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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
