Прямоточные двигатели будущего

Прорыв к массовым гиперзвуковым полетам придет с появлением специального двигателя для них

Долгий полет во много раз быстрее звука сулит много плюсов; путь к нему лежит через создание эффективного прямоточного двигателя. Но этот орешек необычайно тверд, и расколоть его крайне непросто. К решению сложнейшей задачи разработчики идут разными путями с нескольких направлений. Об их шагах сегодня расскажет наш материал.

Проект
гиперзвукового
самолета
Lockheed SR-72

Проект гиперзвукового самолета Lockheed SR-72

Фото: Lockheed

Проект гиперзвукового самолета Lockheed SR-72

Фото: Lockheed

Работа прямоточного двигателя

Прямоточный воздушно-реактивный двигатель, ПВРД — открытая труба, узкая в середине, где горит огонь. Мы уже говорили о нем в материале «Гиперзвуковая крылатая ракета и ее скачки». Летящий в двигатель встречный воздух не знает лопаток компрессора; лишь скоростной напор гонит поток внутрь. Сужение входного канала сжимает воздух до нужных для горения параметров. Дальше в него добавляется и сжигается топливо. Полученный сильный, на пару тысяч градусов, разогрев потока работает дальше, внутри реактивного сопла, разгоняя струю для реактивной силы тяги.

Сжатие входящего потока — вот условие горения. А трудно ли сжать воздух? Как он сжимается скоростью? Оказывается, по-разному. И отличия эти не в разы, а в десятки и сотни раз. Линией перемены характера сжатия воздуха пролегает скорость звука в нем. Именно в этом конкретном воздухе, ведь скорость звука не постоянна. В жару она растет, в морозе падает; поэтому границей смены характера сжатия берут местную скорость звука для данных условий.

Все, что быстрее нее,— сверхзвуковое, все медленнее — дозвуковое: течение, скорость полета, тело, конструкция. Дозвуковой поток, обтекая препятствие, сжимается на нем мало. На низких скоростях воздух обтекает тело почти не сжимаясь. При половине скорости звука поток сжимается на 30–50%, а при 0,8 скорости звука сжатие достигает 70–80%. Но за скоростью звука воздух словно теряет упругость и начинает сжиматься многократно, в разы и многие десятки раз. Сверхзвук — мощный сжиматель, уплотняющий поток без ограничений.

Зачем сжимать воздух в двигателе? Литр сжатого воздуха содержит больше кислорода. И в нем можно сжечь больше горючего и получить больше тепла. В обильном кислороде многократно сжатого воздуха отлично горят самые разные топлива (так, по-авиационному, мы дальше будем называть горючее).

Дозвуковые прямоточники мало эффективны из-за слабого сжатия. Гораздо лучше сверхзвуковые прямоточные двигатели: входящий поток может сжаться в разы и десятки раз. Была бы достаточная скорость и сужающаяся конфигурация входящей части — конфузора.

Входящий воздух втискивается, вжимается силами инерции в его воронку, и это замедляет поток. Сжатие его идет за счет уменьшения скорости и кинетической энергии потока. Часть ее переходит в потенциальную энергию сжатия и тепловую энергию нагрева. Чем больше замедление, тем сильнее сжатие и нагрев. Минус неизбежные газодинамические потери, всегда уменьшающие реальные сжатие и нагрев ниже расчетных для идеального газа.

Сверхзвуковой воздухозаборник врезается в поток острыми кромками, за которыми косо тянутся внутрь и наружу скачки уплотнения. В них воздух мгновенно сжимается и дальше течет уже сжатым. Эффективно, если в горловину воздухозаборника попадает лишь сжатый этими скачками воздух. Угол, под которым они отклоняются назад, зависит от скорости полета. Поэтому ее изменение затронет и картину сжатия в конфузоре. Чтобы оптимально подстраивать сжатие под изменившуюся скорость полета, сверхзвуковой воздухозаборник должен быть управляемым. Как это действует технически, оставим за рамками рассказа. Отметим, что управление геометрией входа поддерживает нужные параметры потока в двигателе при слегка разных режимах движения, неизбежных в реальном полете.

