O míssil de combate "superfície-ar" parecia um tanto incomum - seu nariz era alongado por um cone de metal. Em 28 de novembro de 1991, ela foi lançada de um local de teste perto do cosmódromo de Baikonur e se autodestruiu bem acima do solo. Embora o míssil não tenha abatido nenhum objeto aéreo, o alvo de lançamento foi alcançado. Pela primeira vez no mundo, um motor ramjet hipersônico (motor scramjet) foi testado em vôo.
O motor scramjet ou, como se costuma dizer, "fluxo para a frente hipersônico" permitirá que você voe de Moscou a Nova York em 2 a 3 horas, deixando a máquina alada da atmosfera para o espaço. Um avião aeroespacial não precisará de um avião auxiliar, como no caso do Zenger (ver TM, nº 1, 1991), ou de um veículo de lançamento, como para os ônibus espaciais e Buran (ver TM No. 4, 1989), - a entrega da carga em órbita custará quase dez vezes mais barato. No Ocidente, esses testes ocorrerão no mínimo três anos depois …
O motor scramjet é capaz de acelerar a aeronave em até 15-25M (M é o número Mach, neste caso, a velocidade do som no ar), enquanto os motores turbojato mais potentes, que são equipados com aeronaves modernas aladas civis e militares, são apenas até 3,5M. Não funciona mais rápido - a temperatura do ar, quando o fluxo na entrada de ar é desacelerado, sobe tanto que o turbocompressor não consegue comprimi-lo e alimentá-lo na câmara de combustão (CC). É possível, claro, fortalecer o sistema de refrigeração e o compressor, mas então suas dimensões e peso aumentarão tanto que as velocidades hipersônicas estarão fora de questão - para decolar.
Um motor ramjet funciona sem compressor - o ar na frente da estação do compressor é comprimido devido à sua cabeça de velocidade (Fig. 1). O resto, em princípio, é igual ao de um turbojato - os produtos da combustão, que escapam pelo bico, aceleram o aparelho.
A ideia de um ramjet, então ainda não hipersônico, foi apresentada em 1907 pelo engenheiro francês Rene Laurent. Mas eles criaram um verdadeiro "fluxo para a frente" muito mais tarde. Aqui, os especialistas soviéticos estavam na liderança.
Primeiro, em 1929, um dos alunos de N. E. Zhukovsky, B. S. Stechkin (mais tarde um acadêmico), criou a teoria de um motor a jato de ar. E então, quatro anos mais tarde, sob a liderança do designer Yu. A. Pobedonostsev no GIRD (Grupo para o Estudo da Propulsão a Jato), após experimentos no estande, o ramjet foi lançado pela primeira vez.
O motor foi alojado no casco de um canhão de 76 mm e disparado do cano a uma velocidade supersônica de 588 m / s. Os testes duraram dois anos. Projéteis com motor ramjet se desenvolveram mais de 2M - nenhuma outra aeronave no mundo voou mais rápido naquela época. Ao mesmo tempo, os Girdovites propuseram, construíram e testaram um modelo de motor ramjet pulsante - sua entrada de ar era aberta e fechada periodicamente, em decorrência do qual pulsava a combustão na câmara de combustão. Motores semelhantes foram usados mais tarde na Alemanha nos foguetes FAU-1.
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Os primeiros grandes motores ramjet foram novamente criados pelos designers soviéticos I. A. Merkulov em 1939 (motor ramjet subsônico) e M. M. Bondaryuk em 1944 (supersônico). Desde a década de 40, os trabalhos de "fluxo direto" começaram no Instituto Central de Motores de Aviação (CIAM).
Alguns tipos de aeronaves, incluindo mísseis, eram equipados com motores ramjet supersônicos. No entanto, na década de 50, ficou claro que com os números M excedendo 6 - 7, o ramjet é ineficaz. Novamente, como no caso do motor turbojato, o ar freado na frente da estação do compressor entrou muito quente. Não fazia sentido compensar isso aumentando a massa e as dimensões do motor ramjet. Além disso, em altas temperaturas, as moléculas dos produtos da combustão começam a se dissociar, absorvendo a energia destinada a criar o impulso.
