Битва за скорость. Великая война авиамоторов

Для примера рассмотрим вначале схему работы воз-душно-космического самолета «Зенгер». Это — двухступенчатый аппарат: первая ступень представляет собой гиперзвуковой самолет с турбопрямоточной силовой установкой, работающей на водороде, вторая ступень — ракета с жидкостным водородно-кислородным ракетным двигателем. «Зенгер» взлетает по-самолетному с помощью тяги обычных турбореактивных двигателей. Так же по-самолетному набирает высоту 11 км на дозвуковой скорости. На этой точке траектории (Н=11 км, М=0,8) самолет может совершать длительный крейсерский полет (1 — й крейсерский режим полета). Далее начинается разгон до числа Маха 3,5 с набором высоты до 20 км. В этой точке траектории турбореактивный двигатель выключается и капотируется, а вместо него включается прямоточный контур. На траектории имеется еще одна точка (2-й крейсерский режим), параметры полета в которой тоже обеспечивают длительный крейсерский полет (Н=25 км, М=4,5) самолета. Наконец, при достижении высоты 30 км и скорости полета, соответствующей числу Маха полета 6,8, происходит отделение и запуск второй, ракетной ступени. Как мы видим, эта ступень уже разогнана до высокой скорости и, следовательно, для выхода на околоземную орбиту ракете второй ступени потребуется существенно меньший запас энергии (топлива), чем в случае чисто ракетного старта с поверхности земли.

Напомним, что применение углеводородного топлива (керосина) при гиперзвуке ограничено уровнем числа Маха=4 из-за низкой в сравнении с водородом температуры пламени. Из-за этого ограничения с ростом скорости полета и увеличивающегося кинетического подогрева воздуха на входе при его торможении количество подведенного тепла уменьшается и соответственно уменьшается и совершаемая работа и термический кпд (вспомним формулу Карно). Поэтому для достижения эффективного преобразования химической энергии топлива в работу необходимо применять топливо с более высокой температурой пламени горения. Именно таким качеством обладает водород, но и он имеет ограничения по скорости, а именно М_mах= 7. Альтернативой этому является технология… охлаждения воздуха на входе в двигатель с помощью теплообменника-рекуператора с использованием хпадоресурса запасенного в баках горючего (жидкого водорода, имеющего низкую температуру).

Теоретические разработки гиперзвукового пассажирского самолета были сделаны в НАСА (США) еще в 1970-е гг. Планировалось создать самолет «Восточный экспресс», способный преодолевать расстояние от Нью-Йорка до Токио за три (!) часа. Этот самолет проектировался на перевозку 300 пассажиров на расстояние 12 000 км с крейсерской скоростью М=5. Самолет взлетным весом 440 тонн должен был оснащаться четырьмя двигателями по 27,5 тонны тяги (энерговооруженность — те же классические 0,25 для четырехмоторных самолетов). В 1989 г. стартовал международный проект разработки технологий для силовой установки перспективного гиперзвукового пассажирского самолета. Базовой страной для интеграции проекта двигателя была выбрана Япония с участием ведущих мировых разработчиков газотурбинных двигателей «Роллс-Ройс» и «Дженерал Электрик». Проект шел ни шатко ни валко двадцать лет, проводились эксперименты на отдельных узлах будущего турбопрямоточного двигателя, но на выходе результата пока не получилось.

Не стали отставать от США и европейцы: уже в начале XXI века здесь тоже появились проекты гиперзвуковых пассажирских самолетов на 200 (300 тонн взлетного веса) и 300 (400 тонн взлетного веса) пассажиров на планируемой трассе Брюссель — Сидней. Это расстояние будущий гиперзвуковой самолет должен преодолевать за три часа. Насколько реальны эти проекты? С точки зрения экономической эффективности пассажирский гиперзвуковой самолет представляется очень рискованным проектом. Огромные вложения в разработку вряд ли окупятся в его дорогой эксплуатации. Если только… на будущей многолюдной трассе Пекин — Нью-Йорк.

