История и развитие двигателей Ramjet от Второй мировой войны до наших дней

Разработка реактивных двигателей представляет собой краеугольный камень высокоскоростной аэрокосмической двигательной установки. В отличие от турбореактивных двигателей или ракет, рамджеты не имеют движущихся частей - нет компрессоров, нет турбин. Вместо этого они полностью полагаются на передовую скорость транспортного средства, чтобы сжать поступающий воздух, прежде чем смешивать его с топливом и зажигать его. Эта фундаментальная простота делает их идеальными для устойчивого сверхзвукового и гиперзвукового полета. Их история - это история амбициозной инженерии, срочности военного времени и текущих инноваций, которые простираются от начала 20-го века до современных гиперзвуковых исследований.

Происхождение и ранние концепции

Теоретическая основа для рамджета была заложена задолго до того, как любой практический двигатель взлетел. В 1913 году французский изобретатель Рене Лорин запатентовал конструкцию «движучего воздуховода», в котором использовалось движение транспортного средства для сжатия воздуха. Однако концепция Лорина не могла быть реализована в то время, потому что не существовало самолета, который мог бы достичь необходимых скоростей — обычно выше 0,5 Маха — для работы двигателя. Идея оставалась бездействующей в течение многих лет.

Первые серьезные попытки построить рабочий реактивный самолет были предприняты в 1930-х годах. В Советском Союзе инженер Михаил Бондарюк разработал GIRD-08, жидкостный реактивный двигатель, испытанный на ракетных санях в 1939 году. Примерно в то же время немецкие исследователи из DVL (Немецкий авиационный научно-исследовательский институт) начали изучать конструкции реактивного самолета под кодовым названием Eisenhans (Железный Ганс). Эти ранние прототипы продемонстрировали, что концепция может работать, но материалы, впрыск топлива и стабильность сгорания оставались основными проблемами.

Именно Вторая мировая война действительно ускорила разработку реактивных двигателей. Необходимость в высокоскоростном оружии большой дальности подтолкнула инженеров в Германии, Великобритании и США к превращению теоретических конструкций в практическое оборудование. Немецкий Fieseler Fi 103 (более известный как летающая бомба V-1) использовал пульсджет, а не настоящий реактивный самолет, но оперативный опыт, полученный с более простыми воздуховодами, сообщил о более поздней работе реактивных двигателей. Союзники, тем временем, преследовали ракеты с реактивным двигателем и целевые беспилотники в рамках своих собственных секретных проектов.

Развитие во время и после Второй мировой войны

Британские вклады

Великобритания сделала некоторые из самых значительных ранних достижений. Королевское авиационное учреждение (RAE) и Metropolitan-Vickers сотрудничали с Metropolitan-Vickers F.2/40 , рамджет, предназначенный для питания истребителей на экстремальных высотах. Хотя двигатель никогда не был установлен на серийном самолете, он предоставил обширные данные о сверхзвуковом сгорании и конструкции впуска. Британцы также разработали семейство Projectile, Air-Breathing, Ramjet (PABR) , включая Horseshoe , которое было одним из первых рамджетных транспортных средств для достижения контролируемого полета. Эти конструкции установили фундаментальную архитектуру - длинный цилиндрический корпус с центральным носовым конусом, впускной, камерой сгорания и выхлопным соплом - который остается стандартным сегодня.

Американский прогресс

Соединенные Штаты вошли в поле в течение последних военных лет. Военно-морская авиационная станция на озере Китай начала испытания реактивного самолета KAN [[Kaiser-North American]] в 1944 году. После войны захваченные немецкие документы и ученые, в частности доктор Адольф Буземанн, который работал над сверхзвуковыми приемами на DVL, дали американскому исследованию большой толчок. Авиационная дивизия Райта Кертисс-Райт разработала реактивный самолет RJ47, который позже привел в действие сверхзвуковую ракету класса «земля-воздух» Bomarc. RJ47 был знаковым достижением: он продемонстрировал, что реактивный самолет может надежно работать в течение длительных периодов на скоростях выше 2,5 Маха.

Послевоенная эра: Рамджеты вступают в строй

К 1950-м годам технология ramjet достаточно созрела для оперативного развертывания. Британская ракета Blue Steel, ядерное оружие противостояния, перевозимое V-бомбардировщиками, использовала двигатель Bristol Siddeley BS.605 ramjet sustainer после повышения до 2,5 Маха. Blue Steel оставалась на вооружении до начала 1970-х годов. В США Bomarc поступила на вооружение ВВС в 1959 году, вооружившись либо обычными, либо ядерными боеголовками и руководствуясь передовой радиолокационной системой. Marquardt RJ43-MA-7 Дальность действия двигателей Bomarc составила более 400 миль и скорость 2,8 Маха. Эти системы доказали, что ramjets были не просто лабораторными курьезами, но надежными силовыми установками для реального военного применения.

