Аспирант Макс Черн внимательно изучает аэродинамическую трубу, где исследователи из Школы инженерии и прикладных наук Университета Вирджинии продемонстрировали, что управление двухрежимным прямоточным воздушно-реактивным двигателем с помощью оптического датчика возможно. Фото предоставлено: Венде Уитмен, UVA Engineering
Что, если будущее космических путешествий будет меньше похоже на ракетный корабль Space-X, а больше на Hyper-X НАСА, сверхзвуковой реактивный самолет, который летал быстрее, чем любой другой самолет 20 лет назад в этом году?
В 2004 году заключительные испытания беспилотного прототипа НАСА X-43A ознаменовали веху в новейшей эпохе развития реактивных самолетов — переход от прямоточных воздушно-реактивных двигателей к более быстрым и эффективным прямоточным воздушно-реактивным двигателям. Во время последнего испытания в ноябре того же года был достигнут мировой рекорд скорости, которого раньше могла достичь только ракета: 10 Маха. Скорость в десять раз превышает скорость звука.
НАСА смогло получить много полезных данных в ходе испытаний, как и ВВС шесть лет спустя в ходе аналогичных испытаний X-51 Waverider до того, как прототипы упали в море.
Хотя проверка концепции гиперзвука прошла успешно, технология была далека от готовности к использованию. Задача заключалась в обеспечении управления двигателем, поскольку технология была основана на устаревших сенсорных подходах.
Однако этот месяц принес некоторую надежду на возможных преемников серии X-Plane.
В новом исследовании исследователи из Школы инженерии и прикладных наук Университета Вирджинии опубликовали в июньском номере журнала Aerospace Science and Technology данные, которые впервые показывают, что поток воздуха в сверхзвуковых двигателях можно контролировать с помощью оптического датчика. Эти результаты могут привести к более эффективной стабилизации сверхзвуковых реактивных самолетов.
Кроме того, исследователям удалось адаптивно управлять прямоточным воздушно-реактивным двигателем, что представляет собой еще одну инновацию в области гиперзвуковых двигателей. Адаптивные системы управления двигателем реагируют на изменения в динамике, поддерживая оптимальную общую производительность системы.
«Одним из наших национальных аэрокосмических приоритетов с 1960-х годов было создание одноступенчатых самолетов, которые летали бы в космос горизонтально, как обычные самолеты, и приземлялись на землю, как обычные самолеты», — сказал профессор Кристофер Гойн, директор Лаборатории аэрокосмических исследований UVA, где проводятся исследования. имело место.
«SpaceX Starship на данный момент является самым современным самолетом. Он имеет две ступени с вертикальным взлетом и посадкой. Однако для оптимизации безопасности, комфорта и возможности повторного использования космическое сообщество хотело бы построить что-то более похожее на Боинг 737».
Гойн и его соавтор Хлоя Дедик, доцент кафедры инженерных наук UVA, полагают, что оптические датчики могут сыграть важную роль в уравнении управления.
«Нам казалось логичным, что для самолетов, работающих на гиперзвуковых скоростях 5 Маха и выше, может быть предпочтительнее использовать датчики, которые работают ближе к скорости света, чем к скорости звука», — сказал Гойн.
Среди других членов команды были аспирант Макс Черн, который был первым автором статьи, а также бывший аспирант Эндрю Ванчек, аспирант Лори Элковиц и старший научный сотрудник UVA Роберт Роквелл.
Остановка «отмены запуска», чтобы сохранить контроль
НАСА уже давно пытается предотвратить так называемый «отказ», который может произойти с ГПВРД. Этот термин описывает внезапное изменение воздушного потока. Название происходит от специального испытательного комплекса, называемого сверхзвуковой аэродинамической трубой, где «старт» означает, что ветер достиг желаемых сверхзвуковых условий.
UVA имеет несколько сверхзвуковых аэродинамических труб, в том числе установку сверхзвукового сгорания UVA, которая может имитировать условия работы двигателя сверхзвукового транспортного средства, движущегося со скоростью, в пять раз превышающей скорость звука.
«Мы можем часами проводить испытания и экспериментировать с новыми датчиками расхода и подходами к управлению с реалистичной геометрией двигателя», — сказал Дедич.
Гойн объяснил, что «ГПВРД», сокращение от ПВРД сверхзвукового сгорания, основаны на технологии ПВРД, которая используется уже много лет.
Прямоточные воздушно-реактивные двигатели по сути «проталкивают» воздух в двигатель, используя движение самолета вперед для создания температуры и давления, необходимых для сжигания топлива. Они работают в диапазоне от 3 до 6 Маха. По мере сужения воздухозаборника в передней части самолета скорость воздуха внутри прямоточного воздушно-реактивного двигателя снижается до дозвуковых скоростей. Однако сам самолет этого не делает.
Однако с ГПВРД все немного по-другому. Хотя они также «дышат воздухом» и имеют те же основные функции, они должны поддерживать сверхбыстрый поток воздуха через двигатель, чтобы достичь сверхзвуковых скоростей.
