Авиация и космонавтика 2003 10

По мнению разработчиков, диапазон применения такого двигателя весьма широк: от крылатых ракет и гиперзвуковых экспериментальных аппаратов до самолетов-разгонщиков ракетно-космических систем.

Ток, например, двигательной установкой типа SteamJet предлагается комплектовать первую ступень частично многоразовой транспортной системы Rascal (Responsive Access Small Cargo Affordable Launch), которая предназначается для оперативного запуска военных спутников массой 75-100 кг Новое средство выведения представляется специалистами Управления перспективных разработок Министерства обороны DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) как сборка многоразовой первой ступени самолетного типа и двух одноразовых ракетных блоков.

После изучения конкурсных предложений промышленных компаний контракт на техническое проектирование системы был заключен весной 2003 г. с фирмой Space Launch. Продолжительность работ этого этапа программы, общая стоимость которой оценивается в 88 млн долл., составит 18 месяцев, и завершатся во второй половине 2004 г. Управление должно принять окончательное решение о создании летного образца системы и проведении в 2006 г. двух испытательных пусков.

Разрабатываемый компанией Space Launch самолет-разгонщик, получивший обозначение MPV (MIPCC-Powered Vehicle – «Аппарат с охлаждаемыми двигателями»), представляет собой высокоплан с треугольным крылом и двухкилевым хвостовым оперением. Планер проектируется фирмой Scaled Composites, в его конструкции будут преобладать композиционные материалы с абляционной теплозащитой, а отдельные термонагруженные элементы намечается изготавливать из титано и стали.

Схема двигателя SteamJet (позиции слева направо) 1 – инжектор, 2 – теплообменник, 3 – ТРД

Экспериментальный СПВРД созданный по программе Х-30

Экспериментальный комплекс Центра Лэнгли с высокотемпературной аэродинамической трубой НТТ ПОДПИСИ С ЛЕВОГО НИЖНЕГО УГЛА 1 – хранилище жидкого кислорода, 2 – баки с метаном, 3 – рабочий резервуар жидкого кислорода, 4 – корпус с экспериментальной установкой, 5 – корпус емкостей с воздухом, 6 – труба выравнивания давления, 7 – диффузор, 8 – транспортировочные баки с водородом

При длине 27,1 м и размахе крыла 27,4 м взлетная масса ступени составит 36,3 т. Силовая установка самолета комплектуется четырьмя усовершенствованными турбовентиляторными двигателями серии F100 фирмы Pratt and Whitney. Эти ТРДДФ со встроенной системой MIPCC обеспечат тяговооруженность системы, близкую к значению 2:1.

Самолет MPV рассчитывается на взлет с обычной аэродромной полосы. Достигнув высоты 9 км, аппарат в форсажном режиме совершит «горку» с разгоном до скорости М=4 на высоте 36 км, после чего силовая установка будет отключена, и самолет продолжит подъем в свободном полете. Отделение ракетного блока массой 7,3 т должно производиться при приближении к апогею траектории на высоте 58-60 км. После входа в атмосферу самолет с включенными двигателями вернется в месту старта.

Энергетические характеристики системы RASCAL позволят доставлять на солнечно-синхронную орбиту высотой 500 км спутники массой 115 кг, о на такую же по высоте орбиту с наклонением 28,5° грузы массой 180 кг. При этом изучаются возможности использования системы для выведения грузов на баллистические траектории.

Среди других показателей проектируемой системы в печати отмечаются следующие: стоимость запуска не должна превышать 750 тыс. долл., период послеполетного обслуживания определен в 24 часа, а оперативность проведения старта в 1 час.

Прямоточные воздушно-реактивные двигатели (ПВРД), относящиеся к классу бескомпрессорных ВРД, достаточно широко используются с 50-х годов в составе боевых ракет различных типов. Данные силовые установки отличаются простотой конструкции и незначительной стоимостью изготовления, но эффективно работать они могут в скоростном диапазоне от М=2,5-3 (то есть – необходимы дополнительные средства для разгона летательного аппарата) до М-5-6.

Значительного увеличения скорости полета (до значений М=10-12) позволяют достичь ПВРД со сверхзвуковым горением (СПВРД). Однако эти двигатели требуют наличия системы охлаждения, а также чрезвычайно сложной организации подачи топлива (время на образование рабочей смеси ограничено 1 мс).

Для поддержания высокоскоростного горения в качестве горючего приходится использовать либо топливо с химически активными, но весьма токсичными добавками, либо водород, отличающийся низкой плотностью, летучестью и взрывоопасностью. Все эти обстоятельства ограничивают области практического (в первую очередь военного) применения СПВРД.

Развитие технологий в последнее десятилетие позволило добиться определенных успехов в решении данных проблем, особенно связанных с водородными СПВРД.

В 1985-93 гг. в раках программы NASP (National Aero-Space Plane) различные организации Министерства обороны и NASA вели разработку одноступенчатого воздушно-космического самолета (ВКС), способного самостоятельно выходить на околоземную орбиту. Силовую установку пилотируемых моделей новой транспортной системы, получивших обозначение Х-30, предполагалось комплектовать несколькими СПВРД (для крейсерского полета со скоростью до М= 15) и разгонными жидкостными двигателями, которые должны были обеспечить достижение первой космической скорости.

После закрытия программы работы по отдельным технологиям ВКС, в частности по СПВРД на водородном горючем были продолжены. В 1994 г. на технической базе Центра Лэнгли было проведено свыше 20 стендовых запусков масштабной (30%-ной) модели штатного двигателя. Опытный образец с обозначением CDE (Concept Demonstration Engine) стал самым крупным СПВРД, изготовленным и испытанным в рамках программы Х-30: его длина составляла 4,8 м, а масса 2,25 т. Успешно выполненные запуски, продолжительность которых достигала 30 с, подтвердили работоспособность созданного изделия.

Основное внимание разработчиков уделялось условиям и параметрам работы СПВРД на скоростях М=6,2 и М=6,8, определяющих границы перехода от дозвукового горения к стабильному сверхзвуковому режиму. Максимальные тепловые нагрузки, которым подвергся опытный образец, составили около 1700 град С.

Испытания двигателя CDE проводились в высокотемпературной аэродинамической трубе НТТ (High Temperature Tunnel) с рабочей частью диаметром 2,4 м и длиной 3,6 м На этой установке горячий поток с заданными параметрами по температуре и давлению подается из камеры сгорания, работающей на метане и воздухе. Для имитации условий разреженной атмосферы в пламя в соответствующей пропорции вдувается чистый кислород.

Для подготовки комплекса к испытаниям было израсходовано 2,7 млн долл. В основном эти средства пошли на монтаж оборудования подачи кислорода и газообразного водорода, использовавшегося в качестве горючего СПВРД.

Общий вид аппарата Х-43А

СПВРД аппарата Х-43А

Расчетный вариант ракеты для СПВРД, создаваемого по программе HyTech