Scramjet-Technologie - Wie Eine Hyperschall-Engine Erstellt Wurde - Alternative Ansicht

Scramjet-Technologie - Wie Eine Hyperschall-Engine Erstellt Wurde - Alternative Ansicht
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Video: Scramjet-Technologie - Wie Eine Hyperschall-Engine Erstellt Wurde - Alternative Ansicht

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Video: Scramjet engine - How it works and how ISRO (India) successfully flight tested it! 2024, March
Anonim

Die Kampfrakete "Surface-to-Air" sah etwas ungewöhnlich aus - ihre Nase wurde durch einen Metallkegel verlängert. Am 28. November 1991 startete sie von einem Testgelände in der Nähe des Kosmodroms Baikonur und zerstörte sich hoch über dem Boden. Obwohl die Rakete kein Luftobjekt abschoss, wurde das Startziel erreicht. Zum ersten Mal auf der Welt wurde ein Hyperschall-Ramjet-Triebwerk (Scramjet-Triebwerk) im Flug getestet.

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Mit dem Scramjet-Triebwerk oder, wie sie sagen, dem "Hyperschall-Vorwärtsfluss" können Sie in 2 bis 3 Stunden von Moskau nach New York fliegen und die geflügelte Maschine aus der Atmosphäre in den Weltraum lassen. Ein Luft- und Raumfahrtflugzeug benötigt kein Booster-Flugzeug wie für Zenger (siehe TM, Nr. 1, 1991) oder eine Trägerrakete wie für Shuttles und Buran (siehe TM) Nr. 4, 1989), - Die Lieferung von Fracht in die Umlaufbahn kostet fast das Zehnfache. Im Westen werden solche Tests frühestens drei Jahre später stattfinden …

Das Scramjet-Triebwerk kann das Flugzeug auf 15 bis 25 M beschleunigen (M ist die Machzahl, in diesem Fall die Schallgeschwindigkeit in der Luft), während die stärksten Turbojet-Triebwerke, die mit modernen zivilen und militärischen Flügelflugzeugen ausgestattet sind, nur bis zu 3,5 M erreichen. Es funktioniert nicht schneller - die Lufttemperatur steigt beim Abbremsen des Lufteinlassstroms so stark an, dass die Turbokompressoreinheit sie nicht komprimieren und der Brennkammer (CC) zuführen kann. Es ist natürlich möglich, das Kühlsystem und den Kompressor zu stärken, aber dann werden ihre Abmessungen und ihr Gewicht so stark zunehmen, dass Überschallgeschwindigkeiten nicht in Frage kommen - vom Boden abheben.

Ein Staustrahltriebwerk arbeitet ohne Kompressor - die Luft vor der Kompressorstation wird aufgrund ihrer Geschwindigkeitskopfhöhe komprimiert (Abb. 1). Der Rest ist im Prinzip der gleiche wie bei einem Turbostrahl - Verbrennungsprodukte, die durch die Düse entweichen, beschleunigen die Vorrichtung.

Die Idee eines damals noch nicht hyperschallenden Staustrahls wurde 1907 vom französischen Ingenieur Rene Laurent vorgebracht. Aber sie bauten viel später einen echten "Vorwärtsfluss" auf. Hier waren sowjetische Spezialisten an der Spitze.

Zunächst schuf 1929 einer der Schüler von N. E. Zhukovsky, B. S. Stechkin (später Akademiker), die Theorie eines Luftstrahltriebwerks. Und dann, vier Jahre später, unter der Leitung von Designer Yu. A. Pobedonostsev in der GIRD (Gruppe für das Studium des Jetantriebs), wurde der Ramjet nach Experimenten am Stand zum ersten Mal in die Luft geschickt.

