Teknologi Scramjet - bagaimana mesin hipersonik diciptakan

2024 Pengarang: Seth Attwood | [email protected]. Terakhir diubah: 2023-12-16 16:08

Rudal tempur "permukaan ke udara" tampak agak tidak biasa - hidungnya diperpanjang oleh kerucut logam. Pada 28 November 1991, ia lepas landas dari situs uji di dekat kosmodrom Baikonur dan menghancurkan dirinya sendiri di atas tanah. Meskipun rudal itu tidak menembak jatuh objek udara apa pun, target peluncuran tercapai. Untuk pertama kalinya di dunia, mesin ramjet hipersonik (mesin scramjet) diuji dalam penerbangan.

Mesin scramjet, atau, seperti yang mereka katakan, "aliran langsung hipersonik" akan memungkinkan untuk terbang dari Moskow ke New York dalam 2 - 3 jam, meninggalkan mesin bersayap dari atmosfer ke luar angkasa. Pesawat luar angkasa tidak memerlukan pesawat pendorong, seperti untuk Zenger (lihat TM, No. 1, 1991), atau kendaraan peluncuran, seperti untuk shuttle dan Buran (lihat TM No. 4, 1989), - pengiriman kargo ke orbit akan biaya hampir sepuluh kali lebih murah. Di Barat, tes semacam itu akan dilakukan tidak lebih awal dari dalam tiga tahun …

Mesin scramjet mampu mempercepat pesawat menjadi 15 - 25M (M adalah angka Mach, dalam hal ini, kecepatan suara di udara), sedangkan mesin turbojet paling kuat, yang dilengkapi dengan pesawat bersayap sipil dan militer modern, hanya sampai 3.5M. Itu tidak bekerja lebih cepat - suhu udara, ketika aliran dalam asupan udara melambat, naik sedemikian rupa sehingga unit turbocompressor tidak dapat mengompresnya dan memasoknya ke ruang bakar (CC). Tentu saja, dimungkinkan untuk memperkuat sistem pendingin dan kompresor, tetapi kemudian dimensi dan beratnya akan meningkat sedemikian rupa sehingga kecepatan hipersonik tidak mungkin - turun dari tanah.

Mesin ramjet bekerja tanpa kompresor - udara di depan stasiun kompresor dikompresi karena tekanan kecepatan tinggi (Gbr. 1). Sisanya, pada prinsipnya, sama dengan turbojet - produk pembakaran, yang keluar melalui nosel, mempercepat peralatan.

Gagasan mesin ramjet, yang saat itu belum hipersonik, diajukan pada tahun 1907 oleh insinyur Prancis Rene Laurent. Tetapi mereka membangun "aliran maju" yang sebenarnya jauh kemudian. Di sini spesialis Soviet memimpin.

Pertama, pada tahun 1929, salah satu siswa N. E. Zhukovsky, B. S. Stechkin (kemudian menjadi akademisi), menciptakan teori mesin jet udara. Dan kemudian, empat tahun kemudian, di bawah kepemimpinan desainer Yu. A. Pobedonostsev di GIRD (Group for the Study of Jet Propulsion), setelah percobaan di stand, ramjet pertama kali dikirim ke penerbangan.

Mesin ditempatkan di dalam cangkang meriam 76 mm dan ditembakkan dari laras dengan kecepatan supersonik 588 m / s. Ujian berlangsung selama dua tahun. Proyektil dengan mesin ramjet berkembang lebih dari 2M - tidak ada satu pun perangkat di dunia yang terbang lebih cepat pada waktu itu. Pada saat yang sama, Girdovites mengusulkan, membangun, dan menguji model mesin ramjet yang berdenyut - asupan udaranya dibuka dan ditutup secara berkala, sebagai akibatnya pembakaran di ruang bakar berdenyut. Mesin serupa kemudian digunakan di Jerman pada roket FAU-1.

Mesin ramjet besar pertama dibuat lagi oleh desainer Soviet I. A. Merkulov pada tahun 1939 (mesin ramjet subsonik) dan M. M. Bondaryuk pada tahun 1944 (supersonik). Sejak 40-an, pekerjaan "aliran langsung" dimulai di Central Institute of Aviation Motors (CIAM).

