A ramjet motor (ramjet) ( eng. Ramjet ) - egy sugárhajtómű , a legegyszerűbb a légsugárhajtóművek (ramjet motorok) osztályában az eszköz szempontjából. A közvetlen reakciós VKI típusára vonatkozik , amelyben a tolóerő kizárólag a fúvókából kiáramló sugár miatt jön létre . A motor működéséhez szükséges nyomásnövekedés a szembejövő légáram lefékezésével érhető el. A ramjet alacsony repülési sebességnél, különösen nulla sebességnél nem működik, egy vagy másik gyorsító szükséges az üzemi teljesítmény eléréséhez .
1913-ban a francia René Laurin szabadalmat kapott egy ramjet motorra.
A ramjet a tervezés egyszerűségével vonzotta a tervezőket, de ami a legfontosabb, azzal a potenciális képességével, hogy hiperszonikus sebességgel és az atmoszféra legmagasabb, legritkább rétegeiben tud működni, vagyis olyan körülmények között, amikor más típusú ramjet motorok nem működnek. vagy hatástalan. Az 1930-as években az USA -ban (William Avery), a Szovjetunióban ( F. A. Zander , B. S. Stechkin , Yu. A. Pobedonostsev) végeztek kísérleteket ilyen típusú motorokkal .
1937-ben a francia tervező, René Leduc megbízást kapott a francia kormánytól egy kísérleti sugárhajtású repülőgép fejlesztésére. Ezt a munkát a háború félbeszakította, és a befejezése után folytatódott. 1946. november 19-én megtörtént a Leduc 0.10 hajtóműves, emberes jármű első repülése . Aztán 10 év leforgása alatt számos további kísérleti járművet gyártottak és teszteltek ebből a sorozatból, köztük a legénységgel rendelkező Leduc 0,21 és Leduc 0,22 , és 1957-ben a francia kormány megtagadta e munkák folytatását - gyorsan fejlődött. akkoriban ígéretesebbnek tűnt a turbóhajtóművek iránya.
Mivel számos hátránya van a pilóta repülőgépeken való használatnak (nulla tolóerő álló helyzetben, alacsony hatásfok alacsony repülési sebességnél), a ramjet az előnyben részesített ramjet típus pilóta nélküli, eldobható lövedékekhez és cirkálórakétákhoz , egyszerűsége, így olcsósága és megbízhatósága miatt. . Az 1950-es évek óta számos kísérleti repülőgépet és sorozatgyártású cirkálórakétát készítettek különféle célokra ilyen típusú hajtóművekkel az Egyesült Államokban.
A Szovjetunióban 1954-től 1960-ig az OKB-301 -ben S. A. Lavochkin generális tervező vezetésével kifejlesztették a Burya cirkáló rakétát , amely interkontinentális távolságokra nukleáris tölteteket kívánt szállítani, és az M által kifejlesztett sugárhajtóművet használta. M csoport fő motorként Bondaryuk , és a maga idejében egyedülálló tulajdonságokkal rendelkezik: hatékony működés M = 3 feletti sebességnél és 17 km magasságban . 1957-ben a projekt repülési teszt fázisba lépett, melynek során számos, különösen a mutatás pontosságával kapcsolatos probléma derült ki, amelyeket meg kellett oldani, és ez nehezen meghatározható időt igényelt. Eközben ugyanabban az évben már szolgálatba állt az S. P. Koroljev vezetésével kifejlesztett, azonos célú R-7 ICBM . Ez megkérdőjelezte a "Vihar" továbbfejlesztésének megvalósíthatóságát. S. A. Lavochkin 1960-ban bekövetkezett halála végül eltemette a projektet.
A korszerűbb hazai fejlesztések közül a menetelő ramjet hajtóműves hajóelhárító cirkálórakétákat említhetjük: P-800 Onyx , P-270 Moskit .
A ramjet munkafolyamata röviden a következőképpen írható le. A repülési sebességgel a motor beömlőnyílásába belépő levegő lelassul (a gyakorlatban 30-60 m/s sebességig, ami 0,1-0,2 Mach-számnak felel meg), mozgási energiája átalakul belső energia - hőmérsékletének és nyomásának emelkedése.
