Примеры успешных демонстраций полетов на рамджете

Введение в технологию Ramjet

Двигатели Ramjet представляют собой одну из самых простых и элегантных форм воздушно-дыхательного движения. В отличие от традиционных турбореактивных двигателей или турбовентиляторов, ramjet не имеет вращающихся лопастей компрессора или турбин. Вместо этого он полностью полагается на движение вперед транспортного средства для сжатия поступающего воздуха через тщательно сформированный впускной диффузор. Этот сжатый воздух затем смешивается с топливом, воспламеняется и выталкивается через сопло для генерации тяги. Отсутствие движущихся частей дает ramjet замечательное соотношение мощности к весу и механическую простоту, но также накладывает фундаментальное ограничение: ramjet не может производить статическую тягу. Он должен быть ускорен до высокой сверхзвуковой скорости - обычно выше 2,5 Маха - прежде чем процесс сжатия станет достаточно эффективным для длительной работы. Ниже этого порога двигатель не может генерировать достаточный рост давления для сгорания, делая системы бустера, такие как твердотопливные ракетные ускорители или турбореактивные ступени, необходимые для начального ускорения.

Рамджеты наиболее эффективны в диапазоне от 3 до 6 Маха, где они предлагают значительно более высокий удельный импульс, чем ракетные двигатели, потому что они не несут окислителя на борту. Это преимущество эффективности делает их идеальными для ракет большой дальности, высокоскоростных ракет, гиперзвуковых исследовательских транспортных средств и потенциальных будущих воздушных космических систем запуска. Вариант, называемый реактивным двигателем (самолетный реактивный двигатель сгорания), расширяет эту способность в гиперзвуковой режим выше 6 Маха, где воздушный поток через двигатель остается сверхзвуковым даже во время сгорания - сложное техническое достижение, которое требует точного впрыска топлива и пламя на экстремальных скоростях.

Летные испытания реактивных и реактивных двигателей были в центре внимания аэрокосмических исследований с середины 20-го века. Ранние усилия в Соединенных Штатах, России и Франции заложили основу для сложных демонстраций, которые последовали. Анализируя эти успешные демонстрации полета, инженеры получили критическое понимание конструкции входа, управления температурой, поведения материала и стабильности сгорания на высоких скоростях. Ниже мы рассмотрим несколько знаковых демонстраций, которые раздвинули границы воздушно-дыхательного гиперзвукового полета.

Примечательные демонстрации полетов

NASA X-43A Hyper-X

X-43A, возможно, самая известная демонстрация полета на реактивном двигателе в истории. Разработанный в рамках программы НАСА Hyper-X, X-43A был небольшим беспилотным испытательным автомобилем, предназначенным для доказательства возможности реактивного движения на гиперзвуковых скоростях. Автомобиль был прикреплен к модифицированной твердотопливной ракетной ускорителю Pegasus, которая разогнала его до необходимой скорости и высоты, прежде чем двигатель реактивного двигателя взял на себя управление для короткого, управляемого сегмента полета.

X-43A вошёл в историю 27 марта 2004 года во время третьего и последнего полёта. После отделения от самолёта-носителя B-52 над Тихим океаном, разгонный двигатель Pegasus выстрелил, чтобы довести транспортное средство до высоты примерно 95 000 футов и скорости 7 Маха. Затем загорелся двигатель скремджета, сжигая водородную топливную смесь в течение примерно 10 секунд. Во время этого короткого горения X-43A разогнался до 6,83 Маха — впервые воздушно-дыхательный двигатель когда-либо приводил в движение транспортное средство на гиперзвуковых скоростях. Но команда нацелилась выше. 16 ноября 2004 года тот же самый автомобиль совершил свой рекордный полёт: скремджет воспламенился на 10 Маха и подтолкнул X-43A к пиковой скорости 9,6 Маха (примерно 7 000 миль в час или 11 200 км/ч), установив мировой рекорд для самого быстрого воздушного судна. Полёт длился примерно 10 секунд, но данные собирались проверенные численные модели, впускные конструкции и системы тепловой защиты для работы скремджета.

