Motor ramjet hipersonic

Un motor hipersonic (scramjet) este o  variantă a unui motor ramjet (ramjet) conceput pentru a fi instalat pe aeronavele corespunzătoare care ating viteze hipersonice , care diferă de arderea supersonică obișnuită. La turații mari, pentru a menține eficiența motorului, este necesar să se evite decelerația puternică a aerului de intrare și să se ardă combustibil într-un curent de aer supersonic.

Descrierea ramjetului hipersonic

Limita superioară de viteză a unui ramjet hipersonic (scramjet) fără utilizarea unui oxidant suplimentar este estimată la M 12-24. Cercetările din cadrul proiectului Rockwell X-30 din anii 1980 au stabilit o limită superioară de viteză pentru funcționarea unui motor scramjet, corespunzătoare M17 în legătură cu asigurarea condițiilor de ardere în motor. Pentru comparație, cea mai rapidă aeronavă cu echipaj propulsat de motoarele cu turboreacție combinate supersonice Lockheed SR-71 „Blackbird” de la Lockheed atinge viteze nu mai mari decât M3.4. Spre deosebire de un motor de rachetă , un scramjet nu folosește oxidantul transportat împreună cu vehiculul, ci aerul atmosferic, deci are teoretic un indicator de eficiență a motorului mult mai mare - impuls specific în comparație cu majoritatea motoarelor de rachetă existente.

Asemenea unui ramjet supersonic, un ramjet hipersonic constă dintr-un conduct de aer având o îngustare - o admisie de aer , în care aerul care intră în ea la viteza de zbor a unei aeronave (LA) este încetinit și comprimat, o cameră de combustie , unde combustibilul este ars, o duză , prin care combustibil gazos produse de ardere la o viteză mai mare decât viteza de zbor, care creează tracțiunea motorului . La fel ca un ramjet supersonic, un ramjet hipersonic are puține sau deloc părți mobile. În special, îi lipsesc compresorul și turbina , care sunt prezente într-un motor turborreactor (TRD) și sunt cele mai scumpe părți ale unui astfel de motor, fiind în același timp o potențială sursă de probleme în timpul funcționării.

Pentru a opera un ramjet hipersonic, are nevoie de flux de aer supersonic pentru a trece prin el. Prin urmare, ca un ramjet supersonic, un ramjet hipersonic are o viteză minimă la care poate funcționa, aproximativ egală cu M7-8 [1] . Astfel, un dispozitiv cu un ramjet hipersonic are nevoie de o altă modalitate de a accelera la o viteză suficientă pentru funcționarea unui ramjet hipersonic . Un ramjet hibrid supersonic/hipersonic poate avea o viteză minimă de operare mai mică, iar unele surse indică faptul că aeronava hipersonică experimentală Boeing X-43 are un astfel de motor. Ultimele teste ale lui X-43 au fost efectuate cu ajutorul unui rachetă booster lansat de pe un avion de transport și accelerând acest dispozitiv la o viteză de 7,8M.

Vehiculele hipersonice sunt caracterizate de probleme asociate cu greutatea și designul lor și complexitatea operațională. Perspectiva motoarelor ramjet hipersonice este discutată în mod activ, în principal pentru că mulți dintre parametrii care vor determina în cele din urmă eficiența unei aeronave cu un astfel de motor rămân nesiguri. Acest lucru, în special, este asociat și cu costuri semnificative pentru testarea unor astfel de aeronave. Proiecte bine finanțate, cum ar fi X-30, au fost suspendate sau anulate până când au fost construite modele experimentale.

Istorie

Începând cu cel de -al Doilea Război Mondial, au fost depuse eforturi semnificative pentru cercetarea în domeniul atingerii vitezei mari de către avioanele cu reacție și avioanele rachete . În 1947, racheta experimentală Bell X-1 a făcut primul său zbor supersonic, iar până în 1960 au început să apară propuneri și proiecte pentru zboruri la viteze hipersonice. Cu excepția modelelor pentru avioane rachete, cum ar fi nord-americanul X-15 , care au fost special concepute pentru a atinge viteze mari, vitezele aeronavelor cu reacție au rămas în intervalul M1-3.

