0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Что такое гиперзвуковой двигатель

Что такое гиперзвуковой двигатель

В настоящее время наиболее перспективным для освоения гиперзвуковых скоростей полета считается прямоточный воздушно-реактивный двигатель (ПВРД) со сверхзвуковым горением (СГ), в котором для предварительного сжатия набегающего воздушного потока используется поверхность летательного аппарата. Однако сложная структура течения в его тракте повышает вероятность отрыва потока и затрудняет организацию эффективного сжигания топлива в камере сгорания. При скорости полета меньше расчетной для воздухозаборника ПВРД СГ снижается коэффициент расхода воздуха и степень поджатия потока. Кроме того, при изменении скорости полета существенно перестраивается структура течения в ПВРД СГ, который, таким образом, оказывается эффективен только в небольшом диапазоне скоростей. В связи с этим нами исследуется комплекс проблем, относящихся к разработке в рамках концепции «АЯКС» двигателя нового типа — ПВРД с МГД взаимодействием (в нашей терминологии – магнитоплазмохимического двигателя (МПХД)).

Данная упрощенная схема МПХД, является, по сути, гиперзвуковым прямоточным воздушно-реактивным двигателем с введенными в его тракт МГД системами. Во внешней части воздухозаборника реализуется сжатие набегающего потока в системе N скачков уплотнения и его разворот на суммарный угол θN, а во внутренней — обеспечивается обратный разворот потока на угол θN и его дополнительное сжатие. Ионизатор используется для создания необходимой проводимости потока в том случае, когда естественная проводимость не обеспечивает требуемой степени МГД взаимодействия. Внешний МГД генератор используется для управления профилем потока, регулирования расхода воздуха в тракте МПХД и повышения давления. Внутренний МГД генератор используется для повышения давления и предотвращения развития отрывных течений. Электроэнергия, которую вырабатывают МГД генераторы, расходуется на обеспечение энергетических потребностей ионизатора, бортового оборудования, а также на дополнительное ускорение продуктов сгорания в МГД ускорителе.

При МГД-торможении воздушного потока его кинетическая энергия преобразуется в электрическую, направляемую на:

  1. реализацию функций регулируемого воздухозаборника, оптимизирующего параметры состояния МПХД;
  2. уменьшение лобового сопротивления за счет взаимодействия плазменно-воздушного гиперзвукового потока с поверхностью планера;
  3. функционирование мощных бортовых систем направленной передачи энергии, преобразующих электрическую энергию в управляемое излучение, используемое для решения большого круга нетрадиционных прикладных и оборонных задач и обеспечение работы бортового радиоэлектронного комплекса.

Объемное торможение магнитным полем позволяет создать регулируемый воздухозаборник, оптимизировать параметры состояния воздушного потока в тракте МПХД (в том числе и в камере сгорания) и тем самым обеспечить создание прямоточного двигателя, работоспособного в широком диапазоне гиперзвуковых скоростей. При этом отпадает необходимость использовать трудно осуществимые методы механического управления геометрическими параметрами двигателя. Современные достижения в области электротехники и магнитотехники позволяют считать, что МГД-системы МПХД будут иметь вполне приемлемые массогабаритные характеристики.

В любую точку мира за 2 часа полёта

Одним из достижений человечества в уходящем 2020 году стало успешное испытание в Китае нового концепта гиперзвукового двигателя, способного развивать скорость полёта в 16 раз превышающей скорость звука. Прототип называется Soramjet engine и, если его когда-либо смогут масштабировать и установить на коммерческие самолёты, то это позволит путешествовать в любую часть мира, менее чем за два часа.

Учёные не исключают, что sodramjet (сокращение от «стоячий косой детонационный прямоточный реактивный двигатель») может стать первой реальной надеждой на гиперзвуковой полёт, во много раз превышающий скорость звука, что принесёт как глобальные полёты, так и космические путешествия намного ближе к дому.

«С помощью многоразовых трансатмосферных самолётов, мы можем взлететь горизонтально с ВПП аэропорта, разогнаться до орбиты вокруг Земли, затем вернуться в атмосферу и, наконец, приземлиться в аэропорту», – описывают перспективы своей разработки учёные из Института механики Китайской академии наук. «Таким образом, доступ в космос станет надёжным, обычным и доступным».

