Borbeni projektil "zemlja-zrak" izgledao je pomalo neobično - nos mu je bio produljen metalnim konusom. 28. studenog 1991. godine lansirala se s probnog mjesta u blizini kozmodroma Baikonur i samouništila se visoko iznad zemlje. Iako raketa nije oborila nijedan zračni objekt, cilj lansiranja je postignut. Prvi put na svijetu testiran je hipersonski ramjet motor (scramjet motor) u letu.
Scramjet motor, ili, kako kažu, „hipersonski napredni tijek“omogućit će vam da od 2 do 3 sata letite iz Moskve u New York, a krilnu mašinu iz atmosfere ostavite u svemir. Zrakoplovno-zrakoplovnom zrakoplovu neće trebati zrakoplov za potiskivanje zrakoplova, kao za Zenger (vidi TM, br. 1, 1991), niti za lansirno vozilo, kao za šatlove i Buran (vidi TM Br. 4, 1989), - isporuka tereta u orbitu koštat će gotovo deset puta jeftinije. Na zapadu će se takva ispitivanja odvijati najkasnije tri godine kasnije …
Scramjet motor je sposoban ubrzati zrakoplov do 15-25M (M je Machov broj, u ovom slučaju brzina zvuka u zraku), dok su najmoćniji turbojetni motori, opremljeni modernim civilnim i vojnim krilatim zrakoplovima, samo do 3,5M. Ne radi brže - temperatura zraka, kada se protok u dovodu zraka usporava, toliko se povećava da ga turbokompresorska jedinica ne može komprimirati i unijeti u komoru za izgaranje (CC). Moguće je, naravno, ojačati rashladni sustav i kompresor, ali tada će se njihove dimenzije i težina toliko povećati da hipersonične brzine neće biti moguće - spustiti se s tla.
Ramjet motor radi bez kompresora - zrak ispred kompresorske stanice komprimira se zbog svoje brzinske glave (Sl. 1). Ostalo je, u principu, isto kao i za turbo-mlazne produkte izgaranja, bježeći kroz mlaznicu, ubrzavaju aparat.
Ideju o ramjet-u, koja tada još nije bila hipersonična, iznio je 1907. francuski inženjer Rene Laurent. Ali pravi su "napredni tok" izgradili mnogo kasnije. Ovdje su vodili sovjetski specijalci.
Prvo, 1929. godine, jedan od učenika N. E. Zhukovsky, B. S. Stechkin (kasnije akademik), stvorio je teoriju zrakoplovnog motora. A onda, četiri godine kasnije, pod vođstvom dizajnera Yu. A. Pobedonostseva iz GIRD-a (Grupa za istraživanje mlaznog pogona), nakon eksperimenata na štandu, ramjet je prvi put poslan letećim.
Motor je bio smješten u granate 76 mm topa i pucao je iz cijevi nadzvučnom brzinom od 588 m / s. Testovi su trajali dvije godine. Projektili s ramjetnim motorom razvili su više od 2M - niti jedan drugi zrakoplov na svijetu u to vrijeme nije letio brže. Istodobno su Girdoviti predložili, izgradili i testirali model pulsirajućeg ramjet motora - njegov usisni zrak povremeno se otvarao i zatvarao, kao rezultat toga izgaranje u komori za izgaranje pulsiralo. Slični motori kasnije su korišteni u Njemačkoj na raketama FAU-1.
Promotivni video:
Prve velike ramjet motore ponovo su stvorili sovjetski dizajneri I. A. Merkulov 1939. (subsonični ramjet motor) i M. M. Bondaryuk 1944. (nadzvučni). Od 40-ih godina na Centralnom institutu zrakoplovnih motora (CIAM) započeo je rad na "izravnom protoku".
Neke su vrste zrakoplova, uključujući projektile, bile opremljene nadzvučnim ramjet motorima. Međutim, u 50-ima je postalo jasno da s M brojevima većim od 6 - 7, ramjet nije učinkovit. Ponovo, kao i u slučaju turbo-motornog motora, zrak kočen ispred kompresorske stanice upao je u njega prejako. Nije to imalo smisla nadoknađivati povećanjem mase i dimenzija ramjet motora. Osim toga, pri visokim temperaturama, molekule produkata izgaranja počinju disocirati, apsorbiraju energiju namijenjenu stvaranju potiska.
