Программы Scramjet относятся к исследовательским и испытательным программам по разработке сверхзвуковых прямоточных воздушно-реактивных двигателей , известных как scramjet . Этот список содержит краткий обзор национальных и международных коллабораций, а также гражданских и военных программ. США, Россия, Индия и Китай (2014) преуспели в разработке технологий scramjet.
Когда второй самолет X-15 (пилотируемый Джоном Б. Маккеем ) потерпел крушение во время полета 74, он был поврежден, но достаточно хорошо сохранился, чтобы его можно было восстановить. North American Aviation перестроила его как X-15-A2. Среди прочего, одним из изменений было обеспечение макета ГПВРД для проверки правильности испытаний в аэродинамической трубе. К сожалению, во время последнего полета X-15-A2 ( рейс 188 ) ударные волны, посылаемые ГПВРД на скорости 6,7 Маха, вызвали чрезвычайно интенсивный нагрев более 2700 °F (1480 °C). Затем это просверлило подфюзеляжный киль и расплавило большие отверстия. Самолет выжил, но больше никогда не летал. Данные испытаний были ограничены из-за ограниченного количества полетов ГПВРД до того, как X-15-A2 и проект X-15 в целом были отменены. 1
С 1962 по 1978 год Лаборатория прикладной физики Университета Джонса Хопкинса (APL) реализовала секретную программу (рассекреченную в 1993 году) по разработке семейства ракет под названием SCRAM 8 (Supersonic Combustion RAmjet Missile). Они предназначались для установки на пусковую установку Talos MK12 или пусковую установку Terrier MK10. Испытания модулей двигателей в установке с прямым подключением и свободной струей проводились при различных числах Маха и давлениях (высотах). К ним относятся 4 Маха (24 000 футов), 5,3 Маха (46 000 футов), 7,8 Маха (67 000 футов) и 10 Маха (88 000 футов). Испытания показали, что приемлемая эффективность сгорания была достигнута только при содержании более 20% пентаборана (B 5 H 9 ) в MCPD (C 12 H 16 ). Испытания с чистым пентабораном (HiCal) показали, что чистая тяга может быть достигнута при скорости 7 Махов. Ускорительная способность, эквивалентная 11 g, наблюдалась для полета со скоростью 5 Махов на уровне моря.
В 1986 году президент США Рональд Рейган объявил о программе National Aerospace Plane (NASP), направленной на разработку двух самолетов X-30 , способных выходить на орбиту одной ступенью (SSTO), а также совершать горизонтальный взлет и посадку с обычных взлетно-посадочных полос. Самолет должен был быть воздушно-реактивным космическим самолетом на водородном топливе с низкоскоростной ускорительной системой, чтобы разогнать самолет до скорости 3 Маха , где основные двухрежимные двигатели ГПВРД ( ПВРД / ГПВРД ) вступят в действие. На границе атмосферы ракета должна была взять на себя управление и обеспечить окончательную энергию для выхода на орбиту. Она была основана на секретной исследовательской программе DARPA под названием Copper Canyon. Эта исследовательская программа предполагала, что 25 Маха могут быть возможны. По мере реализации программы стало ясно, что 17 Маха, вероятно, являются пределом, в то время как потеря веса и сложность теплообменника обшивки и других двигательных систем будут значительными. Программа была учреждена министром обороны в 1985 году и финансировалась до конца 1994 финансового года, когда было принято решение, что 15 миллиардов долларов, необходимые для строительства двух испытательных аппаратов X-30, являются чрезмерными.
Хотя наиболее заметные части программы были отменены, NASP предоставил большой объем фундаментальных исследований, которые перетекли в последующие проекты. Например, модель реакции NASP 7 для горения водорода в воздухе (31 реакция, 16 видов) по-прежнему широко используется там, где вычислительная мощность достаточна, чтобы не использовать сокращенные модели реакций.
На испытательном полигоне на авиабазе Арнольд в американском штате Теннесси Лаборатория прикладных наук (GASL) выпустила снаряд, оснащенный ГПВРД, работающим на углеводородах, из большой пушки. 26 июля 2001 года снаряд шириной четыре дюйма (100 мм) преодолел расстояние в 260 футов (79 м) за 30 миллисекунд (примерно 5900 миль в час или 9500 км/ч). [1] Предполагается, что снаряд является моделью для ракетной конструкции. Многие не считают это «полетом» ГПВРД, поскольку испытание проводилось вблизи уровня земли. Однако испытательная среда была описана как очень реалистичная.
