По пътя към свръхзвуков свръхзвуков самолет, Popular Mechanics списание

хидродинамично натоварване графика показва поведението на Hyper-X на апарата при скорост 7 Mahov тестове с работещ двигател

Двигателят в свръхзвуков самолет заема почти цялата долната повърхност на корпуса. Когато въздухът преминава под носа на устройството през входа за въздух, горивна камера, дюзата и под задната част на корпуса, предизвиква поредица от ударни вълни. Формата на тези удари варира в зависимост от скоростта и трябва да бъде под контрол, тъй като зависи от това ефективността на двигателя

самолетоносачът НАСА B-52B

Шофиране X-43A изпитателен полет

XXI век вече е започнала да се разположи пред нас нови перспективи и предизвикателства. Самолет сега трябва да лети при свръхзвукови скорости, и да направите това в техните двигатели трябва да се комбинират хармонично характеристиките на авиацията и космическите технологии на. В свръхзвуков Правопоточни - Правопоточни двигател - използва няма движещи се части, на самолета, оборудван с този двигател ще бъде в състояние да покрива стотици километри в минута, ще направят редовното реалност SuperSpeed ​​трансконтинентални полети и евтини космически мисии.

Получените в този експеримент, за да направи оценка на резултатите Резултатите помогнаха трезвен концепция свръхзвуков самолет с реактивен двигател. Серия от полети, планирани за следващите няколко години е да се разшири обхвата на съществуващи експериментални данни, така че в рамките на едно десетилетие, като първите свръхзвукови превозни средства с Правопоточни ще бъдат стартирани в търговска експлоатация.

В Съединените щати за развитието на Правопоточни двигател има дълга история. Въз основа на теоретични изследвания, започнали още през четиридесетте години, в края на петдесетте години на американските ВВС, ВМС и НАСА е тясно, заобиколени от пилотна фаза. Настоящото ниво на развитие на тази идея се основава на различни изследователски програми с изграждането на такива двигатели с водород и въглеводородни горива.

Каква е scramjet?

В традиционния Правопоточни двигатели въвеждане на входящия въздух свръхзвуков въздушния поток се забави до дозвукови скорост ударни вълни - от ударни вълни, генерирани поради специфичната геометрия на входния отвор на въздухопровода. Гориво се впръсква в този сгъстен инхибиране дозвукови поток, и сместа се изгаря и горещите газове, преминаващи през дюзата се регулира или нерегулирано, отново се ускорява до свръхзвукова скорост.

Входът за свръхзвуков Правопоточни двигатели въздушния поток инхибира по-малка степен и остава свръхзвуков време на процеса на горене. В този случай не е необходимо за регулируеми дюзи, както и работата на двигателя е оптимизирана за широк кръг от числа на Мах. Модерен свръхзвуков двоен режим Правопоточни може да работи и в двата режима на дозвукови и свръхзвукови горене, осигуряване на плавен преход от един вид в друг.

Scramjet концепция е пример за хармонично свързване на конструкцията на въздухоплавателното средство и за задвижване на уреда. В тази схема, двигателят заема цялата повърхност на дъното на самолета. Централата се състои от седем основни елемента, пет от тях са в действителност до двигателя, както и две - единица към фюзелажа. зона двигател - е предната и задната част на входящия отвор на горивната камера, дюзата и системата за подаване на гориво. Може да се дължи на фюзелажа, засягащи работата на двигателя долна повърхност на своите носа и задни части.

системата въздух инжектиране с висока скорост на ефективно взаимодействат носа фюзелажа част и долната прием на въздуха. Те съвместно захваща и сгъстен въздух поток, подаването на горивната камера. За разлика от конвенционалните реактивни двигатели, scramjet при свръхзвукова и свръхзвуков полет ускорява необходимо компресиране на входящия въздух се постига без използване на механичен компресор. Първоначално компресия създава долната част на корпуса на самолета и въздушния вход е необходимо да имат необходимата степен на компресия.

Входящ въздушен поток преминава през серия от ударни вълни на носа на самолета и на входа на прием на въздуха, скоростта се намалява, като по този начин увеличаване на налягането и температурата. Съществен компонент на scramjet служи задната част на входния отвор на въздухопровода. В тази зона свръхзвуков входящия поток среща противоналягане, което надвишава статичното налягане на въздуха на входа. Когато в резултат на процеса на горене започва да се отдели от граничната стена слой, в задната част на зоната за вход е оформен от серия от шокове, създавайки един вид "преддверие" преди това горивната камера. Наличието на задната част на прием на въздух може да се постигне в горивната камера на топлината, необходима за контролиране на нива и повишаване на налягането, така че да се избегне ситуация, наречена "заключване", при която ударните вълни пречат на проникването на въздух в задната част на входящия отвор за въздух.

В горивната камера осигурява най-ефективно смесване на въздуха с инжектиране на гориво поради разпределени по протежение на дължината на камерата. По този начин се постига най-ефективния трансфер на топлинна енергия в тягата на двигателя. система газоразрядни, състояща се от дюза и долната повърхност на задната корпуса, осигурява контролирано разширяване на сгъстен горещи газове, които в действителност осигурява необходимата теглителна сила. Процесът превръща разширяване срещащи се в горивната камера потенциал енергия в кинетична енергия. Площта на дюзата настъпва множество физични явления - и парене, и ефектите на граничния слой и нестабилни газови потоци, и нестабилността на слой на срязване, и множество специфични ефекти обем. Формата на дюзата е от голямо значение за ефективността на двигателя и за целия полет, тъй като това се отразява на лифта и управляемостта на самолета.

