Viteza supersonică. Hipersunetul. Cât durează și când zburăm? Viteza supersonică și viteza hipersonică

Fav

A existat o rachetă balistică obișnuită, dar a devenit una „hipersonică”. Va zbura mai bine, mai departe și mai repede? Și, în general, cât de mult mai periculoase sunt armele „hipersonice” decât armele convenționale? Vă vom spune totul despre noile evoluții și, în același timp, vă vom învăța cum să distingeți „supersonic” de „hipersonic” după ureche.

Dați „hipersunet” - sau nu?

Ce este hipersunetul? În primul rând, să o definim: ar fi corect să spunem „viteză hipersonică”. Problema este că cuvântul „hipersunet” se referă și la unde elastice, similare pur și simplu cu undele sonore și ultrasonice. Dar ne referim la aerodinamică și, pentru a nu ne confunda în termeni, vom spune „viteză hipersonică”.

În aerodinamică, „viteza hipersonică” depășește semnificativ viteza sunetului - similar cu viteza supersonică, doar că și mai rapid.

Undeva din anii șaptezeci ai secolului trecut s-a stabilit următoarea gradație: până la un Mach - viteză subsonică, de la unu la cinci Mach - supersonic, mai mult de cinci Mach - hipersonic.

Numărul Mach(M) în contextul nostru este cel mai ușor de definit ca raportul dintre viteza unui corp și viteza sunetului în interior mediu. Când viteza aeronavei atinge M=1, aceasta înseamnă că viteza sa este egală cu viteza sunetului.

Germanii au fost primii care au atins viteze hipersonice folosind racheta V-2 în anii patruzeci ai secolului trecut. „Arma răzbunării” lor a atins o viteză de 5.760 de kilometri pe oră, adică mai mult de cinci numere Mach (M5) la altitudini de peste 10.000 de metri.

"V-2"

„Atunci, ce este sarea?” - va întreba cititorul atent. Din moment ce hipersunetul a fost realizat în anii patruzeci și toate rachetele balistice îl realizează, unde este interesul și inovația? Problema este că rachetele pot dezvolta viteză hipersonică, dar în acel moment zboară pe o traiectorie balistică, nu manevrează activ și, în general, încearcă din nou să nu se miște... acest lucru este plin de dezastru.

Dar crearea unei rachete de croazieră sau a unei aeronave capabile să se deplaseze cu viteze hipersonice și să manevreze a devenit o sarcină foarte serioasă, pe care proiectanții și inginerii încă se străduiesc să o rezolve.

Aeronava hipersonică

Să începem cu controlabilitatea și crearea unei aeronave cu pilot capabilă să se deplaseze cu viteză hipersonică, frânare și aterizare.

Americanii au fost primii care au realizat acest lucru prin crearea avionului rachetă X-15 în 1959. Chiar cuvântul avion rachetă sugerează în mod transparent că vorbim despre o rachetă cu aripi. Așa este, X-15 este o reelaborare profundă a ideilor și desenelor oamenilor de știință germani din anii 1940. Mulți parametri sunt foarte asemănători cu racheta V-2. Dar americanii aveau un pilot înăuntru, și nu un focos banal.

X-15 sub aripa unui B-52

X-15 a decolat de sub aripă bombardier strategic B-52 la o altitudine de aproximativ 15 kilometri, apoi a fost pornit motorul rachetei, ridicând avionul rachetă până la plafonul practic, urmată de o coborâre balistică, frânare și aterizare pe aerodrom. În total, au avut loc ceva mai puțin de două sute de zboruri.

Deci vitezele hipersonice au cucerit omenirea acum aproape șaizeci de ani.

Motor hipersonic

Când oamenii vorbesc în prezent despre vehicule hipersonice moderne, ei vorbesc aeronave, echipat cu un motor hipersonic ramjet.

Totul este simplu aici. Există un motor clasic de rachetă cu lichid, în care combustibilul și oxidantul sunt „transportate” în două rezervoare diferite. Aeronava poate atinge viteza hipersonică, dar, din păcate, este scumpă, complexă și FOARTE neeconomică. Avioanele moderne folosesc motoare cu turboreacție. Ele folosesc aerul atmosferic ca oxidant în timpul procesului de ardere, făcându-le mult mai ușoare și mai economice (comparativ cu un motor de rachetă, desigur). Din păcate, aceste motoare își pierd eficiența la viteze peste M3.

Motor turboreactor J58 în postcombustie, inele Mach vizibile

Pentru a atinge viteze supersonice maxime, se folosește un motor ramjet. Nu are turbină și este ineficient la viteze mici de zbor, dar poate atinge viteze maxime mari. Dar chiar și cu ajutorul lui, atingerea vitezei hipersonice este nerealistă. Celebrul Lockheed SR-71 avea tocmai un astfel de design: un motor turborreactor capabil să funcționeze la viteze mari ca un ramjet, dar atingea și o viteză maximă de doar aproximativ Mach 3,4.

Pentru a efectua zboruri atmosferice pe distanțe lungi și economice la viteză hipersonică, a fost creat un motor hipersonic ramjet. De asemenea, folosește aerul atmosferic ca oxidant. În acest caz, aerul care intră în admisia de aer este decelerat la viteză supersonică, participă la procesul de ardere a combustibilului și iese prin duză, creând tracțiunea jetului.

Problema hipersunetului

Totul este bine, cu excepția unui singur lucru: un astfel de motor funcționează la viteze de peste șase până la opt numere Mach. La o viteză mai mică, pur și simplu nu va porni sau motorul va detona. Îl poți recunoaște după admisia de aer, care arată mai mult ca un aspirator de mână la modă.

În prezent, principala problemă pentru designeri este reducerea „decalajului” dintre viteza maximă a unui motor ramjet și viteza minimă a unuia hipersonic.

Există diverse evoluții, inclusiv instalarea unui al treilea motor „intermediar”, care poate oferi accelerația necesară în timpul „pauzei”. Cu toate acestea, până acum publicul larg este informat doar despre testele unor astfel de motoare.

În anii 1950-1960, au existat proiecte de motoare nucleare ramjet care promiteau, de asemenea, să atingă viteze în regiunea M 3 - M 4. Cel mai faimos este proiectul de motor Pluto pentru racheta supersonică de croazieră cu rază nelimitată.