Проект NASA Langley Hyper-X X-43A стоимостью 250 миллионов долларов стал результатом отмененной программы National Aerospace Plane (NASP) , в которой NASA принимало участие. Вместо того чтобы разрабатывать и запускать большой и дорогой космический самолет с орбитальными возможностями, Hyper-X запускал небольшие испытательные аппараты для демонстрации двигателей ГПВРД на водородном топливе. NASA работало над проектом с подрядчиками Boeing , Microcraft и General Applied Science Laboratory (GASL).
Программа Hyper-X от NASA является преемницей программы National Aerospace Plane (NASP) , которая была отменена в ноябре 1994 года. Эта программа включает в себя летные испытания посредством строительства транспортных средств X-43. NASA впервые успешно запустило свой испытательный аппарат с гиперзвуковым прямоточным воздушно-реактивным двигателем X-43A 27 марта 2004 года (более ранний тест, 2 июня 2001 года, вышел из-под контроля и был уничтожен). В отличие от транспортного средства Университета Квинсленда, он летел по горизонтальной траектории. После того, как он отделился от своего базового корабля и ускорителя, он на короткое время достиг скорости 5000 миль в час (8000 км/ч), что эквивалентно 7 Махам, легко побив предыдущий рекорд скорости для горизонтального полета воздушно-реактивного транспортного средства. Его двигатели работали в течение одиннадцати секунд, и за это время он преодолел расстояние в 15 миль (24 км). Книга рекордов Гиннесса сертифицировала полет X-43A как текущего обладателя рекорда скорости самолета 30 августа 2004 года. Третий полет X-43 установил новый рекорд скорости в 6600 миль в час (10 620 км/ч), почти 10 Маха 16 ноября 2004 года. Он был ускорен модифицированной ракетой Pegasus , которая была запущена с Boeing B-52 на высоте 13 157 метров (43 166 футов). После свободного полета, в котором ГПВРД работал около десяти секунд, аппарат совершил запланированное падение в Тихий океан у побережья южной Калифорнии. Аппараты X-43A были спроектированы так, чтобы падать в океан без восстановления. Геометрия воздуховода и характеристики X-43 засекречены.
Центры NASA Langley, Marshall и Glenn в настоящее время активно занимаются исследованиями гиперзвуковых двигателей. Центр Glenn берет на себя руководство турбинным двигателем Mach 4, представляющим интерес для ВВС США. Что касается X-43A Hyper-X, то сейчас рассматриваются три последующих проекта:
X-43B: Увеличенная версия X-43A, которая будет работать на двигателе Integrated Systems Test of an Air-Breathing Rocket (ISTAR). ISTAR будет использовать жидкостный ракетный режим на основе углеводородов для начального разгона, режим прямоточного воздушно-реактивного двигателя для скоростей выше 2,5 Маха и режим сверхзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателя для скоростей выше 5 Маха, чтобы достичь максимальной скорости не менее 7 Маха. Версия, предназначенная для запуска в космос, затем может вернуться в ракетный режим для окончательного разгона в космос. ISTAR основан на запатентованной конструкции Aerojet, называемой «strutjet», которая в настоящее время проходит испытания в аэродинамической трубе. Центр космического движения им. Маршалла при NASA представил программу Integrated Systems Test of an Air-Breathing Rocket (ISTAR), побудив Pratt & Whitney , Aerojet и Rocketdyne объединить усилия для разработки.
X-43C: NASA ведет переговоры с ВВС о разработке варианта X-43A, который будет использовать двигатель HyTECH на углеводородном топливе. ВВС США и Pratt and Whitney сотрудничали в работе над двигателем Hypersonic Technology (HyTECH), который теперь был продемонстрирован в аэродинамической трубе.
В то время как большинство конструкций гиперзвуковых прямоточных двигателей на сегодняшний день используют водородное топливо, HyTech работает на обычном углеводородном топливе типа керосина, которое гораздо более практично для поддержки эксплуатационных транспортных средств. Сейчас строится полномасштабный двигатель, который будет использовать собственное топливо для охлаждения. Использование топлива для охлаждения двигателя не является чем-то новым, но система охлаждения также будет действовать как химический реактор, расщепляя длинноцепочечные углеводороды на короткоцепочечные углеводороды, которые сгорают быстрее.
X-43D: версия X-43A с водородным прямоточным воздушно-реактивным двигателем с максимальной скоростью 15 Маха.