Итак, сверхзвуковой поток тормозится в конфузоре. Он может замедлиться ниже скорости звука. Тогда течение в этой части двигателя станет дозвуковым. В нем будут отлично работать обычные самолетные камеры сгорания и дальше сопло обычного турбореактивного двигателя. В сужении сопла поток вернется к скорости звука, затем станет сверхзвуковым и разгонится в расширении сопла. Сверхзвуковая струя создаст реактивную тягу. Это СПВРД — сверхзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель, со сверхзвуком на входе и выходе и дозвуком в середине.

Он работает в сверхзвуковых ракетах, зенитных и крылатых. Выгодно отличаясь от дозвукового ПВРД эффективным сверхзвуковым сжатием, он проигрывает другому двигателю. У которого нет дозвуковой области, а поток в любом месте проточной части сверхзвуковой, хотя и разной скорости.

Дозвуковая зона СПВРД создает главный минус: ее начало — прямой (перпендикулярный течению) и мощный скачок уплотнения, завершающий зону сверхзвука. В нем наибольшие газодинамические потери энергии потока, снижающие эффективность двигателя. Физически это понятно: перевод сверхзвукового течения в дозвук и затем опять разгон до сверхзвука похож на топтание на месте.

Американская аэрокосмическая компания Hermeus
разрабатывает гиперзвуковой самолет Darkhorse,
оснащенный ГПВРД

Американская аэрокосмическая компания Hermeus разрабатывает гиперзвуковой самолет Darkhorse, оснащенный ГПВРД

Фото: Hermeus

Американская аэрокосмическая компания Hermeus разрабатывает гиперзвуковой самолет Darkhorse, оснащенный ГПВРД

Фото: Hermeus

Если скорость входящего потока вырастет до 6–7 скоростей звука, до гиперзвуковых скоростей, то нужное для горения сжатие в двигателе получится при еще сверхзвуковом течении внутри. Сильнее сжимать и тормозить поток незачем. Остается сжечь в нем топливо и разогнать горячий газ в раструбе сверхзвукового сопла. Такой двигатель называют гиперзвуковым прямоточным воздушно-реактивным двигателем, или ГПВРД.

И тут скажется потеря главного плюса дозвуковой зоны СПВРД: в ней факел за форсункой горит хорошо и устойчиво. Физика горения базируется на обычной теплопроводности и турбулентности, вместе передающих нагрев и огонь слоям топливовоздушной смеси. Это позволяет в целом легко управлять горением и работой двигателя.

Сверхзвуковое горение другое. Сверхзвук безжалостно сносит по потоку привычные формы пламени. Теплопроводность от факела не успевает нагреть слои смеси для зажигания, они улетают в сопло несгоревшими. Вверх по сверхзвуковому потоку идет лишь детонация, ударно-волновая форма горения. Скачок уплотнения сверхзвуковой ударной волны нагревает смесь сжатием до зажигания. Топливо сгорает сразу за скачком. Уравняв скорости потока и волны, можно «закрепить» волну в одном участке канала, который станет камерой сгорания.

Проблемы устойчивости горения и работы ГПВРД

Управлять таким горением весьма непросто. Виной этому сверхзвуковая скорость потока, очень короткое пребывание смеси в камере сгорания и время горения, десятитысячная доля секунды и меньше. А управлять горением нужно еще быстрее. То есть поддерживать нужные значения комплекса взаимосвязанных параметров потока: скорость, плотность, давление, температуру и концентрацию топлива.

Топливная смесь создается не мгновенно. За форсунками тянутся зоны разных концентраций топливовоздушной смеси. В потоке они образуют пространственное распределение топлива. Как по ним пойдет детонационная волна горения? Ее фронт искривится в разбросе параметров смеси, станет неустойчивым. Как успеть отреагировать созданием смеси на нерасчетное изменение фронта детонационной волны?

