Технология ГПВРД – как создавали гиперзвуковой двигатель

Share Tweet Share Share Email Comments

Боевая ракета «земля — воздух» выглядела несколько необычно — ее носовую часть удлинял металлический конус. 28 ноября 1991 года она стартовала с полигона неподалеку от космодрома Байконур и самоликвидировалась высоко над землей. И хотя ракета не сбила никакой воздушный объект, цель запуска была достигнута. Впервые в мире гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель (ГПВРД) испытывался в полете.

ГПВРД или, как еще говорят, «гиперзвуковая прямоточка» позволит долететь из Москвы в Нью-Йорк за 2 — 3 часа, уходить крылатой машине из атмосферы в космос. Воздушно-космическому самолету не понадобится ни самолет-разгонщик, как для «Зенгера» (см. «ТМ» №1 за 1991 г.), ни ракета-носитель, как для «шаттлов» и «Бурана» (см. «ТМ» №4 за 1989 г.), — доставка грузов на орбиту обойдется чуть ли не вдесятеро дешевле. На Западе подобные испытания состоятся не ранее чем через три года…ГПВРД способен разогнать самолет до 15 — 25М (М — число Маха, в данном случае — скорость звука в воздухе), самые же мощные турбореактивные двигатели, которыми оснащены современные гражданские и военные крылатые машины, — лишь до 3,5М. Быстрее не получается — температура воздуха, при торможении потока в воздухозаборнике, возрастает настолько, что турбокомпрессорный агрегат не в состоянии сжимать его и подавать в камеру сгорания (КС). Можно, конечно, усилить систему охлаждения и компрессор, но тогда их габариты и масса так увеличатся, что о гиперзвуковых скоростях не будет и речи — оторваться бы от земли.

Прямоточный же двигатель работает без компрессора — воздух перед КС сжимается за счет своего скоростного напора (рис. 1). Остальное, в принципе, как у турбореактивного — продукты горения, вырываясь через сопло, разгоняют аппарат.

Идею ПВРД, тогда еще не гиперзвукового, выдвинул в 1907 году французский инженер Рене Лоран. Но построили реальную «прямоточку» гораздо позже. Здесь лидировали советские специалисты.

Сначала, в 1929 году, один из учеников Н.Е.Жуковского, Б.С.Стечкин (впоследствии академик), создал теорию воздушно-реактивного двигателя. А затем, через четыре года, под руководством конструктора Ю.А.Победоносцева в ГИРДе (Группе изучения реактивного движения), после опытов на стенде, впервые отправили ПВРД в полет.

Двигатель размещался в корпусе снаряда 76-мм пушки и выстреливался из ствола со сверхзвуковой скоростью — 588 м/с. Испытания шли два года. Снаряды с ПВРД развивали более 2М — быстрее в то время не летал ни один аппарат в мире. Тогда же гирдовцы предложили, построили и испытали модель пульсирующего ПВРД — его воздухозаборник периодически открывался и закрывался, в результате горение в КС пульсировало. Подобные двигатели позднее использовали в Германии на ракетах ФАУ-1.

Первые крупные ПВРД создали опять же советские конструкторы И.А.Меркулов в 1939 году (дозвуковой ПВРД) и М.М.Бондарюк в 1944 году (сверхзвуковой). С 40-х годов работы по «прямоточке» начались в Центральном институте авиационных моторов (ЦИАМ).

Сверхзвуковыми ПВРД оснащались некоторые типы летательных аппаратов, в том числе и ракеты. Однако еще в 50-х годах выяснилось, что при числах М, превышающих 6 — 7, ПВРД малоэффективен. Вновь, как и в случае с турбореактивным двигателем, воздух, тормозившийся перед КС, попадал в нее слишком горячим. Компенсировать это увеличением массы и габаритов ПВРД не имело смысла. Кроме того, при высоких температурах начинают диссоциировать молекулы продуктов сгорания, поглощая энергию, предназначенную для создания тяги.Тогда-то в 1957 году Е.С.Щетинков — известный ученый, участник первых летных испытаний ПВРД — изобрел гиперзвуковой двигатель. Спустя год публикации о подобных разработках появились и на Западе. Камера сгорания ГПВРД начинается почти сразу за воздухозаборником, далее она плавно переходит в расширяющееся сопло (рис.2). Воздух хоть и притормаживается на входе в нее, но в отличие от предыдущих двигателей перемещается в КС, вернее, мчится со сверхзвуковой скоростью. Поэтому его давление на стенки камеры и температура значительно ниже, чем в ПВРД.

Несколько позже была предложена схема ГПВРД с внешним горением (рис.3) У самолета с таким двигателем топливо будет гореть прямо под фюзеляжем, который послужит частью открытой КС. Естественно давление в зоне горения окажется меньше, чем в обычной КС, — тяга двигателя несколько снизится. Зато получится выигрыш в весе — двигатель избавится от массивной наружной стенки КС и части системы охлаждения. Правда, надежная «открытая прямоточка» еще не создана — ее звездный час придет, вероятно, в середине XXI века.

Вернемся, однако, к ГПВРД, который и испытывался в канун прошлой зимы. Топливом ему служил жидкий водород, хранящийся в баке при температуре около 20 К (— 253°С). Обеспечить горение в сверхзвуковом потоке было, пожалуй, самой сложной проблемой. Распределится ли водород равномерно по сечению камеры? Успеет ли полностью выгореть? Как организовать автоматическое управление горением? — ведь датчики в камере не установишь, они расплавятся.