10 декабря 2005 года компания Alliant Techsystems (ATK) успешно провела летные испытания свободнолетающего аппарата с ГПВРД, работающего на жидком топливе JP-10 (углеводород), с испытательного полигона Уоллопс в Уоллопс-Айленде, штат Вирджиния. Летные испытания проводились в рамках проекта FASTT (Freeflight Atmospheric Scramjet Test Technique) [2] Агентства перспективных исследовательских проектов обороны (DARPA)/ Управления военно-морских исследований (ONR). Этот последний полет стал кульминацией трехлетней программы из трех полетов, направленной на успешную демонстрацию возможности использования наземных зондирующих ракет в качестве недорогого подхода к гиперзвуковым летным испытаниям, и представляет собой первое в мире летное испытание свободнолетающего аппарата с ГПВРД, работающего на углеводородном топливе.
Начатый в конце 2002 года, проект FASTT включал проектирование и изготовление трех летательных аппаратов и наземного испытательного стенда двигателя для прохождения испытаний в аэродинамической трубе. Первая и вторая полезная нагрузка были названы суррогатными транспортными средствами полезной нагрузки и близко соответствовали летной статье ГПВРД, но не имели внутреннего пути потока и топливной системы. Они были разработаны как испытательные раунды для проверки подсистем транспортного средства, таких как производительность комбинации стека ускорителя, наборы килей, механизм развертывания полезной нагрузки, телеметрия и отслеживаемость, а также кожух воздухозаборника, перед летными испытаниями более сложного пути потока ГПВРД, который должен был пройти концептуальное испытание в аэродинамической трубе перед летными испытаниями.
Первый суррогатный аппарат, SPV1, был запущен на борту неуправляемого двухступенчатого твердотопливного ракетного двигателя Terrier/Improved Orion с острова Уоллопс 18 октября 2003 года, примерно через 12 месяцев после начала программы. Он имел точную внешнюю форму конечной полезной нагрузки в кожухе ГПВРД и содержал полный набор бортовых приборов и телеметрии. [ необходимо разъяснение ] Аппарат был разогнан примерно до 4600 футов/с (1400 м/с) и высоты 52 000 футов (16 000 м), где он был развернут в свободный полет, развернул свой кожух при высоком динамическом давлении и пролетел по траектории без двигателя до приводнения. Все бортовые подсистемы работали безупречно. Однако ступень разгона ввела полезную нагрузку на более низких, чем требовалось, скорости полета, высоте и угле траектории полета. Второй суррогатный аппарат, SPV2, был запущен на борту идентичного ускорительного блока с острова Уоллопс 16 апреля 2004 года, примерно через шесть месяцев после первого запуска. После внесения небольших корректировок траектории для учета эффектов пусковой направляющей, более высокого, чем ожидалось, сопротивления и фактических характеристик ускорителя, полезная нагрузка была введена номинально выше 5200 футов/с (1600 м/с) и 61 000 футов (19 000 м) высоты. Полный комплект подсистем был снова проверен в полете в этом успешном летном испытании. Результаты этих двух летных испытаний обобщены в техническом документе AIAA-2005-3297, представленном на 13-й Международной конференции по космическим самолетам и гиперзвуковым системам и технологиям (см. [3]) в Капуе, Италия.
Аппаратура двигателя для наземных испытаний изготавливалась в течение 18 месяцев и прошла четырехмесячную программу испытаний двигателя в аэродинамической трубе свободного струйного оборудования ATK GASL Leg 6, расположенной в Ронконкоме, штат Нью-Йорк. Зажигание, дросселирование топлива и работа двигателя были отработаны в диапазоне ожидаемых условий полета. После двухмесячной задержки для модификации летного оборудования на основе результатов наземных испытаний первый аппарат с двигателем, FFV1, был запущен без происшествий, разогнавшись до скорости 5300 футов/с (1600 м/с) на высоте 63000 футов (19000 м), что примерно равно числу Маха 5,5. Было зарегистрировано более 140 значений давления, температуры и ускорения впускного отверстия, камеры сгорания и внешнего трубопровода формования аппарата, а также давления топлива, обратной связи по времени и мониторинга систем питания. Аппарат безупречно выполнил предписанные последовательности испытаний в течение 15 секунд, прежде чем продолжить приводнение в Атлантическом океане. Более подробную информацию можно найти в техническом документе AIAA-2006-8119 [2], представленном на 14-й Международной конференции по космическим самолетам, гиперзвуковым системам и технологиям в Канберре, Австралия.