Мировые исследования прямоточного двигателя привели к скрэмджету, который был спроектирован так, чтобы идти со скоростью в 15 раз превышающей скорость звука. Секрет заключается в том, что скрэмджет черпает кислород для горения из воздуха, а не в конденсированном виде из бака, что облегчает взлётную массу. Но в тоже время, это означает более хрупкий цикл сгорания, который, как оказалось, может быть заглушён теми самыми звуковыми ударами, который создает двигатель. Скрэмджет просто никогда не достигал своего полного потенциала.

Читать еще:  Гольф 3 двигатель абу не заводится

Sodramjet следует за десятилетиями работ над скрэмджетами, которые начались в Соединенных Штатах. Но и в Китае продолжается разработка концепций scramjet. Тем не менее, ведущий исследователь Цзян Цзунлинь разочаровался в скрэмджетах и решил пойти своим собственным путём, основываясь на теории, опубликованной НАСА в 1980 году: Цзян и его коллеги сказали, что они сыты по горло фатальной слабостью конструкции скрэмджетов. Скрэмджет едва мог генерировать тягу со скоростью 7 Маха или выше. Расход топлива был настолько велик, что ни одна коммерческая авиационная компания не смогла бы оплачивать такие топливные счета. А пилоты не говоря уже о пассажирах, могут страдать сердечными приступами, если им придётся время от времени запускать двигатель во время полета.

Оглядываясь на научно-исследовательский прогресс, достигнутый в последние десятилетия, можно отметить, что некоторые физические проблемы играют важную роль в разработке скрэмджетов. Два из этих вопросов носят фундаментальный и критический характер.

  • Распространение волн в каналах скремблирующего потока за счет волн самопроизвольного горения, возникающих при внезапном выделении тепла, которые могут перерасти в восходящие бегущие ударные волны. Это явление может вызвать нестабильное горение и привести к тому, что впускной патрубок не запустится, а двигатель задохнется от перегрева.
  • Низкая тяга двигателя, которая была продемонстрирована летными испытаниями, особенно при высоких числах Маха полета. Можно получить положительные тяги для небольшого летно-испытательного аппарата, но тяга слишком мала, чтобы привести в действие любой практический гиперзвуковой авиалайнер для коммерческого применения.

Рассматриваются два критерия для гиперзвукового прямоточного реактивного двигателя, позволяющие идентифицировать режимы горения и избежать теплового удушения. Концепция стоячего прямоточного реактивного двигателя с косой детонацией (Sodramjet, – Содрамджет) предложена на основе этих критериев путем замены диффузионного горения косой детонацией, которая является уникальным явлением усиления давления в природе. Двигатель обладает высокой плотностью мощности, короткой длиной камеры сгорания и простой конструкцией. Модель двигателя Sodramjet разработана с использованием нескольких методов управления потоком и успешно испытана с помощью гиперзвукового ударного туннеля. Экспериментальные данные показывают, что модель Содрамджетного двигателя работает стабильно, а косая детонация может быть выполнена управляемой в стационарной камере сгорания двигателя. Данное исследование демонстрирует, что Содрамджет-двигатель является перспективной концепцией и может стабильно эксплуатироваться с высоким тепловым КПД в условиях гиперзвукового течения.

Испытания в ударном туннеле JF-12 в Пекине проводились со скоростью превышающей скорость звука (1224 км в час) – до 9 Маха, включительно. Эксперимент прошёл успешно, двигатель работал стабильно. Исследователи Китайской академии наук не скрывают революционную технологию и опубликовали научный материал профессора Цзян Цзунлина. Успех на девятом Махе стал возможен благодаря использованию иного подхода на другом типе гиперзвуковых реактивных двигателей, известных как «скрэмджеты». Они отличаются от традиционных турбореактивных двигателей, которые можно увидеть на современных самолётах, и у них нет движущихся частей. Вместо этого они используют свою супер-скорость, чтобы сжать воздух перед собой, а это, в свою очередь, сжигает топливо, создавая движущую силу.

Однако эти двигатели, которые всё ещё находятся на различных стадиях исследовательских тестов и не имеют какой-либо последующей реализации, из-за серьезного недостатка, который не позволяет им превышать 7 Маха. Всё дело в сжатии воздуха перед двигателем, и в неизбежных волнах звуковых ударов гасящих пламя, заставляя двигатель отключаться.

