Scramjet ტექნოლოგია - როგორ შეიქმნა ჰიპერბგერითი ძრავა

2024 ავტორი: Seth Attwood | [email protected]. ბოლოს შეცვლილი: 2023-12-16 16:09

საბრძოლო რაკეტა „ზედაპირ-ჰაერი“გარკვეულწილად უჩვეულო ჩანდა - მისი ცხვირი ლითონის კონუსით იყო გაგრძელებული. 1991 წლის 28 ნოემბერს ის აფრინდა ბაიკონურის კოსმოდრომის მახლობლად საცდელი ადგილიდან და მიწის მაღლა განადგურდა. მიუხედავად იმისა, რომ რაკეტამ არ ჩამოაგდო არც ერთი საჰაერო ობიექტი, გაშვების მიზანი მიღწეული იყო. პირველად მსოფლიოში, ფრენის დროს გამოსცადეს ჰიპერბგერითი რამჯეტი ძრავა (scramjet engine).

რეაქტიული ძრავა, ან, როგორც ამბობენ, "ჰიპერბგერითი პირდაპირი ნაკადი" საშუალებას მოგცემთ ფრენა მოსკოვიდან ნიუ-იორკში 2-3 საათში, დატოვოთ ფრთიანი მანქანა ატმოსფეროდან კოსმოსში. საჰაერო კოსმოსურ თვითმფრინავს არ დასჭირდება გამაძლიერებელი თვითმფრინავი, რაც შეეხება Zenger-ს (იხ. TM, No1, 1991), ან გამშვებ მანქანას, როგორც შატლებსა და ბურანს (იხ. TM No4, 1989 წ.), - ტვირთის მიწოდება ორბიტაზე. თითქმის ათჯერ იაფი დაჯდება. დასავლეთში, ასეთი ტესტები ჩატარდება არა უადრეს სამ წელიწადში …

scramjet ძრავას შეუძლია თვითმფრინავის აჩქარება 15 - 25M-მდე (M არის მახის რიცხვი, ამ შემთხვევაში ჰაერში ხმის სიჩქარე), ხოლო უძლიერესი ტურბორეაქტიული ძრავები, რომლებიც აღჭურვილია თანამედროვე სამოქალაქო და სამხედრო ფრთიანი თვითმფრინავებით., არიან მხოლოდ 3.5 მ-მდე. ის უფრო სწრაფად არ მუშაობს - ჰაერის ტემპერატურა, როდესაც ჰაერის მიმღებში ნაკადი შენელებულია, იმდენად იზრდება, რომ ტურბოკომპრესორის ბლოკი ვერ ახერხებს მის შეკუმშვას და წვის კამერაში (CC) მიწოდებას. შესაძლებელია, რა თქმა უნდა, გაგრილების სისტემისა და კომპრესორის გაძლიერება, მაგრამ შემდეგ მათი ზომები და წონა იმდენად გაიზრდება, რომ ჰიპერბგერითი სიჩქარე გამორიცხული იქნება - მიწიდან გადმოსვლა.

რემჯეტის ძრავა მუშაობს კომპრესორის გარეშე - საკომპრესორო სადგურის წინ ჰაერი შეკუმშულია მისი მაღალსიჩქარიანი წნევის გამო (ნახ. 1). დანარჩენი, პრინციპში, იგივეა, რაც ტურბოჯეტისთვის - წვის პროდუქტები, რომლებიც გადის საქშენიდან, აჩქარებს აპარატს.

რამჯეტის ძრავის იდეა, რომელიც მაშინ ჯერ კიდევ არ იყო ჰიპერბგერითი, წამოაყენა 1907 წელს ფრანგმა ინჟინერმა რენე ლორანმა. მაგრამ მათ ააშენეს რეალური „წინა ნაკადი“ბევრად მოგვიანებით. აქ საბჭოთა სპეციალისტები ლიდერობდნენ.

ჯერ 1929 წელს, ნ.ე.ჟუკოვსკის ერთ-ერთმა სტუდენტმა, ბ.ს.სტეჩკინმა (მოგვიანებით აკადემიკოსი) შექმნა საჰაერო რეაქტიული ძრავის თეორია. შემდეგ კი, ოთხი წლის შემდეგ, დიზაინერ იუ.ა. პობედონოსცევის ხელმძღვანელობით GIRD-ში (რეაქტიული ამძრავის შემსწავლელი ჯგუფი), სტენდზე ექსპერიმენტების შემდეგ, რამჯეტი პირველად გაიგზავნა ფრენაში.