Подразделение GASL компании Alliant Techsystems Inc. (ATK) возглавляло команду подрядчиков по проекту FASTT, разрабатывало и интегрировало гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель и выступало в качестве менеджеров миссий для трех полетов. Интеграция и обработка ракеты-носителя были выполнены Rocket Support Services (ранее DTI Associates), Глен Берни, Мэриленд; обтекатель был разработан Systima Technologies, Inc., Ботхелл, Вашингтон; электрические системы, телеметрия и приборы были обработаны NASA Sounding Rocket Office Contract (NSROC); поддержка летных испытаний была предоставлена NASA Wallops Flight Facility; а техническая поддержка была предоставлена Johns Hopkins Applied Physics Laboratory, Балтимор, Мэриленд. GASL ранее построила и интегрировала проточные части двигателя и топливные системы для трех летательных аппаратов X-43A, тесно сотрудничая с авиастроительной компанией и системным интегратором Boeing, NASA Langley и NASA Dryden в рамках успешной программы Hyper-X.
Будет завершено
Hy-V — это эксперимент с гиперзвуковым прямоточным воздушно-реактивным двигателем для получения и сравнения данных наземных и летных испытаний сверхзвукового горения. Основная цель проекта — подтвердить результаты испытаний в аэродинамической трубе, которые в конечном итоге будут использованы для разработки вычислительных кодов. Основными исследователями являются Университет Вирджинии , Технологический институт Вирджинии и Alliant Techsystems , а испытание будет запущено на зондирующей ракете Terrier-Orion с площадки НАСА на острове Уоллопс . [3]
Boeing X-51 — это демонстрационный самолет с гиперзвуковым прямоточным воздушно-реактивным двигателем для летных испытаний на гиперзвуковой скорости ( 7 Махов , около 8050 км/ч). Программа X-51 WaveRider является консорциумом ВВС США, DARPA , NASA , Boeing и Pratt & Whitney Rocketdyne . Программой управляет Директорат по двигательным установкам в Исследовательской лаборатории ВВС США (AFRL). [4]
X-51 является потомком более ранних разработок, включая Advanced Rapid Response Missile Demonstrator и жидкостный прямоточный воздушно-реактивный двигатель на углеводородном топливе, разработанный в рамках программы HyTech ВВС США . Первый свободный полет X-51 состоялся в мае 2010 года. 1 мая 2013 года X-51 выполнил свой первый полностью успешный летный тест, пролетев 240 секунд до тех пор, пока не закончилось топливо; этот тест стал самым продолжительным гиперзвуковым полетом с воздушно-реактивным двигателем. Этот тест ознаменовал завершение программы. [5] [6]
Концепция гиперзвукового воздушно-реактивного оружия (HAWC, произносится как «Хок») — это гиперзвуковая крылатая ракета воздушного базирования с ГПВРД без боеголовки , которая разрабатывается DARPA и использует собственную кинетическую энергию при ударе для уничтожения цели. Впервые она была успешно испытана в сентябре 2021 года. [7] Еще одно успешное испытание было проведено в середине марта 2022 года во время российского вторжения в Украину, но дальнейшие подробности держались в секрете, чтобы избежать эскалации напряженности с Россией , и были раскрыты неназванным чиновником Пентагона в начале апреля. Ракета была успешно запущена со стратегического бомбардировщика B-52 у западного побережья и пролетела более 300 миль (483 км) на высоте 65 000 футов. [8]
Последующая тактическая крылатая ракета гиперзвукового удара (HACM) будет создана компанией Raytheon Technologies и будет использовать гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель Northrop Grumman . [9] [10]
В декабре 2022 года Leidos получил контракт на разработку беспилотного гиперзвукового демонстратора технологий Mayhem (Expendable Hypersonic Multi-mission ISR (разведка, наблюдение и рекогносцировка) и программа Strike) с ГПВРД. [11] [12]
30 июля 2002 года команда HyShot Университета Квинсленда (и международные партнеры) провела первый в истории успешный испытательный полет гиперзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателя.
Команда применила уникальный подход к проблеме разгона двигателя до необходимой скорости, используя зондирующую ракету Terrier-Orion, чтобы поднять самолет по параболической траектории на высоту 314 км. Когда корабль снова вошел в атмосферу, он снизил скорость до 7,6 Маха. Затем запустился двигатель ГПВРД, и он летел со скоростью около 7,6 Маха в течение 6 секунд. [4]. Это было достигнуто при скудном бюджете всего в 1,5 миллиона австралийских долларов (1,1 миллиона долларов США), что составляет ничтожную часть от 250 миллионов долларов США, выделенных NASA на разработку X-43A . В этом участвовали многие из тех же исследователей, которые участвовали в отчете Университета Квинсленда от 1995 года о первой разработке ГПВРД, который достигал большей тяги, чем лобовое сопротивление 2 .
