Tecnologia Scramjet - como um motor hipersônico foi criado

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Última modificação: 2023-12-16 16:14

O míssil de combate "superfície-ar" parecia um tanto incomum - seu nariz era alongado por um cone de metal. Em 28 de novembro de 1991, ele decolou de um local de teste próximo ao cosmódromo de Baikonur e se autodestruiu bem acima do solo. Embora o míssil não tenha abatido nenhum objeto aéreo, o alvo de lançamento foi alcançado. Pela primeira vez no mundo, um motor ramjet hipersônico (motor scramjet) foi testado em vôo.

O motor scramjet, ou, como se costuma dizer, "fluxo direto hipersônico" permitirá voar de Moscou a Nova York em 2 a 3 horas, deixando a máquina alada da atmosfera para o espaço. Um avião aeroespacial não precisará de um avião auxiliar, como para Zenger (ver TM, nº 1, 1991), ou um veículo de lançamento, como para ônibus espaciais e Buran (ver TM nº 4, 1989), - entrega de carga em órbita vai custar quase dez vezes mais barato. No Ocidente, esses testes ocorrerão dentro de três anos …

O motor scramjet é capaz de acelerar a aeronave para 15-25M (M é o número Mach, neste caso, a velocidade do som no ar), enquanto os motores turbojato mais potentes, que são equipados com modernas aeronaves aladas civis e militares, são apenas até 3,5M. Não funciona mais rápido - a temperatura do ar, quando o fluxo na entrada de ar é desacelerado, sobe tanto que o turbocompressor não consegue comprimi-la e abastecê-la para a câmara de combustão (CC). É possível, claro, fortalecer o sistema de refrigeração e o compressor, mas então suas dimensões e peso aumentarão tanto que as velocidades hipersônicas estarão fora de questão - para decolar.

Um motor ramjet funciona sem compressor - o ar na frente da estação do compressor é comprimido devido à sua pressão de alta velocidade (Fig. 1). O resto, em princípio, é igual ao de um turbojato - os produtos da combustão, que escapam pelo bico, aceleram o aparelho.

A ideia de um motor ramjet, então ainda não hipersônico, foi apresentada em 1907 pelo engenheiro francês Rene Laurent. Mas eles criaram um verdadeiro "fluxo para a frente" muito mais tarde. Aqui, os especialistas soviéticos estavam na liderança.

Primeiro, em 1929, um dos alunos de N. E. Zhukovsky, B. S. Stechkin (mais tarde um acadêmico), criou a teoria de um motor a jato de ar. E então, quatro anos depois, sob a liderança do designer Yu. A. Pobedonostsev no GIRD (Grupo para o Estudo da Propulsão a Jato), após experimentos no estande, o ramjet foi colocado em vôo pela primeira vez.

O motor foi alojado no casco de um canhão de 76 mm e disparado do cano a uma velocidade supersônica de 588 m / s. Os testes duraram dois anos. Projéteis com motor ramjet desenvolveram mais de 2M - nenhum dispositivo no mundo voou mais rápido naquela época. Ao mesmo tempo, os Girdovites propuseram, construíram e testaram um modelo de motor ramjet pulsante - sua entrada de ar era aberta e fechada periodicamente, como resultado a combustão na câmara de combustão pulsava. Motores semelhantes foram usados mais tarde na Alemanha nos foguetes FAU-1.

Os primeiros grandes motores ramjet foram criados novamente pelos designers soviéticos I. A. Merkulov em 1939 (motor ramjet subsônico) e M. M. Bondaryuk em 1944 (supersônico). Desde a década de 40, os trabalhos de "fluxo direto" começaram no Instituto Central de Motores de Aviação (CIAM).

Alguns tipos de aeronaves, incluindo mísseis, foram equipados com motores ramjet supersônicos. No entanto, na década de 50, tornou-se claro que, com números M excedendo 6 - 7, o ramjet é ineficaz. Novamente, como no caso do motor turbojato, o ar que foi freado na frente da estação do compressor entrou muito quente. Não fazia sentido compensar isso aumentando a massa e as dimensões do motor ramjet. Além disso, em altas temperaturas, as moléculas dos produtos da combustão começam a se dissociar, absorvendo a energia destinada a criar o impulso.

Foi então em 1957 que E. S. Shchetinkov, um famoso cientista, um participante dos primeiros testes de voo de um motor a jato, inventou um motor hipersônico. Um ano depois, publicações sobre desenvolvimentos semelhantes apareceram no Ocidente. A câmara de combustão scramjet começa quase imediatamente atrás da entrada de ar e, em seguida, passa suavemente para um bocal de expansão (Fig. 2). Embora o ar seja desacelerado na entrada, ao contrário dos motores anteriores, ele se move para a estação do compressor, ou melhor, corre em velocidade supersônica. Portanto, sua pressão nas paredes da câmara e a temperatura são muito mais baixas do que em um motor ramjet.

Um pouco mais tarde, foi proposto um motor scramjet com combustão externa (Fig. 3) Em uma aeronave com tal motor, o combustível queimará diretamente sob a fuselagem, que servirá como parte da estação de compressão aberta. Naturalmente, a pressão na zona de combustão será menor do que em uma câmara de combustão convencional - o empuxo do motor diminuirá ligeiramente. Mas o ganho de peso vai acabar - o motor vai se livrar da enorme parede externa da estação do compressor e parte do sistema de refrigeração. É verdade que um "fluxo direto aberto" confiável ainda não foi criado - seu melhor momento provavelmente virá em meados do século XXI.

