Космічний літак злітно-посадкова смуга гіперзвукових реакторів Для науки
Мрія здійснити політ на літаку із швидкістю звуку, що перевищує десять разів, і вивести його на орбіту може незабаром здійснитися завдяки все ще експериментальному типу реактора - суперстато.
NAS-X-43A встановив рекорд швидкості для літака з уприскуванням повітря в листопаді 2004 року, що летів із швидкістю 9,6 маха, або понад 11000 кілометрів на годину.
Центр досліджень польотів NASA/Dryden
Інженери давно мріяли про літак, який злетів би з злітно-посадкової смуги, щоб отримати простір, а потім відпочити на землі, як винищувач X-Wing Люка Скайуокера у "Зоряних війнах". Однак ця мрія напрошується неминучим фактом: надходження кисню є важливим для спалення палива. Однак цей газ занадто розріджений у верхніх шарах атмосфери, щоб підтримувати горіння. Політ у космос, отже, вимагає при собі як окислювача, так і палива, як у випадку з ракетним двигуном. Це недолік: у поточних пускових установках більше половини початкової маси відповідає окислювачу та паливу на борту, щоб забезпечити згоряння, поки воно не вийде на орбіту. Надзвукові реактори, які називаються суперстатонами, обіцяють уникнення цієї перешкоди.
На відміну від ракети, яка вилітає вертикально, щоб отримати простір, машина, оснащена суперстатом, злетіла б, як літак, завдяки аеродинамічному підйому, створюваному крилами. Це зробило б його більш маневреним та безпечним - у разі переривання польоту літак міг би зависнути до землі. Звичайні реактори забезпечували б зліт і прискорення до надзвукової швидкості (швидкість звуку, або Мах 1, відповідає 1225 кілометрам на годину на рівні моря), а ретрансляція здійснювалась би струменем між Махом 3 і Махом 6. Суперстато потім перейміть в гіперзвуковому режимі, між 5 і 15 махами. Для порівняння, найшвидший літальний апарат, що існував, Чорний птах американських ВПС США, досягнув 3, 2 маха. Нарешті, невеликі ракети забезпечать останній короткий поштовх для виведення автомобіля на космічну орбіту.
Ці можливості зробили б революцію в аерокосмічній галузі. Літаки, обладнані суперстатонами, з'єднали б Париж із Сіднеєм лише за дві години. Вартість виходу на орбіту впаде, а подорож у космос стане звичайною. І військові, безсумнівно, виграли б.
Поняття суперстато не є новим. Принцип був запатентований у 1950-х роках, і до середини 1960-х років кілька прототипів були випробувані на місцях із швидкістю до 7,3 Маха. У 1980-х роках уряд США ініціював програму розробки космічного літака суперстато, але після інвестицій у майже 1,5 мільярда євро проект був скасований на тлі скорочення бюджету, що відбувся після закінчення холодної війни. Сьогодні багато команд у всьому світі намагаються подолати технічні труднощі, пов’язані з побудовою оперативних суперстато (див. Рамку на сторінці 82).
У 2004 році дослідницький літак x -43a за програмою nasa Hyper-x встановив рекорд швидкості під час двох польотів по кілька секунд - 6,8 та 3,6 маха. У цій статті ми зупинимось на проекті HyTech, розробленому ВПС США, заснованому на використанні рідких вуглеводнів як палива та як охолоджуючої рідини. Але щоб зрозуміти труднощі, пов’язані з розробкою функціонального суперстато, повернімось до його принципу роботи.
Суперстатоси належать до сімейства так званих аеробних реакторів, в основі яких лежить той самий принцип: атмосферне повітря захоплюється повітрозабірником, стискається, змішується з паливом, потім запалюється в камері згоряння. Розширення в соплі газів високого тиску та палаючих газів, що виникають в результаті цього згоряння, спричиняє тягу (температура та тиск газів падають на користь їх швидкості; іншими словами, теплова енергія газів перетворюється в енергію. кінетичний). Найвідоміший з аеробних реакторів - турбореактивний. Серія обертових лопатевих коліс всмоктує повітря і стискає його. Цей компресор приводиться в дію турбіною, що приводиться в рух газами, що виходять із камери згоряння. Поточні турбореактивні двигуни сягають близько 3 Мах; крім цього, температура, що досягається на виході з компресора та на вході в турбіну, перевищує опір багатьох рухомих частин.
