Без сомнения, ракетные технологии по праву доминировали в космонавтике в последние десятилетия. Использование международной космонавтики в гражданских целях в современном мире актуально как никогда – не в последнюю очередь из-за роста спроса на спутники с самыми различными задачами. Необычные экспериментальные установки позволяют моделировать условия настоящего полета со сверхзвуковой скоростью на больших высотах. Добавив к этому компьютерное и математическое моделирование создают работоспособные демонстраторы скрамджета. 

Стоит заглянуть за кулисы космонавтики, как выясняется, что единственный выход в космос обеспечивают все еще только классические ракеты. Без сомнения, ракетные технологии по праву доминировали в космонавтике в последние десятилетия. Но также очевидно, что в отношении своей эффективности эта технология уже достигла своих пределов. 

Поскольку обеспечение стабильного сгорания в сверхзвуковом потоке является ключевой технологией для струйного двигателя, крайне важно гарантировать определенный параметр притока для камеры сгорания. Сегодня типичная система космических перевозок характеризуется очень большой взлетной массой и очень низким весом полезного груза, который составляет от одного до трех процентов общего веса. Причиной тому является большая доля жидкого кислорода (от 20 до 30%), который необходимо везти на борту и который служит для сжигания, в том числе во время полета через слои атмосферы, богатые кислородом. Возможным путем повышения эффективности классических ракет, таким образом, представляется использование новой системы запуска, которая после взлета ракета, при полете через атмосферу, могла бы использовать кислород, содержащийся в воздухе. 

скрамджет1.jpg 
Исследование аэродинамики модели возвращаемого аэрокосмического демонстратора ARES, М = 10-18. itam.nsc.ru 

Такие «дышащие воздухом двигатели» (скрамджеты – гиперзвуковые прямоточные реактивные двигатели, ГПВРД) технически весьма сложны и предъявляют новые требования ко всей структуре ракеты. Одновременно с этим они, однако, способны значительно повысить общую эффективность, увеличить массу транспортируемого полезного груза и снизить расходы, представляя собой важный шаг в направлении будущего. 

Одна из трудностей заключается в очень широком диапазоне скоростей во время полета сквозь атмосферу, во много раз превышающих скорость звука. При этом для достижения необходимой тяги недостаточно использовать традиционные турбо- или реактивные двигатели (рамджет): все чаще необходимо прибегать к так называемым двигателям скрамджет, в которых весь процесс сгорания происходит при скоростях, многократно превышающих сверхзвуковые. 


скрамджет2.jpg 

Весовые испытания модели летающей лаборатории ИГЛА (Исследовательский гиперзвуковой летательный аппарат), в сверхзвуковой аэродинамической трубе. М = 6-12. itam.nsc.ru 

Более 20 лет Университет Штутгарта и Институт теоретической и прикладной механики им. С. А. Христиановича (ИТПМ) в Новосибирске поддерживают тесное сотрудничество, в частности благодаря необычным экспериментальным установкам, позволяющим создавать в аэродинамических трубах ИТПМ условия, сходные с условиями настоящего полета со сверхзвуковой скоростью на больших высотах. На основании данных, полученных при работе на данной установке и в ходе исследований построен работоспособный демонстратор скрамджета. 

скрамджет3.jpg 

Сверхзвуковая аэродинамическая труба периодического действия Т-313 предназначена для исследования фундаментальных и прикладных проблем аэрогазодинамики и аэрофизики, связанных с созданием перспективных сверхзвуковых летательных аппаратов. 

Спроектированный и сконструированный в Университете Штутгарта демонстратор был весьма успешно протестирован в ИТПМ в общей сложности в трех испытательных кампаниях, и впервые помимо стабильного сверхзвукового сгорания при использовании специально разработанной системы впрыска удалось получить тягу в условиях реального полета. В качестве топлива был использован водород. Эта совместная работа представляет собой важную веху в исследовании скрамджетов.​ 

скрамджет4.jpg 

Исследование аэродинамики модели возвращаемого аэрокосмического  демонстратора ARES в сверхзвуковой аэродинамической трубе, М = 10-18. itam.nsc.ru 

Испытания модели детонационного ПВРД в АТ-303, М = 5.7 (схема ДПВРД, установка в трубе, пример записей аэродинамических сил без горения (штриховая кривая) и с детонационным горением (сплошная кривая). itam.nsc.ru   В реактивных двигателях преобладают очень сложные аэротермодинамические процессы, которые трудно, если не невозможно, полностью моделировать с помощью наземных испытательных установок. Компьютерное моделирование является важнейшим элементом при разработке и проектировании струйных двигателей, объединяя в себе все физические аспекты, необходимые для расширения мелкомасштабных наземных испытаний до полномасштабных условий полета. 


В будущем двигатели со струйным двигателем могут быть использованы для гиперзвуковых летательных аппаратов для полетов с числом Маха больше 7. Скрамджеты - это воздушно-реактивные двигатели, работающие со сверхзвуковым сгоранием. Их можно рассматривать как альтернативу существующим ракетам. Любое исследование в разрезе технологий скрамджета расширяет базовые экспериментальные и числовые знания для разработки демонстраторов  космических аппаратов. Для этой цели необходимо решать задачи в области аэродинамики и газодинамики, таких как обтекание рамп сжатия, с особым акцентом на взаимодействие ударно-пограничного слоя, системы внутреннего сжатия и потоки сопел. В области термодинамики особое внимание уделяется сверхзвуковому сгоранию, включая процессы перемешивания топлива в камере сгорания. Материальные исследования необходимы для изучения использования керамики в камере сгорания. В дополнение к приведенному выше подробному исследованию, необходим анализ всей системы, который будет выполнен в проекте. Без этого сложная интеграция отдельных частей не может быть понята. Тем не менее, это необходимо для того, чтобы окончательно спроектировать скрамджет-демонстратор. 