Feltételezve, hogy a levegő ideális gáz , és a kompressziós folyamat izentropikus , akkor a nyomásarányt (a pangó áramlás statikus nyomásának aránya a légköri nyomáshoz) a következő képlettel fejezzük ki:
(egy)ahol
a nyomás egy teljesen stagnáló áramlásban; - Légköri nyomás; - repülési Mach-szám (a repülési sebesség és a környezeti hangsebesség aránya), - adiabatikus index , száraz levegő esetén 1,4.A bemeneti berendezés kilépésénél, az égéstér bejáratánál a munkafolyadék maximális nyomással rendelkezik a motor áramlási útjának teljes hosszában.
Az égéstérben lévő sűrített levegő a hozzá szállított tüzelőanyag oxidációja miatt felmelegszik, miközben a munkaközeg belső energiája megnő. Ezután a munkafolyadék, először a fúvókában összenyomva , eléri a hangsebességet, majd tágulva - szuperszonikusan - felgyorsul és a szembejövő áramlás sebességénél nagyobb sebességgel lejár, ami sugár tolóerőt hoz létre.
A ramjet tolóerejének függését a repülési sebességtől több tényező határozza meg:
Általánosságban elmondható, hogy a ramjet tolóerejének függése a repülési sebességtől a következőképpen ábrázolható: amíg a repülési sebesség lényegesen kisebb, mint a sugárhajtás sebessége, a tolóerő a repülési sebesség növekedésével növekszik (a levegőfogyasztás növekedése, a nyomás növekedése miatt). a hajtómű égésterét és termikus hatásfokát), és a repülési sebességként a sugáráram sebességéhez a sugárhajtómű tolóereje csökken, miután az optimális repülési sebességnek megfelelő maximumot túllép.
A ramjet tolóerőt a kifejezés határozza meg
(3)Hol van a tolóerő, a repülési sebesség, a sugársugár sebessége a motorhoz viszonyítva, a második üzemanyag-fogyasztás.
Másodlagos levegőfogyasztás:
,ahol
- levegő sűrűsége (a magasságtól függően), - az időegység alatt a ramjet légbeömlő nyílásába belépő levegő mennyisége, - a levegőbemenet keresztmetszete, - repülési sebesség.A munkafolyadék tömegének második fogyasztását ideális esetben, amikor a tüzelőanyag teljesen eléget, és a levegő oxigénjét teljesen felhasználják az égési folyamatban, a sztöchiometrikus együttható segítségével számítják ki:
,ahol
- második levegőfogyasztás, - második üzemanyag-fogyasztás, az üzemanyag és levegő keverékének sztöchiometrikus együtthatója .Szerkezetileg a ramjet rendkívül egyszerű eszközzel rendelkezik. A motor egy égéstérből áll , amelybe a levegő a diffúzorból , az üzemanyag pedig az üzemanyag - befecskendező szelepekből jut be . Az égéstér a fúvóka bejáratával végződik , általában szűkül-tágul .
A vegyes szilárd tüzelőanyag -technológia fejlődésével kezdték használni ramjet motorokban. Az égéstérben egy hosszirányú központi csatornával ellátott üzemanyagblokkot helyeznek el. A csatornán áthaladó munkaközeg fokozatosan oxidálja az üzemanyagot a felületéről, és felmelegíti magát. A szilárd tüzelőanyag használata tovább egyszerűsíti a ramjet kialakítását: az üzemanyagrendszer szükségtelenné válik. A ramjet hajtóművek kevert hajtóanyagának összetétele eltér a szilárd hajtóanyagú rakétahajtóművekben használt hajtóanyag összetételétől . Ha az utóbbi esetében az oxidálószer teszi ki az üzemanyag nagy részét, akkor a ramjet motorokhoz csak kis mennyiségben adják hozzá az égési folyamat aktiválásához. A ramjet vegyes tüzelőanyag-töltőanyag fő része alumínium , magnézium vagy berillium finom por, amelynek oxidációs hője jóval magasabb, mint a szénhidrogén üzemanyagok égéshője . A szilárd hajtóanyagú ramjet példája a P-270 Moskit hajóelhárító cirkálórakéta hajtómotorja .
A repülési sebességtől függően a sugárhajtóműveket szubszonikusra , szuperszonikusra és hiperszonikusra osztják . Ez a felosztás az egyes csoportok tervezési jellemzőinek köszönhető.