Rachetă antinavă „Zircon”

Până acum, cea mai faimoasă dezvoltare hipersonică rusă a fost racheta antinavă Zircon. Nu există date exacte, dar cel mai probabil are o centrală hibridă - un motor de rachetă care propulsează racheta cu viteza unui motor hipersonic - și un scramjet (motor ramjet hipersonic) care funcționează de cele mai multe ori racheta zboară. Această versiune este susținută de locația sa mină. Destinat a fi utilizat

De obicei, în ciuda rapoartelor privind testele de succes, racheta rusă nu a fost niciodată prezentată publicului larg. Cel mai adesea, pentru a o ilustra, au folosit o imagine care descrie dezvoltarea americană a Boeing X-51 (da, același aspirator de mașină).

Rezumând

Nu are sens să numim hipersonică racheta antinavă Kinzhal, creată pe baza rachetei Iskander. Da, în timpul zborului atinge viteze mai mari de Mach cinci, dar în același timp zboară pe o traiectorie aerobalistică. De asemenea, nu are sens să vorbim despre viteza hipersonică atunci când descriem sistemul de rachete strategice Sarmat. La fel ca majoritatea rachetelor balistice, atinge viteze hipersonice - și asta este normal.

Însă echipamentul de luptă - unitatea de luptă cu planare Avangard - este exact despre care putem vorbi ca exemplu de tehnologii hipersonice moderne. După separarea de racheta balistică, aceasta se poate deplasa prin straturile dense ale atmosferei la viteze hipersonice care depășesc Mach 20, în timp ce efectuează manevre adânci.

Așa sunt vremurile acum: pentru a fi considerat o armă hipersonică modernă, trebuie fie să manevrezi activ după ce ai atins viteza hipersonică, fie să porți un motor hipersonic ramjet. Altfel, îmi pare rău... nu ești în tendințe, treci și fă loc celor tineri și promițători.

Informații generale

Zborul cu viteză hipersonică face parte din regimul de zbor supersonic și se efectuează într-un flux de gaz supersonic. Fluxul de aer supersonic este fundamental diferit de cel subsonic, iar dinamica zborului aeronavei la viteze peste viteza sunetului (peste 1,2 M) este fundamental diferită de zborul subsonic (până la 0,75 M; intervalul de viteză de la 0,75 la 1,2 M se numește viteză transsonică). ).

Determinarea limitei inferioare a vitezei hipersonice este de obicei asociată cu declanșarea proceselor de ionizare și disociere a moleculelor din stratul limită (BL) din apropierea vehiculului care se deplasează în atmosferă, care începe să aibă loc la aproximativ 5 M. De asemenea viteza dată caracterizat prin faptul că un motor ramjet cu combustie subsonică („ramjet”) devine inutil din cauza frecării extrem de mari care apare la frânarea aerului care trece într-un motor de acest tip. Astfel, în intervalul de viteză hipersonică, pentru a continua zborul, este posibil să se utilizeze doar un motor rachetă sau un ramjet hipersonic (scramjet) cu ardere supersonică a combustibilului.

Caracteristici de curgere

În timp ce definiția fluxului hipersonic (HS) este destul de controversată din cauza lipsei unei granițe clare între fluxurile supersonice și hipersonice, HS poate fi caracterizată prin anumite fenomene fizice care nu mai pot fi ignorate atunci când se iau în considerare, și anume:

Strat subțire de undă de șoc

Pe măsură ce viteza și numerele Mach corespunzătoare cresc, densitatea din spatele undei de șoc (SW) crește, de asemenea, corespunzătoare unei scăderi a volumului în spatele șocului datorită conservării masei. Prin urmare, stratul undei de șoc, adică volumul dintre dispozitiv și unda de șoc, devine subțire la numere Mach mari, creând un strat limită subțire (BL) în jurul dispozitivului.

Formarea straturilor de șoc vâscoase

O parte din energia cinetică mare conținută în fluxul de aer, la M > 3 (flux vâscos), este convertită în energie internă datorită interacțiunii vâscoase. O creștere a energiei interne se realizează printr-o creștere a temperaturii. Deoarece gradientul de presiune normal cu curgerea din stratul limită este aproximativ zero, o creștere semnificativă a temperaturii la numere Mach ridicate duce la o scădere a densității. Astfel, PS de pe suprafața vehiculului crește și la numere Mach mari se contopește cu un strat subțire al undei de șoc lângă prova, formând un strat de șoc vâscos.

Apariția undelor de instabilitate în PS, care nu sunt caracteristice fluxurilor sub- și supersonice

Debit de temperatură ridicată

Debitul de mare viteză în punctul frontal al aparatului (punctul sau regiunea de frânare) face ca gazul să se încălzească la temperaturi foarte ridicate (până la câteva mii de grade). Temperaturi ridicate la rândul lor, creează proprietăți chimice de neechilibru ale fluxului, care constau în disocierea și recombinarea moleculelor de gaz, ionizarea atomilor, reactii chimiceîn fluxul şi cu suprafaţa aparatului. În aceste condiții, procesele de convecție și transfer radiativ de căldură pot fi semnificative.

Parametrii de similaritate

Parametrii fluxurilor de gaz sunt de obicei descriși printr-un set de criterii de similitudine, care permit reducerea unui număr aproape infinit de stări fizice în grupuri de similaritate și care permit compararea fluxurilor de gaz cu diferiți parametri fizici (presiune, temperatură, viteză etc. .) unul cu altul. Pe acest principiu se bazează experimentele în tunelurile de vânt și transferul rezultatelor acestor experimente pe aeronave reale, în ciuda faptului că în experimentele cu tuburi dimensiunea modelelor, vitezele de curgere, încărcările termice etc. pot diferi foarte mult de cele reale. conditiile de zbor, in acelasi timp, parametrii de similitudine (numerele Mach, numerele Reynolds, numere Stanton etc.) corespund celor de zbor.

Pentru fluxul transonic și supersonic sau compresibil, în majoritatea cazurilor, parametri precum numărul Mach (raportul dintre viteza curgerii și viteza locală a sunetului) și Reynolds sunt suficienți pentru a descrie complet fluxul. Pentru un flux hipersonic, acești parametri sunt adesea insuficienti. În primul rând, ecuațiile care descriu forma undei de șoc devin practic independente la viteze de la 10 M. În al doilea rând, temperatura crescută a fluxului hipersonic înseamnă că efectele legate de gazele neideale devin vizibile.