Tada je 1957. E. S. Shchetinkov, poznati znanstvenik, sudionik prvih letećih ramjet motora, izumio hiperzvučni motor. Godinu dana kasnije, na Zapadu su se pojavile publikacije o sličnom razvoju. Scramjet komora za izgaranje započinje gotovo odmah iza dovoda zraka, a zatim glatko prelazi u mlaznicu koja se širi (Sl. 2). Iako se zrak usporava na ulazu u njega, za razliku od prethodnih motora, on se kreće prema kompresorskoj stanici, ili bolje rečeno, juri nadzvučnom brzinom. Stoga je njegov pritisak na stijenke komore i temperatura znatno niža nego u ramjet motora.
Nešto kasnije predložen je scramjet motor s vanjskim sagorijevanjem (Sl. 3) U zrakoplovu s takvim motorom gorivo će gorjeti izravno ispod trupa, koji će služiti kao dio otvorenog CS-a. Naravno, tlak u zoni izgaranja bit će manji nego u uobičajenom izgaranju - potisak motora malo će se smanjiti. Ali dobit ćete debljanje - motor će se riješiti masivnog vanjskog zida kompresorske stanice i dijela rashladnog sustava. Istina, još nije stvoren pouzdan "otvoreni izravni tok" - njegov najljepši sat vjerojatno će doći sredinom XXI stoljeća.
Vratimo se, međutim, scramjet motoru, koji je testiran uoči prošle zime. Napajala ga je tekućim vodikom pohranjenim u spremniku pri temperaturi od oko 20 K (- 253 ° C). Nadzvučno sagorijevanje bio je možda najteži problem. Hoće li se vodik ravnomjerno rasporediti po presjeku komore? Hoće li imati vremena da potpuno izgorije? Kako organizirati automatsku kontrolu izgaranja? - Ne možete instalirati senzore u komoru, oni će se rastopiti.
Ni matematičko modeliranje na ultramoćnim računalima, niti testovi na testovima nisu pružili sveobuhvatne odgovore na mnoga pitanja. Usput, za simulaciju protoka zraka, na primjer, na 8M, postolje zahtijeva pritisak stotina atmosfera i temperaturu oko 2500 K - tekući metal u vrućoj otvorenoj peći je mnogo hladniji. Pri većim brzinama, rad motora i zrakoplova može se provjeriti samo u letu.
Dugo se mislilo i ovdje i u inozemstvu. Još u 60-ima, Sjedinjene Države pripremale su testove scramjet motora na brzi raketni zrakoplov X-15, međutim, izgleda, nisu se dogodile.
Domaći eksperimentalni scramjet motor izrađen je u dvostrukom režimu - pri brzini leta iznad 3M djelovao je kao običan "napredni tok", a nakon 5 - 6M - kao hipersonični. Za to su promijenjena mjesta dovoda goriva u kompresorsku stanicu. Protuzrakoplovna raketa uklonjena iz upotrebe postala je akcelerator motora i nosač hipersoničnog letećeg laboratorija (HLL). GLL, koji uključuje upravljačke sustave, mjerenja i komunikaciju sa zemljom, spremnikom vodika i sklopovima goriva, bio je pričvršćen u odjeljke drugog stupnja, gdje je nakon uklanjanja bojne glave ostao glavni motor (LRE) sa svojim spremnicima goriva. Prva faza - praškasti pojačala, - odbacivši raketu od početka, razdvojena nakon nekoliko sekundi.
Protivavionska raketa sa Scramjetom na lansirnoj ploči (fotografija je objavljena prvi put).
Bench testovi i priprema za let provedeni su u Središnjem zavodu za zrakoplovne motore P. I. Baranov u suradnji s Ratnim zrakoplovstvom, Fakelovim uredom za izradu strojeva Fakel koji je svoju raketu pretvorio u leteću laboratoriju, Soyuzov dizajnerski biro u Tujevu i Temp dizajnerski biro u Moskvi, koji je proizvodio motor. i regulator goriva i druge organizacije. Poznati zrakoplovni specijalci R. I. Kurziner, D. A. Ogorodnikov i V. A. Sosunov nadzirali su program.
