В любую точку мира за 2 часа полёта

Одним из достижений человечества в уходящем 2020 году стало успешное испытание в Китае нового концепта гиперзвукового двигателя, способного развивать скорость полёта в 16 раз превышающей скорость звука. Прототип называется Soramjet engine и, если его когда-либо смогут масштабировать и установить на коммерческие самолёты, то это позволит путешествовать в любую часть мира, менее чем за два часа.

Учёные не исключают, что sodramjet (сокращение от «стоячий косой детонационный прямоточный реактивный двигатель») может стать первой реальной надеждой на гиперзвуковой полёт, во много раз превышающий скорость звука,  что принесёт как глобальные полёты, так и космические путешествия намного ближе к дому.

«С помощью многоразовых трансатмосферных самолётов, мы можем взлететь горизонтально с ВПП аэропорта, разогнаться до орбиты вокруг Земли, затем вернуться в атмосферу и, наконец, приземлиться в аэропорту», – описывают перспективы своей разработки учёные из Института механики Китайской академии наук. «Таким образом, доступ в космос станет надёжным, обычным и доступным».

Мировые исследования прямоточного двигателя привели к скрэмджету, который был спроектирован так, чтобы идти со скоростью в 15 раз превышающей скорость звука. Секрет заключается в том, что скрэмджет черпает кислород для горения из воздуха, а не в конденсированном виде из бака, что облегчает взлётную массу. Но в тоже время, это означает более хрупкий цикл сгорания, который, как оказалось, может быть заглушён теми самыми звуковыми ударами, который создает двигатель. Скрэмджет просто никогда не достигал своего полного потенциала.

Sodramjet следует за десятилетиями работ над скрэмджетами, которые начались в Соединенных Штатах. Но и в Китае продолжается разработка концепций scramjet. Тем не менее, ведущий исследователь Цзян Цзунлинь разочаровался в скрэмджетах и решил пойти своим собственным путём, основываясь на теории, опубликованной НАСА в 1980 году: Цзян и его коллеги сказали, что они сыты по горло фатальной слабостью конструкции скрэмджетов. Скрэмджет едва мог генерировать тягу со скоростью 7 Маха или выше. Расход топлива был настолько велик, что ни одна коммерческая авиационная компания не смогла бы оплачивать такие топливные счета. А пилоты не говоря уже о пассажирах, могут страдать сердечными приступами, если им придётся время от времени запускать двигатель во время полета.

Оглядываясь на научно-исследовательский прогресс, достигнутый в последние десятилетия, можно отметить, что некоторые физические проблемы играют важную роль в разработке скрэмджетов. Два из этих вопросов носят фундаментальный и критический характер.

  • Распространение волн в каналах скремблирующего потока за счет волн самопроизвольного горения, возникающих при внезапном выделении тепла, которые могут перерасти в восходящие бегущие ударные волны. Это явление может вызвать нестабильное горение и привести к тому, что впускной патрубок не запустится, а двигатель задохнется от перегрева.
  • Низкая тяга двигателя, которая была продемонстрирована летными испытаниями, особенно при высоких числах Маха полета. Можно получить положительные тяги для небольшого летно-испытательного аппарата, но тяга слишком мала, чтобы привести в действие любой практический гиперзвуковой авиалайнер для коммерческого применения.

Рассматриваются два критерия для гиперзвукового прямоточного реактивного двигателя, позволяющие идентифицировать режимы горения и избежать теплового удушения. Концепция стоячего прямоточного реактивного двигателя с косой детонацией (Sodramjet, – Содрамджет) предложена на основе этих критериев путем замены диффузионного горения косой детонацией, которая является уникальным явлением усиления давления в природе. Двигатель обладает высокой плотностью мощности, короткой длиной камеры сгорания и простой конструкцией. Модель двигателя Sodramjet разработана с использованием нескольких методов управления потоком и успешно испытана с помощью гиперзвукового ударного туннеля. Экспериментальные данные показывают, что модель Содрамджетного двигателя работает стабильно, а косая детонация может быть выполнена управляемой в стационарной камере сгорания двигателя. Данное исследование демонстрирует, что Содрамджет-двигатель является перспективной концепцией и может стабильно эксплуатироваться с высоким тепловым КПД в условиях гиперзвукового течения.

