Космически самолет пистата на хиперзвукови реактори За науката
Мечтата да летиш със самолет с над десет пъти скоростта на звука и да го изведеш в орбита може скоро да се сбъдне благодарение на все още експериментален тип реактор, суперстато.
Х-43А на НАСА постави рекорд на скорост за въздухоплавателно средство през ноември 2004 г., летейки с 9,6 Маха или над 11 000 километра в час.
НАСА/Изследователски център за полети Dryden
Инженерите отдавна мечтаят за самолет, който ще излети от пистата, за да спечели място и след това да си почине на земята, като изтребителя X-Wing на Люк Скайуокър в „Междузвездни войни“. Тази мечта обаче идва срещу неизбежен факт: доставката на кислород е от съществено значение за изгарянето на гориво. Този газ обаче е твърде рядък в горните слоеве на атмосферата, за да поддържа горенето. По този начин летенето в космоса изисква да носите със себе си както окислителя, така и горивото, какъвто е случаят с ракетния двигател. Това е недостатък: при настоящите пускови установки повече от половината от първоначалната маса съответства на окислителя и горивото на борда, за да осигури изгарянето, докато то бъде изведено в орбита. Свръхзвуковите реактори, наречени суперстатоси, обещават смъртта на това препятствие.
За разлика от ракета, която излита вертикално, за да спечели място, машина, оборудвана със суперстато, ще излети като самолет благодарение на аеродинамичния лифт, генериран от крилата му. Това би го направило по-маневрено и по-безопасно - ако даден полет трябва да бъде прекъснат, самолетът би могъл да лети към земята. Конвенционалните реактори биха осигурили излитане и ускорение до свръхзвукова скорост (скоростта на звука, или Mach 1, съответства на 1225 километра в час на морското равнище), и биха били предавани от реактивен самолет между Mach 3 и Mach 6. в хиперзвуков режим, между 5 и 15 маха. За сравнение най-бързият самолет, който съществува, SR-71 Black Bird на американските военновъздушни сили, достигна 3, 2. И накрая, малки ракети биха осигурили последен кратък тласък за поставяне на превозното средство в космическа орбита.
Тези възможности биха революционизирали космическата индустрия. Самолети, оборудвани със суперстатоси, ще свържат Париж със Сидни само за два часа. Разходите за излитане в орбита ще спаднат и пътуването в космоса ще стане рутина. И военните несъмнено биха спечелили от това.
Концепцията за суперстато не е нова. Принципът е патентован през 50-те години и до средата на 60-те години няколко прототипа са тествани на земята до скорости до 7,3 Маха. През 80-те години американското правителство инициира програма за разработване на космически самолет суперстато, но след инвестиция от почти 1,5 милиарда евро проектът беше бракуван на фона на съкращения на бюджета, последвали края на Студената война. Днес много екипи по света се опитват да преодолеят техническите трудности при изграждането на оперативни суперстати (виж карето на страница 82).
През 2004 г. изследователският самолет x -43a от програмата nasa Hyper-x постави рекорд за скорост по време на два полета от няколко секунди, при Mach 6,8, след което 9,6 Mach. В тази статия ще се съсредоточим върху проекта HyTech, разработен от ВВС на САЩ, базиран на използването на течни въглеводороди като гориво и като охлаждаща течност. Но за да разберем трудностите, свързани с дизайна на функционална суперстато, нека се върнем към нейния принцип на работа.
Суперстатите принадлежат към семейството на така наречените аеробни реактори, които се основават на същия принцип: атмосферният въздух се улавя от вход за въздух, компресира се, смесва се с гориво, след което се запалва в горивна камера. Разширяването в дюзата на високо налягане и изгарящи газове в резултат на това изгаряне предизвиква тяга (температурата и налягането на газовете спадат в полза на тяхната скорост; с други думи, топлинната енергия на газовете се преобразува в енергия. кинетична). Най-известният от аеробните реактори е турбореактивният двигател. Поредица от въртящи се колела с гребло засмуква въздуха и го компресира. Този компресор се задвижва от турбина, задвижвана от газовете, излизащи от горивната камера. Текущите турбореактивни двигатели достигат около 3 Маха; освен това, температурата, достигната на изхода на компресора и на входа на турбината, надвишава съпротивлението на много движещи се части.
Гориво, въздух, тяга
За щастие от Mach 2.5 компресорът вече не е необходим: входящият въздушен поток е толкова бърз, че подходящата форма на входа на въздуха е достатъчна, за да го забави и компресира. По този начин един реактивен самолет няма движещи се части и просто се състои от вход за въздух, горивна камера и дюза. Входящият въздух се забавя до скорости от порядъка на 0,5 Маха и се компресира. След това инжекторите включват горивото във въздушния поток и сместа се изгаря. Горещите отработени газове се ускоряват отново до почти скорост на звука при преминаване през тясна шийка и се разширяват в дюза при достигане на свръхзвукова скорост. Внимателно проектираната форма на горивната камера осигурява стабилност на пламъка. Отвъд Mach 5 обаче забавянето и нагряването на въздуха на входа става твърде голямо, така че горенето и ефективността на двигателя се намаляват. На практика ограничението на скоростта на реактивния самолет е между 5 и 6 Mach.
За да се постигнат по-високи скорости на полета, е необходимо да се намали компресията и забавянето на входящия въздушен поток. По този начин в суперстато въздушния поток остава свръхзвуков - от порядъка на Мах 2 за самолета x -43 - по време на целия процес на горене. Подобно на реактивния самолет, суперстато не съдържа движещи се части; схематично той има формата на два конуса, свързани с тръба. По време на полета въздухът, влизащ през въздухозаборника със свръхзвукова скорост, се забавя, поставя под налягане и се загрява. В тясната шийка на горивната камера се впръсква гориво и сместа се запалва. Отработените газове се разширяват в дюзата и се спукват със скорост, по-голяма от тази на входящия въздух. Контролираното компресиране на въздуха позволява на теория да достигне скорости от порядъка на 12 до 15 Маха.
Подобно на акулите, които трябва да плуват, без да спират, за да циркулират кислород през хрилете си, суперстато като реактивния самолет трябва да се движи със скорост, достатъчно висока, за да влезе достатъчно въздух във въздухозаборника и двигателят да работи. Тази минимална скорост може да бъде постигната само с помощта на друга задвижваща система, например ракета или турбореактивен двигател, който осигурява старта. След като бъде достигната необходимата скорост, суперстатото може да се включи за фазата на полет до горната атмосфера, където ракета ще поеме окончателното излизане в орбита. Интегрирането на тези различни двигателни цикли зависи от фактори като полезен товар, целева орбита или разстояние и скорост на атмосферния полет.
Основният проблем на суперстатото е управлението на запалването и горенето. При Mach 5 или повече, въздухът преминава през реактора само за няколко хилядни от секундата, така че изгарянето на гориво е като да се опитвате да изгорите кибрит в средата на торнадо. Внимателното проектиране на инжекционната система и на геометрията на реакторната кухина теоретично позволява смесването да се извършва доста бързо, като същевременно се запазва прогресивното и добре локализирано развитие на горенето. Чрез контролиране на скоростта и налягането на въздушния поток, влизащ в горивната камера, както и количеството впръскано гориво, по този начин е възможно да се поддържа стабилно горене и следователно тяга. Тъй като горивната смес остава свръхзвукова, вече не е необходимо да се ускорява повторно, както при реактивния самолет.