În anii 1950 și 1960 , au fost create și testate la sol diverse ramjet-uri hipersonice experimentale. În ceea ce privește transportul aerian civil, scopul principal al creării și utilizării motoarelor hipersonice ramjet a fost considerat mai degrabă o reducere a costurilor de operare decât o reducere a duratei zborurilor. Deoarece motoarele supersonice cu turboreacție sunt mai complicate decât cele subsonice, iar aeronavele supersonice sunt mai complicate și au o calitate aerodinamică mai scăzută decât cele subsonice, aeronavele supersonice echipate cu un motor turboreactor consumă semnificativ mai mult combustibil decât cele subsonice. Prin urmare, companiile aeriene comerciale au preferat să deservească companiile aeriene cu avioane subsonice cu fusă largă , mai degrabă decât cu cele supersonice ( Concorde și Tu-144 ). Rentabilitatea utilizării celui din urmă a fost abia sesizată, iar neprofitabilitatea zborurilor British Airways Concorde în timpul operațiunii sale a fost în medie de 40% [2] (excluzând zborurile subvenționate de guvern).

Una dintre principalele caracteristici ale aeronavelor militare este de a obține cea mai mare manevrabilitate și stealth, ceea ce este contrar aerodinamicii zborului hipersonic. În perioada 1986-1993, s-a făcut o încercare serioasă în Statele Unite de a crea un sistem spațial cu o singură etapă Rockwell X-30 (firma Rockwell International , proiect NASP, English  National Aero-Space Plane ) bazat pe un ramjet hipersonic, dar a esuat. Cu toate acestea, conceptul de zbor hipersonic nu a dispărut din scenă, iar cercetările la scară mai mică au continuat în ultimele două decenii. De exemplu, pe 15 iunie 2007, DARPA și Departamentul Australian de Apărare au raportat un zbor hipersonic de succes de 10M folosind o rachetă de amplificare pentru a atinge viteza minimă de operare la poligonul de rachete Woomera din centrul Australiei. În SUA, Pentagonul și NASA au format Strategia națională de hipersonică pentru a explora spectrul zborului hipersonic .  Marea Britanie , Australia , Franța , Rusia și India (proiectul RLV-TD ) au și ele propriile programe de cercetare, dar pentru 2009 nu a fost creat niciun dispozitiv „de lucru” cu un ramjet hipersonic - toate modelele și mostrele disponibile și testate sunt create ca parte a experimentelor prin cercetările lor.

În URSS , dezvoltarea unor astfel de sisteme a fost realizată de Institutul Central al Motoarelor de Aviație (CIAM) numit după P. I. Baranov, situat în orașul Moscova și Lytkarino . În anii 1970, au început lucrările la crearea unui ramjet hipersonic și a unui laborator zburător hipersonic (HLL) Kholod [3] bazat pe racheta S-200 , pe care a fost efectuat un test de zbor unic al unui ramjet hipersonic în Kazahstan la un viteza de 5,7 m. În acest moment, institutul lucrează la promițătoarele GLL „Igla” („Research hipersonic aircraft”) și „Kholod-2” cu un ramjet supersonic [4] .

Problema este agravată de eliberarea, adesea doar parțială, a materialelor clasificate anterior pe experimente care sunt ținute secrete, dar din care, totuși, se fac pretenții cu privire la obținerea de modele de motoare funcționale. În plus, există dificultăți în confirmarea fiabilității unor astfel de informații și, în special, a faptului de ardere supersonică și obținerea forței necesare. Astfel, cel puțin patru grupuri, care includ mai multe state și organizații, au temeiuri legitime pentru a pretinde că sunt „primele”.

Descriere comparativă

Un scramjet este un tip de motor conceput pentru a funcționa la viteze mari, care sunt mai frecvente în rachete decât în ​​aeronave. Principala diferență dintre un aparat cu un astfel de motor și o rachetă este că nu poartă un agent oxidant pentru funcționarea motorului, folosind aer atmosferic în acest scop. Avioanele convenționale cu motoare ramjet ( ramjet ), turbojet ( turbojet ), bypass turbofan ( dtvd ) și turbopropulsoare ( twt ) au aceeași proprietate - folosesc aer atmosferic - dar utilizarea lor este limitată la viteze subsonice și supersonice.

