A hypersound hiperszonikus repülőgépek felé - a bolygó információ-elemző portál szemébe
A XXI. Század már elkezdett új perspektívákat kidolgozni és új célokat tűzni nekünk. A légi járműveknek most hiperszonikus sebességgel kell repülniük, és ehhez motorjaiknak harmonikusan kell összefogniuk a repülés és az űrtechnológia jellemzőit. A szuperszonikus ramjet - ramjet motor - nem használ mozgó alkatrészek, a repülőgép szerelve ezzel a motorral lesz képes, amely több száz kilométeres percek alatt, majd rendszeres reality SuperSpeed transzkontinentális járatok és olcsó űrmissziók.
A kísérlet során kapott eredmények segítik a szuperszonikus légi járművek légijármű-motorral való koncepciójának józan értékelését. A következő néhány évre tervezett járatok számának bővíteniük kell a már rendelkezésre álló kísérleti adatok mennyiségét, így egy évtized alatt az első hiperszingens eszközöket, amelyek a ramjetnel kerülnek forgalomba, üzembe helyezik.
Az Egyesült Államokban a párhuzamos légi jármûvek fejlesztése hosszú történelemmel bír. A negyvenes évekből induló elméleti fejlesztések alapján az ötvenes évek végén az amerikai légierő, a haditengerészet és a NASA közeledett a kísérleti szakaszhoz. Az ötlet kidolgozásának jelenlegi szintje számos hasonló kutatási programon alapul, hasonló motorok hidrogénnel és szénhidrogén üzemanyagokkal történő felépítésén.
A hagyományos ramjetben a levegőbevitelbe belépő szuperszonikus légáramlás a lökéshullámok, a lengéshullámok által a levegőbevezetés bizonyos geometriája miatt kialakult szubszonikus sebességgel gátolható. Tüzelőanyagot fecskendezünk Ez a tömörített gátlása szubszonikus áramlás és a keveréket elégetjük, és a forró gázok a szórófejen áthaladó szabályozott vagy nem szabályozott, ismét gyorsult szuperszonikus sebességgel.
A hiperszonikus ramjetben a légáramlás kisebb mértékben csökken a bemeneten, és az üzemanyag teljes égési folyamata alatt szuperszonikus marad. Ebben az esetben nincs szükség beállítható fúvókákra, és a motor mûködése a Mach számok széles skáláján van optimalizálva. A modern kettős módú hiperszonikus torzítások képesek mind szubszonikus, mind szuperszonikus égési módokban működni, így zavartalan átmenetet biztosítanak az egyik módról a másikra.
Az STGVD koncepciója egy példája a harmonikus illesztésnek a repülőgép és a propulzus között. Ebben a rendszerben a motor foglalja el a repülőgép teljes alsó felületét. Az erőmű hét alapelemből áll, melyek közül öt a motorhoz kapcsolódik, kettő pedig a berendezés törzséhez. A motor zóna a levegőbevezetés elülső és hátsó része, az égéskamra, a fúvóka és az üzemanyag-ellátó rendszer. A törzs tartalmazhatja az orr és a hátsó részek alsó felületét, amelyek befolyásolják a motort.
A nagysebességű levegő befecskendező rendszerben a törzs orr alsó része és a légbeszívás hatékonyan működnek együtt. Összesen megragadják és összenyomják a levegőáramot, és bejuttatják az égéstérbe. A hagyományos sugárhajtású motorokkal ellentétben a szuperszonikus és hiperszonikus repülési sebességek SPVD-ben a bejövő levegő szükséges tömörítése mechanikus kompresszor nélkül történik. A kezdeti tömörítést a repülőgép törzsének alsó orrja hozza létre, és a levegőbevitel biztosítja a kívánt tömörítési arányt.
