Planul spațial: pista reactoarelor hipersonice

Visul de a zbura un avion cu o viteză de peste zece ori mai mare decât a sunetului și de a-l aduce pe orbită se poate împlini în curând datorită unui tip de reactor încă experimental, superstato.

X-43A al NASA a stabilit recordul de viteză pentru un avion cu motor injectat în aer în noiembrie 2004 care zboară la Mach 9,6, sau peste 11.000 de kilometri pe oră.

Centrul de cercetare NASA/Dryden Flight

Inginerii au visat mult timp la un avion care să decoleze de pe o pistă pentru a câștiga spațiu și apoi să se odihnească la sol, precum luptătorul X-Wing al lui Luke Skywalker în Star Wars. Cu toate acestea, acest vis se confruntă cu un fapt inevitabil: furnizarea de oxigen este esențială pentru arderea combustibilului. Cu toate acestea, acest gaz este prea rar în atmosfera superioară pentru a susține arderea. Zborul în spațiu necesită, așadar, purtarea atât a oxidantului, cât și a combustibilului cu dvs., așa cum este cazul unui motor rachetă. Acesta este un dezavantaj: în lansatoarele actuale, mai mult de jumătate din masa inițială corespunde oxidantului și combustibilului de la bord pentru a furniza combustia până când este pusă pe orbită. Reactoarele supersonice numite superstatos promit dispariția acestui obstacol.

Spre deosebire de o rachetă, care decolează vertical pentru a câștiga spațiu, o mașină dotată cu un superstato ar decola ca un avion datorită ascensiunii aerodinamice generate de aripile sale. Acest lucru ar face-o mai manevrabilă și mai sigură - dacă un zbor ar fi întrerupt, avionul ar putea plasa la sol. Reactoarele convenționale ar asigura decolare și accelerație la viteze supersonice (viteza sunetului, sau Mach 1, corespunde la 1.225 de kilometri pe oră la nivelul mării) și ar fi reluate de un ramjet între Mach 3 și Mach 6. Superstato ar lua apoi în modul hipersonic, între Mach 5 și Mach 15. În comparație, cel mai rapid avion existent, SR-71 Black Bird al Forțelor Aeriene ale SUA, a ajuns la Mach 3., 2. În cele din urmă, rachetele mici ar oferi o ultimă apăsare scurtă pentru a plasa vehiculul pe orbita spațială.

Aceste capacități ar revoluționa industria aerospațială. Avioanele echipate cu superstatos ar face legătura între Paris și Sydney în doar două ore. Costul lansării pe orbită ar scădea și călătoria în spațiu ar deveni rutină. Și armata ar beneficia fără îndoială de aceasta.

Conceptul de superstato nu este nou. Principiul a fost brevetat în anii 1950 și, la mijlocul anilor 1960, mai multe prototipuri au fost testate la sol până la viteze de până la Mach 7.3. În anii 1980, guvernul SUA a inițiat un program de dezvoltare a unui avion spațial superstat, dar după o investiție de aproape 1,5 miliarde de euro, proiectul a fost abandonat pe fondul reducerilor bugetare care au urmat sfârșitului Războiului Rece. Astăzi, multe echipe din întreaga lume încearcă să depășească dificultățile tehnice ale construirii superstatelor operaționale (a se vedea caseta de la pagina 82).

În 2004, avionul de cercetare x -43a al programului nasa Hyper-x a stabilit un record de viteză în timpul a două zboruri de câteva secunde, la Mach 6.8, apoi Mach 9.6. În acest articol, ne vom concentra asupra proiectului HyTech dezvoltat de Forțele Aeriene ale SUA, bazat pe utilizarea hidrocarburilor lichide ca combustibil și ca agent de răcire. Dar pentru a înțelege dificultățile asociate cu proiectarea unui superstato funcțional, să ne întoarcem la principiul său de funcționare.

Superstatele aparțin familiei așa-numitelor reactoare aerobe, care se bazează pe același principiu: aerul atmosferic este captat de o intrare de aer, comprimat, amestecat cu combustibil, apoi aprins într-o cameră de ardere. Extinderea într-o duză a presiunii ridicate și a gazelor arse rezultate din această combustie provoacă o împingere (temperatura și presiunea gazelor scad în favoarea vitezei lor; cu alte cuvinte, energia termică a gazelor este convertită în energie. cinetică). Cel mai cunoscut dintre reactoarele aerobe este turboreactorul. O serie de roți cu palete rotative aspira aerul și îl comprimă. Acest compresor este acționat de o turbină pusă în mișcare de gazele care părăsesc camera de ardere. Turboreactoarele actuale ajung în jurul Mach 3; dincolo de aceasta, temperatura atinsă la ieșirea compresorului și la intrarea turbinei depășește rezistența multor părți în mișcare.

