Gevechtsraket "grond-lucht" zag er enigszins ongewoon uit - de neus was verlengd met een metalen kegel. Op 28 november 1991 werd ze gelanceerd vanaf een testlocatie nabij de Baikonur-cosmodrome en zelfvernietigd hoog boven de grond. Hoewel de raket geen enkel luchtobject neerschoot, werd het lanceerdoel bereikt. Voor het eerst ter wereld werd tijdens de vlucht een hypersonische straalmotor (scramjetmotor) getest.
De scramjetmotor of, zoals ze zeggen, "hypersonische voorwaartse stroom" zal je in staat stellen om in 2 - 3 uur van Moskou naar New York te vliegen en de gevleugelde machine vanuit de atmosfeer de ruimte in te laten. Een ruimtevaartvliegtuig heeft geen hulpvliegtuig nodig, zoals voor Zenger (zie TM, nr. 1, 1991), of een draagraket, zoals voor shuttles en Buran (zie TM Nr. 4, 1989), - het afleveren van vracht in een baan om de aarde kost bijna tien keer goedkoper. In het Westen zullen dergelijke tests niet eerder plaatsvinden dan drie jaar later …
De scramjetmotor kan het vliegtuig versnellen tot 15 - 25M (M is het Mach-getal, in dit geval de geluidssnelheid in de lucht), terwijl de krachtigste turbojetmotoren, die zijn uitgerust met moderne civiele en militaire gevleugelde vliegtuigen, slechts maximaal 3,5 miljoen zijn. Het werkt niet sneller - de luchttemperatuur, wanneer de stroom in de luchtinlaat wordt vertraagd, stijgt zo sterk dat de turbocompressoreenheid deze niet kan comprimeren en naar de verbrandingskamer (CC) kan voeren. Het is natuurlijk mogelijk om het koelsysteem en de compressor te versterken, maar dan zullen hun afmetingen en gewicht zo sterk toenemen dat hypersonische snelheden uitgesloten zijn - om van de grond te komen.
Een straalmotor werkt zonder een compressor - de lucht voor het compressorstation wordt gecomprimeerd vanwege de opvoerhoogte (figuur 1). De rest is in principe hetzelfde als voor een turbojet - verbrandingsproducten die door het mondstuk ontsnappen, versnellen het apparaat.
Het idee van een straalmotor, toen nog niet hypersonisch, werd in 1907 naar voren gebracht door de Franse ingenieur René Laurent. Maar ze bouwden veel later een echte "voorwaartse stroom" op. Hier waren Sovjet-specialisten aan het hoofd.
Ten eerste, in 1929, creëerde een van de studenten van N. E. Zhukovsky, B. S. Stechkin (later een academicus), de theorie van een luchtstraalmotor. En toen, vier jaar later, onder leiding van ontwerper Yu. A. Pobedonostsev bij de GIRD (Jet Propulsion Study Group), na experimenten op de stand, werd de ramjet eerst vliegend gestuurd.
De motor was ondergebracht in de mantel van een 76 mm kanon en werd vanaf de loop afgevuurd met een supersonische snelheid van 588 m / s. De tests duurden twee jaar. Projectielen met een straalmotor-motor ontwikkelden zich meer dan 2M - geen enkel ander vliegtuig ter wereld vloog toen sneller. Tegelijkertijd stelden de Girdovites een model van een pulserende raketmotor voor, bouwden en testten ze - de luchtinlaat werd periodiek geopend en gesloten, waardoor de verbranding in de verbrandingskamer pulseerde. Soortgelijke motoren werden later in Duitsland gebruikt op FAU-1-raketten.
Promotie video:
De eerste grote straalmotormotoren werden opnieuw gemaakt door Sovjetontwerpers I. A. Merkulov in 1939 (subsonische straalmotormotor) en M. M. Bondaryuk in 1944 (supersonisch). Sinds de jaren 40 begon het werk aan "directe doorstroming" bij het Central Institute of Aviation Motors (CIAM).
Sommige soorten vliegtuigen, waaronder raketten, waren uitgerust met supersonische straalmotoren. In de jaren 50 werd echter duidelijk dat met M-nummers van meer dan 6 - 7 de ramjet niet effectief is. Nogmaals, zoals in het geval van de turbostraalmotor, werd de lucht die voor het compressiestation werd geremd, er te heet in. Het had geen zin om dit te compenseren door de massa en afmetingen van de straalmotor te vergroten. Bovendien beginnen bij hoge temperaturen moleculen van verbrandingsproducten te dissociëren en de energie te absorberen die bedoeld is om stuwkracht te creëren.