Motoarele turboreactor sunt eficiente la viteze subsonice și supersonice moderate, dar eficiența lor scade rapid odată cu creșterea vitezei de zbor la M>2. Acest lucru se explică prin faptul că la viteza de zbor supersonică, cu creșterea numărului Mach, temperatura de stagnare a fluxului de aer incident asupra motorului crește rapid. În motor, temperatura aerului crește la valori apropiate de temperatura de stagnare în timpul frânării și compresiei acestuia în admisia de aer. Într-un motor cu turboreacție, aerul este suplimentar comprimat și încălzit în compresor. Ca urmare, odată cu creșterea numărului M de zbor, temperatura aerului care intră în camera de ardere a motorului turboreactor crește. După camera de ardere, unde temperatura crește din cauza arderii combustibilului, un amestec de aer și produse de ardere este alimentat în turbină. Proprietățile de rezistență ale turbinei limitează temperatura maximă admisă a gazului la intrarea sa și, în același timp, cantitatea maximă de combustibil care poate fi furnizată și arsă în siguranță în camera de ardere a motorului cu turboreacție. Odată cu creșterea vitezei de zbor într-un motor cu turboreacție, este necesar să se reducă cantitatea de încălzire cu gaz în camera de ardere. O problemă suplimentară a motoarelor cu turboreacție este o scădere a debitului compresorului cu creșterea temperaturii aerului la intrarea acestuia. La o anumită viteză de zbor, acești factori duc la o scădere a forței motorului la zero. Cea mai mare viteză de funcționare a motorului poate fi mărită prin răcirea aerului care intră în colectorul de aer, folosind un post- arzător sau folosind o schemă hibridă de motor turboreactor / ramjet .

Aeronavele cu motoare ramjet sunt structural mai simple, deoarece un astfel de motor are mai puțină rezistență la trecerea aerului ( frecare ) și conține mai puține piese care trebuie să funcționeze la temperaturi ridicate. Datorită frecării mai mici, un motor ramjet poate oferi viteze mai mari, dar din cauza necesității ca volume mari de aer să intre în conducta de aer fără ajutorul unui compresor, viteza unui astfel de avion nu poate fi mai mică de 600 km / h . Pe de altă parte, schema de funcționare ramjet presupune decelerarea aerului de intrare la viteza subsonică pentru comprimarea acestuia, amestecarea cu combustibilul și arderea ulterioară. Acest proces duce la o creștere a problemelor împreună cu o creștere a vitezei aparatului - undele de șoc în timpul decelerării gazului care intră în motor la viteză supersonică duce la o creștere a frecării, care în cele din urmă devine imposibil de compensat prin împingerea motorului. . La fel ca și în cazul motoarelor cu turbină, acest proces este însoțit de o creștere a temperaturii , ceea ce reduce efectul arderii combustibilului. Pentru a menține performanța motorului, este necesar să se ia măsuri pentru a reduce frecarea și temperatura în acesta. În funcție de soluțiile de proiectare utilizate, precum și de tipul de combustibil utilizat, limita superioară de viteză pentru o aeronavă cu motor scramjet este de 4–8M.

Cea mai simplă versiune a unui ramjet hipersonic arată ca o pereche de pâlnii care sunt conectate între ele prin găuri înguste. Prima pâlnie servește ca o admisie a aerului, în partea cea mai îngustă aerul de intrare este comprimat, i se adaugă combustibil și amestecul este ars, ceea ce crește și mai mult temperatura și presiunea gazului. A doua pâlnie formează o duză prin care produsele de ardere se extind și creează tracțiune. O astfel de schemă permite scramjet-ului să elimine frecarea puternică și oferă o eficiență ridicată de ardere atunci când este utilizat la viteze de peste 8M, ceea ce se realizează prin menținerea unei viteze practic neschimbate a aerului care trece prin întregul motor. Deoarece, în comparație cu un scramjet, gazul care trece într-un scramjet hipersonic încetinește mai puțin, se încălzește mai puțin, iar arderea are loc mai eficient cu energie mai utilă (vezi legea lui Hess , legea lui Kirchhoff ). Principala dificultate a unei astfel de scheme este că combustibilul trebuie amestecat cu aer și ars într-un timp extrem de scurt și că orice încălcare a geometriei motorului va duce la o mulțime de frecare. Locația motorului scramjet sub caroseria (fuselajul) vehiculului este concepută pentru a transforma forța de frecare în portanță și pentru a crea o portanță suplimentară folosind evacuarea motorului. Aceasta formează portabilitatea în zborul hipersonic și determină proiectarea aeronavelor hipersonice.

Teorie

Orice ramjet hipersonic are injectoare de combustibil , o cameră de ardere , o duză și o admisie de aer care comprimă fluxul de aer care intră. Uneori, motorul este echipat și cu un suport de flacără , deși temperatura de stagnare a  curgerii în zona de focalizare a undei de densitate este suficient de mare pentru o ardere autonomă. Alte motoare folosesc aditivi piroforici , cum ar fi silanii , pentru a ocoli problemele de stabilitate a arderii. Un izolator este adesea folosit între admisia de aer și camera de ardere pentru a prelungi durata de viață a motorului.

