Technologie Scramjet - Comment Un Moteur Hypersonique A été Créé - Vue Alternative

Technologie Scramjet - Comment Un Moteur Hypersonique A été Créé - Vue Alternative
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Vidéo: Technologie Scramjet - Comment Un Moteur Hypersonique A été Créé - Vue Alternative

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Vidéo: Scramjet engine - How it works and how ISRO (India) successfully flight tested it! 2024, Mars
Anonim

Le missile de combat "surface-air" avait l'air quelque peu inhabituel - son nez était allongé par un cône métallique. Le 28 novembre 1991, elle s'est lancée depuis un site d'essai près du cosmodrome de Baïkonour et s'est auto-détruite au-dessus du sol. Bien que le missile n'ait abattu aucun objet aérien, l'objectif de lancement a été atteint. Pour la première fois au monde, un statoréacteur hypersonique (moteur scramjet) a été testé en vol.

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Le moteur à réaction, ou, comme on dit, «flux vers l'avant hypersonique» vous permettra de voler de Moscou à New York en 2 à 3 heures, de quitter la machine ailée de l'atmosphère dans l'espace. Un avion aérospatial n'aura pas besoin d'un avion d'appoint, comme pour Zenger (voir TM, n ° 1, 1991), ni d'un lanceur, comme pour les navettes et Bourane (voir TM N ° 4, 1989), - la livraison de marchandises en orbite coûtera près de dix fois moins cher. En Occident, de tels tests auront lieu au plus tôt trois ans plus tard …

Le moteur scramjet est capable d'accélérer l'avion à 15 - 25M (M est le nombre Mach, dans ce cas, la vitesse du son dans l'air), tandis que les turboréacteurs les plus puissants, qui sont équipés d'avions à ailes civiles et militaires modernes, ne mesurent que 3,5M. Cela ne fonctionne pas plus vite - la température de l'air, lorsque le débit dans l'admission d'air est décéléré, augmente tellement que le turbocompresseur n'est pas en mesure de le comprimer et de l'introduire dans la chambre de combustion (CC). Il est bien sûr possible de renforcer le système de refroidissement et le compresseur, mais alors leurs dimensions et leur poids augmenteront tellement que les vitesses hypersoniques seront hors de question - pour décoller.

Un statoréacteur fonctionne sans compresseur - l'air devant la station de compression est comprimé en raison de sa hauteur de vitesse (Fig.1). Le reste, en principe, est le même que pour un turboréacteur - les produits de combustion, s'échappant par la buse, accélèrent l'appareil.

L'idée d'un statoréacteur, alors pas encore hypersonique, a été avancée en 1907 par l'ingénieur français René Laurent. Mais ils ont construit un véritable «flux vers l'avant» bien plus tard. Ici, les spécialistes soviétiques étaient en tête.

Tout d'abord, en 1929, l'un des étudiants de N. E. Joukovski, B. S. Stechkin (plus tard un académicien), a créé la théorie d'un moteur à réaction. Et puis, quatre ans plus tard, sous la houlette du designer Yu. A. Pobedonostsev au sein du GIRD (Group for the Study of Jet Propulsion), après des expériences sur le stand, le statoréacteur a d'abord été envoyé en vol.

Le moteur était logé dans la coquille d'un canon de 76 mm et tiré du canon à une vitesse supersonique de 588 m / s. Les tests ont duré deux ans. Les projectiles avec un statoréacteur ont développé plus de 2M - aucun autre avion au monde n'a volé plus vite à ce moment-là. Dans le même temps, les Girdovites ont proposé, construit et testé un modèle de statoréacteur pulsé - son entrée d'air s'ouvrait et se fermait périodiquement, à la suite de quoi la combustion dans la chambre de combustion pulsait. Des moteurs similaires ont ensuite été utilisés en Allemagne sur des fusées FAU-1.

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Les premiers grands statoréacteurs furent à nouveau créés par les designers soviétiques I. A. Merkulov en 1939 (statoréacteur subsonique) et M. M. Bondaryuk en 1944 (supersonique). Depuis les années 40, les travaux sur le «flux direct» ont débuté à l'Institut central des moteurs d'aviation (CIAM).

Certains types d'avions, y compris les missiles, étaient équipés de statoréacteurs supersoniques. Cependant, dans les années 50, il est devenu clair qu'avec des nombres M dépassant 6 à 7, le statoréacteur est inefficace. Encore une fois, comme dans le cas du turboréacteur, l'air freiné devant la station de compression y est entré trop chaud. Cela n'avait pas de sens de compenser cela en augmentant la masse et les dimensions du statoréacteur. De plus, à des températures élevées, les molécules de produits de combustion commencent à se dissocier, absorbant l'énergie destinée à créer une poussée.