A szubszonikus ramjet motorokat úgy tervezték, hogy 0,5 és 1 közötti Mach-számú sebességgel repüljenek . A fékezés és a légsűrítés ezekben a motorokban a bemeneti eszköz – a diffúzor – táguló csatornájában történik .
Ezeket a motorokat rendkívül alacsony hatásfok jellemzi. M = 0,5 sebességgel repülve a nyomásnövekedés mértéke bennük (az (1) képletből következően) 1,186, aminek következtében ideális termikus hatásfokuk (a (2) képlet szerint) mindössze 4,76 %, és a valós hajtóműben bekövetkező veszteségek figyelembevételével ez az érték közel 0 lesz. Ez azt jelenti, hogy M < 0,5 repülési sebességnél a ramjet gyakorlatilag üzemképtelen. De még a szubszonikus tartományra vonatkozó határsebességnél is, azaz M → 1 -nél a nyomásnövekedés mértéke csak 1,89, az ideális termikus hatásfok pedig csak 16,7%, ami 1,5-szer kisebb, mint a valódi dugattyús belső égésnél. motorok, és feleannyira, mint a gázturbinás motoroké. Ezenkívül mind a dugattyús, mind a gázturbinás motorok hatékonyak a helyszíni munkavégzés során.
Ezen okok miatt a szubszonikus sugárhajtású hajtóművek versenyképtelennek bizonyultak más típusú repülőgép-hajtóművekkel összehasonlítva, és jelenleg nem gyártják őket tömegesen.
A szuperszonikus ramjet hajtóműveket (SPVRD) az 1 < M < 5 Mach tartományba eső repülésekre tervezték .
A szuperszonikus gázáramlás lassulása mindig szakaszosan (ugrásszerűen) történik - lökéshullám, más néven lökéshullám kialakulásával . A lökéshullámfronton a gázsűrítés folyamata nem izentropikus, ennek következtében visszafordíthatatlan mechanikai energiaveszteségek mennek végbe benne, és a nyomásnövekedés mértéke is kisebb, mint egy ideális izentropikus folyamatban. Minél intenzívebb a lökés, vagyis minél nagyobb az áramlási sebesség változása az elején, annál nagyobb a nyomásveszteség, amely meghaladhatja az 50%-ot.
A nyomásveszteség minimalizálható, ha a kompressziót nem egy, hanem több (általában legfeljebb 4) kisebb intenzitású, egymást követő lökéshullámban szervezzük meg, amelyek mindegyike után (az utolsó kivételével) az áramlási sebesség csökken, szuperszonikus marad. Ez akkor lehetséges, ha az összes ütés (az utolsó kivételével) ferde , amelynek eleje az áramlási sebességvektorhoz hajlik (ferde lökéshullám jön létre, amikor a szuperszonikus áramlás olyan akadályba ütközik, amelynek felülete ferde a levegő áramlási sebességvektorához ). Az ugrások között az áramlási paraméterek állandóak maradnak. Az utolsó ugrásnál (mindig közvetlen - a légáramlási sebességvektorra normálisan) a sebesség szubszonikussá válik, és a táguló diffúzorcsatornában folyamatosan további lassulás és légsűrítés következik be.
Ha a motor bemeneti nyílása a zavartalan áramlási zónában található, például a repülőgép orrának végén vagy a konzolon kellő távolságra a törzstől, akkor tengelyszimmetrikus és központi testtel van felszerelve - egy hosszú éles "kúp" " kiálló a héjból, amelynek célja egy ferde lökéshullámok rendszerének létrehozása a szembejövő áramlásban, amely fékezést és a levegő összenyomását biztosítja még azelőtt, hogy az belépne a bemeneti eszköz csatornájába - az úgynevezett külső kompresszió . Az ilyen bemeneteket kúpos áramlású eszközöknek is nevezik , mivel a légáramlás rajtuk kúpos. A kúpos központi test felszerelhető mechanikus hajtással, amely lehetővé teszi a motor tengelye mentén történő elmozdítását, ezáltal optimalizálva a légáramlás lassítását különböző repülési sebességeknél. Az ilyen beviteli eszközöket állíthatónak nevezzük.
