Прототип прямоточного воздушно-реактивного двигателя (ПВРД) нового типа sodramjet испытали в аэродинамической трубе. Он успешно проработал на скорости воздушного потока, превышающей звуковую в девять раз. А по результатам эксперимента оказалось, что теоретический предел его скорости достигает числа Маха 16. Это позволит летательному аппарату с таким двигателем обогнуть Землю за два часа, но аэродинамической трубы для проверки подобных скоростей в Китае еще не построили.
Размещение модели sodramjet в аэродинамической трубе / ©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
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.
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 числа Маха 9. 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 числа Маха 16. 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.
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.
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 числа Маха 1. Сверхзвуковые ПВРД (ramjet), где входящий воздушный поток замедляется до дозвуковой скорости оказалось практически невозможно разогнать дальше числа Маха 5. 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, максимальная скорость современных scramjet достигает числа Маха 7-8. 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 числа Маха 3 планер самолета или ракеты начинает разогреваться до температур, при которых алюминиевые сплавы теряют прочность. После числа Маха 5 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.
Комментарии
— Как-как погибнет Вселенная? — спросил Билли.
— Мы её взорвём, испытывая новое горючее для наших летающих блюдец. Лётчик-истребитель на Тральфамадоре нажмет кнопку — и вся Вселенная исчезнет. Такие дела.
— Но если вам это заранее известно, — сказал Билли, — то разве нет способа предупредить катастрофу? Неужели вы не можете помешать летчику нажать кнопку?
— Он её всегда нажимал и всегда будет нажимать. Мы всегда даем ему нажать кнопку, и всегда так будет. Такова структура данного момента.
Курт крут. Замечательный товарищ.
"потока в 9 чисел Маха, а по результатам эксперимента оказалось, что теоретический предел его скорости достигает 16 чисел Маха" - Василий, так говорит и писать неправильно. Чисел Маха не может быть 5 или 10. Оно одно, и лишь принимает конкретные числовые значения. Число Маха - не постоянная и не единица измерения. Оно всегда безразмерно.
У меня с этой величиной прям беда, всегда сомневаюсь, как правильно. Сейчас поправлю, спасибо.
Василий, у вас хорошие статьи, и в журнале прочёл ваши "невидимые самолёты", не нашёл существенных ошибок. Поэтому небольшая доработка понятий помогла бы вам, на мой взгляд. Что такое число Маха? Это весы, взвешивающие данную скорость в местных скоростях звука. Одну текущую конкретную скорость (потока, полёта) в текущих столь же конкретной (местной) скорости звука. Это просто отношение двух скоростей. Обыкновенная дробь. Она не имеет размерности, потому что у соотношений двух скоростей нет отдельной единицы измерения - лишь значение дроби, число. Эта дробь - безразмерная скорость, или скорость в местных "звуках". Поэтому правильнее говорить о данном значении дроби, о значении числа Маха. С числом М равном 5. Или при М = 5.
Но в вашей статье несколько других мест не совсем верных, на мой взгляд. Либо так писали китайские журналисты, с материала которых вы делали этот материал. Либо по другим причинам, но я могу отметить эти, на мой взгляд, нестыковки - не в плане критиканства, а лишь с точки зрения аэрогазодинамики. Сейчас напишу отдельным комментарием, если вы не против; надеюсь, это вам и читателям поможет в понимании деталек.
Выше ответил про нестыковки, за них спасибо. Про число Маха умом понимаю, когда формулировать мысли начинаю все-таки вылезают некорректные с технической точки зрения фразы. Но это именно недостаток работы с темой, постараюсь больше так не косячить.
А насчет теории гиперзвуковых двигателей и описанных в другой ветке недостатков моей статьи (в плане терминологии и технических деталей) -- мне кажется, тут еще играет роль общая мифологизация этой темы в современном инфополе. Очень много дилетантских статей, очень много некорректно переведенных или адаптированных с технического на популярный язые материалов. В результате часто приходится только за счет интуиции догадываться, что же имели в виду авторы, а тут ключевую роль играет уже собственная подготовка.
В общем, стараемся для вас, за отзывы и критику большое человеческое спасибо. Буду совершенствоваться)
Согласен, много дилетантских статей.
Чтобы не догадываться интуицией, могу предложить осеннюю статью про гиперзвуковые ракеты в "Коммерсанте" - https://www.kommersant.ru/doc/4501975
если появятся вопросы по этому материалу, задавайте, поясню подробнее.
Не всякий гиперзвуковой двигатель долетит из Китая до середины Днепра...
Когда был студентом преподаватель по аэродинамике рассказывал, что наши советские учёные добились на ПВРД скорости в 15000 км в час. Это было в начале 80-х. Обманывал что ли студентов? Теперь оказывается таких цифр только что достигли. Скорее всего мечтал преподаватель..
Разработанная в СССР гиперзвуковая лаборатория "Холод" испытывалась с 1991 по 1999 год, максимальная скорость составила 1855 м/с, что соответствует числу Маха М=6,49, причем, подозреваю, что эта скорость была достигнута не за счет работы ГПВРД, а за счет ЖРД ракеты-носителя С-200. Ну и скорость в 15 000 км-ч на аппарате с ГПВРД еще никто не достиг, китайские конструкторы только предполагают, что их двигатель сможет работать на таких скоростях.
