Tecnología Scramjet: cómo se creó un motor hipersónico

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Última modificación: 2023-12-16 16:02

El misil de combate "tierra-aire" parecía algo inusual: su nariz estaba alargada por un cono de metal. El 28 de noviembre de 1991, despegó de un sitio de prueba cerca del cosmódromo de Baikonur y se autodestruyó muy por encima del suelo. Aunque el misil no derribó ningún objeto aéreo, se logró el objetivo de lanzamiento. Por primera vez en el mundo, se probó en vuelo un motor ramjet hipersónico (motor scramjet).

El motor scramjet, o, como dicen, el "flujo directo hipersónico" permitirá volar de Moscú a Nueva York en 2 - 3 horas, dejar la máquina alada de la atmósfera al espacio. Un avión aeroespacial no necesitará un avión propulsor, como para Zenger (ver TM, No. 1, 1991), o un vehículo de lanzamiento, como para lanzaderas y Buran (ver TM No. 4, 1989), - entrega de carga a la órbita costará casi diez veces más barato. En Occidente, tales pruebas se llevarán a cabo no antes de tres años …

El motor scramjet es capaz de acelerar la aeronave a 15 - 25M (M es el número de Mach, en este caso, la velocidad del sonido en el aire), mientras que los turborreactores más potentes, que están equipados con modernas aeronaves aladas civiles y militares, son solo hasta 3,5M. No funciona más rápido: la temperatura del aire, cuando se desacelera el flujo en la entrada de aire, aumenta tanto que la unidad del turbocompresor no puede comprimirlo y suministrarlo a la cámara de combustión (CC). Es posible, por supuesto, fortalecer el sistema de enfriamiento y el compresor, pero luego sus dimensiones y peso aumentarán tanto que las velocidades hipersónicas estarán fuera de discusión: despegar del suelo.

Un motor estatorreactor funciona sin un compresor: el aire en frente de la estación del compresor se comprime debido a su presión de alta velocidad (Fig. 1). El resto, en principio, es el mismo que para un turborreactor: los productos de combustión, que escapan por la boquilla, aceleran el aparato.

La idea de un estatorreactor, entonces todavía no hipersónico, fue propuesta en 1907 por el ingeniero francés Rene Laurent. Pero construyeron un verdadero "flujo hacia adelante" mucho más tarde. Aquí los especialistas soviéticos iban a la cabeza.

Primero, en 1929, uno de los estudiantes de N. E. Zhukovsky, B. S. Stechkin (más tarde un académico), creó la teoría de un motor a reacción. Y luego, cuatro años más tarde, bajo el liderazgo del diseñador Yu. A. Pobedonostsev en el GIRD (Grupo para el Estudio de la Propulsión a Reacción), después de experimentos en el stand, el estatorreactor fue enviado por primera vez en vuelo.

El motor estaba alojado en el armazón de un cañón de 76 mm y disparado desde el cañón a una velocidad supersónica de 588 m / s. Las pruebas se prolongaron durante dos años. Los proyectiles con un motor estatorreactor se desarrollaron más de 2M; ni un solo dispositivo en el mundo voló más rápido en ese momento. Al mismo tiempo, los girdovitas propusieron, construyeron y probaron un modelo de un estatorreactor pulsante: su entrada de aire se abría y cerraba periódicamente, como resultado de lo cual la combustión en la cámara de combustión pulsaba. Más tarde, en Alemania se utilizaron motores similares en cohetes FAU-1.

Los primeros grandes motores ramjet fueron creados nuevamente por los diseñadores soviéticos I. A. Merkulov en 1939 (motor ramjet subsónico) y M. M. Bondaryuk en 1944 (supersónico). A partir de los años 40 se inició el trabajo de "flujo directo" en el Instituto Central de Motores de Aviación (CIAM).

Algunos tipos de aviones, incluidos los misiles, estaban equipados con motores ramjet supersónicos. Sin embargo, allá por los años 50 quedó claro que con números M superiores a 6 - 7, el ramjet es ineficaz. Nuevamente, como en el caso del motor turborreactor, el aire que se frenaba frente a la estación de compresión entró demasiado caliente. No tenía sentido compensar esto aumentando la masa y las dimensiones del motor ramjet. Además, a altas temperaturas, las moléculas de los productos de combustión comienzan a disociarse, absorbiendo energía destinada a generar empuje.

Fue entonces en 1957 que E. S. Shchetinkov, un científico famoso, participante en las primeras pruebas de vuelo de un motor ramjet, inventó un motor hipersónico. Un año después, aparecieron publicaciones sobre desarrollos similares en Occidente. La cámara de combustión scramjet comienza casi inmediatamente detrás de la entrada de aire, luego pasa suavemente a una boquilla expansiva (Fig. 2). Aunque el aire se ralentiza en la entrada a él, a diferencia de los motores anteriores, se mueve hacia la estación de compresión, o mejor dicho, corre a velocidad supersónica. Por lo tanto, su presión sobre las paredes de la cámara y la temperatura son mucho más bajas que en un motor estatorreactor.

Un poco más tarde, se propuso un motor scramjet con combustión externa (Fig. 3) En una aeronave con dicho motor, el combustible se quemará directamente debajo del fuselaje, que servirá como parte de la estación de compresión abierta. Naturalmente, la presión en la zona de combustión será menor que en una cámara de combustión convencional: el empuje del motor disminuirá ligeramente. Pero el aumento de peso resultará: el motor se deshará de la pared exterior masiva de la estación del compresor y parte del sistema de enfriamiento. Es cierto que aún no se ha creado un "flujo directo abierto" confiable; su mejor momento probablemente llegará a mediados del siglo XXI.

