Размещение модели sodramjet в аэродинамической трубе.
Источник изображения: Zonglin JIANG, Zijian ZHANG, Yunfeng LIU, Chun WANG, Changtong LUO, The criteria for hypersonic airbreathing propulsion and its experimental verification, Chinese Journal of Aeronautics, 2020, ISSN 1000-9361, https://doi.org/10.1016/j.cja.2020.11.001
Прототип прямоточного воздушно-реактивного двигателя (ПВРД) нового типа sodramjet испытали в аэродинамической трубе. Он успешно проработал на скорости воздушного потока в 9 чисел Маха, а по результатам эксперимента оказалось, что теоретический предел его скорости достигает 16 чисел Маха. Это позволит летательному аппарату с таким двигателем обогнуть Землю за два часа, но аэродинамической трубы для проверки подобных скоростей в Китае еще не построили.
Отчет об испытаниях прототипа ученые из Китайской академии наук (CAS) опубликовали в журнале Chinese Journal of Aeronautics. Ведущий автор исследования Цзиан Цзунлинь (Jiang Zonglin) заявил, что разработка его команды послужит основой для создания многоразовых орбитальных космопланов и гиперзвуковых самолетов нового поколения. Название sodramjet образовано от словосочетания standing oblique detonation ramjet engine, которое можно перевести, как ПВРД с воспламенением наклонной стоячей ударной волной.
Двигатель работает на чистом водороде а в его конструкции использованы неназванные особые сплавы. Их создали специально для sodramjet, поскольку применяемые в ракетно-космической отрасли металлы с трудом выдержали бы температуры, возникающие в новом ПВРД. Устройство испытанного прототипа разительно отличается от известных схем гиперзвуковых прямоточных двигателей. В нем реализована идея зажигания топлива ударной волной, предложенная американскими исследователями еще в 1960-е годы. Но полвека назад материаловедение не позволило создать даже экспериментальные образцы таких двигателей из-за их невероятно высоких рабочих температур.
Трехмерная модель двигателя sodramjet
Источник изображения: Zonglin JIANG, Zijian ZHANG, Yunfeng LIU, Chun WANG, Changtong LUO, The criteria for hypersonic airbreathing propulsion and its experimental verification, Chinese Journal of Aeronautics, 2020, ISSN 1000-9361, https://doi.org/10.1016/j.cja.2020.11.001
Опрошенные изданием South China Morning Post отраслевые эксперты предполагают, что эти испытания китайского sodramjet выполнены “давно”. Обычно в Поднебесной подобные проекты скрыты ореолом строгой секретности и об их ходе доподлинно ничего не бывает известно. Нынешняя публикация результатов эксперимента в открытом доступе может говорить о том, что программа разработки гиперзвуковых двигателей в Китае уже продвинулась существенно дальше.
Инженеры и ученые Китайской академии наук проводили эксперимент в гиперзвуковой аэродинамической трубе, способной создавать скорость воздушного потока до 9 чисел Маха. Это примерно равно 11 тысячам километров в час. Показатели прототипа во время испытаний были стабильными — он работал как положено. В ходе экстраполяции результатов измерений ученые сделали вывод, что sodramjet будет стабильно разгоняться и эффективно работать на скорости до 16 чисел Маха. А это уже примерно 19,5 тысяч километров в час, то есть весь экватор летательный аппарат с таким двигателем облетит чуть более, чем за два часа.
Прототип двигателя sodramjet
Источник изображения: Zonglin JIANG, Zijian ZHANG, Yunfeng LIU, Chun WANG, Changtong LUO, The criteria for hypersonic airbreathing propulsion and its experimental verification, Chinese Journal of Aeronautics, 2020, ISSN 1000-9361, https://doi.org/10.1016/j.cja.2020.11.001
Чтобы проверить теоретические выкладки придется дождаться постройки более мощной аэродинамической трубы. Ну а до практического применения sodramjet может и вовсе никогда не дойти. Да, реализованная китайскими учеными схема демонстрирует потрясающие показатели. Фактически, чем быстрее такой двигатель летит, тем эффективнее он работает. Однако использованные в его конструкции материалы выдержали лишь кратковременные эксперименты. Как они поведут себя при полетах длительностью в десятки минут — предсказать пока трудно.
Прямоточные воздушно-реактивные двигатели привлекали авиаконструкторов и ракетчиков своей простотой и высокими теоретическими характеристиками с самого момента их изобретения в начале XX века. Минимум подвижных деталей (разве что регулируемый воздухозаборник нужен), максимум эффективности на больших скоростях — просто сказка. Однако практическое применение они нашли в довольно узких областях.
Прототип двигателя sodramjet в аэродинамической трубе
Источник изображения: Zonglin JIANG, Zijian ZHANG, Yunfeng LIU, Chun WANG, Changtong LUO, The criteria for hypersonic airbreathing propulsion and its experimental verification, Chinese Journal of Aeronautics, 2020, ISSN 1000-9361, https://doi.org/10.1016/j.cja.2020.11.001
Принцип действия подобных двигателей основан на сжатии набегающего воздуха не компрессором, а формой воздухозаборника. Из-за этого они неспособны работать при нулевой скорости движения и обладают плачевной эффективностью вплоть до 1 числа Маха. Сверхзвуковые ПВРД (ramjet), где входящий воздушный поток замедляется до дозвуковой скорости оказалось практически невозможно разогнать дальше 5 чисел Маха. Быстрее — и температуры что в воздухозаборнике, что в камере сгорания превышают все разумные пределы. Вместе с этим резко падает топливная эффективность. Зато они нашли применение в зенитных и противокорабельных ракетах, которые разгоняются до сверхзвуковой скорости твердотопливными первыми ступенями.
Гиперзвуковые ПВРД (scramjet) устроены несколько иначе. В них поток воздуха никогда не затормаживается ниже скорости звука, что позволяет расширить рабочий диапазон двигателя. Судя по тем данным, что есть в открытом доступе, современные scramjet достигают скорости в 7-8 чисел Маха. Дальше разгоняться мешают возникающие в воздухозаборнике фронты ударных волн, которые буквально срывают пламя в камере сгорания. Вдобавок, из-за нестабильной работы двигателя в нем также лавинообразно нарастает температура. Предположительно, именно такие ПВРД устанавливаются на перспективные гиперзвуковые ракеты, разрабатываемые в XXI веке.
Теоретически, все эти ограничения можно обойти, причем иногда даже реализовав некоторые идеи ？в металле？. Именно это и продемонстрировали китайские специалисты. Однако, решив проблемы с перегревом двигателя, возникает аналогичная ситуация с летательным аппаратом. На скоростях выше 3 чисел Маха планер самолета или ракеты начинает разогреваться до температур, при которых алюминиевые сплавы теряют прочность. После 5 чисел Маха возможно использование только одноразовых конструкций. На сегодняшний день без использования сложных систем охлаждения или абляционных покрытий (как правило, одноразовых), реализовать многоразовый гиперзвуковой летательный аппарат не представляется возможным.