A bejövő légáram sok lökéshullámot tapasztal a repülőgép orrán és a beömlő levegő belépőnyílásánál, a sebesség csökken, míg a nyomás és a hőmérséklet emelkedik. A levegőbevitel hátulja az SST alapvetően fontos eleme. Ebben a zónában a szuperszonikus bejövő áramlás visszaszorul, amely meghaladja a statikus levegő beömlőnyomását. Amikor egy eredmény az égési folyamat kezdődik, hogy elváljon a fali határréteg, a hátsó a belépő zóna van kialakítva egy sor sokkok, ami egyfajta „előkamra”, mielőtt ez égéstérbe. A jelenléte a hátsó része a légbeömlő lehet elérni az égéstérben a szükséges hőt a kontroll szintjére és a növekvő nyomást úgy, hogy elkerüljük azt a helyzetet nevezzük „zár”, amelynél a lökéshullámok zavarja a levegő bejutását a beáramlását a hátsó a levegőbemenet.
Az égéskamra a levegő és a tüzelőanyag közötti leghatékonyabb keveredését biztosítja az injektálás során, a kamra hossza mentén. Így a hőenergia hatékonyabb átadása a motor vontatására valósul meg. A gázkibocsátó rendszer, amely a fúvókából és a törzs farokrészének alsó felületéből áll, biztosítja a sűrített forró gázok szabályozott kiterjedését, ami valójában biztosítja a szükséges tolóerőt. A tágulási folyamat átalakítja a potenciális energiát az égéstérben a kinetikus energiává. A fúvóka zónájában számos fizikai jelenség fordul elő: ezek az égés, a határoló réteg hatásai és az egyenetlen gázáramok, valamint a rétegek keresztirányú nyírási instabilitása, valamint számos speciális térfogati hatás. A fúvóka formája nagy jelentőséggel bír a motor hatékonysága és a repülés egésze szempontjából, mivel ez befolyásolja a légi jármű emelését és szabályozhatóságát.
Hogy működik
Mielőtt a HSVRD-vel ellátott légi jármű elérné a kívánt sebességet, a motornak folyamatosan többféle üzemmódot kell végrehajtania. A Mach körülbelül 3 Mach sebességének felgyorsításához többféle lehetőség közül választhat - például további gázturbinás motorok vagy rakétameghajtók (mind belső, mind külső).
Sebességgel 3,4 Mach GPRVD rekonstruálható a kis sebességű üzemmód egy tolóerő módban, amikor a motor versenyzés képződött stabil tömítések, létre bemeneténél az égéskamra, egy vagy több részletben a levegő áramlását a szubszonikus sebességeknél. A hagyományos ramjet szolgáló olyan, levegő szívó és a diffúzor - csökkentik az áramlási sebességet, hogy az alábbiakban a hangsebesség növelésével a terület a diffúzor, így lehetséges, hogy teljes égés a keverék szubszonikus sebességű.
Az égéskamra mögött egy kúpos-bővítő fúvóka található, amely biztosítja a szükséges húzást. A kamrában levő HGRVD-ben van egy "gázhő-fojtás", amely nem igényli a fúvóka tényleges geometriai szűkülését. Ez az áramlás szűkülése a gázok levegővel történő összekeveredése és egy pontosan kalibrált áramlási eloszlás miatt alakul ki.
Míg a HVRD saját erővel rendelkező síkja 3-ról 8 Mach-ra gyorsul, 5-től 7 Mach-ig terjedő tartományban a motor egy másik üzemmódra vált. Ez egy átmeneti pillanat, amikor a motor mind hagyományos, mind hiperszonikusan működik. A hőmérséklet és a nyomás emelkedése az égéstérben lelassul. Ennek eredményeképpen rövidebb előfeszítő zóna lesz elegendő a normál működéshez. A lökéshullám a levegőbevezető nyakból az égéstérbe jut.