Ни математическое моделирование на сверхмощных компьютерах, ни стендовые испытания не давали исчерпывающих ответов на множество вопросов. Кстати, для имитации воздушного потока, например при 8М, на стенде необходимы давление в сотни атмосфер и температура около 2500 К — жидкий металл в раскаленном мартене куда «прохладней». При еще больших скоростях характеристики двигателя и летательного аппарата можно проверить только в полете.

Он задумывался давно и у нас, и за рубежом. Еще в 60-х годах в США готовили испытания ГПВРД на скоростном самолете-ракете Х-15, однако, судя по всему, они так и не состоялись.

Отечественный экспериментальный ГПВРД сделали двухрежимным — при скорости полета, превышающей 3М, он работал как обычная «прямоточка», а после 5 — 6М — как гиперзвуковой. Для этого изменялись места подачи топлива в КС. Разгонщиком двигателя и носителем гиперзвуковой летающей лаборатории (ГЛЛ) стала снимаемая с вооружения зенитная ракета. ГЛЛ, включающую системы управления, измерения и связи с землей, бак с водородом и топливные агрегаты, пристыковали к отсекам второй ступени, где после изъятия боевой части остался маршевый двигатель (ЖРД) со своими топливными баками. Первая ступень — пороховые ускорители, — разогнав ракету со старта, через несколько секунд отделилась.

Стендовые испытания и подготовка к полету проводились в ЦИАМ имени П.И.Баранова совместно с Военно-воздушными силами, машиностроительным КБ «Факел», превратившим свою ракету в летающую лабораторию, тураевским КБ «Союз» и московским агрегатным КБ «Темп», изготовившими двигатель и регулятор топлива, и другими организациями. Руководили программой известные авиационные специалисты Р.И.Курзинер, Д.А.Огородников и В.А.Сосунов.

Для обеспечения полета в ЦИАМе создали мобильный заправочный комплекс жидкого водорода и бортовую систему его подачи. Сейчас, когда жидкий водород рассматривается как одно из самых перспективных топлив, опыт обращения с ним, накопленный в ЦИАМе, может пригодиться многим.

…Ракета стартовала поздно вечером, было уже почти темно. Через несколько мгновений носитель «конуса» скрылся в низкой облачности. Наступила неожиданная по сравнению с первоначальным грохотом тишина. Испытатели, наблюдавшие старт, подумали даже: неужели все сорвалось? Нет, аппарат продолжал намеченный путь. На 38-й секунде, когда скорость достигла 3,5М, двигатель запустился, в КС начал поступать водород.

А вот на 62-й действительно произошло непредвиденное: сработала автоматика прекращения подачи топлива — ГПВРД отключился. Затем, примерно на 195-й секунде, вновь автоматически запустился и проработал до 200-й… Ее заранее определили как последнюю секунду полета. В этот момент ракета, находясь все еще над территорией полигона, самоликвидировалась.

Максимальная скорость составила 6200 км/ч (чуть больше 5,2М). Работу двигателя и его систем контролировали 250 бортовых датчиков. Измерения по радиотелеметрической связи передавались на землю.

Еще не вся информация обработана, и более подробный рассказ о полете — преждевременен. Но уже сейчас ясно — через несколько десятилетий пилоты и космонавты оседлают «гиперзвуковую прямоточку».

От редакции. Летные испытания ГПВРД на самолетах «Х-30» в США и на «Hytex» в Германии планируются на 1995-й или ближайшие после него годы. Наши же специалисты могли бы уже в ближайшее время опробовать «прямоточку» при скорости более 10М на мощных ракетах, снимаемых сейчас с вооружения. Правда, над ними довлеет неразрешенная пока проблема. Не научного или технического характера. У ЦИАМа нет денег. Их нет даже на полунищенскую зарплату сотрудникам.

Что дальше? Сейчас в мире всего четыре страны, которые обладают полным циклом авиадвигателестроения — от фундаментальных исследований до выпуска серийной продукции. Это США, Англия, Франция и, пока, Россия. Так вот не осталось бы их в дальнейшем — три.

Американцы же в программу ГПВРД вкладывают сейчас сотни миллионов долларов…

Рис. 1. Принципиальная схема прямоточного воздушно-реактивного двигателя (ПВРД): 1 — центральное тело воздухозаборника, 2 — горло воздухозаборника, 3 — камера сгорания (КС), 4 — сопло с критическим сечением. Белыми стрелками показана подача топлива. Конструкция воздухозаборника такова, что попавший в него воздушный поток тормозится и поступает в КС под высоким давлением. Продукты сгорания, покидая КС, разгоняются в суженном сопле до скорости звука. Интересно, что для дальнейшего ускорения газов сопло надо расширять. Пример с рекой, когда течение убыстряется пропорционально сужению берегов, годится лишь к дозвуковым потокам.

Рис. 2 Принципиальная схема гиперзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателя (ГПВРД): 1 — КС, 2 — расширяющееся сопло. КС начинается не за диффузором, как у ПВРД, а почти сразу за горлом воздухозаборника. Топливо-воздушная смесь горит, двигаясь со сверхзвуковой скоростью. Продукты горения еще более разгоняются в расширяющемся сопле.Рис. 3 Принципиальная схема ГПВРД с внешним горением: 1 — место впрыска топлива. Горение происходит на внешней стороне двигателя — давление продуктов сгорания меньше, чем в закрытой КС, но тяга — сила, действующая на стенки планера, больше лобового сопротивления, что и приводит аппарат в движение.