Luând în considerare efectele într-un gaz real înseamnă că este necesar un număr mai mare de variabile pentru a descrie pe deplin starea gazului. Dacă un gaz staționar este complet descris de trei cantități: presiune, temperatură, capacitate termică (indice adiabatic), iar un gaz în mișcare este descris de patru variabile, care include și viteza, atunci gaz fierbinteîn echilibru chimic necesită și ecuații de stare pentru componentele sale chimice constitutive, iar un gaz cu procese de disociere și ionizare trebuie să includă și timpul ca una dintre variabilele stării sale. În general, aceasta înseamnă că, în orice moment ales, debitul de neechilibru necesită între 10 și 100 de variabile pentru a descrie starea gazului. În plus, fluxul hipersonic rarefiat (HF), descris de obicei în termeni de numere Knudsen, nu se supune ecuațiilor Navier-Stokes și necesită modificarea acestora. HP este de obicei clasificată (sau clasificată) folosind energia totală, exprimată folosind entalpia totală (mJ/kg), presiunea totală (kPa) și temperatura de stagnare a curgerii (K) sau viteza (km/s).

Gaz ideal

În acest caz, fluxul de aer care trece poate fi considerat un flux de gaz ideal. GP în acest regim depinde încă de numerele Mach și simularea este ghidată de invarianții de temperatură, mai degrabă decât de peretele adiabatic, care are loc la viteze mai mici. Limita inferioară a acestei regiuni corespunde vitezelor în jur de 5 Mach, unde jeturile SPV cu ardere subsonică devin ineficiente, iar limita superioară corespunde vitezelor în regiunea 10-12 Mach.

Gaz ideal cu două temperaturi

Face parte din cazul fluxului de gaz ideal de mare viteză, în care fluxul de aer care trece poate fi considerat ideal din punct de vedere chimic, dar temperatura de vibrație și temperatura de rotație a gazului trebuie luate în considerare separat, rezultând două modele de temperatură separate. Acest lucru este de o importanță deosebită în proiectarea duzelor supersonice, unde răcirea vibrațională datorată excitației moleculare devine importantă.

Gaz disociat

Modul dominant al transferului de radiații

La viteze de peste 12 km/s, transferul de căldură către aparat începe să aibă loc în principal prin transfer radial, care începe să domine asupra transferului termodinamic odată cu creșterea vitezei. Modelarea gazelor în acest caz este împărțită în două cazuri:

• subțire optic - în acest caz se presupune că gazul nu reabsoarbe radiația care provine din celelalte părți ale sale sau din unitățile de volum selectate;
• gros optic - unde se ia în considerare absorbția radiației de către plasmă, care este apoi reemisă, inclusiv pe corpul dispozitivului.

Modelarea gazelor groase optic este o sarcină complexă deoarece, datorită calculului transferului radiativ în fiecare punct al fluxului, volumul calculelor crește exponențial cu numărul de puncte luate în considerare.

10-07-2015, 11:34

Ce se află în spatele zvonurilor despre crearea de noi arme super-puternice în Rusia?

Centrul analitic militar Janes Information Group (SUA) a publicat un raport privind testarea cu succes de către Rusia a noului avion hipersonic Yu-71 (Yu-71 în transcriere în engleză).

Testele, potrivit americanilor, au fost efectuate încă din februarie 2015. Lansarea ar fi avut loc de la locul de testare Dombarovsky de lângă Orenburg. Analiștii lor militari raportează omului de rând informații secrete și înfricoșătoare.

Se raportează că Yu-71 face parte din proiectul secret rusesc 4202. De peste mări, s-a stabilit că viteza rachetei noastre hipersonice este de 11.200 km/h. Un obiect care manevrează la o asemenea viteză nu poate fi doborât - sistemul de apărare antirachetă este neputincios împotriva acestor viteze. În plus, Yu-71 poate transporta un focos nuclear.

Conform analiștii americani, Rusia va avea în curând capacitatea de a lansa lovituri de precizie împotriva țintelor selectate. În plus, chiar și cei mai protejați dintre ei vor fi loviti cu o singură rachetă. În Statele Unite, se presupune că în 5 ani va începe desfășurarea unui grup de rachete hipersonice rusești lângă Orenburg, în regimentul Dombarovsky al Forțelor Strategice de Rachete staționate acolo și, în total, din 2020 până în 2025, 24 de vehicule de luptă. creat pe baza Yu-71 va fi pus în funcțiune. Din document rezultă, de asemenea, că până în acest moment Rusia va fi creat o nouă rachetă balistică intercontinentală grea „Sarmat”, capabilă să transporte Yu-71.

Se susține că Moscova are nevoie de arme hipersonice pentru a câștiga pârghie în negocierile cu Washington și pentru a limita eficacitatea. Sistemul american PRO.

Înainte de publicarea acestei senzații, s-a raportat că armata chineză a efectuat și (un alt) test de succes al aeronavei de atac hipersonic WU-14, capabilă să spargă sistemul de apărare antirachetă al SUA și să livreze o lovitură nucleară.

În general, americanii au fost asediați din toate părțile: din vest de China, din est și nord de Rusia. Și vor un lucru - să distrugă sistemele de apărare antirachetă americane și europene, cum ar fi sticla de apă caldă a lui Tuzik, pentru a șterge toate facilitățile strategice ale Pentagonului de pe fața pământului. Logica acestei groază este simplă: Washington, dă-ne noi miliarde pentru a ne dezvolta propriile rachete hipersonice, altfel vom rămâne neacoperiți, ca Adam biblic.

În Statele Unite, lucrările la rachete hipersonice se desfășoară cu o intensitate nu mai mică, dacă nu mai mare decât în ​​Rusia și China la un loc. Și cu sprijin financiar foarte bun.

Aparent, nu s-au atins succese inovatoare, iar miliardele alocate de la buget au fost deja cheltuite. Ce ar trebuii să fac? Trebuie să lansăm o poveste de groază și să asigurăm finanțare nelimitată pentru noi înșine. Ceea ce s-a făcut.

Însăși ideea de a crea rachete capabile să zboare de 5-7 sau chiar de zeci de ori mai repede decât viteza sunetului, a atras întotdeauna armata. Astfel de dispozitive au o energie cinetică atât de puternică încât sunt capabile să provoace cele mai grave daune oricărui obiect inamic chiar și fără focos. Și cu un focos nuclear...

