Planul spațial pista reactoarelor hipersonice Pentru Știință
Visul de a zbura un avion cu o viteză de peste zece ori mai mare decât a sunetului și de a-l aduce pe orbită se poate împlini în curând datorită unui tip de reactor încă experimental, superstato.
X-43A al NASA a stabilit recordul de viteză pentru un avion cu motor injectat în aer în noiembrie 2004 care zboară la Mach 9,6, sau peste 11.000 de kilometri pe oră.
Centrul de cercetare NASA/Dryden Flight
Inginerii au visat mult timp la un avion care să decoleze de pe o pistă pentru a câștiga spațiu și apoi să se odihnească la sol, precum luptătorul X-Wing al lui Luke Skywalker în Star Wars. Cu toate acestea, acest vis se confruntă cu un fapt inevitabil: furnizarea de oxigen este esențială pentru arderea combustibilului. Cu toate acestea, acest gaz este prea rar în atmosfera superioară pentru a susține arderea. Zborul în spațiu necesită, așadar, purtarea atât a oxidantului, cât și a combustibilului cu dvs., așa cum este cazul unui motor rachetă. Acesta este un dezavantaj: în lansatoarele actuale, mai mult de jumătate din masa inițială corespunde oxidantului și combustibilului de la bord pentru a furniza combustia până când este pusă pe orbită. Reactoarele supersonice numite superstatos promit dispariția acestui obstacol.
Spre deosebire de o rachetă, care decolează vertical pentru a câștiga spațiu, o mașină dotată cu un superstato ar decola ca un avion datorită ascensiunii aerodinamice generate de aripile sale. Acest lucru ar face-o mai manevrabilă și mai sigură - dacă un zbor ar fi întrerupt, avionul ar putea plasa la sol. Reactoarele convenționale ar asigura decolare și accelerație la viteze supersonice (viteza sunetului, sau Mach 1, corespunde la 1.225 de kilometri pe oră la nivelul mării) și ar fi reluate de un ramjet între Mach 3 și Mach 6. Superstato ar lua apoi în modul hipersonic, între Mach 5 și Mach 15. În comparație, cel mai rapid avion existent, SR-71 Black Bird al Forțelor Aeriene ale SUA, a ajuns la Mach 3., 2. În cele din urmă, rachetele mici ar oferi o ultimă apăsare scurtă pentru a plasa vehiculul pe orbita spațială.
Aceste capacități ar revoluționa industria aerospațială. Avioanele echipate cu superstatos ar face legătura între Paris și Sydney în doar două ore. Costul lansării pe orbită ar scădea și călătoria în spațiu ar deveni rutină. Și armata ar beneficia fără îndoială de aceasta.
Conceptul de superstato nu este nou. Principiul a fost brevetat în anii 1950 și, la mijlocul anilor 1960, mai multe prototipuri au fost testate la sol până la viteze de până la Mach 7.3. În anii 1980, guvernul SUA a inițiat un program de dezvoltare a unui avion spațial superstat, dar după o investiție de aproape 1,5 miliarde de euro, proiectul a fost abandonat pe fondul reducerilor bugetare care au urmat sfârșitului Războiului Rece. Astăzi, multe echipe din întreaga lume încearcă să depășească dificultățile tehnice ale construirii superstatelor operaționale (a se vedea caseta de la pagina 82).
În 2004, avionul de cercetare x -43a al programului nasa Hyper-x a stabilit un record de viteză în timpul a două zboruri de câteva secunde, la Mach 6.8, apoi Mach 9.6. În acest articol, ne vom concentra asupra proiectului HyTech dezvoltat de Forțele Aeriene ale SUA, bazat pe utilizarea hidrocarburilor lichide ca combustibil și ca agent de răcire. Dar pentru a înțelege dificultățile asociate cu proiectarea unui superstato funcțional, să ne întoarcem la principiul său de funcționare.