În cazul unui scramjet, energia cinetică a aerului care intră în motor este mai mare decât energia eliberată ca urmare a arderii combustibilului în aerul atmosferic. La o viteză de 25 M, căldura degajată ca urmare a arderii combustibilului reprezintă aproximativ 10% din entalpia totală a fluxului. Indiferent de combustibilul utilizat, energia cinetică a aerului și energia termică utilă teoretică din arderea combustibilului se vor egala la aproximativ 8M. Astfel, proiectarea scramjet-ului are ca scop în primul rând reducerea frecării, mai degrabă decât creșterea forței.

Viteza mare face dificilă controlul debitului din interiorul camerei de ardere (CC). Deoarece fluxul de aer de intrare este supersonic, nu există o propagare inversă a proceselor care au loc în CS. Acest lucru nu permite reglarea împingerii prin modificarea dimensiunii admisiei duzei (CS). Mai mult, toate gazele supersonice care trec prin camera de ardere trebuie să se amestece cu combustibilul cu frecare minimă și să aibă suficient timp pentru a arde pentru a se extinde în duză și a crea forță. Acest lucru impune restricții severe asupra presiunii și temperaturii curgerii și necesită injecția și amestecarea combustibilului pentru a fi extrem de eficiente. Valorile presiunii de funcționare sunt în intervalul 20–200 kPa (0,2–2 atmosfere ) și, în același timp, presiunea este înțeleasă ca:

unde q este presiunea dinamică ; ρ ( ro ) este densitatea ; v este viteza .

Pentru a menține constantă viteza de ardere, presiunea și temperatura din motor trebuie să fie și ele constante. Acest lucru este problematic, deoarece controlul fluxului de aer într-un astfel de motor este imposibil din punct de vedere tehnic, ceea ce înseamnă limitarea înălțimii și vitezei sau a presiunii dinamice corespunzătoare, la care un anumit scramjet este capabil (intenționat) să funcționeze. Astfel, pentru a respecta această cerință, un astfel de aparat trebuie să câștige altitudine la accelerare. Traiectoria optimă de urcare și coborâre se numește traiectoria presiunii dinamice constante (TPDD, ing.  constant dynamic pressure path, CDPP ). Se crede că vehiculele cu motoare scramjet pot fi folosite până la o altitudine de 75 km [5] .

Comanda de injecție de combustibil este, de asemenea, o problemă de inginerie potențial dificilă. Una dintre posibilele scheme de circulație a combustibilului este următoarea: combustibilul este comprimat la 100 de atmosfere de o turbopompă, încălzită de fuzelaj, trece prin turbina pompei, iar apoi partea rămasă a presiunii este utilizată de injectoare pentru a injecta combustibil la o viteză mai mare decât viteza fluxului de aer care trece la baza camerei de ardere. Fluxurile de combustibil formează o structură asemănătoare unei rețele în fluxul de aer care trece. Turbulența ridicată din cauza vitezei mai mari a combustibilului duce la amestecarea suplimentară. În același timp, cu cât moleculele de combustibil sunt mai complexe (de exemplu, precum kerosenul), cu atât scramjetul trebuie să fie mai lung pentru a asigura arderea completă a combustibilului.

Numărul minim de Mach la care poate funcționa un motor scramjet este limitat de faptul că fluxul comprimat trebuie să fie suficient de fierbinte pentru a arde combustibilul și să aibă o presiune suficient de mare pentru a finaliza reacția înainte ca amestecul de aer să părăsească duza. Pentru a păstra motorul aparținând clasei scramjet, pentru a-și păstra proprietățile și stabilitatea de lucru, fluxul de gaz trebuie să mențină viteza supersonică în toate secțiunile traseului său în motor.

Gradul de compresie este direct legat de gradul de decelerare a debitului și determină limita inferioară de utilizare. Dacă gazul din motor încetinește la o viteză sub 1M, atunci motorul „se blochează”, generând unde de șoc , care sunt clar vizibile cu ochiul liber în experimente. O încetinire bruscă a fluxului de aer din motor poate duce la arderea accelerată în CS, care poate provoca distrugerea (inclusiv detonarea) scramjet-ului. Pe lângă compresie, limita inferioară de viteză este afectată și de o creștere a vitezei sunetului într-un gaz cu creșterea temperaturii. Din 2009, se crede că limita inferioară de viteză pentru utilizarea unui ramjet hipersonic „curat” este 6-8M [6] . Există proiecte de proiectare pentru motoare hibride scramjet/scramjet care presupun transformarea unui motor supersonic într-unul hipersonic la viteze M3–6 [7] și au o limită inferioară de viteză mai mică folosind arderea subsonică ca un scramjet.