Паливо, повітря, тяга
На щастя, з версії 2.5, компресор більше не потрібен: вхідний потік повітря настільки швидкий, що достатньої форми повітрозабірника достатньо, щоб уповільнити його та стиснути. Таким чином, у струменевого струменя немає рухомих частин, він просто складається з повітрозабірника, камери згоряння та сопла. Вхідне повітря сповільнюється до швидкості порядку 0,5 Маха і стискається. Потім інжектори вводять паливо в повітряний потік, і суміш спалюється. Гарячі вихлопні гази знову прискорюються до майже швидкості звуку при проходженні через вузьку шийку і розслабляються в соплі при досягненні надзвукової швидкості. Ретельно розроблена форма камери згоряння забезпечує стійкість до полум’я. Однак після Маха 5, уповільнення та нагрівання повітря на вході стає занадто великим, так що згоряння та ефективність двигуна знижуються. На практиці обмеження швидкості прямоточного струменя знаходиться між 5 і 6 Махами.
Для досягнення більш високих швидкостей польоту необхідно зменшити стиск і уповільнення потоку повітря, що надходить. Таким чином, у суперстатоці потік повітря залишається надзвуковим - порядку Маха 2 для літака x -43 - протягом усього процесу згоряння. Як і у струменевого струменя, суперстато не містить рухомих частин; схематично він має форму двох конусів, з'єднаних між собою трубкою. Під час польоту повітря, що надходить через повітрозабірник із надзвуковою швидкістю, сповільнюється, тисне і нагрівається. У вузьку горловину камери згоряння впорскується паливо і запалюється суміш. Вихлопні гази розширюються в соплі і лопаються зі швидкістю, більшою, ніж швидкість вхідного повітря. Контрольоване стиснення повітря дозволяє теоретично досягти швидкості порядку від 12 до 15 махів.
Подібно акулам, які повинні плавати, не зупиняючись, щоб циркулювати кисень по зябрах, суперстато, такий як пневматичний реактивний літак, повинен рухатися з такою швидкістю, яка достатня для надходження достатньої кількості повітря в повітрозабірник і щоб двигун міг працювати. Цієї мінімальної швидкості можна досягти лише за допомогою іншої рушійної системи, наприклад ракети або турбореактивного двигуна, що забезпечує запуск. Як тільки буде досягнута необхідна швидкість, суперстато можна буде задіяти на фазі польоту у верхні шари атмосфери, де ракета прийме на себе остаточне виведення на орбіту. Інтеграція цих різних циклів двигуна залежить від таких факторів, як корисне навантаження, цільова орбіта або відстань і швидкість атмосферного польоту.
Основною проблемою суперстато є управління запаленням та горінням. При маху 5 і більше Мах повітря проходить через реактор лише за кілька тисячних часток секунди, тому спалювання палива - це все одно, що намагатися спалити сірник посеред торнадо. Ретельне проектування системи впорскування та геометрії порожнини реактора теоретично дозволяє досить швидко здійснювати перемішування, зберігаючи поступовий та добре локалізований розвиток горіння. Контролюючи швидкість і тиск повітряного потоку, що надходить у камеру згоряння, а також кількість впорскуваного палива, таким чином можна підтримувати стабільне згоряння, а отже і тягу. Оскільки горюча суміш залишається надзвуковою, більше не потрібно її повторно прискорювати, як у струменевому струмені.
Друга велика складність - виділення тепла. Тертя гіперзвукового потоку повітря і згоряння нагрівають структуру реактора; це нагрівання може також сильно посилюватися локально ударними хвилями в потоці, які вражають конструкцію. Якби його повністю перетворили на теплову енергію, кінетичної енергії потоку повітря, що надходить, було б достатньо самостійно для розплавлення реактора. Однак без достатнього уповільнення повітря проходив би через реактор занадто швидко і при занадто низькій температурі для підтримання горіння.
Охолоджується власним паливом
Для вирішення цієї дилеми існує лише одне рішення: охолодити структуру реактора. Інженери придумали процес "активного охолодження". Саме паливо, що перекачується через мережу трубопроводів, утворених в структурі реактора, відповідає за поглинання та відведення тепла. Ця система також дозволяє попередньо нагріти паливо для швидшого запалювання. Активне охолодження давно застосовується на звичайних ракетах, в якості теплоносія використовується рідкий водень. Використання вуглеводнів складніше, оскільки під дією тепла вони легко розкладаються на твердий кокс і перекривають труби. Така система охолодження має інші недоліки, такі як вага та складність пристрою або той факт, що він повинен залишатися активним незалежно від катастрофічного нагрівання конструкції - при цьому паливо споживається як і коли.