În principiu, accelerarea unui focos lansat pe orbita joasă a Pământului la hipersonic și îndreptarea lui în jos nu este foarte dificilă. Problema este ghidarea precisă, deoarece încă nu este posibil să controlezi un obiect care se mișcă cu o viteză de peste 10.000 km/h. Inclusiv pentru că, cu o schimbare bruscă a traiectoriei de zbor dreaptă, focosul se poate prăbuși pur și simplu din cauza supraîncărcărilor enorme.

Dar construirea unui dispozitiv funcțional capabil să zboare la viteze hipersonice și chiar să manevreze în atmosferă este incredibil de dificilă.

Nu este vorba doar despre supraîncărcări, ci și despre particularitățile arderii combustibilului, frecarea enormă a aerului pe suprafața unui vehicul zburător și creșterile de presiune pe diferite suprafețe ale unei rachete de croazieră hipersonice.

Cu toate acestea, lucrările în această direcție sunt în desfășurare de câteva decenii.

URSS s-a apropiat cel mai mult de crearea practică a unei rachete de croazieră hipersonice. Aeronava experimentală hipersonică (GELA), sau X-90, a fost creată la Raduga IKB la sfârșitul anilor 1980. După prăbușirea URSS, proiectul a fost închis în 1992. Mai târziu, aparatul GELA a fost prezentat de mai multe ori la spectacolul aerospațial MAKS de la Jukovski.

Prin proiectare, era o rachetă de croazieră cu o aripă deltă pliabilă și un fuzelaj aproape în întregime dedicat unui motor ramjet. Cu o greutate de lansare de 15 tone, racheta X-90, așa cum susțineau dezvoltatorii săi, ar putea accelera până la o viteză de cel puțin M = 4,5 - aceasta este valoarea minimă a hipersunetului. Potrivit datelor fiabile, dar niciodată confirmate oficial, racheta X-90 a fost lansată cu succes de pe un avion de transport la sfârșitul anilor 1980 și a atins viteza de proiectare. Cu toate acestea, acest proiect nu a fost finanțat ulterior, iar subiectul hipersunetului în sine a fost închis timp de mai bine de 10 ani.

În străinătate, crearea aeronavelor hipersonice a continuat în paralel cu munca în Uniunea Sovietică. Adevărat, fără prea mult succes. Proiectul Boeing X-43 a devenit o descoperire. În exterior, aeronava americană amintea oarecum de X-90 sovietic închis. În 2001, această dronă hipersonică a făcut primul zbor, cu toate acestea, nu a avut succes. Se crede că al doilea zbor a decurs fără probleme. Nu am atins super-viteza, dar am pus la punct sistemul de control. Dar la a treia lansare, în noiembrie 2004, drona X-43 a stabilit un record, accelerând până la o viteză de 11.200 km/h. Acest lucru este mai mare decât ceea ce a realizat X-90-ul nostru.

Dezvoltarea proiectului experimental X-43 în Statele Unite a fost racheta X-51. Este și mai asemănător cu proiectul nostru GELA, care nu a fost implementat niciodată. Se susține că X-51 poate deveni una dintre principalele arme ale aviației strategice americane. Potrivit datelor oficiale, racheta X-51 ar trebui să aibă o viteză de zbor de ordinul M = 6-7, care este aproape de performanța de lungă durată a X-90-ului nostru.

Astfel de viteze, potrivit experților, sunt suficiente pentru posibila utilizare a rachetelor într-un sistem global rapid de lovitură. În 2010, a avut loc prima lansare și zbor al lui X-51.

HIPERSUNET

Unde mai există o nișă pentru aplicarea tehnologiilor aviatice, adică implementarea zborului controlat în atmosfera terestră? Această nișă este hipersunetă, adică zbor cu viteze de patru sau mai multe (până la șase) ori mai mari decât viteza sunetului. Ca toate tehnologiile, tehnologia hipersonică are un scop dublu, adică o aeronavă hipersonică poate fi utilizată atât în ​​scopuri civile, cât și în scopuri militare. Mai mult, regiunea vitezelor hipersonice poate fi folosită și pentru operarea aeronavelor aerospațiale.

În anii 1970-1980, într-o eră a optimismului tehnic, în Europa au fost dezvoltate proiecte pentru aeronave aerospațiale cu decolare și aterizare orizontală. Aceste proiecte au fost concurență directă cu naveta spațială americană, o navă spațială reutilizabilă. Naveta, după cum știți, se lansează pe verticală cu ajutorul unei rachete puternice și, după ce și-a îndeplinit misiunea, aterizează ca un avion. În Marea Britanie, proiectul pentru o aeronavă similară cu navetă s-a numit „HOTOL” (Aterizare cu decolare orizontală). Evident, folosirea unui motor cu aer respirator ca primă etapă ar crește semnificativ eficiența sistemului în ansamblu.

În acest caz, accelerarea în straturile atmosferei s-ar produce folosind oxigenul din atmosferă însăși în timpul arderii și nu stocat în rezervoarele rachetei.

În timp ce HOTOL era un proiect de avioane cu rachete, în Republica Federală Germania de atunci, proiectul de avioane aerospațiale presupunea utilizarea unui motor cu reacție în prima etapă. Acest dispozitiv a fost numit „Sänger” în onoarea celebrului om de știință și inginer german Eugen Sänger, care a lucrat activ în anii 1930-1940. în Germania privind crearea motoarelor de rachetă și ramjet. Apoi, în anii 1980, se părea că crearea de sisteme aerospațiale era destul de posibilă. Cel mai probabil, tehnic așa a fost. Dar aceste proiecte promițătoare nu au fost niciodată realizate din cauza costului ridicat de dezvoltare, care a depășit bugetul unei țări. Cu toate acestea, chiar și astăzi există posibilitatea de a reveni la aceste proiecte pe baza cooperării internaționale și a unei diviziuni adecvate a muncii. Acum, după finalizarea programului de navetă american foarte controversat din punct de vedere conceptual, este timpul să începem crearea unui astfel de sistem. În orice caz, pentru a vă lărgi orizonturile, este util să cunoașteți schema de lansare a unei nave spațiale pe orbita joasă a Pământului folosind tehnologiile aviatice.