Вопрос начинается с того, как увидеть в потоке отклонения от заданного и успеть оценить необходимость коррекции распыления топлива. Происходящее в сердцевине течения не сразу приходит на его края, стенки канала и датчики на них. Пока волна изменений из центра потока дойдет до стенки и датчика, огромная скорость снесет негативные отклонения в зону горения, погасив его.

Гиперзвуковой аппарат NASA Х-43A,
впервые разогнавшийся своим гиперзвуковым прямоточным
двигателем до скорости М=9,6 на высоте более 30 км

Гиперзвуковой аппарат NASA Х-43A, впервые разогнавшийся своим гиперзвуковым прямоточным двигателем до скорости М=9,6 на высоте более 30 км

Фото: NASA

Гиперзвуковой аппарат NASA Х-43A, впервые разогнавшийся своим гиперзвуковым прямоточным двигателем до скорости М=9,6 на высоте более 30 км

Фото: NASA

А при скорости течения в двигателе в 5 раз и больше быстрее звука сгорание станет гиперзвуковым. Пусть входящий поток в 10 раз быстрее звука теряет на сжатие 4 скорости звука, тогда 6 скоростей звука останутся в проточной части. Чем выше скорость полета, тем больше останется от нее в двигателе после затрат сжатия. Зачем лишние торможение и сжатие, если в полученном потоке уже можно жечь топливо?

В самой скоростной и высотной лиге ГПВРД во всей проточной части поток останется гиперзвуковым. И это будет самым экономичным для больших высот и скоростей. Течение в двигателе в 5 раз быстрее звука соответствует полету аппарата от 8 до 17 раз быстрее звука (Подробнее об особенностях гиперзвукового полета и обтекания в нашем материал «Есть ли будущее у гиперзвуковой авиации»).

Гиперзвуковое течение — чрезвычайно сложное взаимосвязанное месиво очень многих процессов. В нем не работают базовые законы для идеального газа: он уже не идеальный. Начинают править бал неравновесные состояния. Это быстро меняющиеся переходные и другие процессы, которые обычно малы в нашем статическом мире. Они вызываются к жизни коротким временем происходящего и на его фоне становятся значимы. Ведь процессы в порции гиперзвукового потока проходят через камеру сгорания быстрее десятитысячной доли секунды. Неравновесные и переходные состояния успевают на этом масштабе времени проявиться целым комплексом, определяющим картину течения.

Гиперзвуковая мешанина взаимосвязанных физических и химических процессов похожа на плотную ткань многих быстротекущих и неравновесных состояний. Эта пространственная ткань мелко трепещет в миллисекундных изменениях и колышется волнами всех форм и размеров. Подействовать на нее в одном месте и получить заданный эффект в другом очень сложно. Управляющее действие размазывается хаотичным высокочастотным дрожанием миллиона процессов в нечеткий результат, который выйдет таким же размытым — нерасчетным.

Все это делает крайне трудным создание гиперзвукового двигателя. Тут и сложность расчетов месива процессов, и проблема быстрого контроля ситуации в потоке. Сперва сигнал идет до датчиков, потом нужны молниеносные вычисления, потом молниеносное исполнение команд топливной системой, и все это опоздает. Форсунки отработают по уже изменившейся ситуации, верно прогнозировать которую не удается из-за массы меняющихся процессов и состояний, в значительной части хаотических.

Но оседлать полет на высоте 30–40 км со скоростью в 10–15 раз быстрее звука дело заманчивое. Его применение и боевое, и разведка, и пассажиры, и многое другое. Поэтому над гиперзвуковыми двигателями работают неотступно. И ищут решения, ведущие к эффективной работе ГПВРД.

Гиперзвуковая экспериментальная ракета Boeing X-51
Waverider под крылом стратегического
бомбардировщика B-52

Гиперзвуковая экспериментальная ракета Boeing X-51 Waverider под крылом стратегического бомбардировщика B-52

Фото: wikipedia.org

Гиперзвуковая экспериментальная ракета Boeing X-51 Waverider под крылом стратегического бомбардировщика B-52

Фото: wikipedia.org

Трансформность проточной части

Как мы помним, управляемый воздухозаборник оптимизирует вход сверхзвукового потока в двигатель. Особенности сужения проточной части задают сжатие, иногда разбиваемое на ряд скачков уплотнения — так меньше суммарные газодинамические потери. Геометрия камеры сгорания и расширения сопла (сужения у него нет, ведь течение уже сверхзвуковое) нацелены на оптимальность горения и максимальный разгон потока.