Нарешті, оскільки температура та тиск вхідного повітряного потоку змінюються залежно від швидкості та висоти, внутрішня геометрія даного суперстато оптимізована лише для обмеженого набору цих параметрів польоту. В ідеалі форму та умови потоку слід адаптувати відповідно до прискорення та коливань висоти літака. На жаль, жодна рухома частина не витримала б пекельних умов всередині реактора. За сучасних станів знань у галузі матеріалознавства неможливо постійно модифікувати внутрішню гарячу поверхню двигуна та герметизувати канали, де циркулюють гарячі гази. Тому потенціал суперстато не може бути повністю використаний.
Незважаючи на ці перешкоди, дослідники досягли низки успіхів, які дають надію на те, що судно, що працює на суперстаті, скоро полетить. Один із них походить від програми HyTech американських ВПС, розпочатої у 1995 році. Учасники цього проекту поставили перед собою цілі, які апріорі доступні. Таким чином, вони працюють над розробкою невеликих одноразових суперстатів, які, наприклад, могли б оснастити ракети. Такі прототипи можуть бути випробувані в існуючих аеродинамічних трубах, і їх одноразове використання відкладає непросте питання про розробку конструкції багаторазового використання. Крім того, для спрощення пристрою дослідники вирішили обмежити робочий діапазон між 4 та 8 махами, що дало змогу зафіксувати геометрію потоку (це також вибір, зроблений для франко-німецького проекту. Russian wrr ). Нарешті, вони вирішили використовувати гас JP-7 як паливо та охолоджуючу рідину, спочатку використовуваний BlackBird sr 71. При тепловій рівновазі кількість палива, необхідного для поглинання тепла, не перевищує кількості, призначеної для згоряння. Дослідники хотіли досягти цього балансу на рівні 8 махів, і JP-7 виявився придатним для цієї мети.
Розрахунки показують, що для того, щоб силова рушійна установка з уприскуванням повітря була конкурентоспроможною з ракетним двигуном, вона повинна справно працювати приблизно на половині своєї максимальної швидкості. Однак при Mach 4 температура повітря, що надходить у камеру згоряння, занадто низька, щоб паливо самозаймалося. Інженери проекту HyTech віддали перевагу системі допомоги запалюванню на основі впорскування гарячого газу в повітряно-паливну суміш для полегшення горіння. Для більш високих швидкостей запуск і підтримання горіння простіший; це знову стає проблемою лише на дуже високих швидкостях, коли коротке перебування газів у двигуні перешкоджає згорянню.
Вже в 2003 році команда HyTech розробила компоненти двигуна, що відповідають поставленим цілям. Однак після тривалого періоду наземних випробувань зберігаються невизначеності щодо стабільності експлуатаційних характеристик при перехідних швидкостях, висоті або умовах потоку, важких для дослідження у аеродинамічній трубі. Нам доведеться почекати тестових польотів, щоб відповісти на ці запитання. У 2009 році ВПС США візьмуть активно охолоджуваний прототип суперстато з проекту HyTech у повітрі, використовуючи пускову установку sed (акронім для демонстратора двигуна суперстато), щоб оцінити його в польоті. Набір називається x -51 a .
Ставка на вуглеводні
Обрана геометрія фіксованого потоку для суперстату HyTech забезпечує компроміс між задовільним прискоренням у нижній частині діапазону швидкостей (від 4,5 до 7) і високою продуктивністю при крейсерській швидкості на граничній швидкості 7.
Двигун виготовлений здебільшого зі сталі та охолоджується внутрішнім потоком палива. Термостійка кераміка захищає передні кромки, які сприймають весь удар гарячого потоку, оскільки вони занадто вузькі для розміщення контурів охолодження. Щоб з’єднати охолоджувані деталі з тими, що не є, та запобігти нефазовому тепловому розширенню керамічних та металевих компонентів, що спотворює геометрію потоку, інженери розробили термостійкий вуглецево-вуглецевий композитний матеріал та прокладки із шпунтом і канавкою.
