ИСТОРИЯ И ПРАКТИКА РАБОТ ПО СОЗДАНИЮ КАМЕР СГОРАНИЯ ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ ПВРД НА ФАКУЛЬТЕТЕ "ДВИГАТЕЛИ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ" МАИ

 

Московский авиационный институт:
Валерий Наумович Аврашков, ведущий научный сотрудник, к.т.н.,
Елена Сергеевна Метелкина, инженер,
Денис Викторович Мещеряков, старший преподаватель,
Николай Вячеславович Митрохов, м.н.с.

 

Приводится анализ современного состояния в области разработок прямоточных воздушно-реактивных двигателей для гиперзвуковых летательных аппаратов. Перечислены основные направления и этапы работ, как выполненных, так и проводимых в настоящее время в МАИ, по изучению модельных камер сгорания для однорежимных и широкодиапазонных прямоточных воздушно-реактивных двигателей (ПВРД).

В большинстве развитых стран мира активно ведутся работы над проектами создания летательных аппаратов, летающих со скоростями, превышающими звуковую в 5-6 раз - гиперзвуковых летательных аппаратов (ГЛА). В ближайшей перспективе все более актуальной проблемой становится разработка пассажирских гиперзвуковых самолетов [1] и пилотируемых многоразовых летательных аппаратов для стратосферных высот полета и выхода на орбиту Земли без использования на атмосферной части траектории ракетного двигателя [2]. Наиболее перспективным двигателем для полетов на сверхзвуковых и гиперзвуковых скоростях в высотных слоях атмосферы по экономическим характеристикам является ПВРД [3, 4]. При этом, для аппаратов такого класса требуется не однорежимный маршевый тип двигателя, а разгонный широкодиапазонный вариант (ШДПВРД), эффективно работающий в диапазоне чисел М = 3 ...12 и более.

В настоящий момент задачи создания ГЛА можно обобщить в виде двух основных проблем:
- обеспечение устойчивой эффективной работы двигателя и получение положительного баланса между тягой силовой установки и сопротивлением ЛА;
- обеспечение работоспособности конструкции ЛА и силовой установки в условиях высокого уровня аэродинамического нагрева, возникающего при гиперзвуковых скоростях полета.

Современный уровень научно-технического задела все еще недостаточен для создания полномасштабных аппаратов, поэтому в настоящее время наиболее актуальна разработка малоразмерных гиперзвуковых летающих лабораторий (ГЛЛ), являющихся моделями-демонстраторами, позволяющими непосредственно проверить эффективность принятых технических и технологических решений, расширить возможности проведения научно-технических исследований.

Такие лаборатории разрабатываются как за рубежом, так и в России. В США по программе Hyper-X (NASA) был разработан экспериментальный аппарат Х-43А с разгонным комплексом на базе первой ступени крылатой авиационной ракеты "Пегас". Ракета обеспечивала вывод на гиперзвуковые режимы демонстратора для автономного полета. Успешные полеты Х-43А прошли в 2004 г. В РФ в 1991-1998 гг. по программе "Холод" были проведены летные эксперименты с ГЛЛ на базе ЗУР С-200В. В настоящее время ведется активная подготовка к летным испытаниям ГЛЛ "Игла", способной совершить автономный полет со скоростью, превышающей М = 6. В Австралии проходят запуски демонстратора по программе HyShot. Это совместный международный проект, реализуемый учеными Австралии, США, Великобритании. За период 2001-2006 гг. было проведено четыре пуска.

Эксперименты показали принципиальную возможность реализации рабочего цикла гиперзвукового ПВРД (ГПВРД) на водородном топливе при полете в атмосфере на гиперзвуковых скоростях. Конструктивные концепции двигателей, проходившие испытанные на демонстраторах, имеют существенные различия. До настоящего момента нет уверенности в том, что при продолжительном автономном полете будет получен положительный баланс между тягой двигателя и сопротивлением ГЛА.

