Авиация и космонавтика 2003 10
Шрифт:
Запатентованные фирмой Aerojet форсунки, как элемент ПВРД установленные на боковых поверхностях стоек, обеспечивают каскадный впрыск горючего. Система подачи топлива к форсункам оснащена высокоэффективными фильтрами, позволяющими не только задерживать посторонние фрагменты, но и дробить крупные молекулярные структуры горючего. Также на стойках предусмотрены механические средства регулировки геометрии воздухозаборников нижней и верхней кромками.
В зависимости от области применения двигатель Strutjet может работать на разных типах горючего. Жидкий водород предпочтителен для средств выведения космических аппаратов, углеводородные горючие типа JP-7 и JP- 10 для крылатых ракет, пропан для трансатмосферных боевых аппаратов дальнего
Старт одноступенчатой МТКС с двигательной установкой Strutjet должны обеспечить ЖРД, встроенные в тыльную часть стоек. Избыток горючего в пламени двигателей на начальном этапе полета будет дожигаться за счет атмосферного кислорода, проходящего через воздушный канал. По мере увеличения скоростного напора и изменения соотношения компонентов топлива в сторону окислителя должны постепенно включаться форсуночные головки ПВРД.
После достижения скорости примерно М=2,4 жидкостные двигатели будут отключены и силовая установка станет работать в режиме прямоточного ВРД, при этом ее удельный импульс возрастет до 3800 с. При функционировании установки Strutjet в режиме ПВРД со сверхзвуковым горением на скоростях М=5-10 стабильность потока в воздушном канале предполагается поддерживать механическими средствами. В дальнейшем эффективность применения ПВРД падает, и поэтому будут вновь включены ЖРД, которые обеспечат выход транспортного аппарата на околоземную орбиту.
ТРДДФ YF-120
На этапе предварительного проектирования двигателя Strutjet предполагалось, что усредненный по всему полету его удельный импульс составит 585 с, а тяговооруженность 22 единицы. За счет применения такой силовой установки в составе одноступенчатой МТКС относительную массу топлива системы можно будет снизить до 84%, (для аналогичных транспортных систем с ЖРД этот параметр составляет 90%).
Выполненные летом 1999 г. стендовые испытания уменьшенной (в 6 раз) модели двигателя Strutjet подтвердили реальность достижения указанных характеристик.
В рамках программы Revolutionary Turbine Accelerator (RTA – «Качественное улучшение характеристик газотурбинных двигателей») Центр Гленна ведет подготовку элементной базы для создания комбинированного турбопрямоточного двигателя (turbofan-ramjet), способного работать сначала в режиме двухконтурного турбореактивного двигателя с форсажем (до скорости М=2,5), а затем как прямоточный ВРД. Максимально достижимая скорость для аппаратов с таким установками определяется М=4,2.
С начала 1960-х годов, когда был создан турбореактивный двигатель J58 для самолета SR-71, развивавшего скорость М=ЗД подобные проекты в США не предпринимались. Поэтому названная силовая установка разработанная фирмой Pratt and Whitney, стала своеобразным эталоном для нового изделия.
Среди основных требований, предъявляемых к комбинированному двигателю RTA, известны следующие (в скобках указаны параметры ТРД J58):
– тяга 25 т (15,6 т),
– тяговооруженность 10-15 (4; для современных военных ТРДД она составляет 8 единиц),
– диаметр 1,5 м (1,4 м),
– продолжительность работы 30 мин (1,5 ч),
– ресурс термонагруженных элементов 750 ч (100 ч),
– горючее JP-8 с добавками (JP-7).
Поскольку разработка летного образца силовой установки еще не обеспечена финансами, то программа RTA ориентирована на создание масштабных моделей будущего двигателя. Летом 2002 г. NASA заключило с фирмой General Electric пятилетний контракт стоимостью 55 млн долл. на изготовление экспериментальной модели двигателя диаметром 1 м. Это модель, предназначенная для общей оценки работоспособности изделия в наземных условиях, проектируется на элементной
Для летной отработки планируется подготовить двигатели диаметром 0,4 м. Среди кандидатов на подряд называются фирмы Rolls-Royce USA и Williams International (окончательный выбор NASA планировало сделать в 2003 г.).
К натурным испытания малых моделей двигателя намечается приступить в 2009-10 гг. Возможно, этими силовыми установками будут оснащаться экспериментальные аппараты Х-43В. Для обеспечения полетов данного изделия потребуется четыре двигателя.
Полномасштабный турбопрямоточный двигатель может быть создан и испытан после 2018 г.
Тяга в импульсных двигателях дискретно производится за счет ударной волны, производимой микровзрывом в камере сгорания. Различаются детонационные двигатели двух типов: воздушно-реактивные с потреблением атмос- ферного кислорода PDE (Pulse Detonation Engine) и ракетные PDRE (Pulse Detonation Rocket Engine).
Силовые установки первого типа, работающие на углеводородном горючем, способны эффективно функционировать начиная от момента взлета до скоростей М=3-4, что делает их особенно привлекательными для использования в составе боевых крылатых ракет. Двигатели PDRE предназначаются в основном для космических полетов Цикл функционирования подобных установок предусматривает выполнение пяти основных операций:
– подачу в камеру сгорания компонентов топлива и образование рабочей смеси,
– срабатывание детонирующего устройства (по аналогии с автомобильной свечой зажигания),
– распространение ударной волны вдоль камеры сгорания со скоростью несколько тысяч метров в секунду (для обычного ЖРД этот параметр оценивается на два порядка ниже),
– выброс продуктов горения,
– восстановление исходного давления в камере сгорания перед подачей компонентов топлива.
Наиболее сложными проблемами эксплуатации таких двигателей является обеспечение именно детонации топлива, а не его скоростного горения. Наибольшую значимость при этом приобретают стехиометрический состав топлива, размер капель компонентов и локальный коэффициент перемешивания.
Основными преимуществами импульсных детонационных двигателей считаются:
– высокие экономические показатели. Удельный импульс ракетных двигателей на 5-10% выше, чем у криогенных ЖРД; расход топлива у импульсных двигателей с потреблением атмосферного кислорода на 30-50% меньше, чем у ВРД,
– простота конструкции и, соответственно, высокая надежность. Компоненты топлива подаются в камеру сгорания при низком давлении, что позволяет отказаться от использования турбонасосных агрегатов и усиленных трубопроводов (некоторого упрочнения потребует лишь камера сгорания, поскольку при микровзрыве давление в ней увеличивается в 18-20 раз),
– низкие затраты на производство. По удельной стоимости единицы тяги импульсные двигатели примерно в четыре раза дешевле обычных ТРД (55 долл за 1 кг тяги против 220 долл./кг),
– каскадность изменения уровня тяги (практически мгновенные выход на рабочий режим и останов двигателя),
– широкие возможности по дросселированию тяги.
Ведущие позиции по разработке импульсных детонационных двигателей занимает специализированный центр Seattle Aerosciences Center (SAC), выкупленный в 2001 г. компанией Pratt and Whitney у фирмы Adroit Systems. Большая часть работ центра финансируется ВВС и NASA из бюджета межведомственной программы Integrated High Payoff Rocket Propulsion Technology Program (IHPRPTP), направленной на создание новых технологий для ракетных двигателей различных типов (данная программа является своеобразным аналогом проектов IHPTET и VAATE).