Technologie Scramjet – jak vznikl hypersonický motor

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Naposledy změněno: 2023-12-16 16:00

Bojová střela "země-vzduch" vypadala poněkud neobvykle - její nos byl prodloužen kovovým kuželem. 28. listopadu 1991 odstartoval z testovacího místa poblíž kosmodromu Bajkonur a vysoko nad zemí se sám zničil. Přestože střela nesestřelila žádný vzdušný objekt, cíle startu bylo dosaženo. Poprvé na světě byl za letu testován hypersonický náporový motor (scramjet engine).

Motor scramjet, nebo, jak se říká, „hypersonický přímý proud“umožní letět z Moskvy do New Yorku za 2 - 3 hodiny, opustit okřídlený stroj z atmosféry do vesmíru. Letecký letoun nebude potřebovat pomocné letadlo jako u Zengeru (viz TM, č. 1, 1991), ani nosnou raketu, jako u raketoplánů a Buranu (viz TM č. 4, 1989), - dodání nákladu na oběžnou dráhu bude stát téměř desetkrát levněji. Na Západě se takové testy uskuteční nejdříve za tři roky …

Scramjetový motor je schopen zrychlit letoun na 15 - 25M (M je Machovo číslo, v tomto případě rychlost zvuku ve vzduchu), zatímco nejvýkonnější proudové motory, kterými jsou vybavena moderní civilní i vojenská křídlová letadla, jsou pouze do 3,5 mil. Nepracuje rychleji - teplota vzduchu při zpomalení proudění v sání vzduchu stoupne natolik, že jej turbokompresorová jednotka není schopna stlačit a dodat do spalovacího prostoru (CC). Zesílit chladící systém a kompresor je samozřejmě možné, ale pak se jejich rozměry a hmotnost zvětší natolik, že hypersonické otáčky nepřijdou v úvahu – odlepit se od země.

Náporový motor pracuje bez kompresoru - vzduch před kompresorovou stanicí je stlačen svým vysokootáčkovým tlakem (obr. 1). Zbytek je v zásadě stejný jako u proudového motoru - produkty spalování unikající tryskou urychlují zařízení.

Myšlenku náporového motoru, tehdy ještě ne hypersonického, předložil v roce 1907 francouzský inženýr Rene Laurent. Skutečný „dopředný tok“ale vybudovali mnohem později. Zde byli v čele sovětští specialisté.

Nejprve v roce 1929 jeden ze studentů N. E. Žukovského, B. S. Stechkin (později akademik), vytvořil teorii vzduchového tryskového motoru. A pak, o čtyři roky později, pod vedením konstruktéra Yu. A. Pobedonostseva v GIRD (Skupina pro studium proudového pohonu), po experimentech na stojánku, byl nápor poprvé vyslán do letu.

Motor byl uložen v plášti 76mm kanónu a vystřeloval z hlavně nadzvukovou rychlostí 588 m/s. Testy trvaly dva roky. Projektily s náporovým motorem vyvinuty více než 2M – jediné zařízení na světě tehdy neletělo rychleji. Girdovité zároveň navrhli, postavili a otestovali model pulzujícího náporového motoru - jeho přívod vzduchu se periodicky otevíral a zavíral, v důsledku čehož spalování ve spalovací komoře pulzovalo. Podobné motory byly později použity v Německu na raketách FAU-1.

První velké náporové motory vytvořili opět sovětští konstruktéři I. A. Merkulov v roce 1939 (podzvukový náporový motor) a M. M. Bondaryuk v roce 1944 (nadzvukový). Od 40. let začaly práce na „přímém toku“v Central Institute of Aviation Motors (CIAM).

Některé typy letadel, včetně raket, byly vybaveny nadzvukovými náporovými motory. V 50. letech se však ukázalo, že s čísly M přesahujícími 6 - 7 je nápor neúčinný. Opět, stejně jako v případě proudového motoru, se do něj vzduch, který byl brzděn před kompresorovou stanicí, dostal příliš horký. Nemělo smysl to kompenzovat zvýšením hmotnosti a rozměrů náporového motoru. Kromě toho se při vysokých teplotách začnou molekuly zplodin hoření odlučovat a absorbovat energii určenou k vytvoření tahu.

Tehdy v roce 1957 E. S. Shchetinkov, slavný vědec, účastník prvních letových zkoušek náporového motoru, vynalezl hypersonický motor. O rok později se na Západě objevily publikace o podobném vývoji. Spalovací komora scramjet začíná téměř bezprostředně za sáním vzduchu, poté plynule přechází do expandující trysky (obr. 2). Přestože je vzduch na vstupu do něj zpomalen, na rozdíl od předchozích motorů se přesouvá do kompresorové stanice, respektive řítí se nadzvukovou rychlostí. Proto je jeho tlak na stěny komory a teplota mnohem nižší než u náporového motoru.

O něco později byl navržen scramjet motor s vnějším spalováním (obr. 3) V letadle s takovým motorem bude palivo hořet přímo pod trupem, který bude sloužit jako součást otevřené kompresorové stanice. Přirozeně bude tlak ve spalovací zóně menší než v klasické spalovací komoře – tah motoru se mírně sníží. Ale nárůst hmotnosti se projeví - motor se zbaví masivní vnější stěny kompresorové stanice a části chladicího systému. Pravda, spolehlivý „otevřený přímý tok“ještě nebyl vytvořen – jeho nejlepší hodina pravděpodobně přijde v polovině XXI. století.