Вследствие сложности и высокой стоимости проведения летных экспериментов с ГПВРД на этапах выбора оптимальной концепции, отработки рабочего процесса, оптимизации систем управления, испытаний новейших композиционных жаропрочных материалов и т.п. ключевая роль в обозримом будущем отводится исследованиям ГПВРД и их элементов на наземных установках.

Камера сгорания (КС) является наиболее сложной и наукоемкой частью такого двигателя. Проведение экспериментов требует специализированного стендового оборудования, позволяющего моделировать полетные условия работы КС и ее элементов. Именно в этой области ведутся работы на факультете "Двигатели летательных аппаратов"  МАИ.

Основные этапы работ по исследованиям и разработке экспериментальных камер сгорания

В 1966 г. в МАИ была сформирована научно-исследовательская группа, начавшая работы по проблематике организации рабочего процесса в КС ГПВРД. В 1969 г. главный конструктор МКБ "Красная звезда" М.М. Бондарюк принял решение о переносе из НИИТП в МАИ стенда № 239. Оборудование предназначалось для испытаний КС ГПВРД в условиях присоединенного трубопровода. Кроме того, ряд опытных специалистов МКБ "Красная звезда" был переведен в МАИ и начато строительство новой экспериментальной базы.

Приоритетными направлениями работ научного коллектива были изучение смесеобразования и взаимосвязи газодинамической структуры течения со стабилизацией горения в сверхзвуковом потоке и геометрическими параметрами канала камеры сгорания [5, 6, 7]. К середине 80-х годов в основном были завершены исследования рабочего процесса однорежимных КС со сверхзвуковым потоком на входе. Были получены высокие уровни параметров компактных КС при использовании в качестве топлива как водорода, так и сатурированного керосина. Была показана важнейшая роль газодинамической структуры сверхзвукового течения в инициации и стабилизации горения, получены обобщения, связывающие форму и размеры канала КС с характеристиками горения, предложена простая и эффективная система запуска. Разработаны и прошли стендовые испытания камера сгорания и осесимметричный ГПВРД, работающие на керосине, в конструкции которых были использованы такие перспективные материалы, как композиционные порошковые сплавы на основе интерметаллидов, ниобиевые сплавы с защитным покрытием и кремний-углеродные композиты [8]. По итогам работ в 1989 г. большой авторский коллектив был награжден премией СМ СССР.

Результаты исследований привели к пониманию необходимости поиска эффективных способов управления геометрическими параметрами канала в зависимости от режима полета и позволили перейти к разработке двухрежимных КС, работающих как на режиме до-, так и сверхзвукового горения [9].

С 1992 г. разработка и испытания стендовой модели широкодиапазонной двухрежимной КС (ШД КС) с полностью механически регулируемой проточной частью велись в рамках международных контрактов между МАИ и компанией "Аэроспасиаль" (Франция) [10]. Был выполнен цикл работ по проекту "Прототип", включивший в себя испытания маломасштабной модели ШД КС, отработку системы топливоподачи и конструкции теплозащитных панелей проточного тракта, программирование автоматизированной системы оптимального управления геометрическими параметрами и ряд других сопутствующих задач. Проведены расчетные оценки характеристик концепции ЛА, класса воздушно-космического самолета (ВКС) с двухрежимным широкодиапазонным ПВРД для разгонной ступени (диапазон чисел М = 3...12), которые показали, что регулирование проточной части двигателя позволит получить существенное увеличение массы полезной нагрузки, выводимой на орбиту. Однако финальная серия экспериментов, проведение которых планировалось на стенде концерна "Аэроспасиаль" во Франции, не состоялась из-за недостаточного финансирования.

Результаты совместной работы послужили отправной точкой для новой программы LEA [11, 12], возглавляемой французским отделением европейского концерна MBDA и Французским национальным управлением по аэронавтике и исследованию космического пространства (ONERA). Стратегическая цель программы - провести летные испытания ГЛА в диапазоне скоростей М = 4...8. Новизна планируемых экспериментов состоит в проверке эффективности концепции регулируемого ШД ПВРД. Кроме того, будет использовано углеводородное топливо (УВТ), что позволит значительно увеличить время полета с работающим двигателем.