Beberapa jenis pesawat, termasuk rudal, dilengkapi dengan mesin ramjet supersonik. Namun, pada tahun 50-an menjadi jelas bahwa dengan jumlah M melebihi 6 - 7, ramjet tidak efektif. Sekali lagi, seperti dalam kasus mesin turbojet, udara yang direm di depan stasiun kompresor masuk ke dalamnya terlalu panas. Tidak masuk akal untuk mengimbangi ini dengan meningkatkan massa dan dimensi mesin ramjet. Selain itu, pada suhu tinggi, molekul produk pembakaran mulai terdisosiasi, menyerap energi yang dimaksudkan untuk menciptakan daya dorong.

Saat itulah pada tahun 1957 E. S. Shchetinkov, seorang ilmuwan terkenal, seorang peserta dalam tes penerbangan pertama dari mesin ramjet, menemukan mesin hipersonik. Setahun kemudian, publikasi tentang perkembangan serupa muncul di Barat. Ruang pembakaran scramjet dimulai segera di belakang asupan udara, kemudian dengan lancar masuk ke nosel yang mengembang (Gbr. 2). Meskipun udara melambat di pintu masuknya, tidak seperti mesin sebelumnya, ia bergerak ke stasiun kompresor, atau lebih tepatnya, mengalir dengan kecepatan supersonik. Oleh karena itu, tekanannya pada dinding ruang dan suhunya jauh lebih rendah daripada di mesin ramjet.

Beberapa saat kemudian, mesin scramjet dengan pembakaran eksternal diusulkan (Gbr. 3) Di pesawat dengan mesin seperti itu, bahan bakar akan terbakar langsung di bawah badan pesawat, yang akan berfungsi sebagai bagian dari stasiun kompresor terbuka. Secara alami, tekanan di zona pembakaran akan lebih sedikit daripada di ruang bakar konvensional - daya dorong mesin akan sedikit berkurang. Tetapi kenaikan berat akan terjadi - mesin akan menyingkirkan dinding luar besar stasiun kompresor dan bagian dari sistem pendingin. Benar, "aliran langsung terbuka" yang andal belum diciptakan - jam terbaiknya mungkin akan datang di pertengahan abad XXI.

Mari kita kembali, bagaimanapun, ke mesin scramjet, yang diuji pada malam musim dingin lalu. Itu didorong oleh hidrogen cair yang disimpan dalam tangki pada suhu sekitar 20 K (- 253 ° C). Pembakaran supersonik mungkin merupakan masalah yang paling sulit. Akankah hidrogen didistribusikan secara merata ke seluruh bagian ruangan? Apakah akan ada waktu untuk benar-benar terbakar? Bagaimana mengatur kontrol pembakaran otomatis? - Anda tidak dapat memasang sensor di ruang, mereka akan meleleh.

Baik pemodelan matematika pada komputer super canggih, maupun tes bangku tidak memberikan jawaban komprehensif untuk banyak pertanyaan. Omong-omong, untuk mensimulasikan aliran udara, misalnya, pada 8M, dudukan membutuhkan tekanan ratusan atmosfer dan suhu sekitar 2500 K - logam cair dalam tungku perapian terbuka yang panas jauh "lebih dingin". Bahkan pada kecepatan yang lebih tinggi, kinerja mesin dan pesawat hanya dapat diverifikasi dalam penerbangan.

Sudah lama dipikirkan baik di dalam negeri maupun di luar negeri. Kembali di tahun 60-an, Amerika Serikat sedang mempersiapkan tes mesin scramjet pada pesawat roket X-15 berkecepatan tinggi, namun, tampaknya, itu tidak pernah terjadi.