Het was toen in 1957 dat E. S. Shchetinkov, een beroemde wetenschapper, een deelnemer aan de eerste testvluchten van een straalmotormotor, een hypersonische motor uitvond. Een jaar later verschenen publicaties over soortgelijke ontwikkelingen in het Westen. De verbrandingskamer van de scramjet begint vrijwel direct achter de luchtinlaat en gaat vervolgens soepel over in een expanderend mondstuk (afb. 2). Hoewel de lucht bij de ingang ervan wordt vertraagd, beweegt deze, in tegenstelling tot eerdere motoren, naar het compressiestation, of liever gezegd, snelt met supersonische snelheid. Daarom zijn de druk op de kamerwanden en de temperatuur veel lager dan bij een straalmotor.
Even later werd een scramjetmotor met externe verbranding voorgesteld (Fig. 3). In een vliegtuig met een dergelijke motor verbrandt de brandstof direct onder de romp, die zal dienen als onderdeel van de open CS. Natuurlijk zal de druk in de verbrandingszone lager zijn dan in een conventionele verbrandingskamer - de stuwkracht van de motor zal iets afnemen. Maar je krijgt een gewichtstoename - de motor zal de enorme buitenmuur van het compressorstation en een deel van het koelsysteem verwijderen. Toegegeven, er is nog geen betrouwbare "open directe stroom" gecreëerd - het beste uur zal waarschijnlijk in het midden van de 21e eeuw komen.
Laten we echter terugkeren naar de scramjet-motor, die aan de vooravond van afgelopen winter werd getest. Het werd gevoed door vloeibare waterstof opgeslagen in een tank bij een temperatuur van ongeveer 20 K (- 253 ° C). Supersonische verbranding was misschien wel het moeilijkste probleem. Wordt waterstof gelijkmatig verdeeld over de dwarsdoorsnede van de kamer? Zal het tijd hebben om volledig uit te branden? Hoe de automatische verbrandingsregeling organiseren? - je kunt geen sensoren in de kamer installeren, ze zullen smelten.
Noch wiskundige modellen op ultrakrachtige computers, noch bench-tests gaven uitgebreide antwoorden op veel vragen. Trouwens, om een luchtstroom te simuleren, bijvoorbeeld op 8M, vereist de standaard een druk van honderden atmosfeer en een temperatuur van ongeveer 2500 K - vloeibaar metaal in een hete openhaardoven is veel koeler. Bij nog hogere snelheden kunnen de prestaties van de motor en het vliegtuig alleen tijdens de vlucht worden geverifieerd.
In binnen- en buitenland is er lang over nagedacht. In de jaren 60 waren de Verenigde Staten bezig met het voorbereiden van tests van een scramjetmotor op een X-15-raketvliegtuig met hoge snelheid, maar die vonden blijkbaar niet plaats.
De binnenlandse experimentele scramjet-motor werd dual-mode gemaakt - bij een vliegsnelheid van meer dan 3 meter werkte hij als een normale "directe stroom" en na 5 - 6 meter - als een hypersonische motor. Hiervoor werden de plaatsen van brandstoftoevoer naar het compressiestation gewijzigd. De luchtafweerraket die uit dienst werd genomen, werd de motorversneller en drager van het hypersonisch vlieglaboratorium (HLL). GLL, inclusief controlesystemen, meting en communicatie met de grond, een waterstoftank en brandstofeenheden, werden gekoppeld aan de compartimenten van de tweede trap, waar, na het verwijderen van de kernkop, de hoofdmotor (LRE) met zijn brandstoftanks bleef. De eerste fase - poederboosters - nadat de raket vanaf het begin was verspreid, scheidde zich na een paar seconden.
Luchtafweerraket met scramjet op het lanceerplatform (foto wordt voor het eerst gepubliceerd).
Banktests en voorbereiding voor de vlucht werden uitgevoerd in het PI Baranov Central Institute of Aviation Motors, samen met de luchtmacht, het Fakel-ontwerpbureau voor machinebouw, dat van zijn raket een vliegend laboratorium maakte, het Sojoez-ontwerpbureau in Tuyev en het Temp-ontwerpbureau in Moskou, dat de motor vervaardigde. en de brandstofregelgever en andere organisaties. Het programma werd begeleid door bekende luchtvaartspecialisten R. I. Kurziner, D. A. Ogorodnikov en V. A. Sosunov.