Ha a sebesség meghaladja az 5 Mach-ot, akkor a szuperszonikus égési mód már nagyobb tapadást biztosít, így a motor sajátossága megköveteli, hogy a rajt üzemmódot addig használják, amíg a jármű eléri a 5-6 Mach sebességet. A körülbelül 6 Machs küszöbén a légáramlás subsonikus sebességre való fékezése szinte teljesen leállítja a helyeket, ami éles nyomástámadást és hőátadást eredményez. Valahol az 5 és 6 mahs közötti intervallumban ezeknek a tüneteknek a megjelenése jelzi a tiszta GVRDD rezsimjének átmenetét. Ha a sebesség meghaladja a 7 Mach-ot, akkor az égési folyamat már nem képes a levegőáramlást szétválasztani, és a motor HVRD-üzemmódban kezd el működni ütésmentes hullámokkal az égéstér előtt. A levegőbevezetésből származó lökéshullámok a teljes motor mentén vannak elosztva. A Mach 8 feletti sebességnél a fizikai törvények szuperszonikus égést igényelnek, mivel a motor többé nem képes ellenállni a nyomásnak és a hőmérsékleteknek, amelyek akkor merülnének fel, amikor a légáramlás a szubszonikus sebességre fékez.
A SHVRD munkájában a Machov 5-ről 15-ig terjedő sebességgel számos technikai probléma merül fel. Ez nehézséget jelent a tüzelőanyag levegővel történő összekeverésével, a motor hõterheléseivel küzdve, különösen a levegõbevezetés minden élõszeleinek túlmelegedésével. A hypersonikus sebességű járatoknál speciális szerkezetekre és anyagokra van szükség.
Amikor a sebessége a befecskendezett üzemanyag kiegyenlítődik a sebességgel lép be az égető légáramlás, mely akkor jelentkezik sebességgel Mach 12, keverés üzemanyagot a levegő nagyon nehézzé válik. Még magasabb Mach számoknál az égési kamrában a hatalmas hőmérsékletek miatt a molekulák bomlanak és ionizálódnak. Ezek a folyamatok, szuperponálva a már összetett képet a levegő áramlását, ahol a szuperszonikus keverési kölcsönhatását az égéstér a légbeszívó csatornán és az égési működési törvények hogy szinte lehetetlen kiszámítani gázáramlás, az üzemanyag-ellátás mód és a hő egyensúlyt az égéstérbe.
A hiperszonikus repülés során a légi jármű motorjának melegítése nemcsak az égéstér működésétől függ, hanem más rendszerektől is: szivattyúk, hidraulika, elektronika. A hiperszonikus légi járművek hőcseréjének ellenőrzési rendszerei főként a motorra koncentrálódnak, hiszen a legnagyobb hőterhelést tapasztalja. A motor sok problémát okoz - a reaktív áramlási zónát hatalmas termikus, mechanikai és akusztikus terhelések jellemzik, és ezen kívül kizárólag a forró égéstermékek és az oxigén maró hatású keveréke.
Ha a motor nem hűl, az égéstér hőmérséklete meghaladja a 2760 Celsius fokot, ami magasabb, mint a legtöbb fém olvadáspontja. Szerencsére a magas hőmérséklet problémáját az aktív hűtés, az anyagok megfelelő megválasztása és speciális, magas hőmérsékletű szerkezetek fejlesztése legyőzheti.
A hiperszonikus repülőgép maga is szigorú követelményeket támaszt a szerkezetek és az anyagok tekintetében. Itt vannak:
Nagyon magas hőmérséklet;
- a készülék egészének fűtése;
- álló és mozgó helyi fűtési zónák lökéshullámoktól;
- nagy aerodinamikai terhelés;
- nagy nyomású terhelések;
- komoly ingadozás, rezgések, ingadozó termikus eredetű terhelések;
- erózió a bejövő légáram és a motor belsejében fellépő sugárterhelés hatására.
Most, miután az X-43A sikeres repülésével és számos teljes modellen végzett földi tesztelést követően teljes életciklusú hidrogént vagy hidrogén-szénhidrogén üzemanyagot terveztek, még reálisabbak. Amikor anyagainkat elküldtük nyomtatásra, a NASA arra készül, hogy újabb X-43A-t indítson, és felgyorsítsa 10 Mach sebességére, azaz 12 000 km / h sebességig.
Az Ipari Fizikusi Amerikai Fizikai Intézet engedélyével újranyomtatva