Công nghệ Scramjet - động cơ siêu thanh được tạo ra như thế nào

2024 Tác giả: Seth Attwood | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2023-12-16 16:20

Tên lửa chiến đấu "đất đối không" trông hơi khác thường - mũi của nó được kéo dài bởi một hình nón kim loại. Vào ngày 28 tháng 11 năm 1991, nó cất cánh từ một bãi thử gần sân bay vũ trụ Baikonur và tự hủy trên cao so với mặt đất. Dù tên lửa không bắn hạ được vật thể nào trên không nhưng đã đạt được mục tiêu phóng. Lần đầu tiên trên thế giới, một động cơ phản lực siêu âm (scramjet engine) đã được thử nghiệm trong chuyến bay.

Động cơ scramjet, hay như người ta nói, "dòng chảy trực tiếp siêu âm" sẽ cho phép bay từ Moscow đến New York trong 2-3 giờ, rời chiếc máy có cánh từ bầu khí quyển vào không gian. Máy bay hàng không vũ trụ sẽ không cần máy bay tăng áp, như đối với Zenger (xem TM, số 1, 1991), hoặc phương tiện phóng, như đối với tàu con thoi và Buran (xem TM số 4, 1989), - vận chuyển hàng hóa lên quỹ đạo sẽ rẻ hơn gần mười lần. Ở phương Tây, những cuộc thử nghiệm như vậy sẽ diễn ra không sớm hơn ba năm …

Động cơ phản lực có khả năng tăng tốc máy bay lên 15 - 25M (M là số Mach, trong trường hợp này là tốc độ âm thanh trong không khí), trong khi động cơ phản lực mạnh nhất được trang bị cho máy bay có cánh dân dụng và quân sự hiện đại., chỉ lên đến 3,5 triệu. Nó không hoạt động nhanh hơn - nhiệt độ không khí, khi dòng khí nạp bị giảm tốc, tăng lên quá nhiều khiến bộ máy nén khí không thể nén nó và cung cấp cho buồng đốt (CC). Tất nhiên, có thể tăng cường hệ thống làm mát và máy nén, nhưng khi đó kích thước và trọng lượng của chúng sẽ tăng lên rất nhiều nên tốc độ siêu âm sẽ không còn nữa - phải đi tắt đón đầu.

Động cơ ramjet hoạt động mà không cần máy nén - không khí phía trước trạm nén được nén do áp suất tốc độ cao của nó (Hình 1). Phần còn lại, về nguyên tắc, giống như đối với động cơ phản lực - các sản phẩm đốt cháy, thoát ra ngoài qua vòi phun, tăng tốc bộ máy.

Ý tưởng về động cơ phản lực, khi đó chưa có siêu âm, được kỹ sư người Pháp Rene Laurent đưa ra vào năm 1907. Nhưng họ đã xây dựng một "dòng chảy phía trước" thực sự sau đó nhiều. Ở đây các chuyên gia Liên Xô đã dẫn đầu.

Đầu tiên, vào năm 1929, một trong những sinh viên của N. E. Zhukovsky, B. S. Stechkin (sau này là một viện sĩ), đã tạo ra lý thuyết về động cơ phản lực khí. Và sau đó, 4 năm sau, dưới sự lãnh đạo của nhà thiết kế Yu. A. Pobedonostsev trong GIRD (Nhóm nghiên cứu về lực đẩy phản lực), sau các thí nghiệm tại giá đỡ, máy bay phản lực lần đầu tiên được đưa vào bay.

Động cơ được đặt trong vỏ của một khẩu pháo 76 mm và bắn ra khỏi nòng với tốc độ siêu âm 588 m / s. Các cuộc kiểm tra đã diễn ra trong hai năm. Đạn với động cơ phản lực được phát triển hơn 2M - không một thiết bị nào trên thế giới bay nhanh hơn vào thời điểm đó. Đồng thời, Girdovites đã đề xuất, chế tạo và thử nghiệm một mô hình động cơ phản lực xung - cửa nạp khí của nó đóng mở định kỳ, kết quả là quá trình đốt cháy trong buồng đốt xảy ra xung động. Động cơ tương tự sau đó đã được sử dụng ở Đức trên tên lửa FAU-1.

Các động cơ phản lực lớn đầu tiên được các nhà thiết kế Liên Xô I. A. Merkulov tạo ra lần nữa vào năm 1939 (động cơ phản lực siêu âm) và M. M. Bondaryuk vào năm 1944 (siêu thanh). Từ những năm 40, công việc về "dòng chảy trực tiếp" đã bắt đầu tại Viện Động cơ Hàng không Trung ương (CIAM).