Ключевые технические достижения X-43A включают использование интегрированного планера-моторного дизайна, где весь нижний фюзеляж выступал в качестве входного отверстия и сопла. Небольшой размер автомобиля - всего 12 футов в длину с размахом крыльев 5 футов - обозначил инженерную задачу по сдерживанию и контролю сверхзвукового сгорания при экстремальных температурах. X-43A использовал камеру сгорания на меди и покрытие на основе кремнезема для защиты от температур поверхности, превышающих 3600 ° F (2000 ° C). Успех программы Hyper-X непосредственно повлиял на последующие исследования более крупных, более способных гиперзвуковых транспортных средств, таких как X-51A Waverider.

X-51A Waverider — сверхзвуковое горение в практических оружейных машинах

В то время как X-43A доказал фундаментальную физику реактивного движения, X-51A Waverider стремился продемонстрировать устойчивую работу в более представительном по полёту двигателе на углеводородном топливе. Разработанный Исследовательской лабораторией ВВС США (AFRL), DARPA, NASA и Boeing, X-51A использовал реактивное топливо JP-7 — термически стабильный углеводород — а не водород. Этот выбор был критическим, потому что он продемонстрировал топливо, которое может быть сохраненным, безопасным и логистически совместимым с военными операциями.

Программа Х-51А провела четыре летных испытания в период с 2010 по 2013 год. Первый полет 26 мая 2010 года имел частичный успех: самолёт-разгонщик зажигался и работал примерно 140 секунд, разгоняясь с 4,8 Маха до 5,0 Маха, но затем терял тягу из-за отказа печати. Второй полёт в июне 2011 года провалился, когда транспортное средство не могло перейти из разгонного блока в режим реактивного двигателя. Третий полёт в августе 2012 года также потерпел неудачу после того, как проблема с контрольным плавником привела к потере устойчивости транспортного средства. Четвертый и последний полёт 1 мая 2013 года достиг всех основных целей: X-51А отделился от своей твердотопливной ракетной установки примерно на 4,8 Маха, разгорелся и сгорел на 210 секунд, разгоняя транспортное средство до 5,1 Маха на высоте 60 000 футов — самый длительный в то время воздушно-дыхательный гиперзвуковой полёт.

X-51A продемонстрировал, что углеводородный скрамджет может производить положительную чистую тягу в течение длительного времени, что является важной вехой для применения оружия. Двигатель использовал двухрежимную рамджетную/скрамджетную (DMRJ) конструкцию, то есть он работал как рамджет во время начальной фазы ускорения и переходил в режим скрамджетной по мере увеличения скорости. Испытание также подтвердило методы управления тепловым режимом, такие как охлаждение стенок двигателя топливом, что необходимо для любой практической гиперзвуковой крылатой ракеты или многоразового транспортного средства.

Магнитогидродинамическая (MHD) демонстрация Ramjet

Французская аэрокосмическая компания SAFRAN на протяжении десятилетий была лидером в области реактивных технологий, особенно для ракет, таких как ASMP (Air-Sol Moyenne Portée). В 2015 году SAFRAN объявила об успешной демонстрации наземных испытаний новой концепции магнитогидродинамического (MHD) ramjet. В отличие от обычных ramjets и scramjets, которые полагаются исключительно на аэродинамическую компрессию и динамику сгорания, ramjet MHD использует электрические или магнитные поля для управления потоком ионизированного газа через двигатель. Создавая магнитное поле, перпендикулярное направлению потока, инженеры могут вызвать электромагнитную силу, которая ускоряет плазму - частично ионизированные продукты сгорания - что приводит к более высокой скорости выхлопа и потенциальному увеличению тяги без повышения температуры сгорания.