Ca exemplu, să luăm mai întâi în considerare diagrama de funcționare a aeronavei aerospațiale Zenger. Acesta este un aparat în două etape: prima etapă este o aeronavă hipersonică cu o centrală electrică turbo-direct care funcționează pe hidrogen, a doua etapă este o rachetă cu un motor de rachetă cu hidrogen-oxigen lichid. Zenger decolează ca un avion folosind forța motoarelor convenționale cu turboreacție. La fel ca un avion, câștigă o altitudine de 11 km la viteză subsonică. În acest punct al traiectoriei (H=11 km, M=0,8) aeronava poate efectua un zbor lung de croazieră (primul mod de zbor de croazieră). În continuare, accelerația începe până la Mach 3,5 cu o altitudine de urcare de până la 20 km. În acest punct al traiectoriei, motorul turboreactor este oprit și capota, iar circuitul ramjet este pornit în schimb. Mai există un punct pe traiectorie (modul 2 de croazieră), parametrii de zbor la care asigură și un zbor lung de croazieră (H=25 km, M=4,5) aeronavei. În cele din urmă, la atingerea unei altitudini de 30 km și a unei viteze de zbor corespunzătoare unui număr Mach de zbor de 6,8, a doua etapă de rachetă se separă și se lansează. După cum vedem, această etapă a fost deja accelerată la viteză mare și, prin urmare, pentru a intra pe orbita joasă a Pământului, a doua etapă a rachetei va necesita o sursă de energie (combustibil) semnificativ mai mică decât în ​​cazul unei lansări pur de rachetă de la suprafața pământului.

Să reamintim că utilizarea combustibilului cu hidrocarburi (kerosen) în hipersunete este limitată la nivelul numărului Mach = 4 din cauza temperaturii scăzute a flăcării în comparație cu hidrogenul. Din cauza acestei limitări, odată cu creșterea vitezei de zbor și cu creșterea încălzirii cinetice a aerului la admisie în timpul frânării acestuia, cantitatea de căldură furnizată scade și, în consecință, munca efectuată și eficiența termică scad (rețineți formula lui Carnot). Prin urmare, pentru a obține o conversie eficientă a energiei chimice a combustibilului în lucru, este necesar să se utilizeze combustibil cu o temperatură mai mare a flăcării de ardere. Hidrogenul are exact aceasta calitate, dar are si restrictii de viteza si anume Mmax = 7. O alternativa la aceasta este tehnologia... racirea aerului la admisia motorului folosind un schimbator-recuperator de caldura folosind resursa de racire stocata in rezervoarele de combustibil ( hidrogen lichid, care are o temperatură scăzută).

Dezvoltarea teoretică a unei aeronave hipersonice de pasageri au fost făcute la NASA (SUA) încă din anii 1970. S-a planificat crearea unei aeronave „Orient Express” capabilă să acopere distanțe de la New York trei (!) ore de Tokyo. Această aeronavă a fost proiectată să transporte 300 de pasageri pe o distanță de 12.000 km cu o viteză de croazieră de M=5. Aeronava, cu o greutate la decolare de 440 de tone, urma să fie echipată cu patru motoare de 27,5 tone de tracțiune fiecare (raport de putere - același clasic 0,25 pentru aeronavele cu patru motoare). În 1989, a fost lansat un proiect internațional de dezvoltare a tehnologiilor pentru centrala electrică a unei aeronave hipersonice promițătoare de pasageri. Japonia a fost aleasă ca țară de bază pentru integrarea proiectului de motoare, cu participarea liderilor mondiali în dezvoltarea de motoare cu turbină cu gaz, Rolls-Royce și General Electric. Proiectul a derulat fără probleme timp de douăzeci de ani, au fost efectuate experimente pe componente individuale ale viitorului motor turbo-ramjet, dar rezultatul nu a fost încă atins.

Europenii nu au rămas în urmă Statelor Unite: deja la începutul secolului al XXI-lea, proiectele de avioane hipersonice de pasageri pentru 200 (300 de tone greutate la decolare) și 300 (400 de tone greutate la decolare) pasageri pe planul planificat. Ruta Bruxelles-Sydney a apărut și aici. Viitorul avion hipersonic trebuie să parcurgă această distanță în trei ore. Cât de realiste sunt aceste proiecte? Din punct de vedere eficienta economica un avion hipersonic de pasageri pare a fi un proiect foarte riscant. Este puțin probabil ca investițiile uriașe în dezvoltare să aibă roade în funcționarea sa costisitoare. Dacă numai... pe viitoarea rută aglomerată Beijing-New York.

Dar utilizarea militară și spațială a hipersunetului este complet reală, iar aici Statele Unite sunt înaintea tuturor, cel puțin în ceea ce privește strategia bine gândită. Mai mult, NASA și Departamentul Militar al SUA au creat o articulație structura organizatorica, numită National Aerospace Initiative (NAI), pentru implementarea practică a următoarei generații de proiecte. După ce a suferit cu navetele în ceea ce privește prezicerea fiabilității lor în timpul utilizării repetate, NASA și-a stabilit sarcina de a reduce radical costurile lansărilor de nave spațiale prin dezvoltarea unei noi generații de vehicule de lansare care utilizează avioane hipersonice. Acest proiect de aeronavă aerospațială, desemnat X-43 (ca orice aeronavă prototip desemnată „X”), este programat să fie finalizat până în 2025 cu teste de zbor ale demonstratorului. Adevărat, alegerea finală a tipului de primă etapă nu a fost încă făcută. Sunt luate în considerare ambele opțiuni: pur rachetă și bazată pe un motor cu turbină cu gaz. Dar partea „superioară” a primei etape este un motor hipersonic ramjet cu ardere supersonică.

În general, transformarea naturală a motorului optim al navei spațiale arată așa. La lansare, când viteza inițială de zbor în atmosferă este zero, compresia aerului necesară pentru a produce lucru este efectuată de compresorul motorului cu turbină cu gaz. Pe măsură ce viteza de zbor crește, din ce în ce mai multă compresie are loc atunci când aerul este decelerat în admisia de aer și apare din ce în ce mai puțin în compresor. Pornind de la un număr Mach de zbor de 3–3,5, compresorul degenerează în esență, adăugând practic nimic la raportul de compresie din admisia de aer. Aici este recomandabil să opriți partea turbină cu gaz a motorului și să treceți la un circuit pur cu flux direct cu ardere subsonică până la viteze de zbor de ordinul M = 5. Următoarea modificare optimă a motorului este un motor cu flux direct cu ardere supersonică (la M4, temperatura de stagnare atunci când curge în jurul stabilizatorului atinge valoarea de aprindere, iar arderea stabilă are loc la viteze mari, inclusiv supersonice). Și, în cele din urmă, la părăsirea atmosferei, unde aerul are densitate scăzută și nu poate servi ca fluid de lucru, se folosește un motor de rachetă cu propulsie lichidă, care folosește propria aprovizionare cu oxidant în racheta sau rezervorul aeronavei în loc de aerul atmosferic. Presiunea necesară în camera de ardere este asigurată de debitul fluidului de lucru, care, la rândul său, este asigurat de pompe care pompează oxidant și combustibil în cantitatea necesară.