Một số loại máy bay, bao gồm cả tên lửa, được trang bị động cơ phản lực siêu âm. Tuy nhiên, trở lại những năm 50, rõ ràng là với số M vượt quá 6 - 7, ramjet không hiệu quả. Một lần nữa, như trong trường hợp của động cơ tuốc bin phản lực, không khí được hãm phía trước trạm nén đã đi vào nó quá nóng. Không có ý nghĩa gì khi bù đắp điều này bằng cách tăng khối lượng và kích thước của động cơ phản lực. Ngoài ra, ở nhiệt độ cao, các phân tử của sản phẩm cháy bắt đầu phân ly, hấp thụ năng lượng nhằm tạo ra lực đẩy.

Sau đó vào năm 1957, E. S. Shchetinkov, một nhà khoa học nổi tiếng, một người tham gia các cuộc thử nghiệm bay đầu tiên của động cơ phản lực, đã phát minh ra động cơ siêu thanh. Một năm sau, các ấn phẩm về sự phát triển tương tự đã xuất hiện ở phương Tây. Buồng đốt scramjet bắt đầu gần như ngay sau cửa hút khí, sau đó nó đi vào một vòi phun đang nở ra một cách trơn tru (Hình 2). Mặc dù không khí được làm chậm lại ở lối vào nó, không giống như các động cơ trước đó, nó di chuyển đến trạm nén, hay nói đúng hơn, lao đi với tốc độ siêu thanh. Do đó, áp suất của nó lên thành buồng và nhiệt độ thấp hơn nhiều so với động cơ phản lực.

Một thời gian sau, động cơ scramjet đốt ngoài được đề xuất (Hình 3) Trong một máy bay có động cơ như vậy, nhiên liệu sẽ cháy trực tiếp dưới thân máy bay, sẽ đóng vai trò là một phần của trạm nén mở. Đương nhiên, áp suất trong vùng đốt sẽ nhỏ hơn trong buồng đốt thông thường - lực đẩy động cơ sẽ giảm một chút. Nhưng trọng lượng sẽ tăng lên - động cơ sẽ thoát ra khỏi bức tường bên ngoài khổng lồ của trạm nén và một phần của hệ thống làm mát. Đúng vậy, một "luồng trực tiếp mở" đáng tin cậy vẫn chưa được tạo ra - giờ tốt nhất của nó có thể sẽ đến vào giữa thế kỷ XXI.

Tuy nhiên, hãy quay trở lại với động cơ scramjet, đã được thử nghiệm vào đêm trước mùa đông năm ngoái. Nó được cung cấp nhiên liệu bởi hydro lỏng được lưu trữ trong một bể chứa ở nhiệt độ khoảng 20 K (- 253 ° C). Quá trình đốt cháy siêu thanh có lẽ là vấn đề khó khăn nhất. Hydro có được phân bố đều trên tiết diện của buồng không? Nó sẽ có thời gian để hoàn toàn cháy hết? Làm thế nào để tổ chức điều khiển quá trình đốt cháy tự động? - bạn không thể lắp đặt cảm biến trong buồng, chúng sẽ tan chảy.

Cả mô hình toán học trên máy tính siêu mạnh hay các bài kiểm tra trên băng ghế dự bị đều không cung cấp câu trả lời toàn diện cho nhiều câu hỏi. Nhân tiện, để mô phỏng một luồng không khí, ví dụ, ở 8M, giá đỡ yêu cầu áp suất hàng trăm atm và nhiệt độ khoảng 2500 K - kim loại lỏng trong lò nóng lộ thiên "mát" hơn nhiều. Ở tốc độ cao hơn nữa, hiệu suất của động cơ và máy bay chỉ có thể được xác minh trong chuyến bay.

Điều đó đã được nghĩ từ lâu ở cả nước ta và nước ngoài. Quay trở lại những năm 60, Hoa Kỳ đang chuẩn bị thử nghiệm động cơ phản lực trên máy bay tên lửa tốc độ cao X-15, tuy nhiên, rõ ràng là chúng chưa bao giờ diễn ra.

Động cơ máy bay phản lực thử nghiệm trong nước được chế tạo ở chế độ kép - ở tốc độ bay vượt quá 3M, nó hoạt động như một "dòng chảy trực tiếp" thông thường và sau 5 - 6M - như một chế độ siêu âm. Vì vậy, nơi cung cấp nhiên liệu cho trạm nén đã được thay đổi. Tên lửa phòng không, đang bị loại khỏi biên chế, đã trở thành máy gia tốc động cơ và tàu sân bay của phòng thí nghiệm bay siêu thanh (HLL). GLL, bao gồm các hệ thống điều khiển, đo lường và liên lạc với mặt đất, bình chứa hydro và các đơn vị nhiên liệu, được gắn vào các khoang của giai đoạn thứ hai, tại đây, sau khi loại bỏ đầu đạn, động cơ chính (LRE) với nhiên liệu của nó xe tăng vẫn còn. Giai đoạn đầu tiên - tên lửa đẩy dạng bột, - đã phân tán tên lửa ngay từ đầu, tách ra sau vài giây.