Ter ondersteuning van de vlucht creëerde CIAM een mobiel tankcomplex voor vloeibare waterstof en een toevoersysteem voor vloeibare waterstof aan boord. Nu vloeibare waterstof wordt beschouwd als een van de meest veelbelovende brandstoffen, kan de ervaring die ermee is opgedaan, die bij CIAM is verzameld, voor velen nuttig zijn.
… De raket werd laat in de avond gelanceerd, het was al bijna donker. Binnen enkele ogenblikken verdween de drager van de "kegel" in lage wolken. Er viel een stilte die onverwacht was in vergelijking met het aanvankelijke gerommel. De testers die de start keken, dachten zelfs: ging alles echt mis? Nee, het apparaat ging verder op zijn beoogde pad. Op de 38e seconde, toen de snelheid 3,5M bereikte, startte de motor en begon waterstof in de CC te stromen.
Maar op de 62ste gebeurde het onverwachte: de automatische uitschakeling van de brandstoftoevoer werkte - de scramjet-motor viel uit. Toen, omstreeks de 195ste seconde, startte het automatisch weer op en werkte tot de 200ste … Het was eerder bepaald als de laatste seconde van de vlucht. Op dit moment vernietigde de raket zichzelf, terwijl hij zich nog steeds boven het grondgebied van de testlocatie bevond.
De maximale snelheid was 6200 km / u (iets meer dan 5,2 miljoen). De motor en zijn systemen werden gecontroleerd door 250 sensoren aan boord. De metingen werden via radiotelemetrie naar de grond gestuurd.
Nog niet alle informatie is verwerkt en een uitgebreider verhaal over de vlucht is voorbarig. Maar het is nu al duidelijk dat de piloten en kosmonauten over enkele decennia de "hypersonische voorwaartse stroom" zullen rijden.
Van de redacteur. Vliegproeven met scramjetmotoren op X-30-vliegtuigen in de Verenigde Staten en op Hytex in Duitsland zijn gepland voor 1995 of de komende jaren. Onze specialisten zouden echter in de nabije toekomst de "directe stroom" kunnen testen met een snelheid van meer dan 10 meter op krachtige raketten, die nu uit dienst worden genomen. Toegegeven, ze worden gedomineerd door een onopgelost probleem. Niet wetenschappelijk of technisch. CIAM heeft geen geld. Ze zijn zelfs niet beschikbaar voor de halfarme salarissen van werknemers.
Wat is het volgende? Nu zijn er slechts vier landen in de wereld die een volledige cyclus van vliegtuigmotoren bouwen - van fundamenteel onderzoek tot serieproductie. Dit zijn de VS, Engeland, Frankrijk en voorlopig Rusland. Dus er zouden er in de toekomst niet meer zijn - drie.
De Amerikanen investeren nu honderden miljoenen dollars in het scramjet-programma …
Figuur: 1. Schematisch diagram van een straalmotor (straalmotor): 1 - het centrale lichaam van de luchtinlaat, 2 - de keel van de luchtinlaat, 3 - de verbrandingskamer (CC), 4 - mondstuk met een kritische sectie. Witte pijlen geven de brandstoftoevoer aan. Het ontwerp van de luchtinlaat is zodanig dat de luchtstroom die erin is gekomen wordt geremd en onder hoge druk het compressorstation binnenkomt. Verbrandingsproducten die de verbrandingskamer verlaten, worden in een versmald mondstuk versneld tot de geluidssnelheid. Interessant is dat het mondstuk moet worden vergroot om de gassen verder te versnellen. Het voorbeeld met een rivier, wanneer de stroom versnelt evenredig met de versmalling van de oevers, is alleen geschikt voor subsonische stromen.
Figuur: 2. Schematisch diagram van een hypersonische straalmotor (scramjetmotor): 1 - CS, 2 - expanderend mondstuk. De CS begint niet achter de diffuser, zoals bij de straalmotor, maar vrijwel direct achter de keel van de luchtinlaat. Het brandstof-luchtmengsel verbrandt met supersonische snelheid. De verbrandingsproducten worden nog meer versneld in de expanderende straalpijp.
Figuur: 3. Schematisch diagram van een scramjetmotor met externe verbranding: 1 - brandstofinjectiepunt. Verbranding vindt plaats aan de buitenkant van de motor - de druk van de verbrandingsproducten is lager dan in een gesloten verbrandingskamer, maar de stuwkracht - de kracht die op de wanden van het casco inwerkt, is groter dan de frontale weerstand, die het apparaat in beweging zet.
Auteurs: Yuri SHIKHMAN, Vyacheslav SEMENOV, onderzoekers van het Central Institute of Aviation Motors
