Tecnologia Scramjet: come è stato creato un motore ipersonico

2024 Autore: Seth Attwood | [email protected]. Ultima modifica: 2023-12-16 16:08

Il missile da combattimento "terra-aria" sembrava in qualche modo insolito: il suo muso era allungato da un cono di metallo. Il 28 novembre 1991 è decollato da un sito di prova vicino al cosmodromo di Baikonur e si è autodistrutto in alto dal suolo. Sebbene il missile non abbia abbattuto alcun oggetto aereo, l'obiettivo di lancio è stato raggiunto. Per la prima volta al mondo, un motore a reazione ipersonica (motore scramjet) è stato testato in volo.

Il motore scramjet, o, come si suol dire, "flusso diretto ipersonico" consentirà di volare da Mosca a New York in 2 - 3 ore, lasciare la macchina alata dall'atmosfera nello spazio. Un aereo aerospaziale non avrà bisogno di un aereo di richiamo, come per Zenger (vedi TM, n. 1, 1991), o di un veicolo di lancio, come per navette e Buran (vedi TM n. 4, 1989), - consegna del carico in orbita costerà quasi dieci volte meno. In Occidente, tali test avranno luogo non prima di tre anni …

Il motore scramjet è in grado di accelerare l'aereo fino a 15 - 25 M (M è il numero di Mach, in questo caso, la velocità del suono nell'aria), mentre i più potenti motori turbojet, che sono dotati di moderni velivoli alati civili e militari, sono solo fino a 3,5 milioni. Non funziona più velocemente - la temperatura dell'aria, quando il flusso d'aria nella presa d'aria viene decelerato, sale così tanto che l'unità turbocompressore non è in grado di comprimerla e fornirla alla camera di combustione (CC). È possibile, ovviamente, rafforzare il sistema di raffreddamento e il compressore, ma poi le loro dimensioni e il loro peso aumenteranno così tanto che le velocità ipersoniche saranno fuori discussione - per decollare.

Un motore ramjet funziona senza compressore: l'aria davanti alla stazione di compressione viene compressa a causa della sua pressione ad alta velocità (Fig. 1). Il resto, in linea di principio, è lo stesso di un turbogetto: i prodotti della combustione, fuoriuscendo attraverso l'ugello, accelerano l'apparato.

L'idea di un motore a reazione, allora non ancora ipersonico, fu avanzata nel 1907 dall'ingegnere francese René Laurent. Ma hanno costruito un vero "flusso in avanti" molto più tardi. Qui gli specialisti sovietici erano in testa.

In primo luogo, nel 1929, uno degli studenti di N. E. Zhukovsky, B. S. Stechkin (in seguito accademico), creò la teoria di un motore a getto d'aria. E poi, quattro anni dopo, sotto la guida del designer Yu. A. Pobedonostsev nel GIRD (Group for the Study of Jet Propulsion), dopo gli esperimenti allo stand, il ramjet è stato lanciato per la prima volta in volo.

Il motore era alloggiato nel guscio di un cannone da 76 mm e sparava dalla canna a una velocità supersonica di 588 m/s. I test sono andati avanti per due anni. I proiettili con un motore ramjet hanno sviluppato più di 2 M: non un singolo dispositivo al mondo ha volato più velocemente in quel momento. Allo stesso tempo, i Girdoviti proposero, costruirono e testarono un modello di un motore a reazione pulsante: la sua presa d'aria si apriva e si chiudeva periodicamente, a seguito della quale pulsava la combustione nella camera di combustione. Motori simili sono stati successivamente utilizzati in Germania sui razzi FAU-1.

I primi grandi motori a reazione furono creati di nuovo dai designer sovietici I. A. Merkulov nel 1939 (motore a reazione subsonica) e M. M. Bondaryuk nel 1944 (supersonico). Dagli anni '40, sono iniziati i lavori sul "flusso diretto" presso l'Istituto centrale dei motori aeronautici (CIAM).

Alcuni tipi di aerei, compresi i missili, erano dotati di motori ramjet supersonici. Tuttavia, negli anni '50 divenne chiaro che con i numeri M superiori a 6 - 7, il ramjet è inefficace. Anche in questo caso, come nel caso del motore a turbogetto, l'aria frenata davanti alla stazione di compressione è entrata troppo calda. Non aveva senso compensare questo aumentando la massa e le dimensioni del motore ramjet. Inoltre, alle alte temperature, le molecole dei prodotti della combustione iniziano a dissociarsi, assorbendo energia destinata a creare spinta.

Fu poi nel 1957 che E. S. Shchetinkov, un famoso scienziato, un partecipante ai primi test di volo di un motore a reazione, inventò un motore ipersonico. Un anno dopo, in Occidente sono apparse pubblicazioni su sviluppi simili. La camera di combustione scramjet inizia quasi immediatamente dietro la presa d'aria, quindi passa dolcemente in un ugello espandibile (Fig. 2). Sebbene l'aria sia rallentata all'ingresso, a differenza dei motori precedenti, si sposta nella stazione di compressione, o meglio, si precipita a velocità supersonica. Pertanto, la sua pressione sulle pareti della camera e la temperatura sono molto inferiori rispetto a un motore a reazione.

Poco dopo, è stato proposto un motore scramjet con combustione esterna (Fig. 3) In un aeromobile con un tale motore, il carburante brucerà direttamente sotto la fusoliera, che fungerà da parte della stazione di compressione aperta. Naturalmente, la pressione nella zona di combustione sarà inferiore rispetto a una camera di combustione convenzionale: la spinta del motore diminuirà leggermente. Ma l'aumento di peso si verificherà: il motore eliminerà l'enorme parete esterna della stazione di compressione e parte del sistema di raffreddamento. È vero, non è stato ancora creato un "flusso diretto aperto" affidabile: la sua ora migliore arriverà probabilmente a metà del XXI secolo.

