Pocisk bojowy „ziemia-powietrze” wyglądał nieco nietypowo - jego nos został wydłużony metalowym stożkiem. 28 listopada 1991 r. Wystrzelił z miejsca testowego w pobliżu kosmodromu Bajkonur i uległ samozniszczeniu wysoko nad ziemią. Chociaż pocisk nie zestrzelił żadnego obiektu powietrznego, cel wyrzutu został osiągnięty. Po raz pierwszy na świecie przetestowano w locie hipersoniczny silnik strumieniowy (silnik scramjet).
Silnik scramjet, czyli jak to mówią „hipersonic forward flow”, pozwoli na przelot z Moskwy do Nowego Jorku w 2 - 3 godziny, pozostawienie skrzydlatej maszyny z atmosfery w kosmos. Samolot lotniczy nie będzie potrzebował samolotu wspomagającego, jak w przypadku Zengera (patrz TM, nr 1, 1991), ani pojazdu nośnego, jak w przypadku promów i Buran (patrz TM Nr 4, 1989), - dostawa ładunku na orbitę będzie kosztować prawie dziesięciokrotnie taniej. Na Zachodzie takie testy odbędą się nie wcześniej niż trzy lata później …
Silnik scramjet jest w stanie rozpędzić samolot do 15-25M (M to liczba Macha, w tym przypadku prędkość dźwięku w powietrzu), podczas gdy najpotężniejsze silniki turboodrzutowe, które są wyposażone w nowoczesne samoloty cywilne i wojskowe, mają tylko do 3,5M. Szybciej nie działa - temperatura powietrza, gdy przepływ w zasysaniu jest spowolniony, rośnie na tyle, że turbosprężarka nie jest w stanie jej skompresować i wprowadzić do komory spalania (CC). Można oczywiście wzmocnić układ chłodzenia i kompresor, ale wtedy ich wymiary i waga wzrosną na tyle, że nie będzie już mowy o prędkościach hipersonicznych - oderwać się od ziemi.
Silnik strumieniowy pracuje bez kompresora - powietrze przed stacją sprężarek jest sprężane dzięki wysokości podnoszenia (rys. 1). Reszta w zasadzie taka sama jak dla turboodrzutowego - produkty spalania uciekające przez dyszę przyspieszają działanie aparatu.
Pomysł śmigłowca, wówczas jeszcze nie naddźwiękowego, został przedstawiony w 1907 roku przez francuskiego inżyniera Rene Laurenta. Jednak znacznie później zbudowali prawdziwy „przepływ naprzód”. Tutaj na czele byli sowieccy specjaliści.
Najpierw w 1929 roku jeden z uczniów N. E. Żukowskiego, B. S. Stechkin (późniejszy akademik), stworzył teorię silnika odrzutowego. A potem, cztery lata później, pod kierownictwem projektanta Yu. A. Pobedonostseva w GIRD (Grupa Badań nad Napędem Odrzutowym), po eksperymentach na stoisku, odrzutowiec został po raz pierwszy wysłany w powietrze.
Silnik mieścił się w skorupie armaty 76 mm i strzelał z lufy z prędkością ponaddźwiękową 588 m / s. Testy trwały dwa lata. Pociski z silnikiem odrzutowym miały więcej niż 2M - żaden inny samolot na świecie nie latał w tym czasie szybciej. W tym samym czasie Girdovici zaproponowali, zbudowali i przetestowali model pulsującego silnika strumieniowego - jego wlot powietrza okresowo otwierał się i zamykał, w wyniku czego pulsowało spalanie w komorze spalania. Podobne silniki były później używane w Niemczech w rakietach FAU-1.
Film promocyjny:
Pierwsze duże silniki odrzutowe zostały ponownie stworzone przez radzieckich konstruktorów I. A. Merkulova w 1939 roku (poddźwiękowy silnik odrzutowy) i M. M. Bondaryuka w 1944 roku (naddźwiękowy). Od lat czterdziestych prace nad „przepływem bezpośrednim” rozpoczęły się w Centralnym Instytucie Motoryzacji Lotniczych (CIAM).
Niektóre typy samolotów, w tym pociski, były wyposażone w naddźwiękowe silniki odrzutowe. Jednak już w latach 50. stało się jasne, że przy liczbach M przekraczających 6-7, strumień odrzutowy jest nieskuteczny. Ponownie, podobnie jak w przypadku silnika turboodrzutowego, zahamowane powietrze przed stacją sprężarek dostało się do niej za gorąco. Nie było sensu kompensować tego przez zwiększenie masy i wymiarów silnika odrzutowego. Ponadto w wysokich temperaturach cząsteczki produktów spalania zaczynają się dysocjować, pochłaniając energię przeznaczoną do wytworzenia ciągu.