Vraťme se však k motoru scramjet, který byl testován v předvečer loňské zimy. Poháněl jej kapalný vodík uložený v nádrži o teplotě asi 20 K (- 253 °C). Nadzvukové spalování bylo možná nejobtížnějším problémem. Bude vodík rovnoměrně distribuován po části komory? Stihne to úplně vyhořet? Jak organizovat automatické řízení spalování? - senzory nemůžete instalovat do komory, roztaví se.

Ani matematické modelování na supervýkonných počítačích, ani testy na lavici neposkytly vyčerpávající odpovědi na mnoho otázek. Mimochodem, pro simulaci proudění vzduchu např. při 8M, stojan vyžaduje tlak stovek atmosfér a teplotu asi 2500 K - tekutý kov v horké otevřené nístějové peci je mnohem "chladnější". Při ještě vyšších rychlostech lze výkon motoru a letadla ověřit pouze za letu.

U nás i v zahraničí se o tom uvažovalo dlouho. Ještě v 60. letech se ve Spojených státech připravovaly testy scramjet motoru na vysokorychlostním raketovém letounu X-15, ale jak se zdá, nikdy neproběhly.

Domácí experimentální scramjet motor byl vyroben ve dvou režimech - při rychlosti letu přesahující 3M fungoval jako obyčejný "přímý proud" a po 5 - 6M - jako hypersonický. Za tímto účelem byla změněna místa přívodu paliva do kompresorové stanice. Z výzbroje vyřazovaná protiletadlová střela se stala urychlovačem motoru a nosičem hypersonické létající laboratoře (HLL). GLL, který zahrnuje řídicí systémy, měření a komunikaci se zemí, vodíkovou nádrž a palivové jednotky, byly ukotveny v oddílech druhého stupně, kde se po odstranění bojové hlavice objevil hlavní motor (LRE) s palivem tanky zůstaly. První stupeň - práškové posilovače - po rozptýlení rakety od startu se po několika sekundách oddělil.

Zkoušky na stolici a příprava na let probíhaly v Ústředním institutu leteckých motorů PI Baranova spolu s letectvem, konstrukční kanceláří strojírenství Fakel, která svou raketu proměnila v létající laboratoř, konstrukční kanceláří Sojuz v Tujevu a konstrukční kancelář Temp v Moskvě, která vyrobila motor a regulátor paliva, a další organizace. Na program dohlíželi známí letečtí specialisté R. I. Kurziner, D. A. Ogorodnikov a V. A. Sosunov.

Na podporu letu vytvořila CIAM mobilní komplex pro doplňování kapalného vodíku a palubní systém dodávky kapalného vodíku. Nyní, když je kapalný vodík považován za jedno z nejslibnějších paliv, mohou být zkušenosti s jeho manipulací nashromážděné v CIAM pro mnohé užitečné.

… Raketa odstartovala pozdě večer, už byla skoro tma. O několik okamžiků později „kuželový“nosič zmizel v nízké oblačnosti. Nastalo ticho, které bylo ve srovnání s počátečním duněním nečekané. Testeři, kteří sledovali start, si dokonce mysleli: opravdu se všechno pokazilo? Ne, přístroj pokračoval v zamýšlené cestě. Ve 38. vteřině, kdy otáčky dosáhly 3,5M, motor naskočil, do CC začal proudit vodík.

Ale 62. se skutečně stalo neočekávané: spustilo se automatické odstavení přívodu paliva – zhasl motor scramjet. Pak se asi ve 195. sekundě automaticky znovu nastartoval a fungoval až do 200. … Dříve byla určena jako poslední sekunda letu. V tuto chvíli se raketa, ještě nad územím testovacího místa, sama zničila.

Maximální rychlost byla 6200 km/h (o něco více než 5,2M). Činnost motoru a jeho systémů sledovalo 250 palubních senzorů. Měření byla přenášena radiotelemetrií na zem.

Ještě nejsou zpracovány všechny informace a podrobnější vyprávění o letu je předčasné. Už nyní je ale jasné, že za pár desítek let budou piloti a kosmonauti jezdit „nadzvukovým dopředným proudem“.

Od redaktora. Letové zkoušky scramjetových motorů na letounech X-30 v USA a na Hytexu v Německu jsou plánovány na rok 1995 nebo několik příštích let. Naši specialisté by mohli v blízké budoucnosti otestovat „přímý proud“rychlostí více než 10M na výkonných střelách, které se nyní stahují z provozu. Pravda, dominuje jim nevyřešený problém. Ne vědecké nebo technické. CIAM nemá peníze. Nejsou k mání ani za poloviční žebrácké platy zaměstnanců.

Co bude dál? Nyní jsou na světě pouze čtyři země, které mají celý cyklus výroby leteckých motorů – od základního výzkumu až po výrobu sériových produktů. Jde o USA, Anglii, Francii a prozatím Rusko. V budoucnu by jich tedy nebylo více – tři.

Američané nyní investují stovky milionů dolarů do programu scramjet…