Но на разных высотах сочетания скорости и плотности встречного потока будут разными. Подстраивать под текущие условия лучше всю проточную часть двигателя: и сужение конфузора, и геометрию камеры сгорания, и реактивного сопла. Это называется трансформность проточной части, или адаптивность конфигурации двигателя. Как сделать ее технически — вопрос разработок, конкретика которых не раскрывается в прессе.

Например, в Университете центральной Флориды (UCF) по гранту ($0,45 млн) от Военно-морской исследовательской лаборатории работают над гиперзвуковым двигателем, меняющим конфигурацию в полете для оптимизации работы. Руководит проектом Карим Ахмед, профессор кафедры машиностроения и аэрокосмической техники UCF, один из мэтров в области гиперзвуковых двигателей.

Двухрежимный прямоточный двигатель

У ГПВРД есть важное требование: первичный разгон до гиперзвуковой скорости, после чего начнется устойчивая работа двигателя. Нужно мощное разгонное сверхзвуковое средство, выводящее ГПВРД в рабочий режим.

Эту проблему решит специальный двухрежимный ГПВРД, у которого перед камерой сгорания есть отдельная зона с дозвуковым течением. С ней двигатель работает сверхзвуковым СПВРД. С разгоном до гиперзвука работа дозвуковой части прекращается, и двигатель переходит в режим ГПВРД.

Эту тему исследует Университет штата Вирджиния за деньги NASA; делом руководит директор лаборатории профессор Кристофер Гойн. Согласно результатам, изложенным в научной базе ScienceDirect, переключение из сверхзвукового в гиперзвуковой режим идет плавно и без перерывов.

Проект гиперзвуковой ударной крылатой ракеты (HACM)
с ГПВРД для ВВС, разработка Raytheon Missiles & Defense
в партнерстве с Northrop Grumman

Проект гиперзвуковой ударной крылатой ракеты (HACM) с ГПВРД для ВВС, разработка Raytheon Missiles & Defense в партнерстве с Northrop Grumman

Фото: Raytheon Missilese & Defense

Проект гиперзвуковой ударной крылатой ракеты (HACM) с ГПВРД для ВВС, разработка Raytheon Missiles & Defense в партнерстве с Northrop Grumman

Фото: Raytheon Missilese & Defense

Мгновенная передача данных из потока

Другой вероятный прорыв. Мгновенная передача данных из потока возможна со скоростью света и с помощью света. Излучение из течения модулировано деталями в нем: особенности горячего течения видны в выходящем оттуда свете. Особенности спектра, частоты пульсаций, скорость их изменений могут много рассказать о происходящем в потоке. И не только свое излучение: через газ в двигателе можно пустить луч лазера, он соберет много информации. Нужно научиться чтению оптического сигнала, и он сообщит данные из потока со скоростью света, технически мгновенно.

Этим занимается та же группа Кристофера Гойна из Вирджинского университета. Для контроля процессов используют оптические эмиссионные спектрометры, смотрящие в зону горения. Им удается видеть мельчайшие изменения внутри двигателя без задержки времени.

Стабилизированная детонация

Детонация очень быстрый процесс. Скачок волны мгновенно, за десятимиллиардную долю секунды, сжимает горючую смесь до зажигания. Сгорание дает энергию для сверхзвукового движения волны. Детонация очень отзывчива на изменения плотности, давления, температуры, концентрации. Ее фронт мгновенно реагирует на мельчайшие изменения смеси, замедляясь или улетая вперед, в том числе по более медленному пограничному слою у стенок камеры. Получить стабильную детонационную волну чрезвычайно сложная задача.