Dacă tehnologiile turbinelor cu gaz sunt bine dezvoltate până la numărul Mach de zbor de 3, atunci zona de operare a unui motor ramjet cu combustie supersonică (M4) este problematică atât în ​​​​știință, cât și în în termeni practici. Și cercetările intensive sunt efectuate în această direcție. În plus, pare tentant să extindem domeniul de aplicare al unui motor cu turbină cu gaz (deși într-o versiune combinată cu un motor cu flux direct) la M = 4. Apoi, în navă spațială, centrala pentru accelerarea sa va avea trei module separate: turbo ramjet, ramjet cu combustie supersonică și motoare rachetă.

SUA au adoptat un program corespunzător pentru dezvoltarea așa-numitului „Revolutionary Turbine Accelerator” (RTU sau, în transcriere în engleză, RTA), la care participă celebra companie General Electric. Prototipul unui astfel de motor „revoluționar” este F-120, un așa-numit „motor cu ciclu variabil” cu zone de curgere reglabile mecanic (în special, aparatul duzei turbinei).

Există multe probleme în crearea unei aeronave hipersonice. Pornind de la acuratețea insuficientă a prognozării rezistenței externe a unui astfel de dispozitiv și, în consecință, evaluarea cantității necesare de forță a centralei electrice. Faptul este că la astfel de viteze hipersonice, fiabilitatea modelării geometrice în timpul suflarii aerodinamice necesită încă confirmare. Nu este clar dacă teoria similitudinii, folosită cu atâta succes în studiul modelelor de aeronave subsonice și supersonice (dar nu hipersonice), funcționează (cel mai probabil nu funcționează) în acest caz. Metode moderne calculele şi modelarea aerodinamicii necesită, de asemenea, verificare. Interacțiunea fluxului hipersonic cu motorul și aeronava dă naștere la efecte semnificativ neliniare pe care metodele moderne de modelare matematică bazate pe grile nu le pot descrie cu acuratețe. Totul duce la faptul că dezvoltarea unor astfel de sisteme costisitoare ar trebui efectuată în mare parte la locație, în condiții de zbor. Aici ne aflăm într-o situație similară cu stadiul inițial de dezvoltare a motoarelor de rachetă mari.

Circuitul ramjet al unui motor cu ardere supersonică necesită, de asemenea, cercetări, variind de la dezvoltarea de noi materiale conductoare de căldură mai ușoare, cum ar fi compozitele ceramice pe bază de gama-titan-aluminiu sau siliciu și alegerea tipului de combustibil. Trebuie avut în vedere că aici se folosește combustibil pentru răcirea camerei de ardere. etc., etc.

Care este situația cu hipersunetul în Rusia? Și care este posibila utilizare a aeronavelor hipersonice aici? Nu ar trebui să ne așteptăm la utilizarea hipersunetelor pentru a lansa nave spațiale și nave pe orbită. Rusia dispune de mult timp de un sistem fiabil pentru utilizarea vehiculelor de lansare de rachete în acest scop. Nu va exista hipersonic în Rusia transportul aerian- Nu există o astfel de nevoie, iar din punct de vedere economic este nepotrivit. Dar în domeniul utilizării militare a hipersunetului există perspective tentante. Trebuie remarcat faptul că acest subiect a fost studiat de mult timp în Rusia (din anii 1970). Institutul Central construirea motoarelor de aviație în cadrul programelor țintă federale („Rece” pentru utilizarea hidrogenului etc.). Această temă nu oferă doar mari oportunități pentru dezvoltarea științei fundamentale, în primul rând în domeniul mecanicii fluidelor și gazelor, precum și al fizicii arderii, dar are și o natură aplicată evidentă. Dezvoltarea de noi modele matematice de procese, efectuarea de experimente unice - toate acestea în sine sunt de mare valoare pentru dezvoltare inovatoareţări. În cazul creării unui purtător de arme hipersonic, apărarea țării primește o nouă calitate datorită vitezei de reacție crescute și invulnerabilității răspunsului la posibile amenințări.

La CIAM, subiectul scramjet (motor ramjet hipersonic) a început să fie studiat în mod substanțial în 1985 (departamentul 012, șef de departament A.S. Rudakov), concentrându-se pe crearea unei aeronave aerospațiale. Conceptul unui astfel de avion a fost dezvoltat la Biroul de Proiectare Tupolev și proiect viitor Aeronava a fost desemnată Tu-2000. Dar nu a fost posibil să se organizeze o muncă sistematică pentru a crea o astfel de aeronavă din multe motive, inclusiv din cauza lipsei finanţare ţintită. După cum știți, a început „perestroika”, iar Mamai „a trecut prin această „perestroika” în multe proiecte. Cu toate acestea, programul Cold a planificat să efectueze un experiment de zbor al unui motor scramjet, desemnat S-57. Această lucrare a fost de natură complexă: a fost necesar să se pregătească un laborator de zbor hipersonic bazat pe racheta antiaeriană S-200, să se dezvolte un complex de lansare, să se creeze scramjet în sine și un sistem de control al alimentării cu combustibil, un sistem la bord pentru stocare. și furnizarea de hidrogen lichid, un complex de realimentare și transport pentru hidrogen lichid și etc.

Motorul scramjet în sine specificatii tehnice CIAM a fost dezvoltat (cu participarea Biroului de proiectare a motoarelor Tushino) în renumitul Birou de proiectare Voronezh "Khimavtomatika" (fondator - S.A. Kosberg), care a dezvoltat motoare de rachete lichide atât pentru spațiu, cât și pentru rachetele de luptă ale lui V. Chelomey. Motorul avea o priză de aer axisimetrică și era instalat în capul rachetei. TsAGI a efectuat purjarea aerodinamică a prizei de aer și a rachetei S-200. Întreprinderea Cryogenmash a dezvoltat un sistem de stocare a hidrogenului la bord. Laboratorul de zbor, firește, a fost creat de dezvoltatorii S-200. Organizațiile Ministerului Apărării au participat activ la proiect - testele erau planificate să fie efectuate la terenul de antrenament Sary-Shagan (Kazahstan).