Der Motor war in der Schale einer 76-mm-Kanone untergebracht und wurde mit einer Überschallgeschwindigkeit von 588 m / s aus dem Lauf abgefeuert. Die Tests dauerten zwei Jahre. Projektile mit einem Staustrahltriebwerk entwickelten mehr als 2 Millionen - kein anderes Flugzeug der Welt flog zu dieser Zeit schneller. Gleichzeitig schlugen die Girdoviten ein Modell eines pulsierenden Staustrahltriebwerks vor, bauten es und testeten es - sein Lufteinlass öffnete und schloss sich periodisch, wodurch die Verbrennung in der Brennkammer pulsierte. Ähnliche Triebwerke wurden später in Deutschland für FAU-1-Raketen eingesetzt.

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Die ersten großen Staustrahltriebwerke wurden erneut von den sowjetischen Designern I. A. Merkulov im Jahr 1939 (Unterschall-Staustrahltriebwerk) und M. M. Bondaryuk im Jahr 1944 (Überschall) entwickelt. Seit den 40er Jahren begannen die Arbeiten zum "Direktfluss" am Zentralinstitut für Luftfahrtmotoren (CIAM).

Einige Flugzeugtypen, einschließlich Raketen, waren mit Überschall-Staustrahltriebwerken ausgestattet. Bereits in den 50er Jahren wurde jedoch klar, dass der Ramjet bei M-Zahlen über 6 - 7 unwirksam ist. Wie beim Turbostrahltriebwerk wurde auch hier die vor der Kompressorstation gebremste Luft zu heiß. Es war nicht sinnvoll, dies durch Erhöhen der Masse und der Abmessungen des Staustrahltriebwerks zu kompensieren. Außerdem beginnen bei hohen Temperaturen Moleküle von Verbrennungsprodukten zu dissoziieren und absorbieren die Energie, die zur Erzeugung von Schub bestimmt ist.

1957 erfand der berühmte Wissenschaftler E. S. Shchetinkov, der an den ersten Flugtests eines Staustrahltriebwerks teilnahm, ein Hyperschalltriebwerk. Ein Jahr später erschienen im Westen Veröffentlichungen über ähnliche Entwicklungen. Die Scramjet-Brennkammer beginnt fast unmittelbar hinter dem Lufteinlass und gelangt dann reibungslos in eine expandierende Düse (Abb. 2). Obwohl die Luft am Eingang zu ihr verlangsamt wird, bewegt sie sich im Gegensatz zu früheren Motoren zur Kompressorstation oder rast mit Überschallgeschwindigkeit. Daher sind sein Druck auf die Kammerwände und seine Temperatur viel niedriger als bei einem Staustrahltriebwerk.

Wenig später wurde ein Scramjet-Triebwerk mit externer Verbrennung vorgeschlagen (Abb. 3). In einem Flugzeug mit einem solchen Triebwerk verbrennt der Kraftstoff direkt unter dem Rumpf, der als Teil des offenen CS dient. Natürlich ist der Druck in der Verbrennungszone geringer als in einer herkömmlichen Brennkammer - der Motorschub nimmt leicht ab. Aber Sie bekommen eine Gewichtszunahme - der Motor wird die massive Außenwand der Kompressorstation und einen Teil des Kühlsystems los. Ein zuverlässiger "offener Direktfluss" wurde zwar noch nicht geschaffen - seine schönste Stunde wird wahrscheinlich in der Mitte des 21. Jahrhunderts liegen.

Kehren wir jedoch zum Scramjet-Triebwerk zurück, das am Vorabend des letzten Winters getestet wurde. Es wurde mit flüssigem Wasserstoff betrieben, der in einem Tank bei einer Temperatur von etwa 20 K (- 253 ° C) gespeichert war. Die Überschallverbrennung war vielleicht das schwierigste Problem. Wird Wasserstoff gleichmäßig über den Kammerquerschnitt verteilt? Wird es Zeit haben, vollständig auszubrennen? Wie organisiere ich die automatische Verbrennungssteuerung? - Sie können keine Sensoren in der Kammer installieren, sie schmelzen.

