Pe drumul aeronavelor hipersonic hipersonic, populare Mecanica revista

sarcini hidrodinamică diagramă arată comportamentul Hyper-X pe aparat la viteză 7 teste Mahov cu motorul pornit

Motorul în avion hipersonic preia aproape întreaga suprafață de jos a fuselajului. Când aerul trece sub prova aparatului prin orificiul de intrare a aerului, o cameră de ardere, duza și în partea din spate a fuselajului, provoacă o serie de unde de soc. Forma acestor supratensiunilor variază în funcție de viteza și ar trebui să fie sub control, deoarece aceasta depinde de ea randamentul motorului

Portavion NASA B-52B

Conducerea test de zbor X-43A

secolului XXI a început deja să implementeze înainte de a ne noi perspective și provocări. Aeronavele au acum să zboare la viteze hipersonice, și de a face acest lucru în motoarele lor trebuie să îmbine armonios caracteristicile tehnologiei de aviație și spațiu. Supersonic statoreactor - motor statoreactor - nu utilizează părți în mișcare, aeronava echipat cu acest motor va fi capabil să acopere sute de kilometri în câteva minute, se va transforma în realitate regulat zboruri transcontinentale SuperSpeed ​​și misiuni spațiale ieftine.

Rezultatele obținute în acest experiment pentru a evalua rezultatele au ajutat conceptul de aeronave supersonice sobru cu motor de avion. Seria de zboruri programate pentru următorii câțiva ani este de a extinde domeniul de aplicare a datelor experimentale existente, astfel încât într-un deceniu, ca primele vehicule hipersonice cu statoreactor va fi lansat în funcțiune comercială.

În Statele Unite, dezvoltarea motorului statoreactor are o istorie lungă. Pe baza studiilor teoretice, a început din nou în patruzeci de ani, în ultimii cincizeci de ani US Air Force, Marinei și NASA este strâns înconjurat de o fază pilot. Nivelul actual de dezvoltare a acestei idei se bazează pe o varietate de programe de cercetare cu construirea unor astfel de motoare pe combustibili pe bază de hidrogen și hidrocarburi.

Care este scramjet?

În statoreactoare tradițional care intră în fluxul de supersonic de aer de admisie a aerului este decelerat la undele de șoc viteză subsonică - prin undele de șoc generate datorită geometriei specifice a prizei de aer. Combustibilul este injectat în această inhibare curgere subsonică comprimat, iar amestecul este ars și gazele fierbinți care trec prin duză este reglementată sau nereglementată, din nou accelerat la viteze supersonice.

Hipersonic intrare statoreactor fluxului de aer inhibat într-o măsură mai mică și rămâne supersonice pe tot parcursul procesului de ardere. În acest caz, nu este nevoie de duze reglabile, și performanța motorului este optimizat pentru o gamă largă de numere Mach. Modern hipersonic Modul statoreactor dublu poate funcționa în ambele moduri de ardere subsonic si supersonic, oferind o tranziție lină de la un mod la altul.

Conceptul scramjet este un exemplu de împerechere armonioasă a corpului aeronavei aeronavei și unitatea de propulsie. În acest sistem, motorul preia întreaga suprafață inferioară a aeronavei. Centrala electrică este format din șapte elemente de bază, cinci dintre ele sunt, de fapt, la motor, și două - unitate la fuselaj. zona Engine - este partea din față și din spate a sistemului de admisie a camerei de ardere, duza și sistemul de alimentare cu combustibil. Poate fi atribuită fuselaj care afectează performanțele motorului, suprafața inferioară a porțiunilor sale nas și coada.