скрамджет5.jpg 


Схема гиперзвуковой плоскости с двигательной установкой со струйным двигателем.researchgate.net ​


Скрамджет состоит из четырех взаимозависимых компонентов: впускного канала, изолятора, камеры сгорания и сопла. Не требуется никаких вращающихся частей, таких как компрессор или турбина, как в обычных авиационных двигателях. Вместо того, чтобы усложнять систему, необходимо рассмотривать сложную аэротермодинамическую среду, которая обеспечивает наибольшую сложность проектирования. Аэродинамические трудности возникают из-за того, что небольшие изменения угла атаки или скорости полета изменят положение последующих ударных волн, которые оказывают значительное влияние на рабочие характеристики двигателя.  Основное внимание при проектировании воздухозаборника уделяется качеству условий входа в камеру сгорания. ​

скрамджет6.jpg 

О​птическая диагностика сверхзвукового потока в сверхзвуковой аэродинамической трубе. itam.nsc.ru 



Макс Босерман​ 

Похожие новости

  • 30/05/2017

    Новосибирский микроминиатюрист Владимир Анискин освятил в Италии три крошечных иконы

    ​Новосибирский микроминиатюрист Владимир Анискин, находясь на фестивале искусств в Италии, принял участие в церемонии передачи Русской православной церкви (РПЦ) частицы мощей Николая Чудотворца и освятил на мощах три изготовленных им иконы святого размером 6 на 8 миллиметров, одну из них он подарил местному храму.
    975
  • 29/08/2018

    В Новосибирске обсудили перспективы развития технологической кооперации науки и производства

    ​Заседание Совета главных инженеров предприятий Сибирского федерального округа на VI Международном форуме и выставке технологического развития "Технопром-2018" было посвящено перспективам развития технологической кооперации науки и производства.
    1175
  • 09/07/2020

    Разработана методика проектирования скоростных ламинарных мотогондол

    Технология естественной ламинаризации обтекания, позволяющая уменьшить сопротивление трения на больших скоростях, является одним из перспективных направлений современного авиастроения, ее применение обеспечит экономическую эффективность, а именно уменьшение расхода топлива.
    803
  • 10/11/2016

    Новосибирские машиностроители готовы предложить импортозамещающие технологии металлургам

    ​Международная научно-практическая конференция "Оборудование для обогащения рудных и нерудных материалов. Технологии обогащения" стартовала 9 ноября в Новосибирске. Красной нитью сквозь большинство докладов, а их будет представлено более 30-ти, пройдет тема импортозамещения.
    2916
  • 10/07/2019

    В России пройдут испытания новой модели сверхзвукового самолёта

    В России в 2019 году пройдут испытания модели сверхзвукового делового самолета разработки "Туполева" со сниженным уровнем звукового удара. Его испытают в аэродинамической трубе, сообщил "Интерфаксу" источник в авиапроме.
    1296
  • 03/07/2018

    Российские и корейские ученые разработали нанопену для звукоизоляции

    ​Командой учёных из Дальневосточного федерального университета (ДВФУ), научных центров России и Республики Кореи разработана эффективная и дешёвая в производстве звукопоглощающая нанопена. Материал способен снижать уровень шума на 100% больше стандартных аналогов, реагируя на звуковые волны не только высоких, но и низких частот, особенно опасных для здоровья человека.
    2019
  • 21/09/2018

    В Новосибирске построят «Междисциплинарный исследовательский комплекс по аэрогидродинамике, машиностроению и энергетике»

     В рамках проекта «Академгородок 2.0» сибирские ученые предлагают построить центр коллективного пользования «Междисциплинарный исследовательский комплекс по аэрогидродинамике, машиностроению и энергетике».
    1759
  • 02/10/2019

    ОДК планирует расширять взаимодействие с Сибирским отделением РАН

    Объединенная двигателестроительная корпорация (входит в Госкорпорацию Ростех) провела круглый стол по привлечению внешних инноваций, в ходе которого обсуждались вопросы развития взаимодействия с научными организациями Сибирского отделения Российской академии наук (СО РАН).
    503
  • 02/04/2018

    Разработка новосибирских ученых поможет утилизировать ТКО Крыма

    ​Разработку новосибирских ученых используют для создания установки по переработке 127 тыс отходов в год. — Это предложение поступило к нам с прошлогоднего форума «Технопром-2017». В нем принимала участие пермская компания ОАО «ОДК-Авиадвигатель».
    1272
  • 11/03/2019

    Делегация представителей научных институтов СО РАН посетила Омский НИИ приборостроения

    ​6 марта делегация представителей научных институтов Сибирского отделения Российской академии наук, возглавляемая председателем президиума СО РАН академиком Валентином Пармоном, посетила Омский НИИ приборостроения.
    1478