Foi então em 1957 que E. S. Shchetinkov, um famoso cientista, um participante dos primeiros testes de voo de um motor a jato, inventou um motor hipersônico. Um ano depois, publicações sobre desenvolvimentos semelhantes apareceram no Ocidente. A câmara de combustão scramjet começa quase imediatamente atrás da entrada de ar, depois passa suavemente para um bico expansor (Fig. 2). Embora o ar seja desacelerado na entrada, ao contrário dos motores anteriores, ele se move para a estação do compressor, ou melhor, corre em velocidade supersônica. Portanto, sua pressão nas paredes da câmara e temperatura são muito mais baixas do que em um motor ramjet.
Um pouco mais tarde, foi proposto um motor scramjet com combustão externa (Fig. 3) Em uma aeronave com esse motor, o combustível queimará diretamente sob a fuselagem, que servirá como parte do CS aberto. Naturalmente, a pressão na zona de combustão será menor do que em um combustor convencional - o empuxo do motor diminuirá ligeiramente. Mas você ganha peso - o motor vai se livrar da enorme parede externa da estação do compressor e de parte do sistema de refrigeração. É verdade que um "fluxo direto aberto" confiável ainda não foi criado - seu melhor momento provavelmente virá em meados do século XXI.
Voltemos, porém, ao motor scramjet, que foi testado na véspera do inverno passado. Era abastecido por hidrogênio líquido armazenado em um tanque a uma temperatura de cerca de 20 K (- 253 ° C). A combustão supersônica foi talvez o problema mais difícil. O hidrogênio será distribuído uniformemente na seção transversal da câmara? Haverá tempo para queimar completamente? Como organizar o controle automático de combustão? - você não pode instalar sensores na câmara, eles vão derreter.
Nem a modelagem matemática em computadores ultra-poderosos, nem os testes de bancada forneceram respostas abrangentes para muitas perguntas. A propósito, para simular um fluxo de ar, por exemplo, a 8M, o estande requer uma pressão de centenas de atmosferas e uma temperatura de cerca de 2500 K - o metal líquido em um forno aberto quente é muito mais frio. Em velocidades ainda mais altas, o desempenho do motor e da aeronave só pode ser verificado em vôo.
Por muito tempo foi pensado tanto aqui como no exterior. Na década de 60, os Estados Unidos preparavam testes de um motor scramjet em um foguete X-15 de alta velocidade, mas, aparentemente, eles nunca aconteceram.
O motor scramjet experimental doméstico foi feito de modo duplo - em uma velocidade de vôo superior a 3M, funcionou como um "fluxo direto" normal, e após 5 - 6M - como um hipersônico. Para isso, foram trocados os locais de abastecimento de combustível da estação de compressão. O míssil antiaéreo sendo retirado de serviço se tornou o acelerador do motor e porta-aviões do laboratório de vôo hipersônico (HLL). Os GLL, que incluem sistemas de controle, medições e comunicação com o solo, tanque de hidrogênio e conjuntos de combustível, foram atracados nos compartimentos da segunda etapa, onde, após a retirada da ogiva, ficou o motor principal (LRE) com seus tanques de combustível. O primeiro estágio - propulsores de pó, - tendo dispersado o foguete desde o início, se separou após alguns segundos.
Míssil antiaéreo com scramjet na plataforma de lançamento (a foto é publicada pela primeira vez).
Os testes de bancada e a preparação para o voo foram realizados no Instituto Central de Motores de Aviação P. I. Baranov em cooperação com a Força Aérea, o escritório de design de construção de máquinas Fakel, que transformou seu foguete em um laboratório voador, o bureau de design Soyuz em Tuyev e o bureau de design Temp em Moscou, que fabricou o motor. e o regulador de combustível e outras organizações. O programa foi supervisionado por conhecidos especialistas em aviação R. I. Kurziner, D. A. Ogorodnikov e V. A. Sosunov.