Wtedy to w 1957 roku E. S. Shchetinkov, słynny naukowiec, uczestnik pierwszych prób w locie silnika odrzutowego, wynalazł silnik hipersoniczny. Rok później na Zachodzie pojawiły się publikacje o podobnych wydarzeniach. Komora spalania typu scramjet zaczyna się niemal bezpośrednio za wlotem powietrza, po czym płynnie przechodzi do rozszerzającej się dyszy (rys. 2). Chociaż powietrze jest spowolnione na wejściu do niego, w przeciwieństwie do poprzednich silników, przenosi się do stacji sprężarek, a raczej pędzi z prędkością naddźwiękową. Dlatego jego ciśnienie na ściankach komory i temperatura są znacznie niższe niż w silniku strumieniowym.
Nieco później zaproponowano silnik typu scramjet ze spalaniem zewnętrznym (rys. 3), dla samolotu z takim silnikiem paliwo będzie spalane bezpośrednio pod kadłubem, który będzie stanowił część otwartej stacji sprężarek. Oczywiście ciśnienie w strefie spalania będzie mniejsze niż w konwencjonalnej komorze spalania - ciąg silnika nieznacznie spadnie. Ale zyskujesz na wadze - silnik pozbędzie się masywnej zewnętrznej ściany stacji sprężarek i części układu chłodzenia. To prawda, że nie powstał jeszcze niezawodny „otwarty przepływ bezpośredni” - jego najwspanialsza godzina nadejdzie prawdopodobnie w połowie XXI wieku.
Wróćmy jednak do silnika scramjet, który był testowany w przeddzień zeszłej zimy. Paliwem był ciekły wodór przechowywany w zbiorniku w temperaturze około 20 K (- 253 ° C). Prawdopodobnie najtrudniejszym problemem było spalanie naddźwiękowe. Czy wodór będzie równomiernie rozprowadzany w przekroju komory? Czy będzie miał czas, aby całkowicie się wypalić? Jak zorganizować automatyczną kontrolę spalania? - nie można zainstalować czujników w komorze, będą się topić.
Ani modelowanie matematyczne na ultra-wydajnych komputerach, ani testy laboratoryjne nie dostarczyły wyczerpujących odpowiedzi na wiele pytań. Nawiasem mówiąc, aby zasymulować przepływ powietrza np. Przy 8M, stanowisko wymaga ciśnienia setek atmosfer i temperatury ok. 2500 K - ciekły metal w gorącym piecu paleniskowym jest znacznie „chłodniejszy”. Przy jeszcze wyższych prędkościach osiągi silnika i samolotu można zweryfikować tylko w locie.
Myślano o tym przez długi czas zarówno tutaj, jak i za granicą. W latach 60. Stany Zjednoczone przygotowywały testy silnika scramjet na szybkim samolocie rakietowym X-15, jednak najwyraźniej nie miały one miejsca.
Krajowy eksperymentalny silnik scramjet wykonano dwusystemowo - przy prędkości lotu przekraczającej 3 m pracował jako normalny „przepływ bezpośredni”, a po 5 - 6 m - jako hipersoniczny. W tym celu zmieniono miejsca podawania paliwa do tłoczni. Wycofywany z eksploatacji pocisk przeciwlotniczy stał się akceleratorem silnika i nośnikiem hipersonicznego laboratorium latającego (HLL). GLL wraz z układami sterowania, pomiarami i łącznością z ziemią, zbiornikiem wodoru i zespołami paliwowymi zadokowano do przedziałów drugiego stopnia, gdzie po usunięciu głowicy pozostał silnik główny (LRE) wraz ze zbiornikami paliwa. Etap pierwszy - dopalacze prochu - po rozproszeniu rakiety od startu rozdzielił się po kilku sekundach.
Pocisk przeciwlotniczy ze scramjetem na wyrzutni (zdjęcie ukazuje się po raz pierwszy).
Testy stanowiskowe i przygotowania do lotu odbyły się w Centralnym Instytucie Motorów Lotniczych im. P. I. Baranowa (CIAM) wraz z Siłami Powietrznymi, biurem projektowym Fakel, które zamieniło jego rakietę w latające laboratorium, biurze projektowym Sojuz w Tuyev oraz biurze projektowym Temp w Moskwie, które wyprodukowało silnik. oraz regulator paliwa i inne organizacje. Nad programem czuwali wybitni specjaliści lotniczy R. I. Kurziner, D. A. Ogorodnikov i V. A. Sosunov.