Важливе значення має використання палива jp -7 для живлення та охолодження суперстато. До цього часу більшість прототипів спалювали водень. Вуглеводні, безумовно, є менш реакційноздатними (вони легше запалюються), містять менше енергії на одиницю маси і переносять тепло менше, але вони легше кондиціонуються і забезпечують кращий вміст енергії в одиниці об’єму. Тому при еквівалентному вмісті енергії вони займають менше місця на борту, ніж водень. Більше того, їх використання широко розповсюджене в авіаційній промисловості, інфраструктура, необхідна для їх розподілу та обробки, вже існує.
Гас jp -7 також має вигідну властивість ендотермічно розкладатися. Зокрема, у присутності тепла та належного каталізатора він розпадається на простіші вуглецеві ланцюги та водень, поглинаючи до п’ятикратного його прихованого тепла (енергії, необхідної для переведення його з рідкого в рідкий стан). Газоподібний стан). Крім того, після цієї реакції паливо, яке стало газоподібним, містить на десять відсотків більше енергії в порівнянні з неопалюваним паливом. Нарешті, отримані легкі вуглеводні є більш реакційноздатними, що є перевагою для дуже короткої тривалості горіння.
Геометрія реактора та згоряння вуглеводнів в робочих умовах між Махом 4 і Махом 7 вже виконана. Система охолодження та термостійкі конструкції знаходяться під рукою. У 2009 році автомобіль x -51 розійдеться до швидкості, що дозволяє запалити суперстат, і випустить машину з надією підтвердити концепцію в польоті.
Припускаючи, що ці польоти є успішними, однак перед тим, як конкретні заявки стануть реальністю, ще потрібно буде вирішити кілька питань. Суперстатики повинні працювати в широкому діапазоні швидкостей. Газові турбіни ефективні майже до 4 Мах, а основні ракети приблизно від 15 Маха. Понад цю швидкість і на достатньо низькій висоті, щоб суперстато зібрав достатньо повітря, нагрів стає нестерпним. Отже, інженери повинні розробити суперстати, які працюють у максимально широкому діапазоні від 4 до 15 махів. Для певних застосувань, таких як орбітальна площина, двигун повинен змішуватися з низьким числом оборотів. Тому його різні режими доведеться частково перекривати, щоб забезпечити поступовий перехід. Надмірна вага, спричинена подвійною моторизацією, також є основною проблемою.
X -51 a з фіксованою внутрішньою геометрією не може працювати на низьких швидкостях. Двигуни зі змінною геометрією будуть потрібні, щоб він міг летіти нижче 4. Маху. У цьому сенсі інженери розробили прототип розетки на двигуні HyTech, де рухомі стулки змінюють аеродинамічну конфігурацію.
Паливо також обмежує використання суперстато до меж його робочого діапазону. X -51a працює лише після того, як достатня кількість тепла призвела до того, що паливо JP-7 перейшло в газоподібний стан. На низьких швидкостях камери згоряння наступного покоління можуть спочатку потребувати подачі рідкого палива, яке на більш високих швидкостях переходить у газову фазу. Той факт, що рідина в 1000 разів щільніше газу, ускладнює подачу та стабілізацію горіння під час переходу від рідкого палива до газоподібного. Однак ця опція була успішно протестована на компонентах у рамках проекту HyTech. На іншому кінці діапазону швидкостей проблема полягає в іншому: з одного боку, рушійні характеристики швидко падають, з іншого боку, теплоємність керозинів, навіть JP-7, зменшується із наближенням швидкості. Щоб літати швидше, потрібно буде розробити кардинально різне паливо та термостійкі компоненти, або відступити, незважаючи на все на водню, незважаючи на пов'язані з цим логістичні труднощі.
Початковою метою програми HyTech було створення невеликих пристроїв, що запускаються з літаків, таких як ракети. Для тривалих гіперзвукових і навіть космічних подорожей знадобляться набагато більші пристрої. Програма Міністерства оборони США «Сокіл» та Надійна програма ВПС Суперстато, запущені в 2003 році, займаються двигунами, які мають більшу потужність і в 100 разів перевищують потужність, ніж прототипи HyTech. З подальшим прогресом ми сподіваємось побачити в найближчі десятиліття зоряні кораблі, подібні до винищувачів у Зоряних війнах.
2- Бортовий струмінь (від 2,5 до 5 махів)
Суперстатореактори належать до сімейства аеробних реакторів, які виробляють тягу, спалюючи суміш палива та повітря, що падає під тиском, і викидаючи продукти згоряння назад.