เทคโนโลยี Scramjet - วิธีการสร้างเครื่องยนต์ไฮเปอร์โซนิก

2024 ผู้เขียน: Seth Attwood | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2023-12-16 16:17

ขีปนาวุธต่อสู้ "พื้นสู่อากาศ" ดูค่อนข้างผิดปกติ - จมูกของมันยาวขึ้นด้วยกรวยโลหะ เมื่อวันที่ 28 พฤศจิกายน พ.ศ. 2534 เครื่องบินออกจากสถานที่ทดสอบใกล้กับจักรวาลวิทยา Baikonur และทำลายตัวเองสูงเหนือพื้นดิน แม้ว่าขีปนาวุธจะไม่ยิงวัตถุทางอากาศใด ๆ แต่ก็บรรลุเป้าหมาย เป็นครั้งแรกในโลกที่มีการทดสอบเครื่องยนต์แรมเจ็ตแบบไฮเปอร์โซนิก (เครื่องยนต์สแครมเจ็ต) ในการบิน

เครื่องยนต์ scramjet หรืออย่างที่พวกเขาพูดว่า "hypersonic direct-flow" จะช่วยให้สามารถบินจากมอสโกไปนิวยอร์กใน 2 - 3 ชั่วโมงออกจากเครื่องที่มีปีกจากชั้นบรรยากาศสู่อวกาศ เครื่องบินการบินและอวกาศไม่จำเป็นต้องมีเครื่องบินเสริมสำหรับ Zenger (ดู TM ฉบับที่ 1, 1991) หรือยานเปิดตัวสำหรับรถรับส่งและ Buran (ดู TM ฉบับที่ 4, 1989) - การส่งมอบสินค้าไปยังวงโคจร จะมีราคาถูกกว่าเกือบสิบเท่า ทางตะวันตกการทดสอบดังกล่าวจะเกิดขึ้นไม่เร็วกว่าในสามปี …

เครื่องยนต์ scramjet สามารถเร่งความเร็วเครื่องบินได้ถึง 15 - 25M (M คือเลข Mach ในกรณีนี้คือความเร็วของเสียงในอากาศ) ในขณะที่เครื่องยนต์ turbojet ที่ทรงพลังที่สุดซึ่งติดตั้งเครื่องบินปีกพลเรือนและทหารที่ทันสมัย, สูงถึง 3.5M เท่านั้น มันไม่ทำงานเร็วขึ้น - อุณหภูมิของอากาศเมื่อการไหลของอากาศเข้าช้าลง เพิ่มขึ้นมากจนหน่วยเทอร์โบคอมเพรสเซอร์ไม่สามารถบีบอัดและจ่ายไปยังห้องเผาไหม้ (CC) เป็นไปได้ที่จะเสริมความแข็งแกร่งให้กับระบบทำความเย็นและคอมเพรสเซอร์ แต่ขนาดและน้ำหนักของมันจะเพิ่มขึ้นอย่างมากจนความเร็วไฮเปอร์โซนิกไม่เป็นที่สงสัย - เพื่อออกจากพื้น

เครื่องยนต์ ramjet ทำงานโดยไม่มีคอมเพรสเซอร์ - อากาศด้านหน้าสถานีอัดอากาศถูกบีบอัดเนื่องจากแรงดันความเร็วสูง (รูปที่ 1) โดยหลักการแล้วส่วนที่เหลือก็เหมือนกับผลิตภัณฑ์เทอร์โบเจ็ท - การเผาไหม้ที่หลบหนีผ่านหัวฉีดเร่งเครื่อง

แนวคิดของเครื่องยนต์ ramjet ซึ่งยังไม่มีความเร็วเหนือเสียง ถูกนำเสนอในปี 1907 โดย Rene Laurent วิศวกรชาวฝรั่งเศส แต่พวกเขาสร้าง "การไหลไปข้างหน้า" ที่แท้จริงในภายหลัง ที่นี่ผู้เชี่ยวชาญของสหภาพโซเวียตเป็นผู้นำ

ประการแรกในปี 1929 หนึ่งในนักเรียนของ N. E. Zhukovsky คือ BS Stechkin (ต่อมาเป็นนักวิชาการ) ได้สร้างทฤษฎีของเครื่องยนต์ไอพ่น จากนั้นสี่ปีต่อมา ภายใต้การนำของนักออกแบบ Yu. A. Pobedonostsev ใน GIRD (กลุ่มเพื่อการศึกษาการขับเคลื่อนด้วยไอพ่น) หลังจากการทดลองที่สแตนด์ แรมเจ็ตก็ถูกส่งขึ้นบินครั้งแรก

