Scramjet-Technologie – wie ein Hyperschall-Triebwerk entstand

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2023-12-16 16:01

Kampfrakete "Boden-Luft" sah etwas ungewöhnlich aus - ihre Nase wurde durch einen Metallkegel verlängert. Am 28. November 1991 hob es von einem Testgelände in der Nähe des Weltraumbahnhofs Baikonur ab und zerstörte sich hoch über dem Boden. Obwohl die Rakete kein Luftobjekt abschoss, wurde das Abschussziel erreicht. Zum ersten Mal weltweit wurde ein Hyperschall-Staustrahltriebwerk (Scramjet-Triebwerk) im Flug getestet.

Das Scramjet-Triebwerk oder, wie sie sagen, "hypersonic Direct-Flow" wird es ermöglichen, in 2 - 3 Stunden von Moskau nach New York zu fliegen und die geflügelte Maschine aus der Atmosphäre in den Weltraum zu verlassen. Ein Luft- und Raumfahrtflugzeug braucht kein Booster-Flugzeug wie bei Zenger (siehe TM, Nr. 1, 1991) oder eine Trägerrakete wie bei Shuttles und Buran (siehe TM Nr. 4, 1989), - Lieferung von Fracht in den Orbit kostet fast zehnmal billiger. Im Westen werden solche Tests frühestens in drei Jahren stattfinden …

Das Scramjet-Triebwerk ist in der Lage, das Flugzeug auf 15 - 25M zu beschleunigen (M ist die Mach-Zahl, in diesem Fall die Schallgeschwindigkeit in der Luft), während die stärksten Turbojet-Triebwerke, die mit modernen zivilen und militärischen Flügelflugzeugen ausgestattet sind, sind nur bis zu 3.5M. Schneller geht es nicht - die Lufttemperatur steigt, wenn die Strömung im Lufteinlass abgebremst wird, so stark an, dass die Turbokompressor-Einheit sie nicht verdichten und der Brennkammer (CC) zuführen kann. Es ist natürlich möglich, das Kühlsystem und den Kompressor zu verstärken, aber dann werden ihre Abmessungen und ihr Gewicht so stark zunehmen, dass Hyperschallgeschwindigkeiten nicht in Frage kommen - um vom Boden zu kommen.

Ein Staustrahltriebwerk arbeitet ohne Kompressor – die Luft vor der Kompressorstation wird durch ihren schnelllaufenden Druck komprimiert (Abb. 1). Der Rest ist im Prinzip der gleiche wie bei einem Turbojet - Verbrennungsprodukte, die durch die Düse austreten, beschleunigen die Vorrichtung.

Die Idee eines Staustrahltriebwerks, damals noch kein Hyperschall, wurde 1907 von dem französischen Ingenieur Rene Laurent vorgebracht. Aber sie haben erst viel später einen echten "Forward Flow" aufgebaut. Hier waren sowjetische Spezialisten an der Spitze.

1929 entwickelte einer von N. E. Zhukovskys Schülern, B. S. Stechkin (später Akademiker), die Theorie eines Luftstrahltriebwerks. Und dann, vier Jahre später, unter der Leitung des Konstrukteurs Yu. A. Pobedonostsev in der GIRD (Group for the Study of Jet Propulsion) wurde der Staustrahl nach Experimenten am Stand erstmals in die Luft geschickt.

Der Motor war in der Schale einer 76-mm-Kanone untergebracht und feuerte mit einer Überschallgeschwindigkeit von 588 m / s aus dem Lauf ab. Die Tests dauerten zwei Jahre. Projektile mit einem Staustrahltriebwerk entwickelten mehr als 2 Millionen - kein einziges Gerät der Welt flog damals schneller. Gleichzeitig schlugen, bauten und testeten die Girdoviten ein Modell eines pulsierenden Staustrahltriebwerks - sein Lufteinlass öffnete und schloss sich periodisch, wodurch die Verbrennung in der Brennkammer pulsierte. Ähnliche Triebwerke wurden später in Deutschland bei FAU-1-Raketen verwendet.

Die ersten großen Staustrahltriebwerke wurden von den sowjetischen Konstrukteuren I. A. Merkulov 1939 (Unterschall-Staustrahltriebwerk) und M. M. Bondaryuk 1944 (Überschall) wieder hergestellt. Seit den 40er Jahren begann am Central Institute of Aviation Motors (CIAM) die Arbeit zum Thema „Direct Flow“.