Как работи всичко

Преди самолета за постигане на желаните скорости scramjet, моторът трябва да премине последователно през няколко режима на работа. За ускоряване на скорост за Mach 3 може да използва един от няколко възможности - например, допълнителни газ-турбинни двигатели или ракетни бустери същото (вътрешни и външни).

При скорост от 3.4 Mach GPRVD реконструиран от режим на ниска скорост в режим на натиск при състезания на двигателя образува стабилни уплътнения, създаване на входа на горивната камера, една или повече части на въздушния поток в дозвукови скорост. В конвенционалната Правопоточни двигатели се осигурява подаване на въздух и дифузор - те намаляват скоростта на потока под скоростта на звука чрез увеличаване на площта на дифузьора, по този начин е възможно да се постигне пълно изгаряне на сместа при дозвукови скорости.

За горивната камера е разположена стесняване-отклоняване на дюзите, което е необходимо, и извежда тяга. В GPRVD изход от камерата е "газова термична дроселиране", която не се нуждае от реална геометрична свиване дюза. Това ограничение на потока се образува чрез смесване на газ с въздух и фина настройка разпределение на потока.

Докато самолетът с scramjet ускорява на собствен ход от Mach 3 до 8, от порядъка на от 5 до 7 Mahov двигател превключва на друг режим. Това е преходен момент, когато двигателят работи и традиционния Правопоточни и като свръхзвуков. покачване на температурата и налягането в горивната камера забавя. В резултат на това нормалната работа се превръща в достатъчна степен по-кратък зона предварително компресиране. компресия шокове се измества от входа на гърлото е по-близо до входа на горивната камера.

Когато скоростта преминава над Mach 5, предвижда режим на свръхзвуков горене има по-висока тяга, като по този начин специфичност на двигателя изисква режим Правопоточни използван преди, докато устройството достига скоростта на Mach 5.6. На прага на около 6 Mahov спиране на въздушния поток да дозвукови скорости понякога води до почти пълното му спиране, което предизвиква резки промени на налягане и топлина. Някъде в границите между 5 и 6 крачки поява на тези симптоми, може да бъде сигнал за превключване на режим на чист scramjet. Когато скоростта преминава над Mahov 7, процесът на горене е вече не могат да се разделят на въздушния поток и двигателят започва да работи в режим scramjet без удари преди горивната камера. Шокови вълни от приема на въздух се разпространяват по протежение на цялата машина. При скорости над Mach 8 физични закони изискват режим свръхзвуков горене, защото двигателят няма да може да устои на налягания и температури, които биха възникнали при намаляване на скоростта на въздушния поток да дозвукови скорости.

По време на работа scramjet със скорост от 5 до 15 Mahov издига няколко технически проблеми. Тази трудност на смесване на горивото с въздуха, термично контрол на претоварване на двигателя, по-специално с прегряване на предните ръбове на входния отвор на въздухопровода. За полети специален дизайн и материали са необходими при свръхзвукови скорости.

Когато скоростта на инжектираната горивото се изравни със скоростта навлиза в горивната камера въздушния поток, което се случва при скорост от около 12 Mach, смесване на горивото с въздуха става много трудно. При по-високи Mach номера огромен температура в горивната камера причина разлагането на молекули и техния йонизация на. Тези процеси, насложени върху вече сложна картина на въздушния поток, където свръхзвуков смесване взаимодействието на горивната камера с тръбата за влизащия въздух и законите за експлоатация горене го правят почти невъзможно да се изчисли газови потоци, режим на снабдяване с горива и топлинния баланс на горивната камера.

По време на полета на свръхзвуков самолет отопление двигател зависи не само от работата на горивната камера - също допринася за други системи: помпи, хидравлика, електроника. система за контрол, чрез топлообмен в свръхзвуков самолет са концентрирани главно върху двигателя, тъй като той се чувства максимално термично натоварване. Двигателят е обикновено създава много проблеми - зона на струята поток се различава голям термичен, акустични и механични натоварвания, и плюс цялата попълнено единствено корозия активна смес от продукти горещи горивни и кислород.

Ако двигателят не се охлажда, температурата на камерата за горене да надвишава 2760 градуса по Целзий, която е по-висока от точката на топене на повечето метали. За щастие, проблемът на високи температури не могат да се справят с активно охлаждане, подходящ избор на материали и развитието на специални висока температура структури.

Сам свръхзвуков самолет също има строги изисквания за конструкцията и материалите. Ето кои са те:

- много високи температури;

- нагряване апарат като цяло;

- стационарни и подвижни локализиран нагревателна зона на ударните вълни;

- високи аеродинамичните натоварвания;

- пулсации на налягането високо натоварване;

- възможността за сериозно трептене, вибрации, променливото натоварване на топлинна произход;

- ерозия под влиянието на входящия въздушен поток и потока струя вътре в двигателя.

Сега, след успешния полет на превозното средство, на X-43A и земята тества няколко модела пълен мащаб изглеждат по-реални планове за създаване пълноправен самолет с scramjet на водород или въглеводородно гориво. Когато нашите материали са били изпратени до пресата, НАСА се подготвя да пусне още един X-43A и да го разпръсне до скорост от Mach 10, т.е. до 12 000 km / h.

Препечатано с разрешение на списанието The Industrial Физик Американския институт по физика