เครื่องยนต์วางอยู่ในเปลือกของปืนใหญ่ขนาด 76 มม. และยิงจากกระบอกสูบด้วยความเร็วเหนือเสียง 588 ม. / วินาที การทดสอบดำเนินไปเป็นเวลาสองปี โพรเจกไทล์ที่มีเครื่องยนต์ ramjet พัฒนามากกว่า 2M - ไม่มีอุปกรณ์เดียวในโลกที่บินได้เร็วกว่าในขณะนั้น ในเวลาเดียวกัน ชาว Girdovites ได้เสนอ สร้างและทดสอบแบบจำลองของเครื่องยนต์แรมเจ็ทที่เต้นเป็นจังหวะ - ช่องอากาศเข้าของมันเปิดและปิดเป็นระยะ ซึ่งเป็นผลมาจากการเผาไหม้ในห้องเผาไหม้เป็นจังหวะ ภายหลังมีการใช้เครื่องยนต์ที่คล้ายกันในเยอรมนีกับจรวด FAU-1

เครื่องยนต์ Ramjet ขนาดใหญ่เครื่องแรกถูกสร้างขึ้นอีกครั้งโดยนักออกแบบชาวโซเวียต I. A. Merkulov ในปี 1939 (เครื่องยนต์ Ramjet แบบเปรี้ยงปร้าง) และ M. M. Bondaryuk ในปี 1944 (ความเร็วเหนือเสียง) นับตั้งแต่ยุค 40 การทำงานเกี่ยวกับ "กระแสตรง" เริ่มต้นขึ้นที่ Central Institute of Aviation Motors (CIAM)

เครื่องบินบางประเภท รวมทั้งขีปนาวุธ ติดตั้งเครื่องยนต์แรมเจ็ตที่มีความเร็วเหนือเสียง อย่างไรก็ตาม ย้อนกลับไปในช่วงทศวรรษที่ 50 เป็นที่ชัดเจนว่าด้วยตัวเลข M ที่มากกว่า 6 - 7 แรมเจ็ตจะไม่ได้ผล อีกครั้งเช่นเดียวกับในกรณีของเครื่องยนต์เทอร์โบเจ็ท อากาศที่เบรกหน้าสถานีอัดอากาศเข้าไปร้อนเกินไป มันไม่สมเหตุสมผลเลยที่จะชดเชยสิ่งนี้ด้วยการเพิ่มมวลและขนาดของเครื่องยนต์ ramjet นอกจากนี้ ที่อุณหภูมิสูง โมเลกุลของผลิตภัณฑ์การเผาไหม้จะเริ่มแยกตัวออกจากกัน โดยดูดซับพลังงานที่มีจุดประสงค์เพื่อสร้างแรงขับ

ในปี 1957 E. S. Shchetinkov นักวิทยาศาสตร์ที่มีชื่อเสียง ผู้มีส่วนร่วมในการทดสอบการบินครั้งแรกของเครื่องยนต์ ramjet ได้คิดค้นเครื่องยนต์ที่มีความเร็วเหนือเสียง หนึ่งปีต่อมา สิ่งพิมพ์เกี่ยวกับการพัฒนาที่คล้ายคลึงกันปรากฏในตะวันตก ห้องเผาไหม้ scramjet เริ่มต้นเกือบจะในทันทีหลังช่องรับอากาศ จากนั้นจะผ่านเข้าไปในหัวฉีดที่ขยายออกอย่างราบรื่น (รูปที่ 2) แม้ว่าอากาศจะชะลอตัวลงที่ทางเข้าซึ่งแตกต่างจากเครื่องยนต์รุ่นก่อน ๆ แต่เคลื่อนไปที่สถานีคอมเพรสเซอร์หรือค่อนข้างจะวิ่งด้วยความเร็วเหนือเสียง ดังนั้นแรงกดบนผนังห้องและอุณหภูมิจึงต่ำกว่าในเครื่องยนต์แรมเจ็ทมาก

ต่อมาไม่นาน มีการเสนอเครื่องยนต์ scramjet ที่มีการเผาไหม้ภายนอก (รูปที่ 3) ในเครื่องบินที่มีเครื่องยนต์ดังกล่าว เชื้อเพลิงจะเผาไหม้โดยตรงใต้ลำตัวซึ่งจะทำหน้าที่เป็นส่วนหนึ่งของสถานีอัดอากาศแบบเปิด โดยปกติความดันในเขตเผาไหม้จะน้อยกว่าในห้องเผาไหม้ทั่วไป - แรงขับของเครื่องยนต์จะลดลงเล็กน้อย แต่น้ำหนักที่เพิ่มขึ้นจะกลายเป็น - เครื่องยนต์จะกำจัดผนังด้านนอกขนาดใหญ่ของสถานีคอมเพรสเซอร์และส่วนหนึ่งของระบบทำความเย็น จริงอยู่ยังไม่มีการสร้าง "กระแสตรงแบบเปิด" ที่เชื่อถือได้ - ชั่วโมงที่ดีที่สุดน่าจะมาในกลางศตวรรษที่ XXI