Costul ridicat al testelor de zbor și imposibilitatea testelor la sol cu ​​drepturi depline împiedică dezvoltarea aviației hipersonice. Testele la sol sunt axate în principal pe simularea parțială a condițiilor de zbor și au fost efectuate în instalații criogenice, instalații gaz-dinamice bazate pe motoare de rachete, tuneluri de impact și generatoare de plasmă, dar toate simulează doar aproximativ zborul real [8] [9] . Abia recent, în dinamica fluidelor computaționale , s-au acumulat suficiente date experimentale pentru simularea realistă pe computer pentru a rezolva problemele de funcționare a vehiculelor cu motoare scramjet, și anume, pentru a modela stratul limită de aer, amestecând combustibilul cu fluxul de aer, două- fluxul de fază , separarea (separarea) fluxului, aerotermodinamica gaz real. Cu toate acestea, acest domeniu este încă subexplorat. În plus, simularea arderii limitate cinetic care implică combustibili cu reacție rapidă, cum ar fi hidrogenul , necesită o putere de calcul semnificativă. De regulă, modelele limitate sunt utilizate cu căutarea soluțiilor numerice ale „sistemelor rigide” de ecuații diferențiale , care necesită un pas mic de integrare și, prin urmare, necesită mult timp de calculator.

Cele mai multe experimente cu ramjet hipersonice rămân clasificate . Mai multe grupuri, inclusiv Marina SUA cu motorul SCRAM ( 1968 - 1974 ), Boeing cu aparatul Hyper-X , revendică zboruri reușite folosind motoare scramjet. India a raportat testarea unui ramjet hipersonic (SCRAMJET) în septembrie 2016 [10] .

Designul final ramjet hipersonic va fi probabil un motor hibrid cu o gamă extinsă de viteze de funcționare:

• scramjet / scramjet dual-mode, cu posibilitate de ardere subsonică și supersonică ("SGD");
• Scramjet folosit în plus față de un motor rachetă cu posibilitatea de a adăuga un oxidant suplimentar (GRD) la colectorul de aer.

GRE ar trebui să aibă o gamă mult mai mare de presiune dinamică și viteză admisă.

Avantajele și dezavantajele scramjetului

Răcire și materiale speciale

Spre deosebire de o rachetă convențională, care zboară rapid și aproape vertical prin atmosferă, sau de o aeronavă, care zboară cu o viteză mult mai mică, un vehicul hipersonic trebuie să urmeze o traiectorie care să asigure modul de funcționare a scramjet-ului, rămânând în atmosferă la hipersonic. viteză. Un vehicul scramjet are în cel mai bun caz un raport tracțiune-greutate mediocru, astfel încât accelerația sa este scăzută în comparație cu vehiculele de lansare . Astfel, timpul petrecut în atmosferă de un astfel de sistem spațial trebuie să fie semnificativ și să varieze între 15 și 30 de minute. Prin analogie cu protecția termică pentru frânarea aerodinamică a navetei spațiale în timpul reintrarii , și protecția termică a unui astfel de sistem ar trebui să fie semnificativă. Timpul total al aparatului în atmosferă la viteze hipersonice este mai lung în comparație cu capsula de retur de unică folosință, dar mai scurt decât naveta spațială.

Materialele mai noi oferă o bună răcire și protecție termică la temperaturi ridicate , dar tind să fie materiale ablative care se pierd treptat în utilizare, luând cu ele căldura. Astfel, cercetările se concentrează în principal pe răcirea activă a carcasei, în care agentul frigorific este forțat să circule în părțile „solicitate termic” ale carcasei, eliminând căldura din carcasă și prevenind distrugerea acesteia. De regulă, se propune utilizarea combustibilului ca lichid de răcire, în același mod în care motoarele de rachete moderne folosesc combustibil sau un oxidant pentru a răci duza și camera de ardere (CC). Adăugarea oricărui sistem complex de răcire adaugă greutate și reduce eficiența întregului sistem. Astfel, necesitatea unui sistem de răcire activ este un factor limitativ care reduce eficiența și perspectivele utilizării unui scramjet.