Но скачок уплотнения в сверхзвуковом потоке можно создать иначе, просто выставив в поток небольшое препятствие, скажем, выступ стенки канала. На нем появится и косо протянется дальше по течению скачок уплотнения, со сжатием и нагревом. И если перед ним в воздух добавить немного топлива, то от сжатия скачка оно будет сгорать. Получится косая детонационная волна, из-за обедненности топливной смеси не настолько мощная, чтобы самоходом идти вперед по потоку.

За счет сгорания небольших порций топлива в косой детонационной волне растут температура и давление. Выделение энергии меньше, чем в обычной детонационной волне, зато косая волна не связана со скоростью детонации и «привязана» к выступу в потоке, стабильно располагаясь в одном месте камеры сгорания. А полученное тепловыделение может обеспечить гиперзвуковой полет. Успешные работы по сжиганию водорода в стабилизированной косой детонационной волне провел в 2021 году известный нам профессор Карим Ахмед в Лаборатории исследований движения и энергетики UCF.

Новые подходы к управлению

Они возникают и в расчете управляющих команд. В молниеносности происходящего нужна какая-то отдушина, хоть немного больше времени, чтобы понять детали процесса и верно рассчитать команды управления. Такой отдушиной может быть прогноз. Он не нужен абсолютно точным и полным. Главное, чтобы он позволял верно управлять процессами в двигателе. И пусть годный прогноз формируется на сотые доли секунды вперед от настоящего, это дает фору управлению газодинамикой двигателя.

Здесь очевидно обращение к возможностям искусственного интеллекта. По текущим параметрам потока ИИ делает прогнозы состояний на разные отрезки времени вперед. Чем короче отрезок и ближе прогнозируемое будущее, тем выше точность прогноза. Сравнивая картину прогнозов и реальности, ИИ учится повышать точность прогнозов. Так можно использовать текущие измерения и прогнозы в едином процессе управления, составляя из них общие математические конструкции, решением которых будут верные управляющие команды.

Этим направлением занимаются, например, в Китае, в Юго-Западном университете науки и технологий, и Китайском центре аэродинамических исследований и разработок. В публикациях их специалистов отмечается: «Для прогнозирования сложных пространственно-временных характеристик структур полей потока Ли и др. предложили архитектуру пространственно-временного прогнозирования на основе нейронной сети FCNN, которая использует давление на стенке на предыдущем временном шаге для прогнозирования будущих параметров потока сверхзвукового каскада. Подобно модели с уменьшенным порядком на основе машинного обучения (ML-ROM 4) FCNN вводит в модель большую краткосрочную память, что приводит к максимальной относительной ошибке менее 4,4%, обеспечивая важную техническую поддержку для раннего прогнозирования состояния сгорания ГПВРД».

Швейцарско-французский стартап Destinus создает
прототип гиперзвукового аппарата с ГПВРД на водородном
топливе с целью начать к 2030 году гиперзвуковые
коммерческие перевозки

Швейцарско-французский стартап Destinus создает прототип гиперзвукового аппарата с ГПВРД на водородном топливе с целью начать к 2030 году гиперзвуковые коммерческие перевозки

Фото: Destinus

Швейцарско-французский стартап Destinus создает прототип гиперзвукового аппарата с ГПВРД на водородном топливе с целью начать к 2030 году гиперзвуковые коммерческие перевозки

Фото: Destinus

На электрической тяге

Электрические решения все больше заходят в транспорт. Электромобили, электрические мопеды и самокаты дополняются электрическими аэротакси и самолетами. Физика не запрещает и электрические ГПВРД.

Отбросим сравнения плотности запасаемой энергии в топливе и аккумуляторах: создание нужной емкости — повестка разработчиков. Нам интересна физика электрического ГПВРД, или ЭГПВРД. Разгонять электричеством можно по-разному. Например, получать рабочую концентрацию плазмы и разгонять ее магнитным полем в проточной части двигателя. А можно просто нагревать поток электроразрядом, подобно сжиганию топлива.

Электрический разряд в гиперзвуковом потоке встретит свои трудности. Возникающая ионизация, нужная для протекания нагревающего тока, будет сноситься гиперзвуковой скоростью течения. Но это же дает и возможность создать ионизированную «нитку», растянутую по течению. Конструкция электроразрядных систем может быть разной. Отдельной темой станет управление электронагревом потока: в чем его камни преткновения и возможные решения в физике и конструкции.

