Udany lot hipersonicznego pojazdu HIFiRE

0

NASA we współpracy z laboratorium badawczym USAF przeprowadziła udany test technologii hipersonicznych w ramach programu HIFiRE.

Od dłuższego czasu NASA wraz z kilkoma partnerami (m.in z australijską organizacją ds. obronności oraz USAF) rozwija program mający na celu opracowanie technologii na potrzeby lotu z wysokimi prędkościami naddźwiękowymi (powyżej pięciokrotnej prędkości dźwięku – Mach 5). Uzyskane w trakcie programu rozwiązania zostaną wykorzystane do opracowania pojazdu zdolnego do stabilnego i bezpiecznego lotu z dużą prędkością naddźwiękową. Gdyby udało się opanować to zagadnienie, byłaby to prawdziwa rewolucja w lotach długodystansowych oraz w uzyskaniu taniego środka do wynoszenia ładunków na orbitę.

Przekroczenie prędkości dźwięku i lot z prędkościami naddźwiękowymi generuje wiele problemów. Należy do nich chociażby fala uderzeniowa powstająca podczas zbliżania się do prędkości dźwięku i nagrzewanie się powierzchni w wyniku tarcia o cząsteczki powietrza. Jest to sytuacja, której klasyczne silniki (zaprojektowane do pracy przy przepływie poddźwiękowym) nie są w stanie wytrzymać.

Najnowszy test lotny w ramach programu HIFiRE (Flight Research Experimentation Program) miał miejsce 11 maja na Hawajach. Na pokładzie rakiety sondującej został wyniesiony silnik HIFiRE 2 typu Scramjet (silnik strumieniowy z naddźwiękową komorą spalania), który w ciągu 12 sekund pracy rozpędził rakietę z prędkości o wartości 6 Machów do 8 Machów (z ok.7300 km/h do ok. 9800 km/h). Było to duże osiągnięcie w kategorii lotów z prędkościami hiperdźwiękowymi (zakres od 5 do 10 Machów). Rakieta osiągnęła wysokość 30 kilometrów. Lot rejestrowało ponad 700 czujników umieszczonych na pokładzie, dane były na bieżąco przekazywane do stacji naziemnej. Był to czwarty z dziesięciu zaplanowanych lotów, natomiast drugi test lotny silnika Scramjet.

W lotach z prędkościami naddźwiękowymi używane są dwa rodzaje silników strumieniowych – Ramjet i Scramjet.

Pierwszy, Ramjet, jest stosowany w lotach z niskimi prędkościami naddźwiękowymi. Ramjet, podobnie jak Scramjet, jest specyficzną odmianą silnika odrzutowego – nie posiada żadnych części ruchomych. Jest tak ukształtowany, że na wlocie do silnika prędkość powietrza jest znacznie obniżana. Pozwala to na utrzymanie prędkości powietrza przepływającego przez silnik poniżej prędkości dźwięku, nawet kiedy samolot porusza się z prędkościami naddźwiękowymi. Poddźwiękowa prędkość przepływu powietrza w komorze spalania zapewnia większą stabilność płomienia i zwiększa efektywność spalania. Do powietrza w komorze spalania dodawane jest paliwo. Razem tworzą mieszankę paliwowo-powietrzną, która następnie jest zawirowywana w celu lepszego wymieszania i zapalana. Spalanie wyzwala dużą ilość energii, zwiększając ciśnienie spalin. W dyszy wylotowej ciśnienie jest obniżane w celu przyśpieszenia gazów wylotowych, które na wyjściu z dyszy osiągają wysokie prędkości wytwarzając ciąg.

Scramjet funkcjonuje podobnie jak Ramjet, jego budowa jest jednak bardziej skomplikowana. Różni się głównie naddźwiękową komorą spalania, która umożliwia lot z prędkościami powyżej 10 Machów. Utrzymanie procesu spalania przy naddźwiękowym przepływie jest dużo trudniejsze, jest on też dużo mniej efektywny. Dodatkowo w momencie przekraczania prędkości dźwięku w silniku zachodzą efekty falowe, narzucające dodatkowe ograniczenia konstrukcyjne.

W czasie testu HIFiRE 2, pod koniec lotu przy prędkości Mach 8 osiągnięto naddźwiękowy przepływ w silniku, uzyskując bardzo cenne dane dotyczące przejścia ze spalania przy prędkości poddźwiękowej do spalania przy prędkości naddźwiękowej. W tunelach aerodynamicznych, w których testowane są silniki, osiągnięcie takich warunków jest niemożliwe. W związku z tym miniony, udany test spowoduje bardzo duży wkład w rozwój hipersonicznych silników.

Dodatkowym sukcesem programu jest fakt, że silnik HIFiRE 2 jest zasilany paliwem węglowodorowym, a nie jak większość innych silników typu Scramjet – wodorowym. Wodór jest paliwem trudnym w utrzymaniu, bardzo reaktywnym.

Szacuje się że opanowanie technologii i budowa silnika Scramjet zdolnego do osiągnięcia prędkości hipersonicznych (powyżej Mach 5) jest obecnie najlepszą drogą do osiągnięcia legendarnego już marzenia o wynoszeniu ładunków na orbitę za pomocą pojazdów jednostopniowych (tzw. koncepcja SSTO). Obecne silniki rakietowe pobierają utleniacz (jest nim najczęściej powietrze) ze zbiornika umieszczonego na pokładzie, który stanowi większą część masy rakiety – w związku z tym optymalizacja masowa rakiet jest możliwa do pewnej granicy i nie ma sposobu na wyeliminowanie wielostopniowości. Silniki typu scramjet pobierają utleniacz z otoczenia, w związku z tym napędzane nim pojazdy kosmiczne (np. Skylon) będą musiały zabierać utleniacz potrzebny do lotu tylko od wysokości 30 kilometrów, co umożliwi znaczne obniżenie masy startowej i osiągnięcie koncepcji SSTO – Single Stage To Orbit.

Nad podobnymi technologiami pracują Rosja oraz Chiny.

(SFS)

 

Słowniczek:

prędkość hipersoniczna – prędkość większa ponad 5 razy od prędkości dźwięku

prędkość dźwięku – Ma (jeden Mach)

Ma- liczba Macha

Ramjet – silnik strumieniowy, silnik odrzutowy bez ruchomych części (mogą być tylko w układzie zasilającym). Zasada działania: we naddźwiękowym wlocie następuje zmniejszenie prędkości powietrza względem prędkości lotu co powoduje zwiększenie jego ciśnienia. W komorze spalania do sprężonego powietrza doprowadzane jest paliwo. Następuje spalanie. Spaliny wylatują z komory spalania i następuje ich rozprężenie w dyszy wylotowej. Zmniejsza się ich ciśnienie a wzrasta prędkość dzięki czemu prędkość spalin na wypływie z dyszy  jest większa niż prędkość lotu co generuje ciąg silnika. Działa w zakresie prędkości od 2 do 5-6 Ma

Scramjet – silnik strumieniowy z naddźwiękową komorą spalania. Działa w zakresie prędkości od 2 do 5-15 Ma 

Share.

Comments are closed.