Scramjet-ul rus a intrat în experimentul de zbor mai devreme decât cel american. Deja în 1991, primul zbor a fost efectuat cu lansarea unui scramjet cu durata de 27,5 secunde, cu pornirea și oprirea automată a camerei de ardere. Era succes major, în ciuda arderii existente a camerei de ardere. Dar în 1992... finanțarea acestui program s-a oprit: cu toții ne amintim bine acea perioadă a reformelor „liberale”. S-au găsit bani în Franța în schimbul unor informații, iar la sfârșitul anului 1992, a fost efectuat un al doilea test, și mai reușit, al lui S-57, timp în care motorul a funcționat timp de 40 de secunde, inclusiv mai mult de 20 de secunde în combustie supersonică. modul în cameră. În timpul testării au fost prezenți și inginerii francezi.

În 1994, americanii (NASA) s-au alăturat acestui program - a fost foarte tentant să folosească infrastructura gata făcută și un obiect de cercetare. NASA a atribuit un contract pentru a participa la acest experiment cu finanțare adecvată. Scopul testului a fost de a atinge o viteză de zbor corespunzătoare numărului Mach = 6,5 și de a demonstra funcționarea stabilă a motorului scramjet. În legătură cu această cerință, scramjet-ul a fost modificat, incluzând un sistem îmbunătățit de răcire a camerei de ardere, iar la 12 februarie 1998 a fost efectuat cu succes un test de zbor al scramjet-ului. Motorul a funcționat fără distrugere timp de 70 de secunde necesare și a fost atinsă viteza maximă specificată. De remarcat că scramjet-ul american X-43 a efectuat primul zbor hipersonic în 2001, atingând o viteză de M=6,8. În ciuda succesului evident al experimentului rusesc, multe probleme au rămas nerezolvate. Și una dintre principalele este determinarea rezistenței exterioare reale a aeronavei. Acest lucru necesită un zbor autonom (fără o rachetă „booster”).

Proiectul avionului hipersonic Tu-2000.

Ce urmează? Americanii au mers pe drumul lor, punând în aplicare un program pe scară largă „ harta rutiera”, numit „Acces hipersonic la spațiu”, cu finalizare în 2025. Nu au unde să meargă - „navetele” ar trebui eliminate cât mai curând posibil și nu există nimic de zburat în spațiu. S-ar putea crede că, după două dezastre ale navetei spațiale, directorul NASA ar fi trebuit să fie botezat înainte de a semna permisiunea pentru următorul zbor. Rusia nu a avut banii, sau mai degrabă, înțelegerea în conducerea țării, pentru a forța un subiect atât de cu adevărat inovator. Dar și Franța, din cauza sărăciei, s-a „prins” de Rusia: avionul hipersonic experimental LEA cu o lungime de 4,2 metri este planificat să fie testat folosind sistemul rusesc ieșire la parametrii de zbor calculați. Dispozitivul în sine este un avion clasic cu o admisie de aer și o duză „plată”. Suprafețele inferioare ale acestei aeronave sunt simultan suprafețele exterioare de decelerare a fluxului în partea din față și expansiunea acesteia după adăugarea de căldură în partea din spate. Contractul (2006) este susținut de Rosoboronexport pe partea rusă. Printre participanții ruși se numără întreprinderea Raduga (amplificator de rachete), TsAGI (suflante aerodinamice), Institutul de Cercetare a Zborului numit după. Gromov (telemetrie), CIAM și Institutul de Aviație din Moscova (testarea proceselor de ardere și modelarea matematică a proceselor).

Diagrama unui motor hipersonic ramjet cu ardere supersonică la M›4. Sunt vizibile stabilizatoarele de flacără retractabile (când funcționează la hipersonic).

Planificat pentru 2013...2015. efectuați patru zboruri cu durata de 30–40 de secunde în intervalul de viteză hipersonică M = 4–8 la o altitudine de 30–40 km. Lansarea la parametrii de zbor de proiectare trebuie efectuată secvențial folosind bombardierul supersonic Tu-22MZ („booster” + LEA), apoi racheta „booster” cu dispozitivul trebuie separată de aeronavă, iar cu ajutorul acestuia dispozitivul trebuie fi lansat la altitudinea de proiectare la care va efectua un zbor orizontal. În urma acestor teste, este planificată obținerea de informații cheie atât despre proprietățile unei aeronave hipersonice, cât și despre procesele de ardere și răcire din motor. Urăm succes acestui proiect. Totul este în regulă, dar dacă nu ar fi fost Oboronprom cu dorința sa nestăpânită de a câștiga bani fără suport ingineresc de încredere și, după cum li se pare oficialilor, prea scump.

Informații generale

Zborul cu viteză hipersonică face parte din regimul de zbor supersonic și se efectuează într-un flux de gaz supersonic. Fluxul de aer supersonic este fundamental diferit de cel subsonic, iar dinamica zborului aeronavei la viteze peste viteza sunetului (peste 1,2 M) este fundamental diferită de zborul subsonic (până la 0,75 M; intervalul de viteză de la 0,75 la 1,2 M se numește viteză transsonică). ).

Determinarea limitei inferioare a vitezei hipersonice este de obicei asociată cu începerea proceselor de ionizare și disociere a moleculelor din stratul limită (BL) din apropierea vehiculului care se deplasează în atmosferă, care începe să apară la aproximativ 5 M. Această viteză se caracterizează și prin faptul că un motor ramjet (“Sramjetul subsonic cu combustie” devine inutil din cauza frecării extrem de mari care apare atunci când aerul care curge este decelerat în acest tip de motor. Astfel, în intervalul de viteză hipersonică, pentru a continua zborul, este posibil să se utilizeze doar un motor rachetă sau un ramjet hipersonic (scramjet) cu ardere supersonică a combustibilului.