Mesin scramjet eksperimental domestik dibuat mode ganda - pada kecepatan penerbangan melebihi 3M, ia bekerja sebagai "aliran langsung" biasa, dan setelah 5 - 6M - sebagai mesin hipersonik. Untuk ini, tempat pasokan bahan bakar ke stasiun kompresor diubah. Rudal anti-pesawat, yang sedang dihapus dari layanan, menjadi akselerator mesin dan pembawa laboratorium terbang hipersonik (HLL). GLL, yang mencakup sistem kontrol, pengukuran dan komunikasi dengan tanah, tangki hidrogen dan unit bahan bakar, ditambatkan ke kompartemen tahap kedua, di mana, setelah pelepasan hulu ledak, mesin utama (LRE) dengan bahan bakarnya tank tetap ada. Tahap pertama - penguat bubuk, - setelah membubarkan roket dari awal, terpisah setelah beberapa detik.

Tes bangku dan persiapan untuk penerbangan dilakukan di PI Baranov Central Institute of Aviation Motors, bersama dengan Angkatan Udara, biro desain pembuatan mesin Fakel, yang mengubah roketnya menjadi laboratorium terbang, biro desain Soyuz di Tuyev dan biro desain Temp di Moskow, yang memproduksi mesin, pengatur bahan bakar, dan organisasi lainnya. Spesialis penerbangan terkenal R. I. Kurziner, D. A. Ogorodnikov dan V. A. Sosunov mengawasi program tersebut.

Untuk mendukung penerbangan, CIAM menciptakan kompleks pengisian bahan bakar hidrogen cair bergerak dan sistem pasokan hidrogen cair onboard. Sekarang, ketika hidrogen cair dianggap sebagai salah satu bahan bakar yang paling menjanjikan, pengalaman menanganinya, yang terakumulasi di CIAM, dapat bermanfaat bagi banyak orang.

… Roket diluncurkan pada sore hari, hari sudah hampir gelap. Beberapa saat kemudian, pembawa "kerucut" menghilang ke awan rendah. Ada keheningan yang tak terduga dibandingkan dengan gemuruh awal. Para penguji yang menyaksikan awalnya bahkan berpikir: apakah semuanya benar-benar salah? Tidak, peralatan melanjutkan jalan yang dimaksudkan. Pada detik ke-38, saat kecepatan mencapai 3,5M, mesin menyala, hidrogen mulai mengalir ke CC.

Tetapi pada tanggal 62, hal yang tidak terduga benar-benar terjadi: pemadaman otomatis pasokan bahan bakar dipicu - mesin scramjet dimatikan. Kemudian, sekitar 195 detik, secara otomatis mulai lagi dan bekerja hingga 200 … Sebelumnya ditentukan sebagai detik terakhir penerbangan. Pada saat ini, roket itu, saat masih berada di atas wilayah lokasi uji, hancur sendiri.

Kecepatan maksimumnya adalah 6200 km / jam (sedikit lebih dari 5,2M). Pengoperasian mesin dan sistemnya dipantau oleh 250 sensor terpasang. Pengukuran ditransmisikan oleh telemetri radio ke tanah.

Belum semua informasi diproses, dan cerita yang lebih detail tentang penerbangan itu prematur. Tapi sudah jelas sekarang bahwa dalam beberapa dekade pilot dan kosmonot akan naik "aliran maju hipersonik".

Dari editor. Uji terbang mesin scramjet pada pesawat X-30 di AS dan Hytex di Jerman direncanakan pada 1995 atau beberapa tahun mendatang. Spesialis kami dapat, dalam waktu dekat, menguji "aliran langsung" dengan kecepatan lebih dari 10 juta pada rudal yang kuat, yang sekarang ditarik dari layanan. Benar, mereka didominasi oleh masalah yang belum terselesaikan. Tidak ilmiah atau teknis. CIAM tidak punya uang. Mereka bahkan tidak tersedia untuk gaji setengah pengemis karyawan.

Apa berikutnya? Sekarang hanya ada empat negara di dunia yang memiliki siklus penuh pembuatan mesin pesawat - dari penelitian dasar hingga produksi produk serial. Ini adalah Amerika Serikat, Inggris, Prancis dan, untuk saat ini, Rusia. Jadi tidak akan ada lagi mereka di masa depan - tiga.

Amerika sekarang menginvestasikan ratusan juta dolar dalam program scramjet …