На схеме показано, что ударная волна, первоначально созданная сферической формой, превращается в плоскую, из-за отражение от стен, а затем распространяется по течению. Из этих временных последовательностей движение ударной волны на рис. b значительно медленнее, чем на рис. a, но он всё еще распространяется вверх по течению, даже несмотря на то, что число Маха входного потока достигает 4.5 единицы. Вот почему низкий коэффициент эквивалентности часто используется для большинства экспериментов с реактивными двигателями для поддержания стабильного горения, поскольку низкое тепловыделение может эффективно уменьшить число Маха движущейся по течению ударной волны. Поэтому для прямоточного реактивного двигателя число Маха входного потока должно совпадать с ударной волной, идущей вверх по течению, чтобы избежать разгона входного потока и вздутия двигателя.

Читать еще:  Датчик температуры двигателя bmw f10

Сорамджеты основаны на теории, первоначально выдвинутой инженером по имени Ричард Моррисон в 1980 году, который сказал, что ударные волны могут быть использованы для воспламенения топлива, не только отрицая проблему идеи scramjet, но и превращая её в позитив.

Новый двигатель состоит из одноступенчатого воздухозаборника, который направляет воздух в камеру сгорания, где он воспламеняет бортовое водородное топливо. Группа китайских экспертов приступили к созданию машины, используя данную технологию с нуля. Это был успех, и, в отличие от скрэмджетов, новая конструкция смогла функционировать в условиях до девяти Маха.

Аэродинамическая труба не смогла воспроизвести условия, выходящие за её пределы, и на Земле пока нет лаборатории, способной проверить гипотезу о том, что она может функционировать и при 16 Махов.

Принципиальная демонстрационная модель содрамджетного двигателя и его установка в аэродинамической трубе. Ключевое отличие sodramjet заключается в том, что новая конструкция использует звуковую стрелу для добавления горения, а не для его выдувания.

Превращение ударной волны из противника в друга помогло экспериментаторам поддерживать и стабилизировать горение на гиперзвуковой скорости. Чем быстрее работал двигатель, тем эффективнее сжигалось водородное топливо. Новый двигатель намного меньше и легче, чем предыдущие модели. Ничего нельзя сказать наверняка об этой конструкции, которая пока не может быть испытана на полной скорости, даже в аэродинамической трубе, её просто не существует. Многое ещё предстоит увидеть, изучить и доказать. Однако sodramjet, по-видимому, является гиперзвуковым конкурентом в начале эры, когда эта технология будет иметь решающее значение для путешествий и исследований.

ГИПЕРЗВУКОВОЙ ЛЕТАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ

Изобретение относится к авиационной технике. Гиперзвуковой летательный аппарат содержит фюзеляж, гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель с соплом, расположенным под нижней панелью хвостовой части фюзеляжа, крыло, киль и воздухозаборник, расположенный под фюзеляжем в его хвостовой части снизу. В носовой части летательного аппарата смонтированы выдвижные плоскости на роликах для выхода по желобу из фюзеляжа, которые компенсируют неблагоприятный момент, возникающий вследствие взаимодействия струи газа из сопла двигателя. Изобретение направлено на улучшение продольной балансировки. 8 ил.

Гиперзвуковой летательный аппарат, содержащий фюзеляж, гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель с соплом, расположенным под нижней панелью хвостовой части фюзеляжа, крыло, киль, воздухозаборник, расположенный под фюзеляжем в его хвостовой части снизу, отличающийся тем, что в носовой части летательного аппарата смонтированы выдвижные плоскости на роликах для выхода по желобу из фюзеляжа, которые компенсируют неблагоприятный момент, возникающий вследствие взаимодействия струи газа из сопла двигателя.

Изобретение относится к авиационной технике, в частности к конструкции летательного аппарата.

В настоящее время конструкторы многих стран мира проектируют гиперзвуковые самолеты с прямоточными воздушно-реактивными двигателями и расширяющимся соплом, расположенным под нижней панелью хвостовой части фюзеляжа (см. патент США №3211401, класс 24453 за 1964 г., патент Англии №10291006, класс B7G за 1966 г.).

Применение сопла в хвостовой части фюзеляжа позволяет существенно увеличить тягу двигателя на гиперзвуковых скоростях полета за счет до расширения газа, выходящего из сопла двигателя. Так, например, согласно проведенным теоретическим расчетам, при полете самолета при скорости, соответствующей числу M=6, где M — скорость звука, дополнительная тяга двигателя увеличивается на 30%.