Combustibil, aer, presiune

Din fericire, de la Mach 2.5, compresorul nu mai este necesar: fluxul de aer intrat este atât de rapid încât o formă adecvată a intrării aerului este suficientă pentru a-l încetini și comprima. Un ramjet nu are astfel piese în mișcare și constă pur și simplu dintr-o intrare de aer, o cameră de ardere și o duză. Aerul de intrare este încetinit la viteze de ordinul lui Mach 0,5 și comprimat. Injectoarele încorporează apoi combustibilul în fluxul de aer, iar amestecul este ars. Gazele fierbinți de eșapament accelerează din nou la aproape viteza sonoră atunci când trec printr-un gât îngust și se relaxează într-o duză atunci când ating viteze supersonice. Forma atent concepută a camerei de ardere asigură stabilitatea flăcării. Dincolo de Mach 5, însă, decelerarea și încălzirea aerului la intrare devine prea mare, astfel încât arderea și eficiența motorului sunt reduse. În practică, limita de viteză a ramjetului este astfel între Mach 5 și 6.

Pentru a atinge viteze mai mari de zbor, este necesar să se reducă compresia și încetinirea fluxului de aer primit. Într-un superstat, fluxul de aer rămâne astfel supersonic - de ordinul lui Mach 2 pentru avionul x -43 - pe parcursul întregului proces de ardere. La fel ca un ramjet, un superstat nu conține părți în mișcare; schematic, are forma a două conuri legate printr-un tub. În timpul zborului, aerul care intră prin admisia de aer la viteza supersonică este încetinit, presurizat și încălzit. În gâtul îngust al camerei de ardere, se injectează combustibil și amestecul se aprinde. Gazele de eșapament se extind în duză și explodează la o viteză mai mare decât cea a aerului de intrare. Compresia controlată a aerului permite în teorie să atingă viteze de ordinul Mach 12-15.

La fel ca rechinii care trebuie să înoate fără să se oprească pentru a circula oxigenul prin branhii, un superstato ca un ramjet trebuie să se deplaseze cu o viteză suficient de mare pentru a intra suficient aer în admisia de aer și pentru ca motorul să funcționeze. Această viteză minimă poate fi atinsă doar folosind un alt sistem de propulsie, de exemplu o rachetă sau un turboreactor, care asigură pornirea. Odată ce viteza necesară este atinsă, superstato-ul poate fi angajat pentru faza de zbor către atmosfera superioară, unde o rachetă ar prelua pentru punerea finală pe orbită. Integrarea acestor diferite cicluri de motor depinde de factori precum sarcina utilă, orbita țintă sau distanța și viteza zborului atmosferic.

Principala problemă cu superstato este controlul aprinderii și al arderii. La Mach 5 sau mai mult, aerul trece prin reactor în doar câteva miimi de secundă, astfel încât arderea combustibilului este ca și cum ai încerca să arzi un chibrit în mijlocul unei tornade. O proiectare atentă a sistemului de injecție și a geometriei cavității reactorului permite teoretic amestecarea să se realizeze destul de repede, păstrând în același timp o dezvoltare progresivă și bine localizată a combustiei. Prin controlul vitezei și presiunii fluxului de aer care intră în camera de ardere, precum și a cantității de combustibil injectat, este astfel posibil să se mențină o combustie stabilă și, prin urmare, împingerea. Deoarece amestecul de ardere rămâne supersonic, nu mai este necesar să-l re-accelerați ca în ramjet.

A doua dificultate majoră este eliberarea căldurii. Fricțiunea fluxului de aer hipersonic și combustia încălzesc structura reactorului; această încălzire poate fi, de asemenea, puternic amplificată local de undele de șoc din flux care lovesc structura. Dacă s-ar transforma complet în energie termică, energia cinetică a fluxului de aer de intrare ar fi suficientă singură pentru a topi reactorul. Cu toate acestea, fără o decelerare suficientă, aerul ar trece prin reactor prea repede și la o temperatură prea scăzută pentru ca combustia să fie susținută.

Răcit cu propriul combustibil

Pentru a rezolva această dilemă, există o singură soluție: răcirea structurii reactorului. Inginerii au venit cu un proces de „răcire activă”. Combustibilul în sine, pompat printr-o rețea de conducte formate în structura reactorului, este responsabil de absorbția și îndepărtarea căldurii. Acest sistem permite, de asemenea, preîncălzirea combustibilului pentru o aprindere mai rapidă. Răcirea activă a fost folosită mult timp pe rachetele convenționale, cu hidrogen lichid ca agent de răcire. Utilizarea hidrocarburilor este mai dificilă deoarece, atunci când sunt supuse căldurii, se pot descompune cu ușurință în cocs solid și pot bloca conductele. Un astfel de sistem de răcire are alte dezavantaje, cum ar fi greutatea și complexitatea dispozitivului sau faptul că acesta trebuie să rămână activ indiferent de ce sau de încălzirea catastrofală a structurii - în timp ce combustibilul este consumat ca și când.