อย่างไรก็ตาม กลับมาที่เครื่องยนต์ scramjet ซึ่งได้รับการทดสอบก่อนฤดูหนาวที่แล้ว มันถูกเติมเชื้อเพลิงด้วยไฮโดรเจนเหลวที่เก็บไว้ในถังที่อุณหภูมิประมาณ 20 K (-253 ° C) การเผาไหม้ด้วยความเร็วเหนือเสียงอาจเป็นปัญหาที่ยากที่สุด ไฮโดรเจนจะถูกกระจายอย่างสม่ำเสมอทั่วส่วนของห้องเพาะเลี้ยงหรือไม่? จะมีเวลาเผาผลาญให้เต็มที่หรือไม่? วิธีการจัดระเบียบการควบคุมการเผาไหม้อัตโนมัติ? - คุณไม่สามารถติดตั้งเซ็นเซอร์ในห้องเพาะเลี้ยงได้ เซ็นเซอร์จะละลาย

ทั้งการสร้างแบบจำลองทางคณิตศาสตร์บนคอมพิวเตอร์ที่มีพลังมหาศาลหรือการทดสอบแบบตั้งโต๊ะไม่ได้ให้คำตอบที่ครอบคลุมสำหรับคำถามมากมาย โดยวิธีการในการจำลองการไหลของอากาศเช่นที่ 8M ขาตั้งต้องใช้แรงดันหลายร้อยบรรยากาศและอุณหภูมิประมาณ 2500 K - โลหะเหลวในเตาเผาแบบเปิดร้อนนั้น "เย็นกว่า" มาก ที่ความเร็วที่สูงขึ้น ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์และเครื่องบินสามารถตรวจสอบได้เฉพาะในเที่ยวบินเท่านั้น

เป็นที่คิดกันมานานแล้วทั้งในและต่างประเทศ ย้อนกลับไปในยุค 60 สหรัฐอเมริกากำลังเตรียมการทดสอบเครื่องยนต์ scramjet บนเครื่องบินจรวด X-15 ความเร็วสูง อย่างไรก็ตาม เห็นได้ชัดว่าไม่เคยเกิดขึ้น

เครื่องยนต์ scramjet รุ่นทดลองในประเทศถูกสร้างขึ้นแบบ dual-mode ด้วยความเร็วการบินที่เกิน 3M มันทำงานเป็น "การไหลโดยตรง" แบบธรรมดา และหลังจาก 5 - 6M - เป็นแบบที่มีความเร็วเหนือเสียง ด้วยเหตุนี้สถานที่จ่ายน้ำมันเชื้อเพลิงไปยังสถานีคอมเพรสเซอร์จึงเปลี่ยนไป ขีปนาวุธต่อต้านอากาศยานซึ่งถูกถอดออกจากการให้บริการ กลายเป็นเครื่องเร่งความเร็วเครื่องยนต์และเป็นพาหะของห้องปฏิบัติการบินที่มีความเร็วเหนือเสียง (HLL) GLL ซึ่งรวมถึงระบบควบคุม การวัด และการสื่อสารกับพื้นดิน ถังไฮโดรเจนและหน่วยเชื้อเพลิง ถูกต่อเข้ากับช่องของสเตจที่สอง ซึ่งหลังจากถอดหัวรบออกแล้ว เครื่องยนต์หลัก (LRE) พร้อมเชื้อเพลิง ถังยังคงอยู่ ขั้นตอนแรก - ผงดีเด่น - กระจายจรวดตั้งแต่เริ่มต้น แยกจากกันหลังจากไม่กี่วินาที

การทดสอบบัลลังก์และการเตรียมการสำหรับการบินได้ดำเนินการที่สถาบันการบินกลางแห่ง PI Baranov ร่วมกับกองทัพอากาศสำนักออกแบบการสร้างเครื่องจักร Fakel ซึ่งเปลี่ยนจรวดให้เป็นห้องปฏิบัติการบินสำนักออกแบบ Soyuz ใน Tuyev และ สำนักออกแบบอุณหภูมิในมอสโก ซึ่งผลิตเครื่องยนต์ ตัวควบคุมเชื้อเพลิง และองค์กรอื่นๆ ผู้เชี่ยวชาญด้านการบินที่มีชื่อเสียง R. I. Kurziner, D. A. Ogorodnikov และ V. A. Sosunov ดูแลโครงการ