Weder die mathematische Modellierung auf hochleistungsfähigen Computern noch Bench-Tests lieferten umfassende Antworten auf viele Fragen. Um einen Luftstrom beispielsweise bei 8 M zu simulieren, benötigt der Stand übrigens einen Druck von Hunderten von Atmosphären und eine Temperatur von etwa 2500 K - flüssiges Metall in einem heißen Ofen mit offenem Herd ist viel kühler. Bei noch höheren Geschwindigkeiten kann die Leistung von Triebwerken und Flugzeugen nur im Flug überprüft werden.

Es wurde lange im In- und Ausland gedacht. In den 60er Jahren bereiteten die Vereinigten Staaten Tests eines Scramjet-Triebwerks auf einem Hochgeschwindigkeits-X-15-Raketenflugzeug vor, die jedoch anscheinend nicht stattfanden.

Das inländische experimentelle Scramjet-Triebwerk wurde im Dual-Mode-Modus hergestellt - bei einer Fluggeschwindigkeit von mehr als 3 m arbeitete es als normaler "Vorwärtsfluss" und nach 5 bis 6 M als Hyperschall-Triebwerk. Zu diesem Zweck wurden die Orte der Kraftstoffversorgung der Kompressorstation geändert. Die aus dem Dienst genommene Flugabwehrrakete wurde zum Triebwerksbeschleuniger und Träger des Hyperschallfluglabors (HLL). GLL, einschließlich Steuerungssysteme, Messung und Kommunikation mit dem Boden, einem Wasserstofftank und Kraftstoffeinheiten, wurde an die Abteile der zweiten Stufe angedockt, in denen nach dem Entfernen des Gefechtskopfs der Hauptmotor (LRE) mit seinen Kraftstofftanks verblieb. Die erste Stufe - Pulververstärker -, die die Rakete von Anfang an verteilt hatte, trennte sich nach einigen Sekunden.

Flugabwehrrakete mit Scramjet an der Startrampe (Foto wird zum ersten Mal veröffentlicht)
Flugabwehrrakete mit Scramjet an der Startrampe (Foto wird zum ersten Mal veröffentlicht)

Flugabwehrrakete mit Scramjet an der Startrampe (Foto wird zum ersten Mal veröffentlicht).

Bench-Tests und Flugvorbereitungen wurden am PI Baranov Zentralinstitut für Luftfahrtmotoren zusammen mit der Luftwaffe, dem Fakel-Konstruktionsbüro für Maschinenbau, das seine Rakete in ein Fluglabor verwandelte, dem Sojus-Konstruktionsbüro in Tujew und dem Temp-Konstruktionsbüro in Moskau, das den Motor herstellte, durchgeführt und der Kraftstoffregler und andere Organisationen. Das Programm wurde von den bekannten Luftfahrtspezialisten R. I. Kurziner, D. A. Ogorodnikov und V. A. Sosunov überwacht.

Um den Flug zu unterstützen, schuf CIAM einen mobilen Tankkomplex für flüssigen Wasserstoff und ein integriertes Flüssigwasserstoffversorgungssystem an Bord. Wenn flüssiger Wasserstoff als einer der vielversprechendsten Kraftstoffe angesehen wird, kann die bei CIAM gesammelte Erfahrung im Umgang mit ihm für viele von Nutzen sein.

… Die Rakete startete am späten Abend, es war schon fast dunkel. In wenigen Augenblicken verschwand der Träger des "Kegels" in tiefen Wolken. Es herrschte eine unerwartete Stille im Vergleich zum anfänglichen Grollen. Die Tester, die den Start beobachteten, dachten sogar: Ist wirklich alles schief gelaufen? Nein, der Apparat setzte seinen beabsichtigten Weg fort. In der 38. Sekunde, als die Geschwindigkeit 3,5 m erreichte, startete der Motor und Wasserstoff begann in den CC zu fließen.

Aber am 62. passierte wirklich das Unerwartete: Das automatische Abschalten der Kraftstoffversorgung funktionierte - das Scramjet-Triebwerk wurde abgeschaltet. Dann, ungefähr in der 195. Sekunde, startete es automatisch wieder und funktionierte bis zur 200. … Es wurde zuvor als letzte Sekunde des Fluges bestimmt. In diesem Moment zerstörte sich die Rakete selbst, während sie sich noch über dem Territorium des Testgeländes befand.