În cele din urmă, deoarece temperatura și presiunea fluxului de aer intrat variază în funcție de viteză și altitudine, geometria internă a unui superstat dat este optimizată doar pentru un set limitat de acești parametri de zbor. În mod ideal, forma și condițiile fluxului ar trebui adaptate în funcție de accelerația și variațiile de altitudine ale aeronavei. Din păcate, nicio parte în mișcare nu va rezista condițiilor infernale din interiorul reactorului. În stadiul actual al cunoștințelor noastre despre știința materialelor, modificarea constantă a suprafeței calde interne a motorului și etanșarea conductelor în care circulă gazele fierbinți este imposibilă. Prin urmare, potențialul superstatului nu poate fi valorificat pe deplin.

În ciuda acestor obstacole, cercetătorii au obținut o serie de succese care dau speranță că o ambarcațiune propulsată de superstato va zbura în curând. Unul dintre aceștia provine din programul HyTech al Forțelor Aeriene Americane, demarat în 1995. Membrii acestui proiect și-au stabilit obiective care sunt a priori accesibile. Astfel, ei lucrează la dezvoltarea unor mici superstatos de unică folosință, care să echipeze rachetele, de exemplu. Astfel de prototipuri pot fi testate în tunelurile eoliene existente, iar utilizarea lor unică amână problema spinoasă a dezvoltării unei structuri reutilizabile. În plus, pentru a simplifica dispozitivul, cercetătorii au ales să limiteze domeniul de funcționare între Mach 4 și Mach 8, ceea ce a făcut posibilă fixarea geometriei fluxului (aceasta este, de asemenea, alegerea făcută pentru proiectul franco-german. ). În cele din urmă, au decis să utilizeze kerosenul JP-7 ca combustibil și agent de răcire, utilizat inițial de către Blackbird sr 71. La echilibru termic, cantitatea de combustibil necesară pentru a absorbi căldura nu depășește cea destinată arderii. Cercetătorii au dorit să atingă acest echilibru la Mach 8, iar JP-7 s-a dovedit a fi potrivit pentru acest scop.

Calculele indică faptul că, pentru ca un sistem de propulsie injectat cu aer să fie competitiv cu un motor rachetă, acesta trebuie să funcționeze corect la aproximativ jumătate din viteza sa maximă. Cu toate acestea, la Mach 4, temperatura aerului care intră în camera de ardere este prea scăzută pentru ca combustibilul să se aprindă spontan. Inginerii proiectului HyTech au favorizat un sistem de asistență la aprindere bazat pe injecția de gaz fierbinte în amestecul aer-combustibil pentru a facilita arderea. Pentru viteze mai mari, pornirea și menținerea arderii sunt mai simple; acest lucru devine din nou o problemă doar la viteze foarte mari, unde scurta ședere a gazelor din motor împiedică arderea.

Încă din 2003, echipa HyTech a dezvoltat componente ale motorului care îndeplinesc obiectivele stabilite. Cu toate acestea, după o lungă perioadă de testare la sol, persistă incertitudini cu privire la stabilitatea performanței în condiții de viteză, altitudine sau debit tranzitor, dificil de explorat într-un tunel de vânt. Va trebui să așteptăm zborurile de testare pentru a răspunde la aceste întrebări. În 2009, Forțele Aeriene ale SUA vor prelua în aer un prototip superstato răcit activ din proiectul HyTech folosind lansatorul Sed (acronim pentru demonstratorul motorului superstato), pentru a-l evalua în zbor. Setul se numește x -51 a .

Pariul pe hidrocarburi

Geometria debitului fix aleasă pentru superstato-ul HyTech realizează un compromis între accelerația satisfăcătoare în partea inferioară a intervalului de viteză (Mach 4.5 până la Mach 7) și performanțe ridicate în viteza de croazieră la viteza limită de Mach 7.

Motorul este fabricat în mare parte din oțel și răcit de un flux intern de combustibil. O ceramică rezistentă la căldură protejează marginile anterioare, care primesc cantitatea maximă a fluxului fierbinte, deoarece sunt prea înguste pentru a adăuga circuite de răcire. Pentru a conecta piesele răcite la cele care nu sunt și pentru a preveni dilatarea termică defazată a componentelor ceramice și metalice să denatureze geometria fluxului, inginerii au dezvoltat un material compozit carbon-carbon rezistent la căldură și garnituri cu limbă și canelură.