Greutatea și eficiența motorului

Performanța unui sistem spațial este legată în principal de greutatea lui de lansare. În mod obișnuit, un vehicul este proiectat pentru a maximiza raza de acțiune ( ), înălțimea orbitei ( ) sau fracțiunea de masă a sarcinii utile ( ) folosind un anumit motor și propulsor. Acest lucru duce la compromisuri între eficiența motorului, adică masa combustibilului, și complexitatea motorului, adică masa sa uscată, care poate fi exprimată astfel:

unde  este fracțiunea de masă fără combustibil, care include întreaga structură, inclusiv rezervoarele de combustibil și motoarele;  — proporția din masa de combustibil și oxidant, dacă acesta din urmă este utilizat, precum și masa acelor materiale care vor fi consumate în timpul zborului și sunt destinate exclusiv realizării acestui zbor;  - raportul de masă inițial, care este inversul fracției de sarcină utilă (PN) livrată la destinație.

Utilizarea unui motor scramjet crește masa motorului în comparație cu racheta și reduce proporția de combustibil . Prin urmare, este dificil de decis care dintre sistemele utilizate va avea un avantaj și va da o valoare mai mică de , ceea ce înseamnă o creștere a sarcinii utile cu aceeași masă de lansare. Susținătorii scramjet-ului susțin că reducerea greutății de lansare din cauza combustibilului va fi de 30%, iar creșterea datorată adăugării unui ramjet hipersonic va fi de 10%. Din păcate, incertitudinea în calculul oricărei mase într-un vehicul ipotetic este atât de mare încât modificări minore în predicțiile privind eficiența sau masa unui motor scramjet pot înclina greutatea fracțiunii ST într- o direcție sau alta. În plus, este necesar să se ia în considerare rezistența aerului sau frecarea configurației modificate. Frecarea aparatului poate fi considerată ca suma frecării aparatului în sine ( ) și frecarea scramjet-ului instalat ( ). Frecarea de instalare este obținută în mod tradițional din frecarea stâlpilor și debitul în motor în sine, care poate fi scris ca un factor de reducere a forței:

unde  este un multiplicator care ține cont de pierderile de rezistență a aerului și  este împingerea motorului fără frecare.

Dacă scramjet-ul este integrat în caroseria aerodinamică a vehiculului, se poate considera că frecarea motorului ( ) este diferența față de frecarea configurației de bază a vehiculului. Eficiența globală a motorului ( ing. ) poate fi reprezentată ca o valoare între 0 și 1 ( ) în termeni de impuls specific:

unde  este accelerația de cădere liberă pe suprafața pământului ;  - viteza aparatului;  — impuls specific;  — temperatura de ardere a combustibilului;  este forța netă și  este energia chimică disponibilă.

Impulsul specific este adesea folosit ca măsură a eficienței rachetei, deoarece în cazul LRE , de exemplu, există o relație directă între impulsul specific, consumul specific de combustibil ( ing. ) și viteza gazelor de eșapament. De obicei, valoarea impulsului specific este utilizată într-o măsură mai mică pentru motoarele de aeronave și, de asemenea, trebuie remarcat aici că în acest caz și sunt funcții ale vitezei curente a vehiculului. Impulsul specific al unui motor rachetă nu depinde de viteză, ci depinde de altitudine și atinge cele mai mari valori ale sale în vid, unde are o valoare maximă în cazul LRE-urilor oxigen-hidrogen, fiind de 360 ​​s la suprafață, și 450 s în vid ( SSME , RD-0120 ). Impulsul specific al unui scramjet are o relație inversă cu altitudinea și viteza, atingând o valoare maximă la o viteză minimă de 1200 s, care scade treptat odată cu creșterea vitezei, deși aceste estimări variază semnificativ în literatură. În cazul simplu al unui aparat cu o singură treaptă, fracția de masă a combustibilului poate fi exprimată după cum urmează:

care poate fi exprimat în cazul unui sistem spațial cu o singură etapă după cum urmează:

sau în cazul zborului aeronavei la viteză și altitudine constante:

unde  este raza de acțiune, care poate fi exprimată prin formula în termeni de rază Breguet :

 — coeficientul forței de ridicare ;  — coeficientul de rezistență aerodinamică . Ultima formulă permite implementarea unui sistem spațial cu o singură etapă.

Simplitatea designului

Avioanele hipersonice au puține sau deloc părți mobile. Majoritatea părților constitutive trec continuu una în cealaltă suprafețe. Cu simple pompe de combustibil și un aterizare sub forma unei aeronave în sine, dezvoltarea unui vehicul scramjet tinde să fie mai puțin intensivă în materiale și mai ușor de proiectat decât alte tipuri de sisteme spațiale.

