوارکننده‌ترین سوخت‌ها در نظر گرفته می‌شود، تجربه کار با آن که در CIAM انباشته شده است، می‌تواند برای بسیاری مفید باشد.

… موشک در اواخر عصر پرتاب شد، دیگر تقریبا تاریک شده بود. چند لحظه بعد، حامل "مخروط" در ابرهای کم ارتفاع ناپدید شد. سکوتی وجود داشت که در مقایسه با غرش اولیه غیرمنتظره بود. آزمایش کنندگانی که شروع را تماشا کردند حتی فکر کردند: آیا واقعاً همه چیز اشتباه پیش رفت؟ خیر، دستگاه به مسیر مورد نظر خود ادامه داد. در 38 ثانیه، زمانی که سرعت به 3.5M رسید، موتور شروع به کار کرد، هیدروژن شروع به جریان یافتن به داخل CC کرد.

اما در 62، غیرمنتظره واقعاً اتفاق افتاد: خاموش شدن خودکار منبع سوخت آغاز شد - موتور اسکرام جت خاموش شد. سپس در حدود 195 ثانیه به طور خودکار دوباره راه اندازی شد و تا 200 کار کرد … قبلاً به عنوان آخرین ثانیه پرواز تعیین شده بود. در این لحظه، موشک در حالی که هنوز بر روی قلمرو محل آزمایش بود، خود تخریب شد.

حداکثر سرعت 6200 کیلومتر در ساعت (کمی بیشتر از 5.2 متر) بود. عملکرد موتور و سیستم های آن توسط 250 سنسور روی برد نظارت می شد. اندازه گیری ها توسط تله متری رادیویی به زمین منتقل شد.

هنوز همه اطلاعات پردازش نشده است و داستان دقیق تر در مورد پرواز زودهنگام است. اما اکنون مشخص است که در چند دهه آینده خلبانان و فضانوردان سوار بر "جریان مافوق صوت رو به جلو" خواهند شد.

از ویرایشگر. آزمایشات پروازی موتورهای جت اسکرام بر روی هواپیماهای X-30 در ایالات متحده و هایتکس در آلمان برای سال 1995 یا چند سال آینده برنامه ریزی شده است. متخصصان ما می‌توانند در آینده نزدیک، «جریان مستقیم» را با سرعت بیش از 10 متر روی موشک‌های قدرتمندی که اکنون از خدمت خارج می‌شوند، آزمایش کنند. درست است، آنها تحت سلطه یک مشکل حل نشده هستند. علمی و فنی نیست. CIAM پول ندارد. حتی برای حقوق نیمه گدایی کارمندان هم در دسترس نیستند.

بعدش چی؟ اکنون تنها چهار کشور در جهان هستند که چرخه کاملی از ساخت موتور هواپیما دارند - از تحقیقات اولیه تا تولید محصولات سریال. اینها ایالات متحده آمریکا، انگلیس، فرانسه و در حال حاضر روسیه هستند. بنابراین در آینده دیگر از آنها وجود نخواهد داشت - سه.

آمریکایی ها اکنون صدها میلیون دلار در برنامه اسکرام جت سرمایه گذاری می کنند …