Superstatele aparțin familiei așa-numitelor reactoare aerobe, care se bazează pe același principiu: aerul atmosferic este captat de o intrare de aer, comprimat, amestecat cu combustibil, apoi aprins într-o cameră de ardere. Extinderea într-o duză a presiunii ridicate și a gazelor arse rezultate din această combustie provoacă o împingere (temperatura și presiunea gazelor scad în favoarea vitezei lor; cu alte cuvinte, energia termică a gazelor este convertită în energie. cinetică). Cel mai cunoscut dintre reactoarele aerobe este turboreactorul. O serie de roți cu palete rotative aspira aerul și îl comprimă. Acest compresor este acționat de o turbină pusă în mișcare de gazele care părăsesc camera de ardere. Turboreactoarele actuale ajung în jurul Mach 3; dincolo de aceasta, temperatura atinsă la ieșirea compresorului și la intrarea turbinei depășește rezistența multor părți în mișcare.
Combustibil, aer, presiune
Din fericire, de la Mach 2.5, compresorul nu mai este necesar: fluxul de aer intrat este atât de rapid încât o formă adecvată a intrării aerului este suficientă pentru a-l încetini și comprima. Un ramjet nu are astfel piese în mișcare și constă pur și simplu dintr-o intrare de aer, o cameră de ardere și o duză. Aerul de intrare este încetinit la viteze de ordinul lui Mach 0,5 și comprimat. Injectoarele încorporează apoi combustibilul în fluxul de aer, iar amestecul este ars. Gazele fierbinți de eșapament accelerează din nou la aproape viteza sonoră atunci când trec printr-un gât îngust și se relaxează într-o duză atunci când ating viteze supersonice. Forma atent concepută a camerei de ardere asigură stabilitatea flăcării. Dincolo de Mach 5, însă, decelerarea și încălzirea aerului la intrare devine prea mare, astfel încât arderea și eficiența motorului sunt reduse. În practică, limita de viteză a ramjetului este astfel între Mach 5 și 6.
Pentru a atinge viteze mai mari de zbor, este necesar să se reducă compresia și încetinirea fluxului de aer primit. Într-un superstat, fluxul de aer rămâne astfel supersonic - de ordinul lui Mach 2 pentru avionul x -43 - pe parcursul întregului proces de ardere. La fel ca un ramjet, un superstat nu conține părți în mișcare; schematic, are forma a două conuri legate printr-un tub. În timpul zborului, aerul care intră prin admisia de aer la viteza supersonică este încetinit, presurizat și încălzit. În gâtul îngust al camerei de ardere, se injectează combustibil și amestecul se aprinde. Gazele de eșapament se extind în duză și explodează la o viteză mai mare decât cea a aerului de intrare. Compresia controlată a aerului permite în teorie să atingă viteze de ordinul Mach 12-15.
La fel ca rechinii care trebuie să înoate fără să se oprească pentru a circula oxigenul prin branhii, un superstato ca un ramjet trebuie să se deplaseze cu o viteză suficient de mare pentru a intra suficient aer în admisia de aer și pentru ca motorul să funcționeze. Această viteză minimă poate fi atinsă doar folosind un alt sistem de propulsie, de exemplu o rachetă sau un turboreactor, care asigură pornirea. Odată ce viteza necesară este atinsă, superstato-ul poate fi angajat pentru faza de zbor către atmosfera superioară, unde o rachetă ar prelua pentru punerea finală pe orbită. Integrarea acestor diferite cicluri de motor depinde de factori precum sarcina utilă, orbita țintă sau distanța și viteza zborului atmosferic.
Principala problemă cu superstato este controlul aprinderii și al arderii. La Mach 5 sau mai mult, aerul trece prin reactor în doar câteva miimi de secundă, astfel încât arderea combustibilului este ca și cum ai încerca să arzi un chibrit în mijlocul unei tornade. O proiectare atentă a sistemului de injecție și a geometriei cavității reactorului permite teoretic amestecarea să se realizeze destul de repede, păstrând în același timp o dezvoltare progresivă și bine localizată a combustiei. Prin controlul vitezei și presiunii fluxului de aer care intră în camera de ardere, precum și a cantității de combustibil injectat, este astfel posibil să se mențină o combustie stabilă și, prin urmare, împingerea. Deoarece amestecul de ardere rămâne supersonic, nu mai este necesar să-l re-accelerați ca în ramjet.