C'est alors en 1957 qu'E. S. Shchetinkov, un scientifique renommé, participant aux premiers essais en vol d'un statoréacteur, invente un moteur hypersonique. Un an plus tard, des publications sur des développements similaires sont apparues en Occident. La chambre de combustion du scramjet commence presque immédiatement derrière l'entrée d'air, puis elle passe doucement dans une buse en expansion (Fig. 2). Bien que l'air soit ralenti à l'entrée de celui-ci, contrairement aux moteurs précédents, il se déplace vers la station de compression, ou plutôt, se précipite à une vitesse supersonique. Par conséquent, sa pression sur les parois de la chambre et sa température sont bien inférieures à celles d'un statoréacteur.

Un peu plus tard, un moteur scramjet à combustion externe a été proposé (Fig. 3) Dans un avion équipé d'un tel moteur, le carburant brûlera directement sous le fuselage, qui fera partie du CS ouvert. Naturellement, la pression dans la zone de combustion sera inférieure à celle d'une chambre de combustion conventionnelle - la poussée du moteur diminuera légèrement. Mais vous obtenez un gain de poids - le moteur se débarrassera de la paroi extérieure massive de la station de compression et d'une partie du système de refroidissement. Certes, un "flux direct ouvert" fiable n'a pas encore été créé - sa meilleure heure viendra probablement au milieu du XXIe siècle.

Revenons cependant au moteur Scramjet, qui a été testé à la veille de l'hiver dernier. Il était alimenté par de l'hydrogène liquide stocké dans un réservoir à une température d'environ 20 K (- 253 ° C). La combustion supersonique était peut-être le problème le plus difficile. L'hydrogène sera-t-il réparti uniformément sur la section transversale de la chambre? Aura-t-il le temps de s'épuiser complètement? Comment organiser le contrôle automatique de la combustion? - vous ne pouvez pas installer de capteurs dans la chambre, ils fondront.

Ni la modélisation mathématique sur des ordinateurs ultra-puissants, ni les tests au banc n'ont fourni de réponses complètes à de nombreuses questions. Soit dit en passant, pour simuler un flux d'air, par exemple à 8M, le support nécessite une pression de centaines d'atmosphères et une température d'environ 2500 K - le métal liquide dans un four à foyer ouvert chaud est beaucoup plus froid. À des vitesses encore plus élevées, les performances du moteur et de l'aéronef ne peuvent être vérifiées qu'en vol.

Cela a longtemps été pensé ici et à l'étranger. Dans les années 60, les États-Unis préparaient des tests d'un moteur à réaction sur un avion-fusée X-15 à grande vitesse, mais, apparemment, ils n'ont pas eu lieu.

Le moteur scramjet expérimental domestique a été fabriqué en mode bimode - à une vitesse de vol dépassant 3M, il fonctionnait comme un "flux direct" normal, et après 5 - 6M - comme un hypersonique. Pour cela, les lieux d'alimentation en carburant de la station de compression ont été modifiés. Le missile antiaérien mis hors service est devenu l'accélérateur moteur et le porteur du laboratoire de vol hypersonique (HLL). GLL, comprenant des systèmes de contrôle, de mesure et de communication avec le sol, un réservoir d'hydrogène et des unités de carburant, ont été amarrés dans les compartiments du deuxième étage, où, après le retrait de l'ogive, le moteur principal (LRE) avec ses réservoirs de carburant est resté. Le premier étage - propulseurs de poudre, - ayant dispersé la fusée dès le départ, s'est séparé après quelques secondes.

Missile anti-aérien avec scramjet sur la rampe de lancement (photo publiée pour la première fois)
Missile anti-aérien avec scramjet sur la rampe de lancement (photo publiée pour la première fois)

Missile anti-aérien avec scramjet sur la rampe de lancement (photo publiée pour la première fois).

Les essais au banc et la préparation du vol ont été effectués à l'Institut central PI Baranov des moteurs d'aviation, en collaboration avec l'armée de l'air, le bureau de conception de la construction de machines Fakel, qui a transformé sa fusée en laboratoire volant, le bureau d'études Soyouz à Tuyev et le bureau de conception Temp à Moscou, qui a fabriqué le moteur. et le régulateur du carburant, et d'autres organisations. Le programme a été supervisé par des spécialistes de l'aviation bien connus, R. I. Kurziner, D. A. Ogorodnikov et V. A. Sosunov.