«Если что-то произойдет в гиперзвуковом двигателе и внезапно возникнут дозвуковые условия, это остановка запуска», — сказал Гойн. «Тяга внезапно уменьшится, и в этот момент может быть трудно возобновить впуск».
Самолет-носитель НАСА B-52B летит на испытательный полигон над Тихим океаном 16 ноября 2004 года с третьим и последним кораблем X-43A, прикрепленным к ракете Pegasus. Фото предоставлено: НАСА
Испытание двухрежимного прямоточного двигателя.
Как и в случае с прямоточными воздушно-реактивными двигателями, прямоточные воздушно-реактивные двигатели в настоящее время требуют дальнейшего усиления, чтобы достичь скорости, при которой они смогут поглощать достаточно кислорода для работы. Это может включать крепление к нижней части самолета-носителя или ракетного двигателя.
Последней инновацией является двухрежимная горелка с прямоточным воздушно-реактивным двигателем, испытанная в рамках проекта UVA. Двойной двигатель запускается в прямоточном воздушно-реактивном режиме при меньших числах Маха, а затем переключается на полный сверхзвуковой поток воздуха в камере сгорания на скоростях выше 5 Маха.
Крайне важно не допустить выхода двигателя из строя во время этого перехода.
Набегающий ветер реагирует со стенками воздухозаборника в виде серии ударных волн, называемых «последовательностью ударных волн». Традиционно передняя кромка этих волн, способных разрушить целостность самолета, контролировалась датчиками давления. Машина может адаптироваться, например, путем изменения положения ударной волны.
Однако положение передней кромки ударной струны может быстро измениться, когда возмущения полета изменяют динамику в воздухе. Ударная передача может создавать давление на впуске, создавая условия для потери запуска.
«Если вы ощущаете скорость звука, но двигательные процессы происходят быстрее скорости звука, у вас не будет очень большого времени реакции», — сказал Гойн.
Он и его коллеги задались вопросом, можно ли вместо этого предсказать предстоящий запуск, наблюдая за свойствами пламени двигателя.
Захватите спектр пламени
Для обратной связи, необходимой для управления передней кромкой амортизатора, команда решила использовать датчик оптической эмиссионной спектроскопии.
Оптический датчик больше не ограничивается информацией, полученной на стенках двигателя, как датчики давления, но может обнаруживать незначительные изменения как в двигателе, так и в пути потока. Инструмент анализирует количество света, излучаемого источником (в данном случае реагирующими газами в горелке ГПВРД), а также другие факторы, такие как положение и спектральный состав пламени.
«Свет, излучаемый пламенем в двигателе, возникает в результате релаксации молекулярных частиц, которые возбуждаются в процессе сгорания», — объяснил Эльковиц, один из аспирантов. «Различные виды излучают свет разной энергии или цвета, предоставляя новую информацию о состоянии двигателя, которая не фиксируется датчиками давления».
Демонстрация команды в аэродинамической трубе показала, что управление двигателем может быть как прогнозирующим, так и адаптивным, обеспечивая плавный переход между операциями прямоточного и прямоточного воздушно-реактивного двигателя.
Фактически, испытания в аэродинамической трубе стали первым в мире доказательством того, что адаптивное управление этим типом двигателя двойного назначения может быть достигнуто с помощью оптических датчиков.
«Мы были очень рады продемонстрировать роль, которую оптические датчики могут играть в управлении будущими гиперзвуковыми транспортными средствами», — сказал ведущий автор Черн. «Мы продолжаем тестировать конфигурации датчиков, работая над прототипом, который оптимизирует объем и вес упаковки для условий полета».
Строительство будущего
Хотя многое еще предстоит сделать, оптические датчики могут стать частью будущего, которое, по мнению Гойна, станет реальностью при его жизни: путешествия в космос и обратно, как на самолете.
Двухрежимным ГПВРД все равно потребуется какой-то наддув, чтобы разогнать самолет как минимум до 4 Маха. Однако это потребует дополнительной безопасности, поскольку не будет полагаться исключительно на ракетную технику, которая должна будет нести легковоспламеняющееся топливо в дополнение к большому количеству химических окислителей для сжигания топлива.
Уменьшение веса позволит создать больше места для пассажиров и полезной нагрузки.
Такой универсальный самолет, который мог бы вернуться на Землю, как когда-то космические челноки, мог бы даже предложить идеальное сочетание экономической эффективности, безопасности и возможности повторного использования.
«Да, я думаю, что это возможно», — сказал Гойн. «Хотя коммерческая космическая отрасль смогла снизить затраты за счет повторного использования, она еще не способна выполнять операции, подобные самолетам. Наши выводы потенциально могут опираться на легендарную историю Hyper-X и сделать его доступ в космос более безопасным, чем нынешние ракетные технологии».
Информация от: Университетом Вирджинии