Sistemul de injecție de aer de mare viteză pentru a interacționa în mod eficient porțiunea fuselajul nas și de admisie a aerului de jos. Ei prinse împreună și comprimat curent de aer, alimentarea-l în camera de ardere. Spre deosebire de motoarele cu reacție convenționale, scramjet la zbor supersonic și hipersonic viteze de compresie necesară a aerului de intrare este realizată fără utilizarea unui compresor mecanic. compresie inițială creează partea inferioară a fuselajului aeronavei și de admisie a aerului este nevoie pentru gradul necesar de compresie.

fluxul de aer care intră suferă o serie de unde de soc la prova aeronavei și la intrarea de admisie a aerului, viteza sa este redusă, crescând astfel presiunea și temperatura. O componentă vitală a scramjet servește partea din spate a prizei de aer. În această zonă un flux de intrare supersonică întâlnește contrapresiune, care depășește presiunea statică a aerului la intrare. Când un rezultat al procesului de ardere începe să se separe de stratul de perete de delimitare, în partea din spate a zonei de intrare este format dintr-o serie de șocuri, creând un fel de „anticameră“ înainte de această cameră de ardere. Prezența porțiunii posterioare a prizei de aer se poate realiza în camera de ardere a căldurii necesare pentru a controla nivelurile și presiunea tot mai mare, astfel încât să se evite o situație numită „blocare“, la care undele de șoc interferează cu pătrunderea fluxului de aer în partea din spate a sistemului de admisie a aerului.

Combustor prevede amestecarea mai eficientă a aerului cu injecția de combustibil datorită distribuite pe lungimea camerei. Astfel, se realizează cel mai eficient transfer de energie termică în forța de tracțiune a motorului. Sistem de evacuare a gazelor, constând dintr-o duză și suprafața de jos a fuselajului spate, asigură controlată expansiunea gazelor fierbinți comprimate care, de fapt, asigură forța necesară. Procesul convertește expansiune apare în energia potențială a camerei de ardere în energie cinetică. Zona duzei are loc o multitudine de fenomene fizice - și ardere, precum și efectele stratului limită, iar fluxurile de gaze ineglae și instabilitatea stratului de forfecare, și o multitudine de efecte de volum specific. Forma duzei este de mare importanță pentru eficiența motorului și pentru întregul zbor, deoarece afectează ascensorul și controlabilitatea a aeronavei.

Cum toate lucrările

Înainte de aeronava pentru a atinge vitezele dorite scramjet, motorul său trebuie să treacă succesiv prin mai multe moduri de operare. Pentru accelerarea la viteze de aproximativ 3 Mach poate utiliza una din mai multe posibilități - de exemplu, o suplimentare motoare tip turbină cu gaz sau propulsoare identice (interne și externe).

La o viteză de 3,4 Mach GPRVD reconstruit din modul de viteză redusă la un mod de tracțiune atunci când curse motor format sigilii stabile, creând la orificiul de intrare al camerei de ardere, una sau mai multe porțiuni ale fluxului de aer la viteza subsonic. În statoreactoare convențională este prevăzută o admisie a aerului și un difuzor - reduc viteza de curgere sub viteza sunetului prin creșterea zona difuzorului, astfel este posibil să se realizeze arderea completă a amestecului la viteze subsonice.

Pentru camera de ardere este aranjată duza ingustare divergent care este necesar, și ieșirile de împingere. În ieșirea GPRVD de aparatul de fotografiat este „ștrangulare termică a gazelor“, care nu are nevoie reală duza constricție geometrică. Această restricție de curgere este formată prin amestecarea gazului cu aerul și distribuția debitului reglat fin.

În timp ce aeronava cu combustie supersonică accelerează prin propria putere de la Mach 3 până la 8, în intervalul de 5 - 7 motor Mahov trece la un alt mod. Acesta este un moment de tranziție, atunci când motorul este pornit și statoreactor tradițională și ca hipersonic. Creșterea temperaturii și presiunii în camera de ardere încetinește. Ca rezultat, funcționarea normală devine suficient de scurtă zonă de pre-compresie. șocurile de compresie sunt deplasate de la intrare în gât este mai aproape de orificiul de intrare în camera de ardere.