Однако при этом от работы сопла возникает неблагоприятный пикирующий аэродинамический (газодинамический) момент, который приводит к значительной потере аэродинамического качества самолета на крейсерских скоростях полета, а зачастую — к невозможности его стабильного полета вследствие интенсивного вращения самолета вокруг его поперечной оси.

Читать еще:  Асинхронный двигатель схема с пояснениями

Наиболее близким конструктивным решением, позволяющим парировать неблагоприятный аэродинамический (газодинамический) момент от сопла самолета, является переднее выдвижное горизонтальное оперение сверхзвукового истребителя-перехватчика ВВС Франции (№1601027, класс B64с), который имеет максимальную скорость полета, соответствующую числу M=2, и может совершать маневры с перегрузкой, равной 9.

Как заявленном изобретении, так и в прототипе по патенту Франции №1601027 имеются выдвижные плоскости, размещенные в носовой части фюзеляжа.

Существенным недостатком указанной конструкции является то, что она может применяться только на дозвуковых скоростях полета, т.е. до числа M

Водородный двигатель испытают в России / ИЗВЕСТИЯ

22 Октября 2013

Российские ученые вновь займутся исследованием водородных двигателей для авиации. Эта разработка может приблизить мечту о создании гиперзвукового гражданского самолета.

В середине октября Минпромторг объявил конкурс на выполнение научно-исследовательской работы по формированию облика высокоскоростного гражданского самолета «включая расчетно-экспериментальные исследования характеристик демонстратора водородного прямоточного двигателя, интегрированного с планером самолета». За выполнение работ победитель конкурса получит до 205 млн рублей. Закончить исследования ученые должны уже в декабре 2014 года.

Как пояснил «Известиям» источник в Минпромторге, речь идет о сотрудничестве в рамках Седьмой рамочной европейской программы. Одно из направлений программы — разработка гиперзвукового гражданского самолета. В проекте участвуют Россия, Евросоюз, Китай и другие страны, при этом затраты на исследования несут все участники. Российские научные организации во главе с ЦАГИ (Центральный аэрогидродинамический институт им. профессора Н.Е. Жуковского) еще в середине 2012 года вели переговоры с партнерами Еврокомиссии о проекте этого самолета.

Гиперзвуковые летательные аппараты способны летать в атмосфере со скоростью 5M и больше (то есть свыше 6 тыс. км/ч), и они в мире в последние десять лет активно исследуются. Минпромторг напоминает в материалах конкурса, что в США сейчас активно идут исследования в области разработки, создания и летных испытаний гиперзвуковых летательных аппаратов — демонстраторов. В Европе аналогичные работы проводятся под эгидой Еврокомиссии при Европарламенте в виде рамочных программ. Также существует европейский проект SHEFEX-II, в рамках которого были реализованы успешные автономные летные испытания.

«Водородный гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель рассматривается как основа комбинированных силовых установок для гиперзвуковых гражданских летательных аппаратов», говорится в материалах Минпромторга.

Обычный, непрямоточный водородный двигатель был разработан в советское время и стоял, например, на испытательных, демонстрационных самолетах Ту-155 и Ту-156 в середине годов, поясняет доктор технических наук, профессор МГТУ ГА Евгений Коняев. Однако тогда водородные двигатели не пошли в серию в основном по политическим причинам, замечает эксперт. Также водородные двигатели устанавливали на американских шаттлах.

Топливом для водородного двигателя является жидкий водород. Одним из минусов двигателей такого типа является то, что он не может долго стоять заправленным. Например, при задержке шаттла необходимо было сразу извлекать из него топливо, а это занимает несколько часов, поясняет Коняев. Прямоточный двигатель сам по себе был разработан еще во время Второй мировой войны. Его минусом является то, что он начинает работать только на большой скорости, когда самолет уже находится в движении, поэтому у самолета с таким двигателем должен быть еще один мотор другого типа.

Как пояснил Сергей Чернышев, исполнительный директор ЦАГИ, одна из главным проблем, которая может встать в ходе исследований гиперзвукового самолета — найти материалы, которые будут использоваться в его производстве.

— Гиперзвуковой самолет будет двигаться на скоростях от 6 маха до 8 маха (примерно км/ч. — «Известия»). При таких скоростях летательный аппарат сильно нагревается, и требуются совершенно новые материалы, способные выдержать такие температуры, — пояснил Чернышев.

В результате исследования по тендеру Минпромторга будет получен опытный образец, который в полетах использоваться не будет: через двигатель, зафиксированный на стенде, станет подаваться гиперзвуковой поток воздуха.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector