Il missile da combattimento "superficie-aria" sembrava alquanto insolito: il suo naso era allungato da un cono di metallo. Il 28 novembre 1991, si è lanciata da un sito di prova vicino al cosmodromo di Baikonur e si è autodistrutta in alto sopra il suolo. Sebbene il missile non abbia abbattuto alcun oggetto aereo, l'obiettivo di lancio è stato raggiunto. Per la prima volta al mondo, è stato testato in volo un motore ipersonico ramjet (motore scramjet).
Il motore scramjet o, come si dice, "flusso ipersonico in avanti" ti permetterà di volare da Mosca a New York in 2-3 ore, lasciare la macchina alata dall'atmosfera nello spazio. Un aereo aerospaziale non avrà bisogno di un aereo ausiliario, come per Zenger (vedere TM, n. 1, 1991), o un veicolo di lancio, come per le navette e Buran (vedere TM N. 4, 1989), - la consegna del carico in orbita costerà quasi dieci volte meno. In Occidente, tali test si svolgeranno non prima di tre anni dopo …
Il motore scramjet è in grado di accelerare il velivolo fino a 15-25 M (M è il numero di Mach, in questo caso la velocità del suono nell'aria), mentre i più potenti motori a turbogetto, che sono equipaggiati con moderni aerei alati civili e militari, sono solo fino a 3,5 M. Non funziona più velocemente: la temperatura dell'aria, quando il flusso nella presa d'aria viene decelerato, aumenta così tanto che il gruppo turbocompressore non è in grado di comprimerlo e alimentarlo nella camera di combustione (CC). È possibile, ovviamente, rafforzare il sistema di raffreddamento e il compressore, ma le loro dimensioni e il loro peso aumenteranno così tanto che le velocità ipersoniche saranno fuori questione - per decollare.
Un motore ramjet funziona senza compressore: l'aria davanti alla stazione di compressione viene compressa a causa della sua prevalenza (Fig.1). Il resto, in linea di principio, è lo stesso di un turbogetto: i prodotti della combustione, che fuoriescono dall'ugello, accelerano l'apparato.
L'idea di un ramjet, allora non ancora ipersonico, fu avanzata nel 1907 dall'ingegnere francese Rene Laurent. Ma hanno costruito un vero "flusso in avanti" molto più tardi. Qui gli specialisti sovietici erano in testa.
Per prima cosa, nel 1929, uno degli studenti di N. E. Zhukovsky, BS Stechkin (in seguito un accademico), creò la teoria di un motore a getto d'aria. E poi, quattro anni dopo, sotto la guida del designer Yu. A. Pobedonostsev presso il GIRD (Jet Propulsion Study Group), dopo gli esperimenti allo stand, il ramjet è stato inviato per la prima volta in volo.
Il motore era alloggiato nel guscio di un cannone da 76 mm e sparava dalla canna a una velocità supersonica di 588 m / s. I test sono durati due anni. I proiettili con un motore ramjet sviluppato più di 2M - nessun altro aereo al mondo volava più veloce in quel momento. Allo stesso tempo, i Girdovites hanno proposto, costruito e testato un modello di un motore a getto di rame pulsante: la sua presa d'aria periodicamente aperta e chiusa, a seguito della quale la combustione nella camera di combustione pulsava. Motori simili furono successivamente utilizzati in Germania sui razzi FAU-1.
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I primi grandi motori ramjet furono nuovamente creati dai progettisti sovietici I. A. Merkulov nel 1939 (motore subsonico ramjet) e M. M. Bondaryuk nel 1944 (supersonico). Dagli anni '40 sono iniziati i lavori sul "flusso diretto" presso l'Istituto Centrale di Aviation Motors (CIAM).
Alcuni tipi di aerei, inclusi i missili, erano dotati di motori a getto supersonico. Tuttavia, negli anni '50 divenne chiaro che con numeri M superiori a 6-7, il ramjet è inefficace. Anche in questo caso, come nel caso del motore a turbogetto, l'aria frenata davanti alla stazione del compressore è entrata troppo calda. Non aveva senso compensare ciò aumentando la massa e le dimensioni del motore a getto d'inchiostro. Inoltre, ad alte temperature, le molecole dei prodotti della combustione iniziano a dissociarsi, assorbendo l'energia destinata a creare spinta.
Fu allora nel 1957 che E. S. Shchetinkov, un famoso scienziato, partecipante ai primi test di volo di un motore a reazione, inventò un motore ipersonico. Un anno dopo, in Occidente apparvero pubblicazioni su sviluppi simili. La camera di combustione dello scramjet inizia quasi immediatamente dietro la presa d'aria, quindi passa dolcemente in un ugello ad espansione (Fig. 2). Sebbene l'aria sia rallentata all'ingresso, a differenza dei motori precedenti, si sposta nella stazione di compressione, o meglio, si precipita a velocità supersonica. Pertanto, la sua pressione sulle pareti della camera e la temperatura sono molto inferiori rispetto a un motore ramjet.
Poco dopo, è stato proposto un motore scramjet a combustione esterna (Fig.3) In un aereo con un tale motore, il carburante brucerà direttamente sotto la fusoliera, che servirà come parte del CS aperto. Naturalmente, la pressione nella zona di combustione sarà inferiore rispetto a un combustore convenzionale: la spinta del motore diminuirà leggermente. Ma ottieni un aumento di peso: il motore eliminerà l'enorme parete esterna della stazione del compressore e parte del sistema di raffreddamento. È vero, non è stato ancora creato un "flusso diretto aperto" affidabile: la sua ora migliore arriverà probabilmente a metà del XXI secolo.
Torniamo, invece, al motore scramjet, che è stato testato alla vigilia dello scorso inverno. Era alimentato da idrogeno liquido immagazzinato in un serbatoio ad una temperatura di circa 20 K (- 253 ° C). La combustione supersonica era forse il problema più difficile. L'idrogeno sarà distribuito uniformemente sulla sezione trasversale della camera? Avrà tempo per esaurirsi completamente? Come organizzare il controllo automatico della combustione? - non puoi installare sensori nella camera, si scioglieranno.
Né la modellazione matematica su computer ultra potenti, né i test al banco hanno fornito risposte esaurienti a molte domande. A proposito, per simulare un flusso d'aria, ad esempio a 8 M, il supporto richiede una pressione di centinaia di atmosfere e una temperatura di circa 2500 K - il metallo liquido in un forno caldo a focolare aperto è molto più freddo. A velocità ancora più elevate, le prestazioni del motore e dell'aeromobile possono essere verificate solo in volo.
È stato pensato per molto tempo sia qui che all'estero. Negli anni '60, gli Stati Uniti stavano preparando i test di un motore scramjet su un aereo a razzo X-15 ad alta velocità, tuttavia, a quanto pare, non ebbero luogo.
Il motore scramjet sperimentale domestico è stato reso dual-mode - a una velocità di volo superiore a 3M, ha funzionato come un normale "flusso diretto", e dopo 5 - 6M - come ipersonico. Per questo, i luoghi di approvvigionamento di carburante alla stazione di compressione sono stati modificati. Il missile antiaereo rimosso dal servizio divenne l'acceleratore del motore e il vettore del laboratorio di volo ipersonico (HLL). GLL, compresi i sistemi di controllo, misurazione e comunicazione con il suolo, un serbatoio di idrogeno e unità di carburante, sono stati ancorati ai compartimenti del secondo stadio, dove, dopo la rimozione della testata, è rimasto il motore principale (LRE) con i suoi serbatoi di carburante. Il primo stadio - i booster di polvere, - dopo aver disperso il razzo dall'inizio, si è separato dopo pochi secondi.
Missile antiaereo con scramjet alla rampa di lancio (la foto viene pubblicata per la prima volta).
I test al banco e la preparazione per il volo sono stati effettuati presso il P. I. Baranov Central Institute of Aviation Motors (CIAM) insieme all'Air Force, l'ufficio di progettazione ingegneristica Fakel, che ha trasformato il suo razzo in un laboratorio volante, l'ufficio di progettazione Soyuz a Tuyev e l'ufficio di progettazione Temp a Mosca, che ha prodotto il motore e il regolatore del carburante e altre organizzazioni. Il programma è stato supervisionato dai noti specialisti dell'aviazione R. I. Kurziner, D. A. Ogorodnikov e V. A. Sosunov.