Necesitatea unui sistem de propulsie suplimentar

O aeronavă hipersonică nu poate produce suficientă forță până când nu este accelerată la o viteză de M≈5, deși în funcție de proiectare, așa cum s-a menționat mai sus, este posibilă o variantă hibrid scramjet / scramjet care poate funcționa la o viteză mai mică. Cu toate acestea, o aeronavă cu decolare orizontală trebuie să fie echipată cu motoare turboreactor suplimentare sau motoare cu rachetă propulsate de rachetă pentru decolare și urcare și accelerare inițială. De asemenea, va avea nevoie de combustibil pentru aceste motoare cu toate sistemele de care au nevoie. Deoarece opțiunea cu motoare cu turboreacție grele nu va putea accelera până la o viteză de M> 3, este necesar să alegeți o altă metodă de accelerare în acest interval de viteză, și anume motoarele supersonice scramjet sau motoarele cu rachetă. De asemenea, vor trebui să aibă propriile lor combustibili și sisteme. În schimb, pentru etapa inițială a zborului, există propuneri de utilizare a primei etape sub formă de rachetă solidă , care se separă după atingerea unei viteze suficientă pentru funcționarea scramjet-ului. Se propune, de asemenea, utilizarea amplificatoarelor speciale pentru avioane.

Dificultatea testelor

Spre deosebire de sistemele de propulsie cu reacție și rachete, care pot fi testate la sol, testarea aeronavelor hipersonice necesită instalații experimentale sau instalații de lansare extrem de costisitoare, care duc la costuri mari de dezvoltare. Modelele experimentale lansate sunt de obicei distruse în timpul sau după testare, ceea ce exclude reutilizarea lor.

Cea mai testată cu succes este racheta rusă „ Zirkon ” (racheta a atins 8M când zbura la o altitudine de peste 20 km), a cărei a doua etapă are un motor ramjet. [unsprezece]

Radiatoare hipersonice nucleare

Un subgrup special de motoare scramjet sunt motoarele nucleare scramjet. Ca orice motor cu reacție nuclear , un motor cu reacție nucleară este echipat cu o cameră de încălzire a fluidului de lucru în loc de o cameră de ardere. De asemenea, spre deosebire de motoarele chimice scramjet, motoarele nucleare scramjet folosesc doar aerul atmosferic ca fluid de lucru. În consecință, în principiu, o aeronavă cu un scramjet nuclear nu are nevoie de rezerve la bord de fluid de lucru. Dar, ca un scramjet non-nuclear, un scramjet nuclear nu poate funcționa la viteze sub limita inferioară (aproximativ 4-5M).

Cu toate acestea, este posibil să se creeze un sistem de propulsie nucleară hipersonică (NPU) cu trei moduri. La viteze mult mai mici decât limita inferioară (și cu atât mai mult la viteze zero), o astfel de centrală nucleară funcționează în „modul rachetă”, folosind rezervele la bord ale fluidului de lucru.

La viteze semnificativ mai mari decât decolare și aterizare, dar insuficiente pentru funcționarea în modul scramjet, o astfel de centrală nucleară funcționează într-un „mod mixt”, parțial folosind aer atmosferic, parțial folosind alimentarea la bord a fluidului de lucru și proporția în acest caz depinde de viteza de zbor: cu cât viteza este mai mare, cu atât este mai mare proporția de aer atmosferic în fluidul de lucru și cu atât fluidul de lucru este alimentat mai puțin motorului din rezervele de la bord.

În cele din urmă, la viteze nu mai mici de 5M, NUCLEAR-ul funcționează în modul scramjet, folosind doar aer atmosferic. Desigur, „modul rachetă” și „modul mixt” sunt folosite numai ca decolare și aterizare și pentru accelerare până la viteza minimă de croazieră (în acest caz, aproximativ 5M), în timp ce modul scramjet este folosit în mod natural ca mod de croazieră. (Aeronavele aerospațiale nucleare folosesc „modul rachetă” ca croazieră numai în afara atmosferei.)

Ca urmare, nu este nevoie să echipați o aeronavă hipersonică nucleară cu o treaptă superioară suplimentară. Pe de altă parte, alimentarea efectivă la bord a fluidului de lucru pentru centrala nucleară de propulsie cu aceeași capacitate a rezervorului se dovedește a fi de două ori mai mare decât în ​​cazul unui sistem de propulsie cu propulsie chimică. De asemenea, ca motoare mici de manevră (inclusiv ca motoare de orientare) pe aeronavele aerospațiale, este posibil să se utilizeze motoare electrice cu rachete care utilizează același fluid de lucru ca și propulsia NUCLEAR. Adică, este posibil să se creeze o telecomandă combinată la bord (ODU).