Демонстрация реактивного двигателя MHD SAFRAN была проведена на специальном испытательном объекте во Франции. Хотя это не было настоящим летным испытанием - оно было выполнено на земле с высокоскоростным генератором потока - испытание было разработано для представления условий, эквивалентных полету 6 Маха. Секция MHD была размещена после сгорания, действуя как электромагнитное сопло. Испытание подтвердило концепцию использования MHD для извлечения электрической энергии из потока, которая затем может быть перенаправлена для сжатия поступающего воздуха или ускорения выхлопа. Демонстрация показала, что эффект MHD может увеличить тягу до 30% по сравнению с обычным реактивным двигателем при том же потоке топлива, без движущихся частей.

Исследования реактивных двигателей MHD SAFRAN имеют последствия для будущих высокоскоростных ракет и самолетов. Используя магнитные поля, двигатель может работать в более широком диапазоне скоростей, потому что этап MHD может компенсировать снижение сжатия рам на более низких скоростях. Эта концепция может привести к системе рамджетов с переменным циклом, которая работает от 3 Маха до по меньшей мере 8 Маха без необходимости сложных изменений механической геометрии. SAFRAN также исследовал интегрированную генерацию электроэнергии MHD, которая может обеспечить бортовую электрическую мощность для датчиков, исполнительных механизмов или оружия направленной энергии на гиперзвуковой платформе.

Программа HiFIRE - Международные исследования полетов Scramjet

Программа Hypersonic International Flight Research Experimentation (HiFIRE), сотрудничество между Исследовательской лабораторией ВВС США и Австралийской группой оборонных наук и технологий (DSTG), провела серию полетов ракет в период с 2006 по 2018 год. HiFIRE была направлена на сбор фундаментальных данных о физике реактивных двигателей, переходе к турбулентности и поведении в полете высокоскоростных двигателей воздушного дыхания. Несколько экспериментов (HiFIRE 0 через HiFIRE 8) были запущены с испытательного полигона Вумера в Австралии.

Одним из наиболее значительных полётов стал HiFIRE 1 в 2009 году. Двухступенчатая ракета Terrier-Orion повысила полезную нагрузку, содержащую реактивный двигатель UQ (Университет Квинсленда) до мах 8 на высоте 30 км. Двигатель работал около 6 секунд, достигая сверхзвукового сгорания водородного топлива. Эксперимент подтвердил поведение входного впуска прямоугольной-эллиптической формы и предоставил данные, которые подтверждали коды динамики жидкости, используемые для проектирования гиперзвуковых двигателей. HiFIRE 2 и HiFIRE 3 испытывали различные впускные геометрии и топливные форсунки на махах 6 и мах 8.

Ценность программы HiFIRE заключается в ее системном подходе: каждый полет проверял конкретную научную гипотезу о работе скремджета, такую как стабилизация сгорания, смешивание топлива и воздуха на высоких скоростях и тепловые нагрузки. Данные от полетов HiFIRE непосредственно информировали о разработке более крупных гиперзвуковых программ США, таких как Tactical Boost Glide (TBG) и Hypersonic Air-breathing Weapon Concept (HAWC).

HyFly от Boeing — демонстрация двухконтактного Ramjet

Начиная с начала 2000-х годов DARPA в партнерстве с Boeing и Управлением военно-морских исследований проводила программу HyFly (Hypersonic Flight Demonstration). HyFly использовала уникальную конструкцию с двумя двигателями, где отдельный газовый генератор производил богатый топливом горячий газ, который затем впрыскивался в основную камеру сгорания. Этот подход был направлен на упрощение пламегасения и расширение рабочего диапазона двигателя до более низких чисел Маха (около 3,5 Маха).

HyFly провела два лётных испытания с Тихоокеанского ракетного полигона. Первый в 2007 году был прерван из-за неисправности ракеты-носителя. Второе испытание в 2008 году успешно продемонстрировало двигатель DCR примерно на 30 секунд при 5,5 Маха, до того как отказ управления вызвал потерю машины. Несмотря на неполный полёт, испытание доказало, что концепция DCR может производить положительную тягу и обеспечивать основу для практической, тактической гиперзвуковой ракеты. Конструкция DCR позже повлияла на планы ВМС США по концепции гиперзвукового воздушного дыхания (HAWC) и другим программам.