Torniamo, però, al motore scramjet, testato alla vigilia dello scorso inverno. Era alimentato da idrogeno liquido immagazzinato in un serbatoio ad una temperatura di circa 20 K (- 253 ° C). La combustione supersonica era forse il problema più difficile. L'idrogeno sarà distribuito uniformemente sulla sezione della camera? Avrà il tempo di esaurirsi completamente? Come organizzare il controllo automatico della combustione? - non puoi installare sensori in una camera, si scioglieranno.

Né la modellazione matematica su computer superpotenti, né i test al banco hanno fornito risposte esaurienti a molte domande. A proposito, per simulare un flusso d'aria, ad esempio, a 8M, lo stand richiede una pressione di centinaia di atmosfere e una temperatura di circa 2500 K - il metallo liquido in un forno a focolare aperto caldo è molto più "freddo". A velocità ancora più elevate, le prestazioni del motore e dell'aeromobile possono essere verificate solo in volo.

È stato pensato per molto tempo sia nel nostro paese che all'estero. Negli anni '60, gli Stati Uniti stavano preparando i test di un motore scramjet su un velivolo a razzo X-15 ad alta velocità, tuttavia, a quanto pare, non hanno mai avuto luogo.

Il motore scramjet sperimentale domestico è stato realizzato in doppia modalità - a una velocità di volo superiore a 3 M, ha funzionato come un normale "flusso diretto" e dopo 5 - 6 M - come ipersonico. Per questo, sono stati modificati i luoghi di alimentazione del carburante alla stazione di compressione. Il missile antiaereo, che viene rimosso dal servizio, è diventato l'acceleratore del motore e il vettore del laboratorio di volo ipersonico (HLL). Il GLL, che comprende sistemi di controllo, misure e comunicazione con il suolo, un serbatoio di idrogeno e unità di carburante, sono stati attraccati ai compartimenti del secondo stadio, dove, dopo la rimozione della testata, il motore principale (LRE) con il suo carburante sono rimasti i carri armati. Il primo stadio - booster di polvere, - dopo aver disperso il razzo dall'inizio, si è separato dopo pochi secondi.

I test al banco e la preparazione per il volo sono stati effettuati presso il PI Baranov Central Institute of Aviation Motors, insieme all'Air Force, all'ufficio di progettazione della costruzione di macchine Fakel, che ha trasformato il suo razzo in un laboratorio volante, all'ufficio di progettazione Soyuz a Tuyev e l'ufficio di progettazione Temp di Mosca, che ha prodotto il motore e il regolatore del carburante, e altre organizzazioni. I famosi specialisti dell'aviazione R. I. Kurziner, D. A. Ogorodnikov e V. A. Sosunov hanno supervisionato il programma.

Per supportare il volo, CIAM ha creato un complesso mobile di rifornimento di idrogeno liquido e un sistema di rifornimento di idrogeno liquido a bordo. Ora, quando l'idrogeno liquido è considerato uno dei combustibili più promettenti, l'esperienza nel maneggiarlo, accumulata al CIAM, può essere utile a molti.

… Il razzo è partito in tarda serata, era già quasi buio. Pochi istanti dopo, il vettore "cono" è scomparso in nuvole basse. Ci fu un silenzio inaspettato rispetto al rombo iniziale. I tester che hanno assistito alla partenza hanno anche pensato: è davvero andato tutto storto? No, l'apparato ha proseguito il suo percorso previsto. Al 38° secondo, quando la velocità ha raggiunto i 3,5 M, il motore si è avviato, l'idrogeno ha iniziato a fluire nel CC.

Ma il 62, l'imprevisto è successo davvero: è stato attivato l'arresto automatico dell'alimentazione del carburante: il motore scramjet si è spento. Poi, intorno al 195° secondo, si è riavviato automaticamente e ha funzionato fino al 200°… Era stato precedentemente determinato come ultimo secondo del volo. In questo momento, il razzo, mentre si trovava ancora sul territorio del sito di prova, si è autodistrutto.

La velocità massima era di 6200 km/h (poco più di 5,2 M). Il funzionamento del motore e dei suoi sistemi è stato monitorato da 250 sensori di bordo. Le misurazioni sono state trasmesse tramite telemetria radio a terra.

Non tutte le informazioni sono state ancora elaborate e una storia più dettagliata sul volo è prematura. Ma è già chiaro ormai che tra qualche decennio i piloti ei cosmonauti cavalcheranno il "flusso in avanti ipersonico".

Dall'editore. I test di volo dei motori scramjet sugli aerei X-30 negli Stati Uniti e sull'Hytex in Germania sono previsti per il 1995 o per i prossimi anni. I nostri specialisti potrebbero, in un prossimo futuro, testare il "flusso diretto" a una velocità superiore a 10 M su potenti missili, che ora vengono ritirati dal servizio. È vero, sono dominati da un problema irrisolto. Non scientifico o tecnico. Il CIAM non ha soldi. Non sono nemmeno disponibili per gli stipendi mezzo miseri dei dipendenti.

Qual è il prossimo? Ora ci sono solo quattro paesi al mondo che hanno un ciclo completo di costruzione di motori aeronautici, dalla ricerca di base alla produzione di prodotti di serie. Questi sono Stati Uniti, Inghilterra, Francia e, per ora, Russia. Quindi non ce ne sarebbero più in futuro: tre.

Gli americani stanno ora investendo centinaia di milioni di dollari nel programma scramjet…