Воздушные космические

Пока про ЭГПВРД данных не видно, но рано или поздно электрическую тягу примерят на ГПВРД. Будущее покажет выбор физических схем электроразгона потока и их работу в конструкции. А сегодня создается особый тип электрических воздушных прямоточных двигателей. Устойчивых названий для них еще не сложилось, назовем их воздушными космическими двигателями.

Их прямоточность требует оговорок, а работа отличается от чистой газодинамики. Воздушный двигатель будет парадоксально действовать за границей атмосферы, в космосе. Граница на высоте 100 км (линия Кармана) условна. Атмосфера тянется намного выше, теряя плотность и меняя состав. На высоте 130 км она состоит больше из атомов кислорода и крайне разрежена. Чтобы набрать этих атомов для работы, надо «профильтровать» очень большое пространство.

Еще одна разработка Hermeus —
гиперзвуковой самолет
Halcyon c ГПВРД

Еще одна разработка Hermeus — гиперзвуковой самолет Halcyon c ГПВРД

Фото: Hermeus

Еще одна разработка Hermeus — гиперзвуковой самолет Halcyon c ГПВРД

Фото: Hermeus

Его покроет воздухозаборник спутника, летящего по VLEO — сверхнизкой околоземной орбите. За секунду он пройдет почти 8 км, собрав порцию кислородных атомов. Если их ионизировать (чтобы подчинить электромагнитному полю) и разогнать до 30–40 км/с, появится ощутимая реактивная тяга. Тогда импульс от разгона атомов в 3,8–5 раз превысит тормозящий импульс ударов этих атомов в воздухозаборник. Ведь встречный атом попадет в спутник со скоростью 7,9 км/с, а покинет его со скоростью 30–40 км/с. Разница составит 22–32 км/с; итоговый импульс (произведение своей массы на эту разницу) атом кислорода передаст аппарату. Чем больше атомов соберет воздухозаборник и выбросит сопло, тем больший суммарный импульс получит аппарат.

Такая схема интересна именно электрическим решением, ведь энергию могут давать солнечные батареи. А актуальность полета по сверхнизким орбитам быстро растет; создаются не только спутники обтекаемых форм из специальных материалов, стойких к потоку атомарного кислорода, но и двигатели для них. Мы рассказывали об этом в материале «Сверхнизкие орбиты: уникальные возможности и интрига освоения». Такие двигатели разрабатывают в разных странах.

Ими занимаются и в научно-исследовательском институте прикладной механики и электродинамики МАИ с участием коллег из МГУ. А российская компания «Экипо» показала лабораторный макет двигателя с ионной ловушкой открытого типа, работающего на остатках атмосферы. Работу над таким двигателем ведет Европейское космическое агентство. Американское DARPA в прошлом году выдало два контракта на разработку воздушных космических двигателей фирмам Electric Propulsion Laboratory и Phase Four. И заключило контракт с Redwire Corp в рамках программы Otter, должной стать главным интегратором создания воздушно-реактивного космического аппарата.

Разработки ускоряются

Гиперзвуковой полет еще далек от широкой практики, но заманчив для целого ряда применений. Ключевой элемент его освоения, эффективный гиперзвуковой двигатель, стал заветной целью разработчиков. Она штурмуется с разных направлений, и сегодня видны находки, ведущие к созданию серийных, а затем и массовых ГПВРД и транспортных средств с ними.

Прямоточные двигатели будущего покажут разные газодинамические решения и технические схемы; сегодня лишь прощупываются их конкретные черты. Интенсивный поиск решений развивает сразу ряд областей, от газодинамики и материаловедения до вычислительных методов и экспериментальной базы. Поэтому работы над гиперзвуковым прямоточником будущего так всесторонне интересны сегодня. И мало сомнений, что усилия ближайших лет дадут большие шаги к эффективным прямоточным двигателям будущего.

Николай Цыгикало, академик Российской инженерной академии