ძრავა მოთავსებული იყო 76 მმ-იანი ქვემეხის ჭურვში და ისროდა ლულიდან ზებგერითი სიჩქარით 588 მ/წმ. ტესტები ორი წელი გაგრძელდა. ჭურვები ramjet ძრავით განვითარდა 2M-ზე მეტი - იმ დროს მსოფლიოში არც ერთი მოწყობილობა არ დაფრინავდა უფრო სწრაფად. ამავდროულად, გირდოვიტებმა შესთავაზეს, ააშენეს და გამოსცადეს პულსირებული რამჯეტის ძრავის მოდელი - მისი ჰაერის მიმღები პერიოდულად იხსნება და იხურება, რის შედეგადაც წვის პალატაში წვა პულსირებულია. მსგავსი ძრავები მოგვიანებით გამოიყენეს გერმანიაში FAU-1 რაკეტებზე.

პირველი დიდი რემჯეტის ძრავები კვლავ შექმნეს საბჭოთა დიზაინერებმა I. A. Merkulov-მა 1939 წელს (ქვებგერითი ramjet ძრავა) და M. M. Bondaryuk-მა 1944 წელს (ზებგერითი). 40-იანი წლებიდან დაიწყო მუშაობა „პირდაპირ ნაკადზე“საავიაციო მოტორსის ცენტრალურ ინსტიტუტში (CIAM).

ზოგიერთი ტიპის თვითმფრინავი, მათ შორის რაკეტები, აღჭურვილი იყო ზებგერითი ramjet ძრავებით. თუმცა, ჯერ კიდევ 50-იან წლებში გაირკვა, რომ M რიცხვები 6-7-ს აღემატება, რამჯეტი არაეფექტურია. ისევ, როგორც ტურბორეაქტიული ძრავის შემთხვევაში, ჰაერი, რომელიც დამუხრუჭებული იყო კომპრესორის სადგურის წინ, მასში ძალიან ცხელი იყო. ამის კომპენსირებას რამჯეტის ძრავის მასისა და ზომების გაზრდით აზრი არ ჰქონდა. გარდა ამისა, მაღალ ტემპერატურაზე, წვის პროდუქტების მოლეკულები იწყებენ დაშლას, შთანთქავს ენერგიას, რომელიც განკუთვნილია ბიძგის შესაქმნელად.

სწორედ მაშინ, 1957 წელს, E. S. შჩეტინკოვმა, ცნობილმა მეცნიერმა, რამჯეტის ძრავის პირველი ფრენის ტესტების მონაწილემ, გამოიგონა ჰიპერბგერითი ძრავა. ერთი წლის შემდეგ დასავლეთში გაჩნდა პუბლიკაციები მსგავსი მოვლენების შესახებ. სკრამჯეტის წვის კამერა თითქმის დაუყოვნებლივ იწყება ჰაერის მიმღების უკან, შემდეგ იგი შეუფერხებლად გადადის გაფართოებულ საქშენში (ნახ. 2). მიუხედავად იმისა, რომ ჰაერი შენელებულია მის შესასვლელთან, წინა ძრავებისგან განსხვავებით, ის გადადის კომპრესორულ სადგურზე, უფრო სწორად, ზებგერითი სიჩქარით ჩქარობს. ამიტომ, მისი წნევა კამერის კედლებზე და ტემპერატურაზე გაცილებით დაბალია, ვიდრე რემჯეტის ძრავაში.

ცოტა მოგვიანებით შემოგვთავაზეს გარე წვის სკრამრეეტის ძრავა (ნახ. 3) ასეთი ძრავის მქონე თვითმფრინავში საწვავი დაიწვება უშუალოდ ფიუზელაჟის ქვეშ, რომელიც იქნება ღია საკომპრესორო სადგურის ნაწილი. ბუნებრივია, წვის ზონაში წნევა ნაკლები იქნება, ვიდრე ჩვეულებრივ წვის პალატაში - ძრავის ბიძგი ოდნავ შემცირდება. მაგრამ წონის მომატება გამოვა - ძრავა მოიშორებს კომპრესორის სადგურის მასიურ გარე კედელს და გაგრილების სისტემის ნაწილს. მართალია, საიმედო „ღია პირდაპირი ნაკადი“ჯერ არ შექმნილა - მისი საუკეთესო საათი ალბათ XXI საუკუნის შუა ხანებში დადგება.