Voltemos, porém, ao motor scramjet, que foi testado na véspera do inverno passado. Era alimentado por hidrogênio líquido armazenado em um tanque a uma temperatura de cerca de 20 K (- 253 ° C). A combustão supersônica foi talvez o problema mais difícil. O hidrogênio será distribuído uniformemente pela seção da câmara? Haverá tempo para queimar completamente? Como organizar o controle automático de combustão? - você não pode instalar sensores em uma câmara, eles vão derreter.

Nem a modelagem matemática em computadores superpotentes, nem os testes de bancada forneceram respostas abrangentes para muitas perguntas. A propósito, para simular um fluxo de ar, por exemplo, a 8M, o estande requer uma pressão de centenas de atmosferas e uma temperatura de cerca de 2500 K - o metal líquido em um forno de lareira aberta é muito mais "frio". Em velocidades ainda mais altas, o desempenho do motor e da aeronave só pode ser verificado em vôo.

Há muito que é pensado tanto no nosso país como no estrangeiro. Na década de 60, os Estados Unidos preparavam testes de um motor scramjet em uma aeronave-foguete de alta velocidade X-15, mas, aparentemente, eles nunca aconteceram.

O motor scramjet experimental doméstico foi feito de modo duplo - em uma velocidade de vôo superior a 3M, funcionou como um "fluxo direto" comum, e após 5 - 6M - como um hipersônico. Para isso, foram trocados os locais de abastecimento de combustível da estação de compressão. O míssil antiaéreo, que está sendo retirado de serviço, tornou-se o acelerador do motor e o porta-aviões do laboratório de vôo hipersônico (HLL). Os GLL, que incluem sistemas de controle, medições e comunicação com o solo, tanque de hidrogênio e unidades de combustível, foram atracados nos compartimentos da segunda etapa, onde, após a retirada da ogiva, o motor principal (LRE) com seu combustível tanques permaneceram. O primeiro estágio - propulsores de pó, - tendo dispersado o foguete desde o início, se separou após alguns segundos.

Os testes de bancada e a preparação para o voo foram realizados no PI Baranov Instituto Central de Motores de Aviação, junto com a Força Aérea, o Fakel machine building design bureau, que transformou seu foguete em um laboratório voador, o Soyuz design bureau em Tuyev e o gabinete de projeto Temp em Moscou, que fabricava o motor, o regulador de combustível e outras organizações. Os conhecidos especialistas em aviação R. I. Kurziner, D. A. Ogorodnikov e V. A. Sosunov supervisionaram o programa.

Para apoiar o voo, o CIAM criou um complexo móvel de reabastecimento de hidrogênio líquido e um sistema de abastecimento de hidrogênio líquido a bordo. Agora, quando o hidrogênio líquido é considerado um dos combustíveis mais promissores, a experiência em manuseá-lo, acumulada no CIAM, pode ser útil a muitos.

… O foguete foi lançado tarde da noite, já estava quase escuro. Alguns momentos depois, o portador do "cone" desapareceu em nuvens baixas. Houve um silêncio inesperado em comparação com o estrondo inicial. Os testadores que assistiram ao início até pensaram: será que tudo realmente deu errado? Não, o aparelho continuou em seu caminho pretendido. No 38º segundo, quando a velocidade atingiu 3,5M, o motor deu partida, o hidrogênio começou a fluir para o CC.

Mas, no dia 62, o inesperado realmente aconteceu: foi acionado o desligamento automático do abastecimento de combustível - desligou o motor scramjet. Então, por volta do 195º segundo, ele reiniciou automaticamente e funcionou até o 200º … Foi previamente determinado como o último segundo do vôo. Neste momento, o foguete, ainda sobre o território do local de teste, se autodestruiu.

A velocidade máxima foi de 6200 km / h (um pouco mais de 5,2M). O funcionamento do motor e de seus sistemas era monitorado por 250 sensores de bordo. As medições foram transmitidas por rádio telemetria ao solo.

Nem todas as informações foram processadas ainda, e uma história mais detalhada sobre o vôo é prematura. Mas já está claro agora que em algumas décadas os pilotos e cosmonautas vão montar o "fluxo hipersônico para a frente".

Do editor. Os testes de vôo de motores scramjet na aeronave X-30 nos EUA e no Hytex na Alemanha estão planejados para 1995 ou nos próximos anos. Nossos especialistas poderiam, em um futuro próximo, testar o "fluxo direto" a uma velocidade de mais de 10M em poderosos mísseis, que agora estão sendo retirados de serviço. É verdade que eles são dominados por um problema não resolvido. Não é científico ou técnico. O CIAM não tem dinheiro. Eles nem mesmo estão disponíveis para os salários miseráveis dos funcionários.

Qual é o próximo? Agora, existem apenas quatro países no mundo que têm um ciclo completo de construção de motores de aeronaves - da pesquisa básica à produção de produtos em série. São Estados Unidos, Inglaterra, França e, por enquanto, Rússia. Portanto, não haveria mais deles no futuro - três.

Os americanos agora estão investindo centenas de milhões de dólares no programa scramjet …