Дослідження аеродинамічної труби показує, що потоком гіперзвукового реактивного двигуна можна керувати оптично. Дослідники з Університету Вірджинії досліджують потенціал гіперзвукових реактивних літаків для космічних подорожей, використовуючи інновації в управлінні двигуном і методах зондування. Робота, яку підтримує NASA, спрямована на підвищення продуктивності ГВРПД за допомогою адаптивних систем керування та оптичних датчиків, що потенційно призведе до створення безпечніших і ефективніших транспортних засобів доступу в космос, які функціонують як літаки.
Майбутнє космічних подорожей: гіперзвукові реактивні літаки
Що, якби майбутнє космічних подорожей мало виглядати не тому, що ракетний корабель Space-X, а більше як Hyper-X від NASA, гіперзвуковий реактивний літак, який 20 років тому цього року літав швидше, ніж будь-який інший літак до чи після? У 2004 році останні випробування безпілотного прототипу NASA X-43A стали важливою віхою в новітній епосі розвитку реактивних літаків — переходу від ПВРД до швидших і ефективніших ПВРД. Під час останнього випробування в листопаді того ж року була встановлена світова рекордна швидкість, якої могла досягнути лише ракета: 10 Махів. Швидкість у 10 разів перевищує швидкість звуку.
NASA зібрало багато корисних даних із випробувань, як це зробили ВПС через шість років під час аналогічних випробувань X-51 Waverider, перш ніж прототипи впали в океан. Хоча гіперзвуковий доказ концепції був успішним, технологія була далека від роботи. Завдання полягало в тому, щоб досягти контролю над двигуном, оскільки технологія базувалася на сенсорних підходах десятиліттями.
Прорив в управлінні гіперзвуковим двигуном
Однак цей місяць приніс надію на потенційних наступників серії X-plane. У рамках нового дослідження, фінансованого NASA, дослідники Школи інженерії та прикладних наук Університету Вірджинії опублікували дані в червневому номері журналу Aerospace Science and Technology , які вперше показали, що потоком повітря в надзвукових реактивних двигунах згоряння можна керувати за допомогою оптичний датчик. Це відкриття може призвести до більш ефективної стабілізації гіперзвукових реактивних літаків.
Крім того, дослідники досягли адаптивного керування ГПВРД, що стало ще одним першим для гіперзвукової тяги. Адаптивні системи керування двигуном реагують на зміни в динаміці, щоб підтримувати загальну продуктивність системи оптимальною.
«Одним із наших національних аерокосмічних пріоритетів з 1960-х років було створення одноступеневих орбітальних літаків, які літають у космос із горизонтального зльоту, як традиційні літаки, і сідають на землю, як традиційні літаки», — сказав професор Крістофер Гойн, директор Лабораторії аерокосмічних досліджень UVA, де проходили дослідження.
«Наразі найсучаснішим апаратом є SpaceX Starship. Він має два ступені, з вертикальним стартом і посадкою. Але щоб оптимізувати безпеку, зручність і багаторазове використання, аерокосмічна спільнота хотіла б створити щось більше схоже на 737».
Гойн і його співдослідник Хлоя Дедік, доцент UVA Engineering, вважають, що оптичні датчики можуть бути значною частиною рівняння контролю.
«Нам здавалося логічним, що якщо літак працює на гіперзвуковій швидкості 5 Махів і вище, краще вбудувати датчики, які працюють ближче до швидкості світла, ніж до швидкості звуку», — сказав Гойн.
Додатковими членами команди були докторант Макс Черн, який був першим автором статті, а також колишній аспірант Ендрю Ванчек, докторант Лорі Елковіц і старший науковий співробітник UVA Роберт Роквелл. Робота була підтримана грантом NASA ULI під керівництвом Університету Пердью.
Підвищення продуктивності двигуна Scramjet
NASA давно намагається запобігти тому, що може статися у двигунах ГВРПД, під назвою «відключення». Термін вказує на раптову зміну потоку повітря. Назва походить від спеціальної випробувальної установки під назвою надзвукова аеродинамічна труба, де «початок» означає, що вітер досяг бажаних надзвукових умов.
UVA має кілька надзвукових аеродинамічних труб, у тому числі UVA Supersonic Combustion Facility, яка може імітувати роботу двигуна гіперзвукового транспортного засобу, що рухається зі швидкістю в п’ять разів вищою за швидкість звуку.
«Ми можемо проводити випробувальні умови годинами, що дозволяє нам експериментувати з новими датчиками потоку та підходами до керування на реалістичній геометрії двигуна», — сказав Дедік.
Гойн пояснив, що «ПВРД» — скорочення від надзвукових прямоточних двигунів згоряння — це технологія прямоточного реактивного двигуна, яка широко використовується протягом багатьох років.