Испытания в ударном туннеле JF-12 в Пекине проводились со скоростью превышающей скорость звука (1224 км в час) – до 9 Маха, включительно. Эксперимент прошёл успешно, двигатель работал стабильно. Исследователи Китайской академии наук не скрывают революционную технологию и опубликовали научный материал профессора Цзян Цзунлина. Успех на девятом Махе стал возможен благодаря использованию иного подхода на другом типе гиперзвуковых реактивных двигателей, известных как «скрэмджеты». Они отличаются от традиционных турбореактивных двигателей, которые можно увидеть на современных самолётах, и у них нет движущихся частей. Вместо этого они используют свою супер-скорость, чтобы сжать воздух перед собой, а это, в свою очередь, сжигает топливо, создавая движущую силу.

Однако эти двигатели, которые всё ещё находятся на различных стадиях исследовательских тестов и не имеют какой-либо последующей реализации, из-за серьезного недостатка, который не позволяет им превышать 7 Маха. Всё дело в сжатии воздуха перед двигателем, и в неизбежных волнах звуковых ударов гасящих пламя, заставляя двигатель отключаться.

На схеме показано, что ударная волна, первоначально созданная сферической формой, превращается в плоскую, из-за отражение от стен, а затем распространяется по течению. Из этих временных последовательностей движение ударной волны на рис. b значительно медленнее, чем на рис. a, но он всё еще распространяется вверх по течению, даже несмотря на то, что число Маха входного потока достигает 4.5 единицы. Вот почему низкий коэффициент эквивалентности часто используется для большинства экспериментов с реактивными двигателями для поддержания стабильного горения, поскольку низкое тепловыделение может эффективно уменьшить число Маха движущейся по течению ударной волны. Поэтому для прямоточного реактивного двигателя число Маха входного потока должно совпадать с ударной волной, идущей вверх по течению, чтобы избежать разгона входного потока и вздутия двигателя.

Сорамджеты основаны на теории, первоначально выдвинутой инженером по имени Ричард Моррисон в 1980 году, который сказал, что ударные волны могут быть использованы для воспламенения топлива, не только отрицая проблему идеи scramjet, но и превращая её в позитив.

Новый двигатель состоит из одноступенчатого воздухозаборника, который направляет воздух в камеру сгорания, где он воспламеняет бортовое водородное топливо. Группа китайских экспертов приступили к созданию машины, используя данную технологию с нуля. Это был успех, и, в отличие от скрэмджетов, новая конструкция смогла функционировать в условиях до девяти Маха.

Аэродинамическая труба не смогла воспроизвести условия, выходящие за её пределы, и на Земле пока нет лаборатории, способной проверить гипотезу о том, что она может функционировать и при 16 Махов.

Принципиальная демонстрационная модель содрамджетного двигателя и его установка в аэродинамической трубе. Ключевое отличие sodramjet заключается в том, что новая конструкция использует звуковую стрелу для добавления горения, а не для его выдувания.

Превращение ударной волны из противника в друга помогло экспериментаторам поддерживать и стабилизировать горение на гиперзвуковой скорости. Чем быстрее работал двигатель, тем эффективнее сжигалось водородное топливо. Новый двигатель намного меньше и легче, чем предыдущие модели. Ничего нельзя сказать наверняка об этой конструкции, которая пока не может быть испытана на полной скорости, даже в аэродинамической трубе, её просто не существует. Многое ещё предстоит увидеть, изучить и доказать. Однако sodramjet, по-видимому, является гиперзвуковым конкурентом в начале эры, когда эта технология будет иметь решающее значение для путешествий и исследований.


Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Лимит времени истёк. Пожалуйста, перезагрузите CAPTCHA.