МОДЕЛИРОВАНИЕ УСЛОВИЙ ГИПЕРЗВУКОВОГО ПОЛЕТА НА НАЗЕМНЫХ СТЕНДАХ

ФГУП "ЦИАМ им. П.И. Баранова":
Вадим Юрьевич Александров, начальник сектора, к.т.н.
Александр Николаевич Прохоров, начальник отдела, к.т.н.

Анализ результатов исследований в ведущих научных институтах и аэрокосмических компаниях мира показывает устойчивую тенденцию к изучению проблемных вопросов возможности создания высокоскоростных ВРД, способных обеспечивать продолжительные активные полеты летательных аппаратов в атмосфере при гиперзвуковых скоростях полета (число Маха полета М_п > 5). Вследствие больших сверхзвуковых скоростей полета воздушный поток на входе в двигатель становится высокоэнтальпийным. Наиболее проблемными вопросами при создании высокоскоростных прямоточных ВРД для гиперзвуковых скоростей полета - гиперзвуковых прямоточных ВРД (ГПВРД) - являются реализация энергоэффективного сжигания топлива в высокоскоростных высокоэнтальпийных потоках и формирование газодинамической структуры таких потоков, обеспечивающих реактивную тягу. Изучение термогазодинамических процессов, ожидаемых в проточных трактах высокоскоростных воздушно-реактивных двигателей при больших сверхзвуковых и гиперзвуковых скоростях полета возможно или в условиях реального полета, что, несомненно, требует больших капиталовложений, или в наземных условиях с использованием генераторов высокоэтальпийных воздушных потоков (ГВВП). Используя ГВВП, большую часть исследований высокоскоростных ВРД можно провести в наземных условиях, что будет, очевидно, дешевле.

Для гиперзвуковых скоростей полета параметры воздушного потока (с индексом "а"): Р_а* - полное давление, Т_а* - полная температура, I_а* - полная удельная энтальпия, Р_а - статическое давление, Т_а - статическая температура, соответствующие, например, скоростным напорам q₁ = 50 кПа и q₂ = 75 кПа и рассчитанные по международной стандартной атмосфере составляют: q₁ = 50 кПа, М_п=5, Р_а=0,028 бар, Т_а=220К, Р_а*=16,6 бар, Т_а*=1243К, I_а*=1,03 МДж/кг, q1 = 75 кПа, М_п=5, Р_а=0,0438 бар, Т_а=218К, Р_а*=24,8 бар, Т_а*=1230К, I_а*=1,02 МДж/кг. Расчет параметров проводился с использованием модели равновесной химической термодинамики.

Из полученных результатов видно, что при наземных исследованиях для моделирования гиперзвуковых условий полета в любом случае обязателен предварительный подогрев рабочего газа, имитирующего высокоэнтальпийный воздушный поток. Для воспроизведения высокой полной температуры или полной удельной энтальпии возможно применение различных "нагревательных" установок - ГВВП: омических, газостатов, огневых, электродуговых, импульсных, адиабатических, поршневых, ударных, магнитогидродинамических, но в настоящее время только установки с огневым подогревом (ОП) позволяют проводить испытания длительностью более ста секунд с имитацией условий, соответствующих полетным числам М_п = 5…9. Использование ГВВП с ОП обеспечивает выход параметров исследуемого объекта на стационарный режим по тепловым процессам, дает возможность моделировать реальные рабочие процессы в камерах сгорания (КС) ГПВРД (стационарный теплоотвод в стенки КС), процессы в стационарных пограничных слоях и рециркуляционных зонах около горячих стенок. Для создания высокоэнтальпийного газового потока при моделировании условий гиперзвукового полета на наземных стендах в течение заданного промежутка времени необходимо обеспечить достаточно высокий уровень полных давлений рабочего газа, что регламентируется запасом компонентов (объемом и давлением в баллонных рампах). В ГВВП с ОП воздух нагревается путем сжигания какого-либо горючего вещества (водород, метан, керосин, спирт и т.п.) с учетом добавления кислорода для компенсации его сгорания.

В силу своего удобства огневой способ подогрева используется во всех странах мира с развитой аэрокосмической промышленностью для исследований проблемных вопросов активных гиперзвуковых полетов. Во Франции на стенде S4Ma в Модане (ONERA) для исследований по гиперзвуковым программам, в частности по программе LEA, используется огневой способ подогрева. В Научно-исследовательском центре (НИЦ) им. Лэнгли в США для моделирования гиперзвуковых условий полета на установках DCSCTF и CHSTF в огневых подогревателях сжигают водород в обогащенном кислородом воздухе. Самая большая в мире гиперзвуковая высокотемпературная труба 8ft HTT в НИЦ им. Лэнгли с аэродинамическим соплом диаметром 2,4 м имеет в своем составе огневой подогреватель воздуха, работающий на метане. Лаборатория фундаментальных и прикладных наук GASL, в настоящее время принадлежащая фирме АТК (США), при проведении гиперзвуковых исследований на установке FAST Leg V использует водородо-воздушный огневой подогреватель. В НИЦ Арнольда на установке APTU для исследований рабочего процесса в высокоскоростных ВРД также используется огневой подогреватель, в котором топливом служит изобутан. Огневые подогреватели используются на гиперзвуковых установках в Японии и Китае. Таким образом, можно заключить, что на крупных гиперзвуковых двигательных стендах мира широко применяются ГВВП с ОП.

В России комплекс исследований по разработке генераторов высокоэнтальпийных воздушных потоков ведется группой институтов во главе с Центральным институтом авиационного моторостроения имени П.И. Баранова в рамках федеральной целевой программы "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы". Разрабатываемые ГВВП с ОП будут обеспечивать уровень удельной энтальпии 2 МДж/кг и более и продолжительность работы не менее 100 с. Испытания лабораторных образцов ГВВП будут проводиться на стенде Ц16ВК НИЦ ЦИАМ.

Создание ГВВП с ОП позволит проводить фундаментальные и прикладные экспериментальные исследования физико-химических процессов, реализующихся в проточном тракте ГПВРД, способствовать пониманию фундаментальных аспектов смешения, воспламенения, горения, аэротермохимии в высокоскоростных высокоэнтальпийных потоках.