Amikor a motort a törzs alsó (oldalsó) falára vagy a repülőgép szárnya alá, azaz elemeinek aerodinamikai hatásának zónájába telepítik, általában lapos, kétdimenziós áramlási bemeneti eszközöket használnak , amelyek téglalap alakúak. keresztmetszetű, központi test nélkül. A lökéshullámok rendszere a csatorna belső alakja miatt biztosított. Belső vagy vegyes kompressziós eszközöknek is nevezik őket , mivel a külső kompresszió ebben az esetben is részben megtörténik - az orr végén és/vagy a repülőgép szárnyának elülső élén kialakuló lökéshullámokban. Az állítható téglalap alakú bemeneti eszközök ékekkel rendelkeznek, amelyek megváltoztatják helyzetüket a csatornán belül.
A szuperszonikus sebességtartományban a ramjet sokkal hatékonyabb, mint a szubszonikusban. Például ideális sugárhajtóműnél M = 3 sebességnél a nyomásnövekedés mértéke az (1) képlet szerint 36,7, ami összemérhető a turbómotorok legnagyobb nyomású kompresszorainak teljesítményével és az elméleti termikus hatásfokkal. a (2) képlethez, eléri a 64,3%-ot. A valódi ramjeteknél ezek az értékek alacsonyabbak, de még a veszteségeket is figyelembe véve, a 3-tól 5-ig terjedő repülési Mach-szám tartományban a ramjet-ek hatékonysága jobb, mint az összes többi típusú ramjet.
A szembejövő légáram fékezésekor nem csak összenyomódik, hanem fel is melegszik, abszolút hőmérsékletét teljes fékezéskor (izentropikus folyamatban) a következő képlettel fejezzük ki:
(négy)ahol T o a környező zavartalan áramlás hőmérséklete. M = 5 és T o = 273 K mellett (ami 0 °C - nak felel meg) a késleltetett munkaközeg hőmérséklete eléri a 1638 K -t, M = 6-2238 K - nál , és figyelembe véve a súrlódást és az ütéseket a valós folyamatban, ez még magasabb. Ugyanakkor a munkafolyadéknak a tüzelőanyag elégetése miatti további melegítése problémássá válik a motort alkotó szerkezeti anyagok hőstabilitásának korlátai miatt. Ezért az M = 5 -nek megfelelő sebességet tekintjük az SPVRD határértékének.
A hiperszonikus ramjet ( scramjet , angol kifejezés scramjet ) egy M = 5 feletti repülési sebességgel üzemelő ramjet (a felső határ nincs pontosan beállítva).
A 21. század elején ez a motortípus kísérleti jellegű: nincs egyetlen olyan modell sem, amely átment a repülési teszteken, megerősítve a tömeggyártás gyakorlati megvalósíthatóságát.
A légáramlás lassulása a scramjet bemenetében csak részben következik be, így a munkaközeg mozgása az út hátralévő részében szuperszonikus marad. Ebben az esetben az áramlás kezdeti kinetikus energiájának nagy része megmarad, és a kompresszió utáni hőmérséklet viszonylag alacsony, ami lehetővé teszi jelentős hőmennyiség átadását a munkaközegnek. A scramjet áramlási része a bemeneti eszköz után teljes hosszában kitágul. Az üzemanyagot a motor áramlási útvonalának falairól vezetik be a szuperszonikus áramlásba. A tüzelőanyag szuperszonikus áramlásban történő elégetése következtében a munkaközeg felmelegszik, kitágul és felgyorsul, így kilégzési sebessége meghaladja a repülési sebességet.
A motort sztratoszférában történő repülésekre tervezték . A scramjet hajtóművel felszerelt repülőgép lehetséges célja az újrafelhasználható űrhajóhordozó legalsó fokozata.
A tüzelőanyag égetésének megszervezése szuperszonikus áramlásban az egyik fő probléma a scramjet létrehozásában.
Számos scramjet fejlesztési program létezik a különböző országokban, mindegyik az elméleti kutatás vagy a tervezés előtti kísérletek szakaszában.
A ramjet hajtómű alacsony repülési sebességnél nem működik, különösen nulla sebességnél. A hatásos kezdeti sebesség eléréséhez az ezzel a hajtóművel rendelkező eszköznek segédhajtásra van szüksége, amelyet például szilárd rakétaerősítő , vagy hordozó repülőgép (gyorsító repülőgép) biztosíthat, amelyből az eszköz egy sugárhajtású elindul.