Per supportare il volo, CIAM ha creato un complesso mobile di rifornimento di idrogeno liquido e un sistema di rifornimento di idrogeno liquido a bordo. Ora, quando l'idrogeno liquido è considerato uno dei combustibili più promettenti, l'esperienza di maneggiarlo, accumulata al CIAM, può essere utile a molti.
… Il razzo lanciato in tarda serata, era già quasi buio. In pochi istanti il portatore del "cono" scomparve tra le nuvole basse. Ci fu un silenzio inaspettato rispetto al rombo iniziale. I tester che hanno assistito alla partenza hanno anche pensato: è andato davvero tutto storto? No, l'apparato ha continuato sul percorso previsto. Al 38 ° secondo, quando la velocità ha raggiunto 3,5 M, il motore si è avviato, l'idrogeno ha iniziato a fluire nel CC.
Ma il 62, l'imprevisto è accaduto davvero: lo spegnimento automatico dell'alimentazione di carburante ha funzionato - il motore scramjet si è spento. Quindi, a circa il 195esimo secondo, si è riavviato automaticamente e ha funzionato fino al 200esimo … Era stato precedentemente determinato come l'ultimo secondo del volo. In questo momento, il razzo, mentre era ancora sul territorio del sito di prova, si è autodistrutto.
La velocità massima era di 6200 km / h (poco più di 5,2 M). Il motore e i suoi sistemi sono stati monitorati da 250 sensori di bordo. Le misurazioni sono state trasmesse a terra tramite telemetria radio.
Non tutte le informazioni sono state ancora elaborate e una storia più dettagliata sul volo è prematura. Ma è già chiaro ora che tra qualche decennio i piloti e i cosmonauti cavalcheranno il "flusso ipersonico in avanti".
Dall'editor. I test di volo dei motori scramjet sugli aerei X-30 negli Stati Uniti e su Hytex in Germania sono previsti per il 1995 o per i prossimi anni. I nostri specialisti, tuttavia, potrebbero in un prossimo futuro testare il "flusso diretto" a una velocità superiore a 10 M su potenti missili, che ora vengono ritirati dal servizio. È vero, sono dominati da un problema irrisolto. Non scientifico o tecnico. CIAM non ha soldi. Non sono nemmeno disponibili per gli stipendi da mendicante dei dipendenti.
Qual è il prossimo? Ora ci sono solo quattro paesi al mondo che hanno un ciclo completo di costruzione di motori aeronautici: dalla ricerca fondamentale alla produzione in serie. Questi sono gli Stati Uniti, l'Inghilterra, la Francia e, per ora, la Russia. Quindi non ce ne sarebbero più stati in futuro - tre.
Gli americani stanno ora investendo centinaia di milioni di dollari nel programma scramjet …
Figura: 1. Schema schematico di un motore ramjet (motore ramjet): 1 - il corpo centrale della presa d'aria, 2 - la gola della presa d'aria, 3 - la camera di combustione (CC), 4 - ugello con una sezione critica. Le frecce bianche indicano l'erogazione del carburante. Il design della presa d'aria è tale che il flusso d'aria che è entrato è inibito ed entra nella stazione del compressore ad alta pressione. I prodotti della combustione, uscendo dalla camera di combustione, vengono accelerati in un ugello ristretto alla velocità del suono. È interessante notare che l'ugello deve essere espanso per accelerare ulteriormente i gas. L'esempio con un fiume, quando la corrente accelera in proporzione al restringimento degli argini, è adatto solo per flussi subsonici.
Figura: 2. Schema schematico di un motore ramjet ipersonico (motore scramjet): 1 - CS, 2 - ugello espandibile. Il CS inizia non dietro il diffusore, come nel motore ramjet, ma quasi immediatamente dietro la gola della presa d'aria. La miscela aria-carburante brucia a velocità supersonica. I prodotti della combustione vengono ulteriormente accelerati nell'ugello espandente.
Figura: 3. Schema schematico di un motore scramjet a combustione esterna: 1 - punto di iniezione del carburante. La combustione avviene all'esterno del motore - la pressione dei prodotti della combustione è inferiore rispetto a una camera di combustione chiusa, ma la spinta - la forza che agisce sulle pareti della cellula, è maggiore della resistenza frontale, che mette in movimento l'apparato.
Autori: Yuri SHIKHMAN, Vyacheslav SEMENOV, ricercatori dell'Istituto centrale dei motori dell'aviazione