Utilizarea combustibilului jp -7 pentru alimentarea și răcirea superstatului este esențială. Până acum, majoritatea prototipurilor au ars hidrogen. Hidrocarburile sunt cu siguranță mai puțin reactive (se aprind mai puțin ușor), conțin mai puțină energie pe unitate de masă și transportă căldura mai puțin bine, dar sunt mai ușor de condiționat și oferă un conținut mai bun de energie pe unitate de volum. Prin urmare, cu un conținut de energie echivalent, acestea ocupă mai puțin spațiu la bord decât hidrogenul. Mai mult, utilizarea lor fiind răspândită în industria aeronautică, infrastructura necesară distribuției și manipulării lor există deja.

Kerosenul jp -7 are, de asemenea, proprietatea avantajoasă de a se descompune endotermic. Mai exact, în prezența căldurii și a catalizatorului adecvat, acesta se descompune în lanțuri de carbon mai simple și hidrogen, absorbind de până la cinci ori căldura latentă (energia necesară pentru a-l schimba de la lichid la lichid). Stare gazoasă). În plus, după această reacție, combustibilul, care a devenit gazos, conține cu până la zece procente mai multă energie comparativ cu combustibilul neîncălzit. În cele din urmă, hidrocarburile ușoare rezultate sunt mai reactive, un avantaj pentru durata foarte scurtă de ardere.

Geometria reactorului și arderea hidrocarburilor în condiții de funcționare între Mach 4 și Mach 7 au fost deja efectuate. Sistemul de răcire și structurile rezistente la căldură sunt la îndemână. În 2009, vehiculul x -51 a va accelera la o viteză care permite aprinderea superstatului și va elibera mașina cu speranța de a valida conceptul în zbor.

Presupunând că aceste zboruri au succes, totuși, mai multe probleme vor trebui încă rezolvate înainte ca aplicațiile concrete să devină realitate. Superstatele trebuie să fie operaționale într-o gamă largă de viteze. Turbinele cu gaz sunt eficiente până aproape de Mach 4 și rachete esențiale din jurul Mach 15. Dincolo de această viteză și la o altitudine suficient de mică pentru ca superstatul să colecteze suficient aer, încălzirea devine intolerabilă. Prin urmare, inginerii trebuie să dezvolte superstatos care să funcționeze pe o gamă cât mai largă posibilă între Mach 4 și Mach 15. Pentru anumite aplicații, cum ar fi un plan orbital, motorul trebuie amestecat cu un ciclu de viteză redusă. Prin urmare, diferitele sale regimuri vor trebui să se suprapună parțial pentru a permite o tranziție treptată. Excesul de greutate cauzat de o dublă motorizare este, de asemenea, o problemă majoră.

X -51a, cu geometria sa internă fixă, nu poate funcționa la viteze mici. Vor fi necesare motoare cu geometrie variabilă pentru a-i permite să zboare sub Mach 4. În acest sens, inginerii au dezvoltat o priză prototip pe un motor HyTech unde clapetele mobile modifică configurația aerodinamică.

Combustibilul limitează, de asemenea, utilizarea superstatului la limitele domeniului său de funcționare. Aparatul x -51a funcționează numai după ce o căldură suficientă a făcut ca combustibilul JP-7 să treacă la o stare gazoasă. La viteze mici, camerele de ardere ale următoarei generații ar putea avea nevoie să fie alimentate inițial cu combustibil lichid, care ar intra în faza gazoasă la viteze mai mari. Faptul că un lichid este de ordinul de 1000 de ori mai dens decât un gaz face extrem de dificilă alimentarea și stabilizarea arderii în timpul tranziției de la combustibil lichid la combustibil gazos. Cu toate acestea, această opțiune a fost testată cu succes pe componente ca parte a proiectului HyTech. La celălalt capăt al domeniului de viteză, problema este o altă problemă: pe de o parte, performanța combustibilului scade, pe de altă parte, capacitatea de căldură a kerosenului, chiar și JP-7, scade pe măsură ce viteza se apropie de Mach 8. Pentru a zbura mai repede, va fi necesar să se dezvolte combustibili radical diferiți și componente rezistente la căldură sau să se întoarcă în ciuda a tot ce conține hidrogen, în ciuda dificultăților logistice asociate.

Obiectivul inițial al programului HyTech a fost de a construi dispozitive mici lansate de pe un avion, cum ar fi rachetele. Dispozitive mult mai mari vor fi necesare pentru călătorii hipersonice și chiar spațiale de lungă durată. Programul Falcon al Departamentului de Apărare al SUA și Programul Superstato Reliable al Forțelor Aeriene, ambele lansate în 2003, abordează motoare mai mari și de 100 de ori mai eficiente decât prototipurile HyTech. Cu un progres continuu, sperăm să vedem nave astrale similare luptătorilor din Star Wars în deceniile următoare.

2- Ramjetul (Mach 2.5 până la Mach 5)

Superstatorjetele aparțin familiei de reactoare aerobice, care produc împingere prin arderea unui amestec de combustibil și aer incident sub presiune și scoaterea din spate a produselor de ardere.