В рамках программы LEA на моторном факультете МАИ с 2004 г. ведется подготовка к проведению стендовых испытаний модели камеры сгорания изменяемой геометрии [11]. К настоящему времени проведено более 200 испытаний модели с размерностью 2/3 натурной, в условиях, моделирующих числа М = 2...7 с использованием таких типов топлива, как керосин и водород, а затем - смеси метана высокой чистоты (99,9% CH4) и водорода [13]. С российской стороны государственным посредником и координатором в этой работе является Рособоронэкспорт. Головным исполнителем контракта по проведению серии летных испытаний экспериментального ГЛА выбрано конструкторское бюро "Радуга" с участием ЦАГИ и ЛИИ имени Громова. Ряд расчетных работ проводится в ЦИАМ им. П.И. Баранова.

С 2008 г. в МАИ начата подготовка серии испытаний полноразмерной модели камеры сгорания, которые будут проводиться во всем диапазоне режимов, моделирующих полетные условия экспериментального ГЛА LEA. Поставленная задача потребовала проведения глубокой модернизации установки и измерительного оснащения стенда. Прежде всего, были спроектированы и изготовлены новый трехступенчатый огневой подогреватель и сверхзвуковые сопла, что позволило обеспечить требуемый для испытаний диапазон параметров модельного потока, поступающего на вход в исследуемую модель [14]. Также был разработан ряд устройств и методик, позволяющий проводить измерения основных физических параметров высокоскоростных, высокотемпературных потоков.

По результатам отладочных экспериментов верифицирована программа термодинамического расчета режимных параметров модельного потока на выходе из сопла, что необходимо для управления установкой во время запусков [14].

Имеющийся набор установок позволяет оптимизировать затраты на проведение экспериментов в зависимости от решаемых задач.

Очевидно, что для создания ГПВРД необходимо использовать жаростойкие материалы. Чрезвычайно жесткие температурные и нагрузочные условия работы конструкции КС высокоскоростных ПВРД требуют применения материалов с неординарными свойствами: рабочей температурой до 1800 °С, низкой удельной массой и коэффициентом термического расширения, допустимостью выполнения каналов для протока охладителя (топлива), сквозной пористостью, технологичностью и т.п. В соответствии с этим в работах, проводимых в МАИ, всегда уделялось серьезное внимание испытаниям различных жаростойких материалов, проверке их работоспособности в условиях, максимально приближенных к натурным. Ряд работ проводился с такими отечественными организациями, как НИИГрафит, НИИЧЕРМЕТ, ИМЕТ РАН. Большая серия испытаний была проведена с кремний-углеродными композиционными материалами в рамках французской программы PTAH-SOCAR [15]. Работа проводилась в 2000-2007 гг. по контракту между МАИ и MBDA (Франция).

Целью испытаний было определение устойчивости образцов материала к воздействию высокоскоростного высокотемпературного потока и эффективности охлаждения топливом в условиях, полностью соответствующих натурным [15].

Изучалось влияние параметров (температуры, расхода и давления) охлаждающего компонента, моделирующего топливо, на состояние образцов. Кроме того, измерялся уровень проницаемости (открытой пористости) материала и его изменение под воздействием совокупности факторов. В качестве охлаждающих компонентов применялись воздух, керосин, азот. Нагрев используемого компонента обеспечивался при помощи теплообменника. Моделировались уровни нагрева, прогнозируемые для полетных условий. Во время тестов велись измерения температурного поля поверхности образца посредством ИК-камеры, а также измерялся подогрев и утечки "охлаждающего" компонента.