თუმცა, დავუბრუნდეთ სკრამჯეტის ძრავას, რომელიც გასული ზამთრის წინა დღეს გამოსცადეს. იგი იკვებებოდა თხევადი წყალბადით, რომელიც ინახება ავზში დაახლოებით 20 K (- 253 ° C) ტემპერატურაზე. ზებგერითი წვა ალბათ ყველაზე რთული პრობლემა იყო. წყალბადი თანაბრად გადანაწილდება კამერის მონაკვეთზე? ექნება დრო, რომ მთლიანად დაიწვას? როგორ მოვაწყოთ წვის ავტომატური კონტროლი? - კამერაში სენსორების დაყენება არ შეიძლება, ისინი დნება.

არც მათემატიკური მოდელირება ზემძლავრ კომპიუტერებზე და არც სკამების ტესტებმა არ გასცა ამომწურავი პასუხი ბევრ კითხვაზე. სხვათა შორის, ჰაერის ნაკადის სიმულაციისთვის, მაგალითად, 8 მ-ზე, სადგამი საჭიროებს ასობით ატმოსფეროს წნევას და ტემპერატურას დაახლოებით 2500 K - თხევადი ლითონი ცხელ ღია კერაში ღუმელში გაცილებით "გრილია". კიდევ უფრო მაღალი სიჩქარით, ძრავისა და თვითმფრინავის მუშაობის შემოწმება შესაძლებელია მხოლოდ ფრენისას.

მას დიდი ხანია ფიქრობენ როგორც ჩვენს ქვეყანაში, ასევე მის ფარგლებს გარეთ. ჯერ კიდევ 60-იან წლებში შეერთებული შტატები ამზადებდა scramjet ძრავის ტესტებს მაღალსიჩქარიანი X-15 სარაკეტო თვითმფრინავზე, თუმცა, როგორც ჩანს, ისინი არასოდეს მომხდარა.

შიდა ექსპერიმენტული scramjet ძრავა გაკეთდა ორმაგი რეჟიმში - ფრენის სიჩქარით, რომელიც აღემატება 3M-ს, ის მუშაობდა როგორც ჩვეულებრივი "პირდაპირი ნაკადი", ხოლო 5 - 6M შემდეგ - როგორც ჰიპერბგერითი. ამისთვის შეიცვალა საკომპრესორო სადგურისთვის საწვავის მიწოდების ადგილები. საზენიტო რაკეტა, რომელიც მოხსნილია სამსახურიდან, გახდა ძრავის ამაჩქარებელი და ჰიპერბგერითი მფრინავი ლაბორატორიის (HLL) მატარებელი. GLL, რომელიც მოიცავს კონტროლის სისტემებს, გაზომვებს და მიწასთან კომუნიკაციას, წყალბადის ავზს და საწვავის ერთეულებს, დამაგრდა მეორე ეტაპის განყოფილებებში, სადაც ქობინი ამოღების შემდეგ, მთავარი ძრავა (LRE) თავისი საწვავით. დარჩა ტანკები. პირველი ეტაპი - ფხვნილის გამაძლიერებლები, - რაკეტის დაშლის შემდეგ, რამდენიმე წამის შემდეგ გამოეყო.

სკამზე ტესტები და ფრენისთვის მომზადება ჩატარდა PI ბარანოვის სახელობის საავიაციო მოტორსის ცენტრალურ ინსტიტუტში, საჰაერო ძალებთან ერთად, Fakel მანქანათმშენებლობის დიზაინის ბიუროსთან ერთად, რომელმაც თავისი რაკეტა საფრენ ლაბორატორიად აქცია, სოიუზის დიზაინის ბიურო ტუევში და Temp დიზაინის ბიურო მოსკოვში, რომელიც აწარმოებდა ძრავას და საწვავის მარეგულირებელს და სხვა ორგანიზაციებს. პროგრამას ხელმძღვანელობდნენ ცნობილი ავიაციის სპეციალისტები R. I. Kurziner, D. A. Ogorodnikov და V. A. Sosunov.