Các bài kiểm tra trên băng ghế dự bị và chuẩn bị cho chuyến bay được thực hiện tại Viện Động cơ Hàng không Trung ương PI Baranov, cùng với Không quân, phòng thiết kế chế tạo máy Fakel, nơi đã biến tên lửa của nó thành một phòng thí nghiệm bay, phòng thiết kế Soyuz ở Tuyev và văn phòng thiết kế Temp ở Moscow, nơi sản xuất động cơ và bộ điều chỉnh nhiên liệu, và các tổ chức khác. Các chuyên gia hàng không nổi tiếng R. I. Kurziner, D. A. Ogorodnikov và V. A. Sosunov đã giám sát chương trình.

Để hỗ trợ chuyến bay, CIAM đã tạo ra một tổ hợp tiếp nhiên liệu hydro lỏng di động và một hệ thống cung cấp hydro lỏng trên máy bay. Hiện nay, khi hydro lỏng được coi là một trong những nhiên liệu hứa hẹn nhất, thì kinh nghiệm xử lý nó, tích lũy được tại CIAM, có thể hữu ích cho nhiều người.

… Tên lửa phóng vào lúc chiều tối, trời đã gần tối. Một lát sau, chiếc tàu sân bay "hình nón" biến mất vào những đám mây thấp. Có một sự im lặng đến bất ngờ so với tiếng ầm ĩ ban đầu. Những người thử nghiệm đã xem phần bắt đầu thậm chí còn nghĩ: mọi thứ có thực sự diễn ra sai lầm không? Không, bộ máy vẫn tiếp tục đi theo con đường đã định của nó. Ở giây thứ 38, khi đạt vận tốc 3,5M, động cơ nổ máy, hiđro bắt đầu chảy vào ĐCNN.

Nhưng vào ngày thứ 62, điều bất ngờ thực sự xảy ra: tự động ngắt nguồn cung cấp nhiên liệu được kích hoạt - động cơ scramjet ngừng hoạt động. Sau đó, vào khoảng giây thứ 195, nó tự động khởi động trở lại và hoạt động cho đến giây thứ 200 … Trước đó nó được xác định là giây cuối cùng của chuyến bay. Tại thời điểm này, tên lửa, khi vẫn ở trên lãnh thổ của bãi thử, đã tự hủy.

Tốc độ tối đa là 6200 km / h (nhỉnh hơn 5,2M). Hoạt động của động cơ và các hệ thống của nó được giám sát bởi 250 cảm biến trên bo mạch. Các phép đo được truyền bằng máy đo từ xa vô tuyến xuống mặt đất.

Tất cả thông tin vẫn chưa được xử lý, và một câu chuyện chi tiết hơn về chuyến bay vẫn còn quá sớm. Nhưng bây giờ đã rõ ràng rằng trong một vài thập kỷ nữa, các phi công và nhà du hành vũ trụ sẽ lái "dòng chảy phía trước siêu âm".

Từ trình biên tập. Các chuyến bay thử nghiệm động cơ phản lực trên máy bay X-30 ở Mỹ và trên tàu Hytex ở Đức được lên kế hoạch cho năm 1995 hoặc vài năm tới. Các chuyên gia của chúng tôi có thể, trong tương lai gần, thử nghiệm "luồng trực tiếp" với tốc độ hơn 10M trên các tên lửa mạnh, hiện đã được rút khỏi biên chế. Đúng, họ bị chi phối bởi một vấn đề chưa được giải quyết. Không phải khoa học kỹ thuật. CIAM không có tiền. Họ thậm chí không có sẵn cho mức lương bèo bọt của nhân viên.

Cái gì tiếp theo? Hiện chỉ có bốn quốc gia trên thế giới có chu trình chế tạo động cơ máy bay đầy đủ - từ nghiên cứu cơ bản đến sản xuất các sản phẩm nối tiếp. Đó là Mỹ, Anh, Pháp và bây giờ là Nga. Vì vậy, sẽ không còn chúng trong tương lai - ba.

Người Mỹ hiện đang đầu tư hàng trăm triệu đô la vào chương trình scramjet …