Последствия и перспективы будущего

Описанные выше летные демонстрации в совокупности создали надежную базу знаний для практического применения реактивного и реактивного движения. X-43A доказал, что реактивный самолет на водородном топливе может работать на скоростях за пределами 9 Маха и выдерживать экстремальную тепловую и аэродинамическую среду. X-51A перевел это доказательство в более практичный двигатель на углеводородном топливе, который поддерживал полет в течение нескольких минут, демонстрируя интегрированные тепловые и структурные системы, необходимые для транспортного средства размером с оружие. ramjet MHD SAFRAN представил возможность управления электромагнитным потоком, потенциально расширяя оболочку полета и улучшая тягу. HiFIRE и HyFly предоставили основополагающие данные, которые руководили разработкой текущих эксплуатационных программ.

Эти достижения теперь сближаются с гиперзвуковыми системами следующего поколения. США разрабатывают концепцию гиперзвукового оружия с двигателем Hypersonic Air-breathing Weapon Concept (HAWC), которая использует ракету с реактивным двигателем, способную достигать 6 Маха и выше, с дальностью, достаточной для поражения критически важных по времени целей с расстояния противостояния. Австралия и Великобритания сотрудничают в эксперименте Southern Cross Integrated Flight Research Experiment (SCIFiRE), используя результаты HiFIRE для разработки крылатой ракеты с реактивным двигателем. С гражданской стороны, концепции преемника НАСА X-43A, такие как Low-Boom Flight Demonstrator, исследуют воздушно-дыхательную двигательную установку для многоразового гиперзвукового космического запуска, потенциально сокращая затраты на запуск с использованием атмосферного кислорода.

Основные проблемы сохраняются. Устойчивый гиперзвуковой полет требует материалов, которые могут выдерживать температуры более 3000 ° F в течение длительных периодов. Активное охлаждение с использованием топлива в качестве охлаждающей жидкости совершенствуется. Конструкция входа должна соответствовать широким диапазонам скоростей, а переход между фазами бустера и струйного двигателя должен быть плавным. Вычислительные модели продолжают улучшаться, но летные испытания остаются окончательным инструментом проверки. Новые концепции, такие как вращающиеся детонационные двигатели (RDE) и наклонные детонационные волновые двигатели (ODWE), могут в конечном итоге полностью заменить скремджеты, но струйная и струйная технология остается наиболее зрелым путем к краткосрочной гиперзвуковой технике.

Экономические последствия значительны. Гиперзвуковые двигатели воздушного дыхания могут обеспечить возможность глобального перемещения в течение менее двух часов, создать новые рынки для запуска спутников с гиперзвуковых самолетов и резко изменить характер войны, сжав сроки боевых действий. Успешные демонстрации последних двух десятилетий превратили реактивный и реактивный двигатель из лабораторного любопытства в технологию, готовую к системной интеграции. Дальнейшие летные испытания, включая преемника X-43A, X-59 QueSST и австралийский HIFiRE 5, продолжат раздвигать границы.

Заключение

Примеры таких исследований, как X-43A НАСА, X-51A ВВС, программа HiFIRE SAFRAN, программа HiFIRE и HyFly Boeing, иллюстрируют устойчивый, кумулятивный прогресс, достигнутый в реактивном и реактивном двигателе. Каждая демонстрация продемонстрировала другой критический аспект: сверхзвуковое горение при экстремальных числах Маха, устойчивая работа на углеводородном топливе, увеличение электромагнитного потока, фундаментальная физика сгорания и интеграция двигателя тактической дальности. Вместе эти полеты повысили уровень технологической готовности (TRL) воздушно-дыхательных гиперзвуковых устройств от экспериментальных до предпроизводственных прототипов. По мере продолжения исследований и новых программ, таких как SCIFiRE и HAWC, готовы к запуску в военную сферу в течение следующего десятилетия и могут в конечном итоге позволить рутинные гиперзвуковые путешествия для коммерческих и космических применений. Уроки, извлеченные из этих успешных демонстраций, обеспечивают основу для следующего скачка в высокоскоростном полете.