Atunci când viteza trece peste Mach 5, oferă un mod de combustie supersonică are o tracțiune mai mare, prin urmare, specificitatea motorului impune ca modul de statoreactor folosit înainte până când unitatea atinge viteza de Mach 5.6. La pragul de aproximativ 6 Mahov debitului de aer de frânare la viteze subsonice, uneori, duce la aproape complet la oprirea lui, care provoacă schimbări bruște de presiune și căldură. Undeva în intervalul cuprins între 5 și 6 pași de apariție a acestor simptome pot fi un semnal pentru trecerea la un mod pur combustie supersonică. Atunci când viteza trece peste Mahov 7, procesul de ardere nu mai este capabil să împartă fluxul de aer, iar motorul începe să funcționeze în modul scramjet fără șocuri în fața camerei de ardere. Undele de șoc de la priza de aer este distribuit de-a lungul întregului motor. La viteze mai mari Mach 8 legi ale fizicii necesită modul de ardere supersonică, deoarece motorul nu va fi capabil să reziste la presiunile și temperaturile care ar fi avut loc în timpul decelerării debitului de aer la viteze subsonice.

În operarea cu combustie supersonică la viteze 5 - 15 Mahov se ridică mai multe probleme tehnice. Această dificultate de amestecare a combustibilului cu aerul, controlul termic al suprasarcini motorului, în special cu supraîncălzirea marginile frontale ale prizei de aer. Pentru zborurile modele și materiale speciale sunt necesare la viteze hipersonice.

Când viteza de combustibil injectat este egalată cu viteza fluxului de aer intră combustor, care are loc la viteze de Mach 12, amestecarea combustibilului cu aerul devine foarte dificil. La numere Mach mai mari de temperatură foarte mare în camera de ardere cauza descompunerea moleculelor și ionizarea lor. Aceste procese, suprapusă pe imaginea deja complexă a fluxului de aer, în cazul în care interacțiunea amestecare supersonică a camerei de ardere cu conducta de admisie a aerului și legile de funcționare ardere face aproape imposibilă calcularea fluxurilor de gaze, modul de alimentare cu combustibil și bilanțul termic al camerei de ardere.

În timpul zborului de încălzire hipersonic motor de aeronavă nu depinde numai de activitatea camerei de ardere - de asemenea, contribuie la alte sisteme: pompe, sisteme hidraulice, electronice. sistem de control prin schimb de căldură pentru aeronavele hipersonic sunt concentrate în principal pe motor, deoarece el simte sarcina termică maximă. Motorul este, în general, creează mai multe probleme - zona de curgere jet diferă foarte mare termică, acustică și sarcini mecanice, și în plus întregul amestec umplut numai coroziunea activă a produselor de ardere fierbinți și oxigen.

Dacă motorul nu este răcit, temperatura camerei de ardere va depăși 2760 de grade Celsius, care este mai mare decât punctul de topire al majorității metalelor. Din fericire, problema temperaturilor ridicate nu pot face față de răcire activă, alegerea corectă a materialelor și dezvoltarea unor structuri speciale de temperatură ridicată.

Sam aeronave hipersonic are, de asemenea, cerințe stricte pentru construcția și materialele. Iată-le:

- temperaturi foarte ridicate;

- un aparat de încălzire în ansamblu;

- staționare și se deplasează în zona de încălzire localizată a undelor de șoc;

- sarcini aerodinamice ridicate;

- pulsații de presiune de încărcare ridicată;

- posibilitatea de a flutter grave, vibrații, fluctuante de încărcare de origine termică;

- eroziune sub influența fluxului de aer de intrare și debitul cu jet în interiorul motorului.

Acum, după zborul cu succes a vehiculului X-43A și sol testează câteva modele la scară completă uite mai multe planuri reale de a crea o aeronavă cu drepturi depline cu combustie supersonică pe hidrogen sau combustibil de hidrocarburi. Atunci când materialele noastre au fost trimise presei, NASA se pregătește să lanseze un alt X-43A și dispersa-l la o viteză de Mach 10, adică până la 12 000 km / h.

Retipărit cu permisiunea revistei Institutul American de Fizică Industrială Fizician