"гиперзвукового двигателя, способного облететь Землю за два часа" - конечно, некорректно, потому что от аппарата не в меньшей степени, а как правило, в большей, зависит скорость полёта. Двигатель лишь работает при таких-то режимах полёта. Но один и тот же двигатель в разных аппаратах будет двигаться с разной скоростью как и они. Впрочем, ниже вы верно говорите об аппаратах как раз - но в заголовке это несколько режет глаз.
"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. " - только на этой идее и построены ГПВРД. Никаких разительных отличий нет - просто нет других схем. Сверхзвуковой горение известно только детонационное. Оно и лежит в основе "всех известных схем".
"Сверхзвуковые ПВРД (ramjet), где входящий воздушный поток замедляется до дозвуковой скорости оказалось практически невозможно разогнать дальше числа Маха 5. Быстрее — и температуры что в воздухозаборнике, что в камере сгорания превышают все разумные пределы." - нет, дело не в температуре. А в высоких газодинамических потерях прямого скачка, который необходим для торможения потока до дозвукового. При последующем разгоне снова до сверхзвука. Вот в этих потерях и кроется неэффективность ПВРД на гиперзвуковых скоростях. Температура тут не определяющее дело. Дажи при идеальном материале, держащим миллион градусов, газодинамические потери прямого скачка, перехода "сверхзвук-дозвук" сильно снизят эффективность двигателя. В них дело. В больших газодинамических потерях.А то, что они выливаются в результирующее повышение температуры - это уже следствие.
" Судя по тем данным, что есть в открытом доступе, максимальная скорость современных scramjet достигает числа Маха 7-8. Дальше разгоняться мешают возникающие в воздухозаборнике фронты ударных волн, которые буквально срывают пламя в камере сгорания."
Тоже не этом дело - ведь ударные волны ( правильнее здесь говорить скачки уплотнения, в воздухозаборнике это не ударные волны, между этими понятиями есть разница, хотите, могу дать ссылки на изложение разницы между ними) и так возникают, хоть менее 7-8 М, хоть более 7-8 М. Дальше разгоняться мешают недостатки понимания деталей происходящих процессов и сложности расчёта этих процессов. А "ударные волны" в воздухозаборнике строятся сложными каскадами, после которых в камеру сгорания доходят не сами эти волны, а сжатый ими поток - в нём нет никаких "ударных волн воздухозаборника", правильнее писать "скачков уплотнения", которые в зону горения не проникают, потому что многократно замещаются другими скачками уплотнения и их продуктом - сжатым воздухом. Тут не совсем верно написано, на мой взгляд.
Наконец, воздухозаборник - это наружная часть проточного тракта. Где заканчивается воздухозаборник? Насколько глубоко внутри аппарата его окончание? С точки зрения газодинамики, вся часть, где происходит сжатие газа до камеры сгорания - это диффузор, сжимающая часть. Воздухозаборник, на мой взгляд - это только наружная, внешняя часть диффузора. Сами кромки и первые сужения. Которые вырезают из набегающего потока некий "блок воздуха" и первично прессуют его своими скачками. Далее в недрах аппарата это уже не воздухозаборник, потому что забор воздуха из потока давно позади, а сжатие в проточном тракте может ещё продолжаться и продолжаться, в последующих за собственно воздухозаборником частях тракта. Но это скорее взгляды на терминологию, которую, тем не менее. в режиме вольного обмена отмечаю, если хотите.В целом, Василий, вы весьма адекватно пишете об этих вещах, аэродинамике, газодинамике, и ваши тексты не вызывают досады с точки зрения этих областей. У вас достаточно верные представления, на мой взгляд, так что пишите ещё, как говорится. Неточности всегда можно откорректировать.
Огромное спасибо за развернутый комментарий. Совершенно верно отметили, я, как ни прискорбно, плаваю в терминологии, ибо недостаточно хорошо разбираюсь в теме. Хотя и люблю об этом писать. Все замечания обязательно учту на будущее, еще раз спасибо.
Четырежды продублированная ветка сообщений это выдающийся успех советской (зачеркнуто) голой науки. Совершившей гигантский рывок в деле создания фрактальных коментов.
Может пора остановить процесс улучшений? Вернуть как было год назад и черт с ним пусть тормозит и отваливается. Все равно как губы движку ни накрашивай главный недостаток - коменты тормозят и теряются побороть не удалось.
А у меня в телефоне не открываются комментарии. Только с компьютера открыл. Что затрудняет комменты - зачастую машу на них рукой, и сомнительные места остаются без моей субъективной оценки.) Может, и ничего? Так и надо? Но это ж типа комментарии. Иногда их пишешь, теряя своё время для других дел событийного потока. Если напрасно, так это не гут...
Попасть в эти мелкие плюсики пальцем вообще нетривиальный квест. Мышкой и то не всегда получается. Я честно не знаю на кого рассчитан такой странный интерфейс. Даже на ПК в половине случаев вместо раскрытия плюсов в личке кидает к началу статьи. Походу его никто не тестирует перед заливкой на сайт.
Надеемся скоро закончить. Сейчас должно все хорошо работать, если почистить кеш.