А вот военное и космическое применение гиперзвука совершенно реально и здесь впереди всех, по крайней мере, по продуманности стратегии, находятся США. Более того, НАСА и Военное ведомство США создали совместную организационную структуру, получившую название «Национальная Аэрокосмическая Инициатива» (НАИ), для практической реализации следующего поколения проектов. Намучившись с «челноками» в части прогноза их надежности при многократном применении, НАСА поставило задачу радикального снижения затрат на запуски космических кораблей с помощью разработки носителей нового поколения с применением гиперзвукового самолета. Этот проект аэрокосмического самолета, получивший обозначение Х-43 (как и всякий опытный самолет, имеющий индекс «X»), по плану должен быть закончен к 2025 г. летными испытаниями демонстратора. Правда, окончательный выбор типа первой ступени еще не сделан. Рассматриваются оба варианта: чисто ракетный и на базе газотурбинного двигателя. Но «верхняя» часть первой ступени является гиперзвуковым прямоточным воздушно-реактивным двигателем со сверхзвуковым горением.

Вообще, естественная трансформация оптимального двигателя космического корабля выглядит следующим образом. При старте, когда начальная скорость полета в атмосфере равна нулю, необходимое для производства работы сжатие воздуха осуществляет компрессор газотурбинного двигателя. С увеличением скорости полета все большая часть сжатия происходит при торможении воздуха в воздухозаборнике и все меньшая — в компрессоре. Начиная с числа М полета, равного 3–3,5, компрессор, по сути, вырождается, практически ничего не добавляя к степени сжатия в воздухозаборнике. Здесь газотурбинную часть двигателя целесообразно выключать и переходить на чисто прямоточный контур с дозвуковым горением до скоростей полета порядка М=5. Следующей оптимальной модификацией двигателя является прямоточный двигатель со сверхзвуковым горением (при М4 температура торможения при обтекании стабилизатора достигает величины воспламенения, и возникает устойчивое горение при высокой, в том числе и сверхзвуковой скорости). И, наконец, при выходе за пределы атмосферы, где воздух имеет малую плотность и не может служить рабочим телом, применяется жидкостно-ракетный двигатель, который использует вместо атмосферного воздуха собственный запас окислителя в баке ракеты или самолета. Необходимое давление в камере сгорания при этом обеспечивается расходом рабочего тела, который, в свою очередь, дают насосы, качающие окислитель и горючее в необходимом количестве.

Если газотурбинные технологии до числа М полета, равного 3, хорошо отработаны, то область работы прямоточного двигателя со сверхзвуковым горением (М4) является проблемной как в научном, так и в практическом плане. И в этом направлении ведутся интенсивные исследования. Кроме того, представляется заманчивым продлить область применения газотурбинного двигателя (пусть и в комбинированном варианте с прямоточным) до М=4. Тогда в космическом корабле силовая установка для его разгона будет иметь три отдельных модуля: турбопрямоточный, прямоточный со сверхзвуковым горением и ракетный двигатели.

В США принята соответствующая программа разработки так называемого «Революционного Турбинного Ускорителя» (РТУ или, в английской транскрипции, RTA), в которой участвует знаменитая фирма «Дженерал Электрик». В качестве прототипа такого «революционного» двигателя используется F-120, так называемый «двигатель изменяемого цикла» с механически регулируемыми площадями проходных сечений (в частности, соплового аппарата турбины).

Проблем создания гиперзвукового самолета много. Начиная от недостаточной точности прогноза внешнего сопротивления такого аппарата, а следовательно, и оценки потребной величины тяги силовой установки. Дело в том, что при таких гиперзвуковых скоростях надежность геометрического моделирования при аэродинамических продувках еще требует подтверждения. Неясно, работает ли (скорее всего, не работает) в этом случае теория подобия, столь успешно применяемая при исследовании моделей дозвуковых и сверхзвуковых (но не гиперзвуковых) самолетов. Современные методы расчета и моделирования аэродинамики тоже нуждаются в верификации. Взаимодействие гиперзвукового потока с двигателем и самолетом порождает существенно нелинейные эффекты, которые современные сеточные методы математического моделирования точно описать не могут. Все идет к тому, что доводка таких дорогих систем должна во многом вестись на натуре в летных условиях. Здесь мы находимся в ситуации, аналогичной начальной стадии разработки крупных ракетных двигателей.