Битва за скорость. Великая война авиамоторов - Валерий Августинович

Результаты 40-матмоделирования течения газа в колесе турбомашины: моментальное распределение температуры газа в среднем сечении межлопаточных каналов.

Где еще существует ниша применения авиационных технологий, т. е. реализации управляемого полета в пределах земной атмосферы? Эта ниша — гиперзвук, т. е. полет со скоростями, в четыре и более (до шести) раз превышающими скорость звука. Как и все технологии, технология гиперзвука-двойная, т. е. гиперзвуковой самолет может быть как гражданского, так и военного назначения. Более того, область гиперзвуковых скоростей может быть использована и для функционирования воздушно-космического самолета.

В 1970-1980-е гг., в эпоху технического оптимизма, в Европе разрабатывались проекты воздушно-космических самолетов с горизонтальным взлетом и посадкой. Эти проекты были прямой конкуренцией американскому «Спейс Шаттлу» («Космическому Челноку»), космическому кораблю многоразового применения. «Челнок», как известно, стартует вертикально с помощью мощного ракетного ускорителя и после выполнения своей миссии приземляется по-самолетному. В Великобритании проект подобного челнока-самолета назывался «HOTOL» (Horisontal Take-Off Landing — «горизонтальные взлет и посадка»). Очевидно, что использование в качестве первой ступени воздушно-реактивного двигателя существенно повысило бы эффективность системы в целом.

В этом случае разгон в слоях атмосферы происходил бы с использованием при горении кислорода самой атмосферы, а не запасенного в баках ракеты.

Если «HOTOL» был проектом полностью ракетного самолета, то в тогдашней Федеративной Республике Германия проект воздушно-космического самолета предполагал применение воздушно-реактивного двигателя на первой ступени. Этот аппарат получил имя «Зенгер» в честь известного немецкого ученого и инженера Ойгена Зенгера, активно работавшего в 1930-1940-е гг. в Германии над созданием ракетных и прямоточных двигателей. Тогда, в 1980-е гг., казалось, что создание воздушно-космических систем вполне возможно. Скорее всего, технически так оно и было. Но эти многообещающие проекты так и не были реализованы по причине дороговизны разработки, непосильной для бюджета одной страны. Тем не менее и сегодня существует возможность возврата к этим проектам на базе международного сотрудничества и соответствующего разделения труда. Сейчас, после завершения концептуально весьма спорной программы американских «челноков», самое время приступить к созданию такой системы. Во всяком случае, для расширения кругозора полезно знать схему вывода на околоземную орбиту космического корабля с применением авиационных технологий.

Для примера рассмотрим вначале схему работы воздушно-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 Мmax = 7. Альтернативой этому является технология… охлаждения воздуха на входе в двигатель с помощью теплообменника-рекуператора с использованием хладоресурса 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 врядли 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.