Технологические достижения: от Рамджетов до Скрамджетов

Проблемы горения

Основной технической задачей рамджета является поддержание стабильного сгорания на высоких сверхзвуковых скоростях. В дозвуковом рамджете воздух, поступающий в впуск, должен быть замедлен до дозвуковых скоростей перед входом в камеру сгорания. Это замедление создает ударные волны и потери давления, которые ограничивают эффективность. Инженеры потратили десятилетия на уточнение геометрии впуска — с использованием компрессионных рамп, остроконечных входов и изменяемой геометрии — чтобы минимизировать эти потери. Работа доктора Антонио Ферри в Политехническом институте Бруклина была особенно влиятельной; его впуск «типа Ферри» стал стандартной конструкцией для многих американских рамджетов.

Топливные системы и термоменеджмент

Топливо также значительно эволюционировало. Ранние рамджеты использовали стандартный керосин (JP-4 или JP-5), но высокоскоростной полет генерирует интенсивное тепло. На Маха 3 и выше планер и двигатель становятся настолько горячими, что обычное топливо может разлагаться или вызывать коксующееся топливо. Это привело к разработке эндотермического топлива , которое поглощает тепло через химические реакции крекинга перед сжиганием. JP-7 топливо, используемое в SR-71 Blackbird Pratt & турбореактивные двигатели Whitney J58; турбореактивные двигатели Whitney J58; турбореактивные двигатели Whitney J58; RJ-8 и другие специализированные смеси, предназначенные для длительного гиперзвукового полета.

Прорыв Scramjet

Следующий крупный скачок произошел со скрамджетом (суперзвуковым рамджетом сгорания). В скрамджете воздушный поток остается сверхзвуковым по всему двигателю, устраняя необходимость в дозвуковом диффузоре и уменьшая сопротивление. Концепция была впервые предложена в 1960-х годах, но практическая реализация оказалась чрезвычайно сложной. Сжигание на Маха 5 или выше происходит в миллисекундах, требуя точных систем впрыска топлива и зажигания.

NASA X-43A, летавший в 2004 году, был первым самолетом, достигшим 9,6 Маха на своем третьем и последнем полете. За этим этапом последовал X-51A Waverider, совместный проект ВВС-NASA, который продемонстрировал работу реактивного двигателя в течение более 200 секунд на 5,1 Маха в 2013 году. Эти программы показали, что реактивные самолеты могут выполнить свое обещание эффективного гиперзвукового движения, открывая дверь для практического применения.

Материалы и термозащита

Работа на устойчивых гиперзвуковых скоростях требует материалов, которые могут выдерживать экстремальные тепловые нагрузки. Ранние ракетные двигатели, используемые на основе никеля суперсплавы, такие как Inconel X-750 . Современные скремжеты, такие как те, которые тестировались в программах HyShot и HIFiRE , используют передовую керамику, углерод-углеродные композиты и активные каналы охлаждения. Системы теплозащиты, заимствованные из транспортных средств для повторного входа, такие как PICA (FENOLIC Impregnated Carbon Ablator] , используемые на переднем теле X-43A , были адаптированы для применения в реактивных и скремджетных системах. Эти материалы должны выдерживать не только экстремальное

Приложения Present-Day

Военные ракетные системы

Двигатели Ramjet продолжают питать некоторые из самых передовых ракетных систем в мире. MBDA Meteor , ракета воздушного базирования за пределами визуального диапазона, используемая несколькими воздушными силами НАТО, интегрирует ракету с воздуховодом переменного потока (тип ramjet), которая позволяет ей поддерживать тягу во время маневров с высоким уровнем тяги, где обычные ракеты будут выгорать. BrahMos ракета, совместно разработанная Индией и Россией, использует жидкостный реактивный носителя для достижения 2,8-3,0 Маха во время его терминальной фазы. BrahMos был развернут на кораблях, подводных лодках, самолетах и наземных пусковых установках, что делает его одним из самых универсальных ramjet-способных вооружений в существовании.

Система ПРО FLT:0 использует стандартную ракету 3 (SM-3) RIM-161 с двухпульсным ракетным двигателем, но ее преемник, SM-6 (FLT:5), включает в себя реактивный выдерживатель для расширенной дальности и кинематических характеристик. ВМС США также разрабатывают оружие FLT:6 (OASuW), вероятно, использующее реактивный двигатель для высокоскоростного проникновения вражеской обороны. Эти приложения полагаются на способность реактивного двигателя поддерживать высокую скорость на больших расстояниях при сохранении маневренности.

Гиперзвуковые исследовательские машины

Экспериментальные программы продолжают раздвигать границы. Boeing X-20 Dyna-Soar, отмененный в 1963 году, был ранним кандидатом на реактивное движение в космическом самолете. Сегодня программа DARPA Falcon и Lockheed Martin SR-72, по слухам, используют двигатели на основе скремджета для разведывательных и ударных миссий. Исследовательская лаборатория ВВС США (AFRL) выполнила несколько тестовых транспортных средств в рамках Hypersonic Air-breathing Weapon Concept (HAWC) программы, все полагаются на реактивное движение.