Pour soutenir le vol, le CIAM a créé un complexe mobile de ravitaillement en hydrogène liquide et un système d'alimentation en hydrogène liquide embarqué. Désormais, lorsque l'hydrogène liquide est considéré comme l'un des carburants les plus prometteurs, l'expérience de sa manipulation, accumulée au CIAM, peut être utile à beaucoup.

… La fusée a été lancée tard dans la soirée, il faisait déjà presque nuit. En quelques instants, le porteur du "cône" disparut dans les nuages bas. Il y eut un silence inattendu par rapport au grondement initial. Les testeurs qui ont regardé le départ ont même pensé: est-ce que tout s'est vraiment mal passé? Non, l'appareil a continué sur sa trajectoire prévue. À la 38e seconde, lorsque la vitesse atteint 3,5M, le moteur démarre, de l'hydrogène commence à s'écouler dans le CC.

Mais le 62, l'inattendu s'est vraiment produit: l'arrêt automatique de l'alimentation en carburant a fonctionné - le moteur scramjet s'est arrêté. Puis, vers la 195e seconde, il a redémarré automatiquement et a fonctionné jusqu'au 200e … Il était auparavant déterminé comme la dernière seconde du vol. À ce moment, la fusée, alors qu'elle était toujours sur le territoire du site d'essai, s'est autodétruite.

La vitesse maximale était de 6200 km / h (un peu plus de 5,2 M). Le moteur et ses systèmes ont été surveillés par 250 capteurs embarqués. Les mesures ont été transmises au sol par radiotélémétrie.

Toutes les informations n'ont pas encore été traitées et une histoire plus détaillée sur le vol est prématurée. Mais il est déjà clair maintenant que dans quelques décennies les pilotes et les cosmonautes utiliseront le "flux hypersonique vers l'avant".

De l'éditeur. Des essais en vol de moteurs scramjet sur des avions X-30 aux États-Unis et sur Hytex en Allemagne sont prévus pour 1995 ou les prochaines années. Nos spécialistes pourraient cependant tester dans un proche avenir le "flux direct" à une vitesse de plus de 10M sur des missiles puissants, qui sont actuellement retirés du service. Certes, ils sont dominés par un problème non résolu. Pas scientifique ou technique. CIAM n'a pas d'argent. Ils ne sont même pas disponibles pour les salaires à moitié mendiants des employés.

Et après? Aujourd'hui, seuls quatre pays dans le monde ont un cycle complet de construction de moteurs d'avion - de la recherche fondamentale à la production en série. Ce sont les États-Unis, l'Angleterre, la France et, pour l'instant, la Russie. Il n'y en aurait donc plus à l'avenir - trois.

Les Américains investissent désormais des centaines de millions de dollars dans le programme scramjet …

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Figure: 1. Schéma de principe d'un statoréacteur (statoréacteur): 1 - le corps central de la prise d'air, 2 - la gorge de la prise d'air, 3 - la chambre de combustion (CC), 4 - la tuyère à section critique. Les flèches blanches indiquent la livraison de carburant. La conception de l'admission d'air est telle que le débit d'air qui y est entré est inhibé et entre dans la station de compression sous haute pression. Les produits de combustion, sortant de la chambre de combustion, sont accélérés dans une buse rétrécie à la vitesse du son. Fait intéressant, la buse doit être dilatée pour accélérer davantage les gaz. L'exemple avec une rivière, lorsque le courant s'accélère proportionnellement au rétrécissement des berges, ne convient qu'aux écoulements subsoniques.

Figure: 2. Schéma de principe d'un statoréacteur hypersonique (scramjet engine): 1 - CS, 2 - buse expansible. Le CS ne commence pas derrière le diffuseur, comme dans le statoréacteur, mais presque immédiatement derrière la gorge de la prise d'air. Le mélange air-carburant brûle à une vitesse supersonique. Les produits de combustion sont encore plus accélérés dans la buse d'expansion.

Figure: 3. Schéma de principe d'un moteur Scramjet à combustion externe: 1 - point d'injection de carburant. La combustion se produit à l'extérieur du moteur - la pression des produits de combustion est inférieure à celle d'une chambre de combustion fermée, mais la poussée - la force agissant sur les parois de la cellule, est supérieure à la résistance frontale, qui met l'appareil en mouvement.

Auteurs: Yuri SHIKHMAN, Vyacheslav SEMENOV, chercheurs de l'Institut central des moteurs d'aviation