Kako bi podržao let, CIAM je stvorio mobilni kompleks za dovod tekućeg vodika i ugrađeni sustav za opskrbu tekućim vodikom. Sada, kada se tekući vodik smatra jednim od najperspektivnijih goriva, iskustvo rukovanja s njim, sakupljeno u CIAM-u, može biti korisno mnogima.
… Raketa je lansirana kasno uvečer, već je bila gotovo mrak. U nekoliko trenutaka nosač "konusa" nestao je u niskim oblacima. Uslijedila je tišina koja je bila neočekivana u usporedbi s početnim tutnjavom. Ispitivači koji su gledali početak čak su pomislili: je li stvarno sve pošlo po zlu? Ne, aparat je nastavio svojim predviđenim putem. U 38. sekundi, kad je brzina dostigla 3,5M, motor se pokrenuo, vodik je počeo teći u CC.
Ali na 62. mjestu dogodilo se zaista neočekivano: automatsko gašenje dovoda goriva djelovalo je - scramjet motor se ugasio. Tada se, oko 195. sekunde, automatski ponovo pokrenuo i radio do 200-te … Ranije je određena kao zadnja sekunda leta. U ovom se trenutku raketa, dok je još bila preko teritorija testnog mjesta, samouništila.
Maksimalna brzina bila je 6200 km / h (nešto više od 5,2M). Motor i njegovi sustavi nadgledali su 250 ugrađenih senzora. Radio-telemetrijom su mjerenja prenesena na zemlju.
Nisu još obrađene sve informacije, a detaljnija priča o letu preuranjena je. Ali već je jasno da će za nekoliko desetljeća piloti i kosmonauti voziti "hipersonični izravni tok".
Od urednika. Letni testovi scramjet motora na zrakoplovima X-30 u Sjedinjenim Državama i Hytexu u Njemačkoj planirani su za 1995. ili narednih nekoliko godina. Naši bi stručnjaci, međutim, u bliskoj budućnosti mogli testirati "izravni tok" brzinom većom od 10M na snažnim raketama, koje se sada povlače iz službe. Istina, njima dominira neriješen problem. Nije znanstveno ili tehnički. CIAM nema novca. Nisu im na raspolaganju ni za pola prosjačke plaće zaposlenih.
Što je sljedeće? Sada postoje samo četiri zemlje na svijetu koje imaju čitav ciklus izgradnje motora zrakoplova - od temeljnih istraživanja do serijske proizvodnje. To su SAD, Engleska, Francuska i, za sada, Rusija. Tako ih u budućnosti ne bi bilo više - tri.
Amerikanci sada ulažu stotine milijuna dolara u Scramjet program …
Lik: 1. Shematski dijagram ramjetnog motora (ramjet motora): 1 - središnje tijelo usisa zraka, 2 - grlo usisnog zraka, 3 - komora za izgaranje (CC), 4 - mlaznica s kritičnim presjekom. Bijele strelice označavaju isporuku goriva. Dizajn usisnog zraka je takav da se protok zraka koji je ušao u njega koči i ulazi u kompresorsku stanicu pod visokim tlakom. Proizvodi izgaranja, napuštajući komoru za izgaranje, ubrzavaju se u suženoj mlaznici do brzine zvuka. Zanimljivo je da se mlaznica mora proširiti kako bi dodatno ubrzala plinove. Primjer s rijekom, kada struja ubrzava proporcionalno sužavanju obala, pogodan je samo za podzvočne tokove.
Lik: 2. Shematski dijagram hipersoničnog ramjet motora (scramjet motora): 1 - CS, 2 - mlaznica koja se širi. CS počinje ne iza difuzora, kao u ramjet motoru, već gotovo odmah iza grla usisnog zraka. Mješavina goriva i zraka gori nadzvučnom brzinom. Proizvodi izgaranja ubrzavaju se još više u mlaznici koja se širi.
Lik: 3. Shematski dijagram scramjet motora s vanjskim sagorijevanjem: 1 - točka ubrizgavanja goriva. Izgaranje se odvija s vanjske strane motora - tlak produkata izgaranja manji je nego u zatvorenoj komori za izgaranje, ali potisak - sila koja djeluje na stijenke zračnog okvira veća je od frontalnog otpora, koji uređaj pokreće.
Autori: Yuri SHIKHMAN, Vyacheslav SEMENOV, istraživači Centralnog instituta za zrakoplovne motore