Einige Flugzeugtypen, einschließlich Raketen, waren mit Überschall-Staustrahltriebwerken ausgestattet. Bereits in den 50er Jahren wurde jedoch klar, dass bei M-Zahlen über 6 - 7 der Staustrahl wirkungslos ist. Auch hier ist, wie beim Turbojet-Triebwerk, die Luft, die vor der Verdichterstation abgebremst wurde, zu heiß hineingelangt. Es machte keinen Sinn, dies durch eine Erhöhung der Masse und Abmessungen des Staustrahltriebwerks zu kompensieren. Darüber hinaus beginnen sich bei hohen Temperaturen Moleküle von Verbrennungsprodukten zu dissoziieren und absorbieren Energie, die Schub erzeugen soll.

1957 erfand E. S. Shchetinkov, ein berühmter Wissenschaftler, der an den ersten Flugtests eines Staustrahltriebwerks teilnahm, ein Hyperschalltriebwerk. Ein Jahr später erschienen im Westen Veröffentlichungen über ähnliche Entwicklungen. Die Scramjet-Brennkammer beginnt fast unmittelbar hinter dem Lufteinlass und geht dann sanft in eine Aufweitdüse über (Abb. 2). Obwohl die Luft am Eingang verlangsamt wird, bewegt sie sich im Gegensatz zu früheren Triebwerken zur Kompressorstation, oder besser gesagt, rauscht mit Überschallgeschwindigkeit. Daher sind sein Druck auf die Kammerwände und die Temperatur viel niedriger als bei einem Staustrahltriebwerk.

Wenig später wurde ein Scramjet-Triebwerk mit externer Verbrennung vorgeschlagen (Abb. 3) In einem Flugzeug mit einem solchen Triebwerk wird der Treibstoff direkt unter dem Rumpf verbrennen, der als Teil der offenen Kompressorstation dienen wird. Natürlich wird der Druck in der Verbrennungszone geringer sein als in einer herkömmlichen Verbrennungskammer - der Triebwerksschub nimmt leicht ab. Aber die Gewichtszunahme wird ausfallen - der Motor wird die massive Außenwand der Kompressorstation und einen Teil des Kühlsystems los. Ein zuverlässiger "offener Direktfluss" ist zwar noch nicht geschaffen - seine schönste Stunde wird wahrscheinlich Mitte des XXI. Jahrhunderts kommen.

Kehren wir jedoch zum Scramjet-Triebwerk zurück, das am Vorabend des letzten Winters getestet wurde. Es wurde mit flüssigem Wasserstoff betrieben, der in einem Tank bei einer Temperatur von etwa 20 K (- 253°C) gespeichert wurde. Die Überschallverbrennung war vielleicht das schwierigste Problem. Wird Wasserstoff gleichmäßig über den Kammerabschnitt verteilt? Wird es Zeit haben, vollständig auszubrennen? Wie organisiert man die automatische Verbrennungssteuerung? - Sie können keine Sensoren in einer Kammer installieren, sie werden schmelzen.

Weder mathematische Modellierung auf superleistungsstarken Computern noch Prüfstandstests lieferten umfassende Antworten auf viele Fragen. Übrigens, um beispielsweise bei 8M einen Luftstrom zu simulieren, benötigt der Ständer einen Druck von Hunderten von Atmosphären und eine Temperatur von etwa 2500 K - flüssiges Metall in einem heißen Offenherdofen ist viel "kühler". Bei noch höheren Geschwindigkeiten kann die Motor- und Flugzeugleistung nur im Flug überprüft werden.

Es wird seit langem sowohl in unserem Land als auch im Ausland gedacht. In den 60er Jahren bereiteten die Vereinigten Staaten Tests eines Scramjet-Triebwerks an einem Hochgeschwindigkeits-Raketenflugzeug vom Typ X-15 vor, aber anscheinend fanden sie nie statt.