Drept urmare, o aeronavă hipersonică nucleară se dovedește a fi relativ simplă din punct de vedere structural și tehnologic și, chiar și în ciuda masei relativ mari a centralei nucleare de mijloc, mai ușoară decât omologul său non-nuclear. De asemenea, motoarele cu rachete nucleare și electrice au potențial o viață operațională de ordin de mărime mai lungă decât motoarele cu reacție chimice (inclusiv motoarele cu rachetă și motoarele scramjet).

Astfel, crearea unei aeronave nucleare hipersonice sau aerospațiale se poate dovedi teoretic a fi o sarcină de proiectare mai simplă decât crearea unui analog non-nuclear și, în același timp, poate fi relativ ieftină (cea mai dificilă și mai costisitoare sarcină este crearea unei centrale nucleare hipersonice acceptabile la mijlocul zborului). De asemenea, o aeronavă nucleară hipersonică sau aerospațială se poate dovedi a fi mai simplă și mai ieftină de operat decât o aeronava nenucleară. Problemele siguranței în exploatare a unei astfel de aeronave (siguranța zborului, siguranța eliminării combustibilului nuclear uzat și a unităților nucleare scoase din timpul zborului) sunt, de asemenea, complet rezolvabile. .

Vezi și

• aeronave hipersonice
• Skylon
• SABRE
• Zircon
• X-15

Note

1. ↑ The Space Show: Broadcast 329 21 aprilie 2005 Allan Paull Arhivat pe 17 mai 2006 la Wayback Machine
2. ↑ Întrebări frecvente despre avioanele supersonice Concorde Arhivat 6 iunie 2010 la Wayback Machine 
3. ↑ GLL „Rece” . Consultat la 31 mai 2009. Arhivat din original pe 8 mai 2012. (nedefinit)
4. ↑ GLL-VK „Igla” . Consultat la 31 mai 2009. Arhivat din original pe 8 mai 2012. (nedefinit)
5. ↑ Hypersonic Aircraft Arhivat pe 12 februarie 2016 la Wayback Machine 
6. ↑ Paull, A.; Stalker, RJ, Mee, DJ Experimente de combustie supersonică cu ramjet într-un tunel de vânt.  // Jfm 296: 156-183 : jurnal. — 1995.  (Rusă) (engleză)
7. ↑ Voland RT, Auslender AH, Smart SM, Roudakov A., Semenov V. CIAM /NASA Mach 6.5 Scramjet Flight and Ground Experiments // AIAA 99-4848, oct. 1999.
8. ↑ Broșura Centrului Langley pentru testarea aeronavelor hipersonice într-o instalație cu plasmă cu arc electric. Arhivat din original pe 24 octombrie 2010.  (Engleză)
9. ↑ Broșura Centrului Langley pentru testarea aeronavelor hipersonice pe o instalație gazodinamică cu pompare termică. Arhivat din original pe 24 octombrie 2010.  (Engleză)
10. ↑ India testează motorul pentru a reduce costurile de lansare a rachetelor de zece ori . Consultat la 13 septembrie 2016. Arhivat din original la 13 septembrie 2016. (nedefinit)
11. ↑ Mass-media a raportat detaliile testelor rachetei hipersonice Zircon . Arhivat din original pe 2 mai 2017. Preluat la 19 septembrie 2017.

Link -uri

• Motoare Scramjet
• Billig, F. S. „SCRAM-A Supersonic Combustion Ramjet Missile”, lucrarea AIAA 93-2329, 1993.
• The Lab de la ABC - Lansarea Hyshot din 2002 .
• X-43A de la NASA
• Design de intrare cu geometrie variabilă pentru motorul cu reacție scram . Biroul de brevete și mărci comerciale din SUA . Consultat la 7 octombrie 2005. Arhivat din original la 31 martie 2012. (nedefinit)
• Povara respiratorului de aer . De ce respirația aerului nu este neapărat foarte bună pentru a ajunge pe orbită . Consultat la 27 decembrie 2005. Arhivat din original la 31 martie 2012. (nedefinit)
• Scramjet combustor development-fișier PDF

Dicționare și enciclopedii	Britannica (online)