В гражданском секторе, австралийско-британское сотрудничество по двигателю SABRE (Synergetic Air-Breathing Rocket Engine) использует другой подход, сочетая предохладитель с циклом, подобным рамджету, для работы с нуля до 5,4 Маха, прежде чем перейти в режим ракеты для доступа в космос.

Будущие перспективы

Гиперзвуковой транспорт

Наиболее амбициозным будущим приложением для технологии ramjet и scramjet является гиперзвуковой транспорт. Такие компании, как Hermeus и Venus Aerospace , разрабатывают концепции самолетов, которые будут использовать турбореактивные гибриды для перевозки пассажиров через Атлантику менее чем за два часа. Демонстратор Hermeus Quarterhorse — самолет с комбинированным циклом на турбине (TBCC) — предназначен для достижения 5,5 Маха с использованием модифицированного Pratt & турбовентилятор Whitney F100, который переходит в режим ramjet на высокой скорости. Если такие транспортные средства будут успешными, такие транспортные средства могут революционизировать дальние поездки, сокращая время полета на 75% или более.

Космический доступ

С помощью атмосферного кислорода на ранней стадии подъема гиперзвуковая первая ступень может избежать переноса тяжелых резервуаров окислителя, потенциально удваивая грузоподъемность. Концепция Reaction Engines Skylon (с использованием двигателя SABRE) является самым известным примером, но аналогичные исследования были проведены НАСА в рамках концепции Hypersonic Airplane Space Tether Orbital Launch (HASTOL) .

Защита и сдерживание

Военные требования почти наверняка будут стимулировать краткосрочные инвестиции. Противники, включая Китай и Россию, разрабатывают гиперзвуковые планирующие транспортные средства и крылатые ракеты, которые полагаются на реактивные или реактивные двигатели. Министерство обороны США придает приоритетное значение гиперзвуковому оружию в своем бюджете, финансируя программы, такие как Гиперзвуковое оружие дальнего радиуса действия (LRHW) и Гиперзвуковые ударные крылатые ракеты (Hypersonic Attack Cruise Missile (HACM) . Противодействие этим угрозам потребует одинаково быстрых перехватчиков, многие из которых сами будут оснащены реактивными двигателями. Northrop Grumman X-47C и подобные беспилотные платформы часто обсуждаются как потенциальные гиперзвуковые ударные или разведывательные платформы.

Оставшиеся технические проблемы

Несмотря на десятилетия прогресса, остаются значительные проблемы. Устойчивый гиперзвуковой полет создает температуры выше 2500 ° C (4500 ° F) на передних краях, требующие активного охлаждения или абляции. Впрыск топлива и смешивание должны точно контролироваться, чтобы избежать загорания или отключения (состояние, при котором ударная система вытесняется и двигатель перестает сжимать воздух). Интеграция с турбореактивными двигателями для низкоскоростного взлета и посадки добавляет сложность, вес и стоимость. Концепция TBCC, хотя и многообещающая, еще не была продемонстрирована в полномасштабном летном транспортном средстве. И переход от дозвукового до сверхзвукового сгорания - пересечение так называемого термического удушья - остается сложной инженерной проблемой.

Дорога впереди

История рамджета является свидетельством того, как простая идея — сжимать воздух, двигаясь достаточно быстро — может развиться в технологию с глубокими последствиями для войны, транспорта и исследования космоса. От прототипов 1930-х годов до полета X-43A на грубых санях до полета 9,6 Маха каждое поколение улучшило эффективность, надежность и скорость. В ближайшие десятилетия, вероятно, появятся эксплуатационные гиперзвуковые ракеты, экспериментальные пассажирские шаттлы и, возможно, даже многоразовые ускорители первой ступени, которые используют атмосферу в качестве своего окислителя. рамджет в различных формах будет лежать в основе этих достижений.

Для дальнейшего чтения по основам реактивного двигателя, Смитсоновский институт предоставляет отличный исторический обзор разработки ракет и реактивных двигателей. Американский институт аэронавтики и астронавтики (AIAA) публикует подробные технические документы по сгоранию реактивных двигателей и управлению тепловыми потоками. NASA Armstrong Flight Research Center поддерживает общедоступный архив данных о полетах X-43A и X-51A.

Рамджет может быть одной из самых простых концепций воздушного двигателя, когда-либо задуманных, но для его реализации потребовались некоторые из самых сложных инженерных решений, когда-либо предпринятых.Поскольку высокоскоростной полет становится стратегическим и коммерческим приоритетом, работа, начатая в 1940-х годах, продолжит давать результаты, которые когда-то были ограничены областью научной фантастики.