Caracteristici de curgere

În timp ce definiția fluxului hipersonic (HS) este destul de controversată din cauza lipsei unei granițe clare între fluxurile supersonice și hipersonice, HS poate fi caracterizată prin anumite fenomene fizice care nu mai pot fi ignorate atunci când se iau în considerare, și anume:

Strat subțire de undă de șoc

Pe măsură ce viteza și numerele Mach corespunzătoare cresc, densitatea din spatele undei de șoc (SW) crește, de asemenea, corespunzătoare unei scăderi a volumului în spatele șocului datorită conservării masei. Prin urmare, stratul undei de șoc, adică volumul dintre dispozitiv și unda de șoc, devine subțire la numere Mach mari, creând un strat limită subțire (BL) în jurul dispozitivului.

Formarea straturilor de șoc vâscoase

O parte din energia cinetică mare conținută în fluxul de aer, la M > 3 (flux vâscos), este convertită în energie internă datorită interacțiunii vâscoase. O creștere a energiei interne se realizează printr-o creștere a temperaturii. Deoarece gradientul de presiune normal cu curgerea din stratul limită este aproximativ zero, o creștere semnificativă a temperaturii la numere Mach ridicate duce la o scădere a densității. Astfel, PS de pe suprafața vehiculului crește și la numere Mach mari se contopește cu un strat subțire al undei de șoc lângă prova, formând un strat de șoc vâscos.

Apariția undelor de instabilitate în PS, care nu sunt caracteristice fluxurilor sub- și supersonice

Debit de temperatură ridicată

Debitul de mare viteză în punctul frontal al aparatului (punctul sau regiunea de frânare) face ca gazul să se încălzească la temperaturi foarte ridicate (până la câteva mii de grade). Temperaturile ridicate, la rândul lor, creează proprietăți chimice de neechilibru ale fluxului, care constau în disocierea și recombinarea moleculelor de gaz, ionizarea atomilor, reacții chimice în flux și cu suprafața aparatului. În aceste condiții, procesele de convecție și transfer radiativ de căldură pot fi semnificative.

Parametrii de similaritate

Se obișnuiește să descrieți parametrii fluxurilor de gaz printr-un set de criterii de similitudine, care vă permit să reduceți un număr aproape infinit de stări fizice în grupuri de similaritate și care vă permit să comparați fluxurile de gaz cu diferiți parametri fizici (presiune, temperatură, viteză). , etc.) unul cu altul. Pe acest principiu se bazează experimentele în tunelurile de vânt și transferul rezultatelor acestor experimente pe aeronave reale, în ciuda faptului că în experimentele cu tuburi dimensiunea modelelor, vitezele de curgere, încărcările termice etc. pot diferi foarte mult de condițiile reale de zbor, în același timp, parametrii de similitudine (numerele Mach, numerele Reynolds, numerele Stanton etc.) corespund celor de zbor.

Pentru fluxul transonic și supersonic sau compresibil, în majoritatea cazurilor, parametri precum numărul Mach (raportul dintre viteza curgerii și viteza locală a sunetului) și Reynolds sunt suficienți pentru a descrie complet fluxul. Pentru un flux hipersonic, acești parametri sunt adesea insuficienti. În primul rând, ecuațiile care descriu forma undei de șoc devin practic independente la viteze de la 10 M. În al doilea rând, temperatura crescută a fluxului hipersonic înseamnă că efectele legate de gazele neideale devin vizibile.

Luând în considerare efectele într-un gaz real înseamnă că este necesar un număr mai mare de variabile pentru a descrie pe deplin starea gazului. Dacă un gaz staționar este complet descris de trei mărimi: presiune, temperatură, capacitate termică (indice adiabatic), iar un gaz în mișcare este descris de patru variabile, care include și viteza, atunci un gaz fierbinte în echilibru chimic necesită, de asemenea, ecuații de stare pentru componentele sale chimice constitutive și un gaz cu procese de disociere și ionizare trebuie să includă și timpul ca una dintre variabilele stării sale. În general, aceasta înseamnă că, în orice moment ales, debitul de neechilibru necesită între 10 și 100 de variabile pentru a descrie starea gazului. În plus, fluxul hipersonic rarefiat (HF), descris de obicei în termeni de numere Knudsen, nu se supune ecuațiilor Navier-Stokes și necesită modificarea acestora. HP este de obicei clasificată (sau clasificată) folosind energia totală, exprimată folosind entalpia totală (mJ/kg), presiunea totală (kPa) și temperatura de stagnare (K) sau viteza (km/s).

Gaz ideal

În acest caz, fluxul de aer care trece poate fi considerat un flux de gaz ideal. GP în acest regim depinde încă de numerele Mach și simularea este ghidată de invarianții de temperatură, mai degrabă decât de peretele adiabatic, care are loc la viteze mai mici. Limita inferioară a acestei regiuni corespunde vitezelor în jur de 5 Mach, unde jeturile SPV cu ardere subsonică devin ineficiente, iar limita superioară corespunde vitezelor în regiunea 10-12 Mach.

Gaz ideal cu două temperaturi

Face parte din cazul fluxului de gaz ideal de mare viteză, în care fluxul de aer care trece poate fi considerat ideal din punct de vedere chimic, dar temperatura de vibrație și temperatura de rotație a gazului trebuie luate în considerare separat, rezultând două modele de temperatură separate. Acest lucru este de o importanță deosebită în proiectarea duzelor supersonice, unde răcirea vibrațională datorată excitației moleculare devine importantă.

Gaz disociat

Modul dominant al transferului de radiații

La viteze de peste 12 km/s, transferul de căldură către aparat începe să aibă loc în principal prin transfer radial, care începe să domine asupra transferului termodinamic odată cu creșterea vitezei. Modelarea gazelor în acest caz este împărțită în două cazuri:

• subțire optic - în acest caz se presupune că gazul nu reabsoarbe radiația care provine din celelalte părți ale sale sau din unitățile de volum selectate;
• gros optic - unde se ia în considerare absorbția radiației de către plasmă, care este apoi reemisă, inclusiv pe corpul dispozitivului.

Modelarea gazelor groase optic este o sarcină complexă deoarece, datorită calculului transferului radiativ în fiecare punct al fluxului, volumul calculelor crește exponențial cu numărul de puncte luate în considerare.

Vezi de asemenea

Note

Legături

• Anderson John Dinamica gazelor hipersonice și de înaltă temperatură ediția a doua. - Seria Educație AIAA, 2006. - ISBN 1563477807
• Ghidul NASA pentru Hypersonics (engleză).