A ramjet alacsony repülési sebességnél való hatástalansága miatt gyakorlatilag nem alkalmazható nem nukleáris meghajtó rendszerrel rendelkező, emberes repülőgépeken [2] , de pilóta nélküli repülőgépeken, beleértve a harci (különösen a cirkáló rakétákat ), eldobható, 2 sebességtartományban repülő repülőgépeken. < M < 5 , egyszerűsége, alacsony költsége és megbízhatósága miatt előnyösebb. Ezenkívül a sugárhajtású hajtóműveket repülő célokra is használják. A ramjet fő versenytársa ebben a résben a rakétamotor .
"Yakhont" (Oroszország) hajók elleni cirkálórakéta.
BrahMos hajóellenes cirkálórakéta (India-Oroszország)
2P24 hordozórakéta a Krug légvédelmi rendszer részeként , két 3M8 rakétával (Oroszország)
P-270 Moskit hajó elleni cirkálórakéta (Oroszország)
SAM CIM-10 Bomarc (USA)
SAM Bristol véreb (Egyesült Királyság)
SAM RIM-8 Talos szállítása ( USA)
Meteor levegő-levegő rakéta (EU)
Az 1950-es évek második felében, a hidegháború idején az Egyesült Államokban és a Szovjetunióban atomreaktoros ramjeteket fejlesztettek ki.
Ezeknek a sugárhajtóműveknek az energiaforrása (a többi sugárhajtóművel ellentétben) nem a tüzelőanyag elégetésének kémiai reakciója, hanem az atomreaktor által a munkaközeg fűtőkamrájában termelt hő. Az ilyen ramjet bemeneti nyílásából származó levegő áthalad a reaktormagon, lehűti, üzemi hőmérsékletre (kb. 3000 K ) felmelegíti magát, majd a legfejlettebbek kipufogógázaihoz hasonló sebességgel áramlik ki a fúvókán. vegyi rakétahajtóművek [3] . Az ilyen motorral rendelkező repülőgép lehetséges céljai:
Mindkét országban kompakt, alacsony erőforrású atomreaktorokat hoztak létre, amelyek belefértek egy nagy rakéta méretébe. Az Egyesült Államokban a Plútó és a Tory nukleáris sugárhajtású kutatási programok keretében 1964-ben végezték el a Tory-IIC nukleáris sugárhajtású hajtómű tűzpróbáját (teljes teljesítményű üzemmód 513 MW 5 percig 156 kN tolóerővel ). Repülési teszteket nem végeztek, a programot 1964 júliusában lezárták. A program lezárásának egyik oka a kémiai rakétahajtóművekkel ellátott ballisztikus rakéták tervezésének fejlesztése, amely teljes mértékben biztosította a harci küldetések megoldását viszonylag drága nukleáris sugárhajtóműves sémák alkalmazása nélkül.
Mindazonáltal egy nukleáris sugárhajtású sugárhajtómű ígéretes egylépcsős légi űrrepülőgépek és nagysebességű interkontinentális nehézszállító repülések meghajtórendszereként. Ezt megkönnyíti egy olyan nukleáris sugárhajtómű létrehozásának lehetősége, amely képes szubszonikus és nulla repülési sebességgel működni rakétahajtómű üzemmódban, fedélzeti munkafolyadék-készletek felhasználásával. Vagyis például egy nukleáris sugárhajtású űrrepülőgép elindul (beleértve a felszállást is), fedélzeti (vagy külső) tartályokból szállítja a munkafolyadékot a hajtóművekhez, és miután már elérte az M = 1 sebességet , átvált atmoszférikus levegő használatára. .
Oroszországban V. V. Putyin elnök 2018 elején tett nyilatkozata szerint „sikeresen fellőttek egy cirkáló rakétát egy atomerőművel ”. [négy]
Motorok | |||||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| |||||||||||||||||
| |||||||||||||||||
| |||||||||||||||||
| |||||||||||||||||
| |||||||||||||||||
| |||||||||||||||||
Lásd még örökmozgó Fogaskerék motor gumi motor |