ПВРД по суті «вбиває» повітря у двигун, використовуючи рух літака вперед, щоб створити температуру та тиск, необхідні для спалювання палива. Вони працюють у діапазоні приблизно від 3 до 6 Махів. Коли впускний отвір у передній частині корабля звужується, внутрішня швидкість повітря сповільнюється до дозвукових у прямоточно-реактивному двигуні внутрішнього згоряння. Сам літак, однак, ні.
Однак літаки Scramjet трохи відрізняються. Хоча вони також «дихають повітрям» і мають однакові базові налаштування, їм потрібно підтримувати надшвидкий потік повітря через двигун, щоб досягти гіперзвукової швидкості.
«Якщо щось відбувається всередині гіперзвукового двигуна і раптово виникають дозвукові умови, це означає, що він не запускається», — сказав Гойн. «Тяга раптово зменшиться, і в цей момент може бути важко перезапустити впускний отвір».
Тестування дворежимного двигуна Scramjet
Наразі, як і прямоточні реактивні двигуни, ГПВРД потребують посилення, щоб досягти швидкості, при якій вони можуть споживати достатньо кисню для роботи. Це може включати поїздку, прикріплену до нижньої частини літака-носія, а також розгін ракети.
Останньою інновацією є дворежимна реактивна камера згоряння, яка була типом двигуна, який тестував проект під керівництвом UVA. Подвійний двигун запускається в режимі прямоточного реактивного двигуна при нижчих числах Маха, а потім перемикається на отримання повного надзвукового повітряного потоку в камері згоряння зі швидкістю понад 5 Махів. Запобігання відключенню, коли двигун здійснює цей перехід, має вирішальне значення.
Вхідний вітер взаємодіє зі стінками входу у формі серії ударних хвиль, відомих як «поїзд ударів». Традиційно передній край цих хвиль, які можуть бути руйнівними для цілісності літака, контролювався датчиками тиску. Машина може регулюватися, наприклад, змінюючи положення амортизатора.
Але розташування передньої кромки поштовху може швидко змінитися, якщо збурення польоту змінюють динаміку в повітрі. Ударний механізм може створювати тиск на вході, створюючи умови для відключення. Отже, «якщо ви відчуваєте зі швидкістю звуку, але процеси двигуна рухаються швидше, ніж швидкість звуку, у вас не дуже багато часу на відгук», — сказав Гойн.
Він і його співробітники задалися питанням, чи можна передбачити очікуваний відключення, спостерігаючи натомість за властивостями полум’я двигуна. Команда вирішила використовувати датчик оптичної емісійної спектроскопії для зворотного зв’язку, необхідного для контролю передньої кромки ланцюга ударів.
Більше не обмежуючись інформацією, отриманою на стінках двигуна, як датчики тиску, оптичний датчик може ідентифікувати незначні зміни як усередині двигуна, так і в межах потоку. Інструмент аналізує кількість світла, випромінюваного джерелом — у цьому випадку реагуючими газами в камері згоряння ГПВРД — а також інші фактори, такі як розташування полум’я та спектральний вміст.
«Світло, яке випромінює полум’я всередині двигуна, виникає внаслідок релаксації молекулярних форм, які збуджуються під час процесів згоряння», — пояснив Ельковіц, один із докторантів. «Різні види випромінюють світло з різною енергією або кольорами, пропонуючи нову інформацію про стан двигуна, яка не вловлюється датчиками тиску».
Випробування в аеродинамічній трубі фактично стало першим у світі доказом того, що адаптивне управління в цих типах подвійних двигунів може бути досягнуто за допомогою оптичних датчиків.
«Ми були дуже раді продемонструвати роль оптичних датчиків у керуванні майбутніми гіперзвуковими транспортними засобами», — сказав перший автор Черн. «Ми продовжуємо тестувати конфігурації датчиків, коли працюємо над прототипом, який оптимізує об’єм і вагу упаковки для умов польоту».
Будівництво в майбутнє
Хоча попереду ще багато роботи, оптичні датчики можуть бути компонентом майбутнього, який, як вважає Гойн, буде реалізовано за його життя: подорож у космос і назад на літаку. Дворежимні реактивні літаки все одно вимагатимуть певного прискорення, щоб розвинути літак принаймні до 4 Махів. Але буде додаткова безпека, якщо не покладатися виключно на ракетні технології, які вимагають транспортування легкозаймистого палива разом із великою кількістю хімікатів. окислювач для спалювання палива. Зменшення ваги дасть більше місця для пасажирів і корисного вантажу.
Такий літальний апарат «все-в-одному», який міг би ковзати назад на Землю, як колись космічні човники, міг би навіть забезпечувати ідеальне поєднання економічності, безпеки та багаторазового використання.
«Я думаю, що це можливо, так», — сказав Гойн. «Хоча комерційна космічна галузь змогла знизити витрати шляхом багаторазового використання, вона ще не охопила операції, подібні до літаків. Наші висновки потенційно можуть спиратися на легендарну історію Hyper-X і зробити його доступ у космос безпечнішим, ніж сучасні ракетні технології».