Aby wesprzeć lot, CIAM stworzył mobilny kompleks tankowania ciekłego wodoru oraz pokładowy system zasilania w ciekły wodór. Teraz, gdy ciekły wodór jest uważany za jedno z najbardziej obiecujących paliw, doświadczenie w obchodzeniu się z nim nagromadzone w CIAM może być przydatne dla wielu.
… Rakieta wystartowała późnym wieczorem, było już prawie ciemno. Po kilku chwilach nosiciel „stożka” zniknął w niskich chmurach. Zapadła cisza, która była nieoczekiwana w porównaniu z początkowym hukiem. Testerzy, którzy obserwowali start, pomyśleli nawet: czy naprawdę wszystko poszło nie tak? Nie, urządzenie nadal poruszało się po zamierzonej drodze. W 38 sekundzie, gdy prędkość osiągnęła 3,5 m, silnik ruszył, wodór zaczął napływać do CC.
Ale 62. naprawdę wydarzyło się nieoczekiwane: zadziałało automatyczne odcięcie dopływu paliwa - wyłączył się silnik scramjet. Następnie, około 195. sekundy, automatycznie uruchomił się ponownie i działał do 200. … Poprzednio był określony jako ostatnia sekunda lotu. W tym momencie rakieta, znajdując się jeszcze nad terytorium miejsca testowego, uległa samozniszczeniu.
Maksymalna prędkość wynosiła 6200 km / h (nieco ponad 5,2 mln). Silnik i jego układy były monitorowane przez 250 czujników pokładowych. Pomiary zostały przesłane na ziemię za pomocą telemetrii radiowej.
Nie wszystkie informacje zostały jeszcze przetworzone, a bardziej szczegółowa historia lotu jest przedwczesna. Ale już teraz jest jasne, że za kilka dziesięcioleci piloci i kosmonauci będą płynąć „hipersonicznym naprzód”.
Od redaktora. Próby w locie silników scramjet na samolotach X-30 w Stanach Zjednoczonych i Hytex w Niemczech planowane są na 1995 rok lub kilka następnych lat. Nasi specjaliści mogliby jednak w niedalekiej przyszłości przetestować „bezpośredni przepływ” z prędkością ponad 10 m na potężnych pociskach, które są obecnie wycofywane ze służby. To prawda, że dominuje w nich nierozwiązany problem. Nie naukowe ani techniczne. CIAM nie ma pieniędzy. Nie są one dostępne nawet dla pół-żebraczych pensji pracowników.
Co dalej? Obecnie tylko cztery kraje na świecie mają pełny cykl budowy silników lotniczych - od badań podstawowych po produkcję seryjną. Są to Stany Zjednoczone, Anglia, Francja i na razie Rosja. Więc w przyszłości nie będzie ich więcej - trzy.
Amerykanie inwestują teraz setki milionów dolarów w program scramjet …
Postać: 1. Schemat ideowy silnika strumieniowego (silnika strumieniowego): 1 - centralny korpus wlotu powietrza, 2 - gardziel wlotu powietrza, 3 - komora spalania (CC), 4 - dysza z odcinkiem krytycznym. Białe strzałki wskazują dostawę paliwa. Konstrukcja wlotu powietrza jest taka, że przepływ powietrza, który do niego dostał, jest hamowany i wpływa do tłoczni pod wysokim ciśnieniem. Produkty spalania opuszczające komorę spalania przyspieszane są w zwężonej dyszy do prędkości dźwięku. Co ciekawe, dyszę trzeba rozszerzyć, aby jeszcze bardziej przyspieszyć gazy. Przykład z rzeką, w której prąd przyspiesza proporcjonalnie do zwężania się brzegów, jest odpowiedni tylko dla przepływów poddźwiękowych.
Postać: 2. Schemat ideowy hipersonicznego silnika strumieniowego (silnika scramjet): 1 - CS, 2 - rozprężna dysza. CS zaczyna się nie za dyfuzorem, jak w silniku odrzutowym, ale prawie bezpośrednio za wlotem powietrza. Mieszanka paliwowo-powietrzna pali się z prędkością ponaddźwiękową. Produkty spalania są jeszcze bardziej przyspieszane w rozszerzającej się dyszy.
Postać: 3. Schemat ideowy silnika scramjet ze spalaniem zewnętrznym: 1 - punkt wtrysku paliwa. Spalanie odbywa się na zewnątrz silnika - ciśnienie produktów spalania jest mniejsze niż w zamkniętej komorze spalania, ale ciąg - siła działająca na ściany płatowca jest większa niż opór czołowy, który wprawia urządzenie w ruch.
Autorzy: Yuri SHIKHMAN, Vyacheslav SEMENOV, badacze z Centralnego Instytutu Motoryzacji Lotniczej