С конца 60-х годов и по настоящее время на моторном факультете МАИ интенсивно ведутся работы в области исследований газовой динамики сверхзвуковых реагирующих потоков, разработки соответствующих методов и методик измерений, поиск оптимальных способов организации процессов смешения и горения, как водорода, так и углеводородных топлив. Кроме того, проводятся испытания жаростойких материалов и конструкций в условиях высокоскоростного высокотемпературного потока. Большой опыт проведения экспериментальных и конструкторских работ по этим направлениям позволяет организовывать эффективное выполнение самых актуальных экспериментов в сфере исследований рабочего процесса и проведения испытаний моделей высокоскоростных ПВРД.

В заключение можно привести слова первого заместителя директора Федеральной службы по военно-техническому сотрудничеству Александра Фомина: "Успешное совместное российско-французское сотрудничество в решении чрезвычайно сложных и многофакторных задач, стоящих перед создателями гиперзвуковых летательных аппаратов, открывает новые возможности в развитии высоких технологий в области авиации и космонавтики" [16].

Литература

1. А2: гиперзвуковой авиалайнер [Электронный ресурс] //CNews R&D : сайт - URL: http://rnd.cnews.ru/tech/news/top/
index_science.shtml/2008/02/05/286706 (дата обращения 18.11.2009).
2. Kania P. The German Hypersonic Technology Program - Overview // AIAA-95-6005.
3. Ланшин А.И., Дулепов Н.П., Соколова О.В., Тюриков Е.В., Шихман Ю.М. К оптимизации схемы силовой установки   самолетов-разгонщиков двухступенчатых авиационно-космических систем. //Авиационная техника и технология, 2003 г., № 3, с. 49-58.
4. Нечаев Ю.Н. Силовые установки гиперзвуковых и воздушно-космических летательных аппаратов. // М.; Российская академия космонавтики, 1995.
5. Зимонт В.Л., Левин В.М., Мещеряков Е.А. Горение водорода в сверхзвуковом потоке в канале при наличии псевдоскачка. //ФГВ № 4, АН СССР, С. 23-36, Новосибирск, 1978.
6. Baranovsky, S.I., Davidenko, D.M., Levin, V.M. Test facility for the flow structure study in the supersonic combustion chamber. // 6-th Int. Symp. On Flow Vizualization, Yokohama, 1992
7. Gruenig  C., Mayinger  F., Avrashkov  V. N. Self-Ignition and Supersonic Reaction of Pylon-Injected Hydrogen Fuel // AIAA Journal "Propulsion and Power", v.16, N1, p.35-41, Issue, Jan, 2000.
8. Аврашков В.Н., Григорьев С.В., Давиденко Д.М., Левин В.М. Особенности методологии экспериментальных исследований рабочего процесса в камерах сгорания ПВРД в МАИ // Теория воздушно-реактивных двигателей и их элементов: Тем. Сб. науч. тр.  МАИ под ред. В.И.Бакулева - М.Ж Изд-во МАИ, 1995.
9. Baranovsky, S.I., Levin, V.M., Wide range combustion chamber of ramjet, // AIAA Paper 91-5094, 2 p, 1991.
10. Аврашков В.Н. Левин В.М.,.Давиденко Д.М, Фаломпа Ф.,  Бушез М. Силовая установка с регулируемой геометрией для воздушно-космического самолета. //Авиакосмическая техника и технология, № 2, с. 60-65, 2001.
11. Falempin F., Serre L. The French LEA flight test program - Status in 2008 // AIAA-2008-2541.
12. Guy Norris. Farnborough//Aviation Week, 2008.10.13, p. 128-129.
13.  Bouchez M., Scherrer D. Combustion investigation for dual-mode ramjet for the LEA program//AIAA-2006-2648. 
14. Аврашков В.Н. Метелкина Е.С., Мещеряков Д.В. Огневой подогреватель воздуха для исследований камер сгорания широкодиапазонных ПВРД. Вестник МАИ. Т.15, № 5. С. 44-52. 2008.
15. Bouchez M., Falempin F., Cahuzac G., Avrashkov V. N. PTAH-SOCAR Fuel-Cooled Composite Materials Structure // AIAA-2002-5135.
16. Сафронов C, Россия представит в Ле-Бурже новейшие авиаразработки и средства ПВО.