Die Höchstgeschwindigkeit betrug 6200 km / h (etwas mehr als 5,2 m). Der Motor und seine Systeme wurden von 250 Bordsensoren überwacht. Die Messungen wurden per Radiotelemetrie auf den Boden übertragen.

Es wurden noch nicht alle Informationen verarbeitet, und eine detailliertere Geschichte über den Flug ist verfrüht. Aber es ist bereits jetzt klar, dass die Piloten und Kosmonauten in einigen Jahrzehnten den "Hyperschall-Vorwärtsfluss" fahren werden.

Vom Herausgeber. Flugtests von Scramjet-Triebwerken an X-30-Flugzeugen in den USA und an Hytex in Deutschland sind für 1995 oder die nächsten Jahre geplant. Unsere Spezialisten könnten jedoch in naher Zukunft den "direkten Fluss" mit einer Geschwindigkeit von mehr als 10 m auf leistungsstarken Raketen testen, die jetzt außer Dienst gestellt werden. Sie werden zwar von einem ungelösten Problem dominiert. Nicht wissenschaftlich oder technisch. CIAM hat kein Geld. Sie sind nicht einmal für die halb bettlerischen Gehälter der Angestellten verfügbar.

Was weiter? Jetzt gibt es nur noch vier Länder auf der Welt, die einen vollständigen Zyklus des Flugzeugtriebwerksbaus haben - von der Grundlagenforschung bis zur Serienproduktion. Dies sind die USA, England, Frankreich und vorerst Russland. Es würde also in Zukunft keine mehr geben - drei.

Die Amerikaner investieren jetzt Hunderte Millionen Dollar in das Scramjet-Programm …

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Zahl: 1. Schematische Darstellung eines Staustrahltriebwerks (Staustrahltriebwerk): 1 - der zentrale Körper des Lufteinlasses, 2 - der Hals des Lufteinlasses, 3 - die Brennkammer (CC), 4 - Düse mit einem kritischen Abschnitt. Weiße Pfeile zeigen die Kraftstoffzufuhr an. Der Lufteinlass ist so ausgelegt, dass der Luftstrom, der in ihn eingedrungen ist, gesperrt wird und unter hohem Druck in die Kompressorstation eintritt. Verbrennungsprodukte, die die Brennkammer verlassen, werden in einer verengten Düse auf Schallgeschwindigkeit beschleunigt. Interessanterweise muss die Düse erweitert werden, um die Gase weiter zu beschleunigen. Das Beispiel eines Flusses, bei dem sich die Strömung proportional zur Verengung der Ufer beschleunigt, ist nur für Unterschallströmungen geeignet.

Zahl: 2. Schematische Darstellung eines Hyperschall-Staustrahltriebwerks (Scramjet-Triebwerk): 1 - CS, 2 - Expansionsdüse. Der CS beginnt nicht wie beim Staustrahltriebwerk hinter dem Diffusor, sondern fast unmittelbar hinter dem Hals des Lufteinlasses. Das Kraftstoff-Luft-Gemisch brennt mit Überschallgeschwindigkeit. Die Verbrennungsprodukte werden in der expandierenden Düse noch stärker beschleunigt.

Zahl: 3. Schematische Darstellung eines Scramjet-Triebwerks mit externer Verbrennung: 1 - Kraftstoffeinspritzpunkt. Die Verbrennung findet an der Außenseite des Motors statt - der Druck der Verbrennungsprodukte ist geringer als in einer geschlossenen Brennkammer, aber der Schub - die auf die Wände der Flugzeugzelle wirkende Kraft ist größer als der Frontwiderstand, der die Vorrichtung in Bewegung setzt.

Autoren: Yuri SHIKHMAN, Vyacheslav SEMENOV, Forscher des Zentralinstituts für Luftfahrtmotoren