Para apoiar o vôo, o CIAM criou um complexo móvel de reabastecimento de hidrogênio líquido e um sistema de abastecimento de hidrogênio líquido a bordo. Agora, quando o hidrogênio líquido é considerado um dos combustíveis mais promissores, a experiência de manuseá-lo, acumulada no CIAM, pode ser útil a muitos.
… O foguete foi lançado tarde da noite, já estava quase escuro. Em alguns momentos, o portador do "cone" desapareceu em nuvens baixas. Houve um silêncio inesperado em comparação com o estrondo inicial. Os testadores que assistiram ao início até pensaram: tudo realmente deu errado? Não, o aparelho continuou em seu caminho pretendido. No 38º segundo, quando a velocidade atingiu 3,5M, o motor deu partida, o hidrogênio começou a fluir para o CC.
Mas, no dia 62, o inesperado realmente aconteceu: o desligamento automático do abastecimento de combustível funcionou - o motor scramjet desligou. Então, por volta do 195º segundo, ele reiniciou automaticamente e funcionou até o 200º … Foi previamente determinado como o último segundo do vôo. Neste momento, o foguete, ainda sobre o território do local de teste, se autodestruiu.
A velocidade máxima foi de 6200 km / h (pouco mais de 5,2M). O motor e seus sistemas foram monitorados por 250 sensores de bordo. As medições foram transmitidas ao solo por rádio telemetria.
Nem todas as informações foram processadas ainda, e uma história mais detalhada sobre o vôo é prematura. Mas já está claro agora que em algumas décadas os pilotos e cosmonautas vão montar o "fluxo hipersônico para frente".
Do editor. Os testes de vôo de motores scramjet em aeronaves X-30 nos Estados Unidos e no Hytex na Alemanha estão planejados para 1995 ou nos próximos anos. Nossos especialistas, no entanto, poderão em um futuro próximo testar o "fluxo direto" a uma velocidade de mais de 10M em poderosos mísseis, que agora estão sendo retirados de serviço. É verdade que eles são dominados por um problema não resolvido. Não é científico ou técnico. O CIAM não tem dinheiro. Eles nem mesmo estão disponíveis para os salários miseráveis dos funcionários.
Qual é o próximo? Agora, existem apenas quatro países no mundo que têm um ciclo completo de construção de motores de aeronaves - da pesquisa fundamental à produção em série. São Estados Unidos, Inglaterra, França e, por enquanto, Rússia. Portanto, não haveria mais deles no futuro - três.
Os americanos agora estão investindo centenas de milhões de dólares no programa scramjet …
Figura: 1. Diagrama esquemático de um motor ramjet (ramjet): 1 - corpo central da entrada de ar, 2 - garganta da entrada de ar, 3 - câmara de combustão (CC), 4 - bico com seção crítica. As setas brancas indicam o fornecimento de combustível. O projeto da entrada de ar é tal que o fluxo de ar que entrou é inibido e entra na estação do compressor sob alta pressão. Os produtos da combustão, deixando a câmara de combustão, são acelerados em um bico estreito à velocidade do som. Curiosamente, o bico deve ser expandido para acelerar ainda mais os gases. O exemplo com um rio, quando a corrente acelera proporcionalmente ao estreitamento das margens, é adequado apenas para fluxos subsônicos.
Figura: 2. Diagrama esquemático de um motor ramjet hipersônico (motor scramjet): 1 - CS, 2 - bico expansor. O CS começa não atrás do difusor, como no motor ramjet, mas quase imediatamente atrás da garganta da entrada de ar. A mistura ar-combustível queima em velocidade supersônica. Os produtos de combustão são acelerados ainda mais no bico expansor.
Figura: 3. Diagrama esquemático de um motor scramjet com combustão externa: 1 - ponto de injeção de combustível. A combustão ocorre do lado de fora do motor - a pressão dos produtos da combustão é menor do que em uma câmara de combustão fechada, mas o empuxo - a força que atua nas paredes da célula é maior do que a resistência frontal, que coloca o aparelho em movimento.
Autores: Yuri SHIKHMAN, Vyacheslav SEMENOV, pesquisadores do Central Institute of Aviation Motors