เพื่อสนับสนุนเที่ยวบิน CIAM ได้สร้างศูนย์เติมเชื้อเพลิงไฮโดรเจนเหลวแบบเคลื่อนที่และระบบจ่ายไฮโดรเจนเหลวบนเครื่องบิน ตอนนี้ เมื่อไฮโดรเจนเหลวถือเป็นหนึ่งในเชื้อเพลิงที่มีแนวโน้มมากที่สุด ประสบการณ์ในการจัดการกับไฮโดรเจนเหลวที่สะสมไว้ที่ CIAM อาจเป็นประโยชน์กับหลาย ๆ คน

… จรวดปล่อยในตอนเย็นก็เกือบมืดแล้ว สักครู่ต่อมา สายการบิน "กรวย" ก็หายไปในเมฆต่ำ มีความเงียบที่ไม่คาดคิดเมื่อเทียบกับเสียงดังก้องครั้งแรก ผู้ทดสอบที่ดูจุดเริ่มต้นถึงกับคิดว่า: ทุกอย่างผิดพลาดจริงหรือ? ไม่ อุปกรณ์ดำเนินต่อไปตามเส้นทางที่ตั้งใจไว้ ในวินาทีที่ 38 เมื่อความเร็วถึง 3.5M เครื่องยนต์สตาร์ท ไฮโดรเจนก็เริ่มไหลเข้าสู่ CC

แต่ในวันที่ 62 สิ่งที่ไม่คาดคิดก็เกิดขึ้นจริงๆ: การปิดการจ่ายเชื้อเพลิงอัตโนมัติถูกกระตุ้น - เครื่องยนต์ scramjet ดับลง จากนั้นเมื่อประมาณวินาทีที่ 195 เครื่องจะเริ่มทำงานอีกครั้งโดยอัตโนมัติและทำงานจนถึงวันที่ 200 … ก่อนหน้านี้ถูกกำหนดให้เป็นวินาทีสุดท้ายของเที่ยวบิน ในขณะนี้จรวดในขณะที่ยังคงอยู่เหนืออาณาเขตของไซต์ทดสอบได้ทำลายตัวเอง

ความเร็วสูงสุดคือ 6200 กม. / ชม. (มากกว่า 5.2M เล็กน้อย) การทำงานของเครื่องยนต์และระบบต่างๆ ได้รับการตรวจสอบโดยเซ็นเซอร์ออนบอร์ด 250 ตัว การวัดถูกส่งโดย telemetry วิทยุไปยังพื้นดิน

ข้อมูลทั้งหมดยังไม่ได้รับการประมวลผล และรายละเอียดเพิ่มเติมเกี่ยวกับเที่ยวบินนั้นยังไม่ถึงเวลา แต่ตอนนี้เป็นที่แน่ชัดแล้วว่าในอีกไม่กี่ทศวรรษข้างหน้า นักบินและนักบินอวกาศจะขับเคลื่อน "กระแสน้ำไหลย้อนกลับ"

จากบรรณาธิการ. การทดสอบการบินของเครื่องยนต์ scramjet บนเครื่องบิน X-30 ในสหรัฐอเมริกาและ Hytex ในเยอรมนีมีการวางแผนในปี 1995 หรือในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า ในอนาคตอันใกล้ ผู้เชี่ยวชาญของเราสามารถทดสอบ "กระแสตรง" ด้วยความเร็วมากกว่า 10M บนขีปนาวุธอันทรงพลัง ซึ่งขณะนี้กำลังถูกถอนออกจากการให้บริการ จริงอยู่ พวกเขาถูกครอบงำโดยปัญหาที่ยังไม่ได้แก้ไข ไม่ใช่วิทยาศาสตร์หรือเทคนิค CIAM ไม่มีเงิน พวกเขาไม่สามารถใช้ได้กับเงินเดือนกึ่งขอทานของพนักงานด้วยซ้ำ

อะไรต่อไป? ขณะนี้มีเพียงสี่ประเทศในโลกที่มีการสร้างเครื่องยนต์อากาศยานครบวงจร ตั้งแต่การวิจัยขั้นพื้นฐานไปจนถึงการผลิตผลิตภัณฑ์ต่อเนื่อง เหล่านี้คือสหรัฐอเมริกา อังกฤษ ฝรั่งเศส และสำหรับตอนนี้ รัสเซีย ดังนั้นจะไม่มีอีกต่อไปในอนาคต - สามคน

ขณะนี้ชาวอเมริกันกำลังลงทุนหลายร้อยล้านดอลลาร์ในโครงการ scramjet …