ფრენის მხარდასაჭერად CIAM-მა შექმნა მობილური თხევადი წყალბადის საწვავის კომპლექსი და ბორტზე თხევადი წყალბადის მიწოდების სისტემა. ახლა, როდესაც თხევადი წყალბადი განიხილება, როგორც ერთ-ერთი ყველაზე პერსპექტიული საწვავი, CIAM-ში დაგროვილი მისი მართვის გამოცდილება ბევრისთვის შეიძლება სასარგებლო იყოს.

… რაკეტა გვიან საღამოს გაუშვა, უკვე თითქმის ბნელოდა. რამდენიმე წამის შემდეგ "კონუსის" გადამზიდავი დაბალ ღრუბლებში გაუჩინარდა. იყო სიჩუმე, რომელიც მოულოდნელი იყო თავდაპირველ წუწუნთან შედარებით. ტესტერები, რომლებიც სტარტს უყურებდნენ, ფიქრობდნენ კიდეც: მართლა ყველაფერი არასწორად წავიდა? არა, აპარატმა განაგრძო დასახული გზა. 38-ე წამზე, როდესაც სიჩქარემ მიაღწია 3,5 მ-ს, ძრავა დაიწყო, წყალბადმა დაიწყო CC-ში გადინება.

მაგრამ 62-ში მოულოდნელი მართლაც მოხდა: საწვავის მიწოდების ავტომატური გათიშვა დაიწყო - სკრამჯეტის ძრავა გაითიშა. შემდეგ, დაახლოებით 195-ე წამზე, ის ავტომატურად ამუშავდა ხელახლა და მუშაობდა 200-მდე… ადრე განსაზღვრული იყო ფრენის ბოლო წამად. ამ მომენტში რაკეტა, ჯერ კიდევ საცდელი ადგილის ტერიტორიაზე, თვითგანადგურდა.

მაქსიმალური სიჩქარე იყო 6200 კმ/სთ (ოდნავ მეტი 5,2 მ). ძრავისა და მისი სისტემების მუშაობას აკონტროლებდა 250 ბორტ სენსორი. გაზომვები რადიოტელემეტრიით გადაიცემოდა მიწაზე.

ჯერ ყველა ინფორმაცია დამუშავებული არ არის და ფრენის შესახებ უფრო დეტალური ამბავი ნაადრევია. მაგრამ ახლა უკვე ნათელია, რომ რამდენიმე ათწლეულში პილოტები და კოსმონავტები „ჰიპერბგერითი წინსვლის ნაკადით“მიდიან.

რედაქტორისგან. შეერთებულ შტატებში X-30 თვითმფრინავებზე და გერმანიაში Hytex-ზე 1995 წლის ან მომდევნო რამდენიმე წლის განმავლობაში დაგეგმილია scramjet ძრავების ფრენის ტესტები. ჩვენს სპეციალისტებს უახლოეს მომავალში შეეძლებათ გამოსცადონ „პირდაპირი ნაკადი“10 მ-ზე მეტი სიჩქარით მძლავრ რაკეტებზე, რომლებიც ახლა ამოღებულია სამსახურიდან. მართალია, მათზე დომინირებს გადაუჭრელი პრობლემა. არა სამეცნიერო და ტექნიკური. CIAM-ს ფული არ აქვს. თანამშრომელთა ნახევრად მათხოვრულ ხელფასზეც კი არ არის ხელმისაწვდომი.

Რა არის შემდეგი? ახლა მსოფლიოში მხოლოდ ოთხი ქვეყანაა, რომლებსაც აქვთ თვითმფრინავის ძრავის აგების სრული ციკლი - ძირითადი კვლევებიდან სერიული პროდუქტების წარმოებამდე. ესენი არიან აშშ, ინგლისი, საფრანგეთი და ჯერჯერობით რუსეთი. ასე რომ, მომავალში ისინი აღარ იქნებოდა - სამი.

ამერიკელები ახლა ასობით მილიონი დოლარის ინვესტიციას ახორციელებენ scramjet პროგრამაში…