Volvamos, sin embargo, al motor scramjet, que se probó la víspera del invierno pasado. Fue alimentado por hidrógeno líquido almacenado en un tanque a una temperatura de aproximadamente 20 K (-253 ° C). La combustión supersónica fue quizás el problema más difícil. ¿El hidrógeno se distribuirá uniformemente sobre la sección de la cámara? ¿Tendrá tiempo de agotarse por completo? ¿Cómo organizar el control automático de la combustión? - No se pueden instalar sensores en una cámara, se derretirán.

Ni los modelos matemáticos en computadoras superpoderosas ni las pruebas de banco proporcionaron respuestas completas a muchas preguntas. Por cierto, para simular un flujo de aire, por ejemplo, a 8 M, el soporte requiere una presión de cientos de atmósferas y una temperatura de aproximadamente 2500 K; el metal líquido en un horno de hogar abierto caliente es mucho más "frío". A velocidades aún más altas, el rendimiento del motor y la aeronave solo se puede verificar en vuelo.

Se ha pensado durante mucho tiempo tanto en nuestro país como en el exterior. En los años 60, Estados Unidos estaba preparando pruebas de un motor scramjet en un avión cohete X-15 de alta velocidad, sin embargo, aparentemente, nunca se llevaron a cabo.

El motor scramjet experimental doméstico se fabricó en modo dual: a una velocidad de vuelo superior a 3M, funcionó como un "flujo directo" ordinario, y después de 5 - 6M - como hipersónico. Para ello, se cambiaron los lugares de suministro de combustible a la estación compresora. El misil antiaéreo, que está siendo retirado de servicio, se convirtió en el acelerador del motor y el portador del laboratorio de vuelo hipersónico (HLL). Los GLL, que incluyen sistemas de control, medidas y comunicación con el suelo, un tanque de hidrógeno y unidades de combustible, fueron atracados a los compartimentos de la segunda etapa, donde, luego de la remoción de la ojiva, el motor principal (LRE) con su combustible. Quedaron tanques. La primera etapa, propulsores de pólvora, después de haber dispersado el cohete desde el principio, se separó después de unos segundos.

Las pruebas de banco y la preparación para el vuelo se llevaron a cabo en el Instituto Central de Motores de Aviación PI Baranov, junto con la Fuerza Aérea, la oficina de diseño de construcción de máquinas de Fakel, que convirtió su cohete en un laboratorio de vuelo, la oficina de diseño Soyuz en Tuyev y la oficina de diseño Temp en Moscú, que fabricó el motor y el regulador de combustible, y otras organizaciones. Los reconocidos especialistas en aviación R. I. Kurziner, D. A. Ogorodnikov y V. A. Sosunov supervisaron el programa.

Para respaldar el vuelo, CIAM creó un complejo de reabastecimiento de hidrógeno líquido móvil y un sistema de suministro de hidrógeno líquido a bordo. Ahora, cuando el hidrógeno líquido es considerado como uno de los combustibles más prometedores, la experiencia de manejarlo acumulada en el CIAM puede ser útil para muchos.

… El cohete se lanzó a última hora de la noche, ya estaba casi oscuro. Unos momentos después, el portador "cono" desapareció en las nubes bajas. Hubo un silencio que fue inesperado comparado con el estruendo inicial. Los probadores que vieron el inicio incluso pensaron: ¿realmente todo salió mal? No, el aparato siguió su camino previsto. En el segundo 38, cuando la velocidad alcanzó 3,5 M, el motor arrancó, el hidrógeno comenzó a fluir hacia el CC.

Pero el día 62, sucedió realmente lo inesperado: se activó el apagado automático del suministro de combustible, el motor scramjet se apagó. Luego, aproximadamente en el segundo 195, se puso en marcha automáticamente de nuevo y funcionó hasta el segundo … Se determinó previamente como el último segundo del vuelo. En este momento, el cohete, mientras aún estaba sobre el territorio del sitio de prueba, se autodestruyó.

La velocidad máxima fue de 6200 km / h (algo más de 5,2 M). El funcionamiento del motor y sus sistemas fue monitoreado por 250 sensores a bordo. Las mediciones se transmitieron por radio telemetría al suelo.

Aún no se ha procesado toda la información y es prematuro contar una historia más detallada sobre el vuelo. Pero ya está claro ahora que en unas pocas décadas los pilotos y cosmonautas viajarán en el "flujo hacia adelante hipersónico".

Del editor. Las pruebas de vuelo de los motores scramjet en el avión X-30 en los EE. UU. Y en el Hytex en Alemania están previstas para 1995 o los próximos años. Nuestros especialistas podrían, en un futuro cercano, probar el "flujo directo" a una velocidad de más de 10M en poderosos misiles, que ahora están siendo retirados del servicio. Es cierto que están dominados por un problema no resuelto. No es científico ni técnico. CIAM no tiene dinero. Ni siquiera están disponibles para los salarios medio miserables de los empleados.

¿Que sigue? Ahora solo hay cuatro países en el mundo que tienen un ciclo completo de construcción de motores de aeronaves, desde la investigación básica hasta la producción de productos en serie. Se trata de Estados Unidos, Inglaterra, Francia y, por ahora, Rusia. Así que no habría más de ellos en el futuro: tres.

Los estadounidenses ahora están invirtiendo cientos de millones de dólares en el programa scramjet …