Авиация и космонавтика 2003 10

В качестве другого варианта упрощения разгонных установок предлагалось использовать электродуговые нагреватели водорода с каскадной его подачей в ствол вслед разгоняющемуся снаряду. Важной особенностью этой пушки, как и предыдущей, является отсутствие нагнетательной трубы и относительно низкое рабочее давление. Созданный фирмой GT-Devices экспериментальный образец такой установки в лабораторных условиях обеспечил разгон снарядов массой 1,8 г до скорости 7 км/с, а массой 10 г до скорости 4,6 км/с.

Экспериментальная газодинамическая пушка

Схема работы ракетно-прямоточного двигателя Strutjet I – стоечные ЖРД, 2 воздушный поток, 3 – высокоскоростные форсунки

Комбинированные силовые установки, функционирующие в различных режимах, позволяют существенно улучшить технико-эксплуатационные характеристики аэрокосмических систем. Так, например, двигатели с воздушно-реактивным и ракетным циклами способны обеспечить выведение транспортной космической системы на околоземную орбиту. Для аппарата с такой силовой установкой предусматривается следующая схема полета. При взлете и до достижения скорости М=2,5-4 двигатель работает как ЖРД с некоторым потреблением атмосферного кислорода, затем как прямоточный двигатель с дозвуковым горением, а в диапазоне М=5-10 как СПВРД; за пределами атмосферы двигатель вновь переключается в режим ЖРД.

Работы по комбинированным двигательным установкам ведутся различными подразделениями NASA. Основные усилия Центра Маршалла сосредоточены на создании ракетно-прямоточного двигателя ISTAR (Integrated Systems Test of an Air-breathing Rocket), работающего на углеводородном горючем. Контракт стоимостью 16,6 млн долл. на эскизное проектирование изделия был подписан с консорциумом RBC3 или RBCCC (Rocket-Based Combined Cycle Consortium), организованном тремя ведущими двигателе- строительными компаниями Aerojet, Pratt and Whitney и Rocketdyne. В 2003 г. начался этап опытно-конструкторских работ стоимостью 123,4 млн долл. В ходе их выполнения предполагается провести стендовую отработку основных компонентов двигателя с тем, чтобы в 2006 г. приступить к огневым испытаниям его экспериментального образца.

Силовая установка ISTAR проектируется на базе комбинированного двигателя Strutjet, разработкой которого с конца 1980-х годов занимается фирма Aerojet. Отличительной особенностью последнего изделия является практически неизменяемая при всех режимах работы форма воздушного канала, что позволяет существенно упростить конструкцию и снизить нагрузки на изделие при переходных процессах. В начале воздушного канала установлены клинообразные стойки (struts), одновременно являющиеся и воздухозаборниками, и конструктивными элементами, на которых смонтированы высокоскоростные форсунки и жидкостные двигатели.

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 действия.

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 базе ТРДД YF-120. В соответствии с достигнутыми договоренностями, стендовые запуски комбинированной установки RTA должны состояться в 2006-2007 гг.