Das inländische experimentelle Scramjet-Triebwerk wurde im Dualmodus hergestellt - bei einer Fluggeschwindigkeit von mehr als 3 m funktionierte es als gewöhnlicher "direkter Fluss" und nach 5 - 6 m als Hyperschall. Dazu wurden die Orte der Brennstoffversorgung der Kompressorstation geändert. Die aus dem Dienst genommene Flugabwehrrakete wurde zum Triebwerksbeschleuniger und Träger des Hypersonic Flying Laboratory (HLL). Die GLL, die Kontrollsysteme, Messungen und Kommunikation mit dem Boden, einen Wasserstofftank und Treibstoffeinheiten umfasst, wurden an die Abteile der zweiten Stufe angedockt, wo nach dem Entfernen des Gefechtskopfes die Hauptmaschine (LRE) mit ihrem Treibstoff Panzer blieben. Die erste Stufe - Pulverbooster, - nachdem die Rakete von Anfang an zerstreut wurde, trennte sich nach wenigen Sekunden.

Am PI Baranov Central Institute of Aviation Motors wurden zusammen mit der Air Force, dem Fakel-Maschinenbau-Konstruktionsbüro, das seine Rakete in ein fliegendes Labor verwandelte, dem Sojus-Konstruktionsbüro in Tuyev und das Konstruktionsbüro Temp in Moskau, das den Motor und den Kraftstoffregler herstellte, und andere Organisationen. Die renommierten Luftfahrtspezialisten R. I. Kurziner, D. A. Ogorodnikov und V. A. Sosunov betreuten das Programm.

Um den Flug zu unterstützen, hat CIAM einen mobilen Flüssigwasserstoff-Betankungskomplex und ein bordeigenes Flüssigwasserstoff-Versorgungssystem geschaffen. Wenn flüssiger Wasserstoff heute als einer der vielversprechendsten Kraftstoffe gilt, kann die beim CIAM gesammelte Erfahrung im Umgang damit vielen nützlich sein.

… Die Rakete startete am späten Abend, es war schon fast dunkel. Wenige Augenblicke später verschwand der „Kegel“-Träger in tiefen Wolken. Es trat eine Stille ein, die im Vergleich zu dem anfänglichen Grollen unerwartet war. Die Tester, die beim Start dabei waren, dachten sich sogar: Ist wirklich alles schief gelaufen? Nein, der Apparat ging auf seinem vorgesehenen Weg weiter. In der 38. Sekunde, als die Geschwindigkeit 3,5 m erreichte, startete der Motor, Wasserstoff begann in den CC zu fließen.

Doch am 62. passierte wirklich das Unerwartete: Die automatische Abschaltung der Treibstoffzufuhr wurde ausgelöst – das Scramjet-Triebwerk schaltete ab. Dann, etwa um die 195. Sekunde, startete es automatisch wieder und arbeitete bis zur 200. … Es war zuvor als letzte Sekunde des Fluges festgelegt. In diesem Moment zerstörte sich die Rakete, während sie sich noch über dem Territorium des Testgeländes befand, selbst.

Die Höchstgeschwindigkeit betrug 6200 km / h (etwas mehr als 5,2 Millionen). Der Betrieb des Motors und seiner Systeme wurde von 250 Bordsensoren überwacht. Die Messungen wurden per Funktelemetrie an den Boden übermittelt.

Noch sind nicht alle Informationen verarbeitet, und eine detailliertere Geschichte über den Flug ist verfrüht. Doch schon jetzt ist klar, dass in wenigen Jahrzehnten die Piloten und Kosmonauten den „hypersonischen Vorwärtsfluss“reiten werden.

Von der Redaktion. Flugtests von Scramjet-Triebwerken auf dem X-30-Flugzeug in den USA und auf der Hytex in Deutschland sind für 1995 oder die nächsten Jahre geplant. Unsere Spezialisten könnten in naher Zukunft den "direkten Fluss" mit einer Geschwindigkeit von mehr als 10 m an mächtigen Raketen testen, die jetzt außer Dienst gestellt werden. Es stimmt, sie werden von einem ungelösten Problem dominiert. Nicht wissenschaftlich oder technisch. CIAM hat kein Geld. Sie stehen nicht einmal für die halben Bettlergehälter der Angestellten zur Verfügung.

Was weiter? Heute gibt es weltweit nur noch vier Länder, in denen der Bau von Flugzeugtriebwerken durchgängig ist – von der Grundlagenforschung bis zur Produktion von Serienprodukten. Das sind die USA, England, Frankreich und vorerst Russland. Es würde also in Zukunft keine mehr geben - drei.

Die Amerikaner investieren jetzt Hunderte Millionen Dollar in das Scramjet-Programm …