В субботу, 25 марта 2006 года, исследователи из Университета Квинсленда провели еще один успешный испытательный полет HyShot Scramjet на испытательном полигоне Вумера в Южной Австралии . Hyshot III с двигателем стоимостью 1 200 000 фунтов стерлингов совершил, по-видимому, успешный полет (и запланированную аварийную посадку), достигнув скорости порядка 7,6 Маха. [5]
НАСА частично объяснило огромную разницу в стоимости между двумя проектами, указав, что американский аппарат имеет двигатель, полностью встроенный в планер, с полным набором доступных поверхностей управления полетом .
Во второй миссии HyShot не было достигнуто никакой чистой тяги. (Тяга была меньше сопротивления.) [13]
В настоящее время программа HyShot состоит из следующих тестов:
Спонсорскую поддержку программе полета HyShot оказали Университет Квинсленда, Astrotech Space Operations, Агентство по оценке и исследованиям в области обороны (DERA (теперь Qinetiq), Великобритания), Национальное агентство по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA, США), Организация по обороне, науке и технологиям (DSTO, Австралия), Министерство обороны (Австралия), Министерство промышленности, науки и ресурсов (Австралия), Немецкий аэрокосмический центр (DLR, Германия), Сеульский национальный университет (Корея), Австралийский исследовательский совет, Австралийский институт космических исследований (ASRI), Alesi Technologies (Австралия), Национальные аэрокосмические лаборатории (NAL, Япония), NQEA (Австралия), Австралийское подразделение исследований и разработок (ARDU, Австралия), Управление научных исследований ВВС (AFOSR, США) и Luxfer, Австралия.
Hypersonic International Flight Research and Experimentation (HIFiRE) — совместная программа Министерства обороны США и Australian DST Group . «Цель этой программы — исследовать фундаментальные гиперзвуковые явления и ускорить разработку технологий аэрокосмических аппаратов, которые считаются критически важными для точного удара на большой дальности» [14] с помощью «доступной, доступной стратегии экспериментов с прототипами». [15]
В 2012 году программа HIFiRE была отмечена престижной премией фон Кармана Международным конгрессом авиационных наук. [25]
14 -X — бразильский гиперзвуковой самолет, названный в честь 14-бис Альберто Сантоса-Дюмона . Этот самолет оснащен гиперзвуковым воздушно-реактивным двигателем, который интегрирован в фюзеляж и не имеет движущихся частей. [26] Принцип работы заключается в том, что во время полета воздух сжимается геометрией и скоростью транспортного средства и направляется в двигатель в нижней части самолета. В качестве топлива используется водород. Транспортное средство использует концепцию « Waverider » и совершило первый испытательный полет двигателя в декабре 2021 года в «Operação Cruzeiro», и во время полета двигатель разогнался до скорости более 6 Маха на высоте более 30 км и следовал по запланированной траектории, достигнув апогея на высоте 160 км. [27] [28]
В августе 2015 года сообщалось, что китайский исследователь был награжден за успешную разработку и испытательный полет нового гиперзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателя, первого в своем роде в Китае. [29] Это сделало бы Китай четвертой страной в мире, после Австралии (2002), России и Соединенных Штатов, которая успешно провела испытательный полет гиперзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателя. Позже выяснилось, что первый полет транспортного средства, работающего на гиперзвуковом прямоточном воздушно-реактивном двигателе, по типу Waverider, состоялся в 2011 году, а летные испытания были завершены к 2014 году. [30] [31]
Также был запущен новый почти гиперзвуковой беспилотник с турбореактивным двигателем переменного цикла. Сообщается, что это самый быстрый в мире возвращаемый летательный аппарат с воздушным реакцией. [29]
В настоящее время исследуются несколько конструкций гиперзвуковых прямоточных воздушно-реактивных двигателей. Один из этих вариантов или их комбинация будут выбраны ONERA , французским агентством аэрокосмических исследований, при технической поддержке конгломерата EADS . Номинальная непосредственная цель исследования — создание гиперзвуковой ракеты класса «воздух-поверхность» под названием «Прометей», которая будет иметь длину около 6 метров (20 футов) и весить 1700 килограммов (3700 фунтов). [32]
ASN4G ( Air-Sol Nucléaire de 4e Génération ), будет представлять собой гиперзвуковую крылатую ракету воздушного базирования с ГПВРД [33] [34] и заменит ASMP-A .
Deutsche Forschungsgemeinschaft основала Research Training Group 1095 [7]. Целью исследований является аэротермодинамическое проектирование и разработка демонстратора ГПВРД. Официального названия для демонстратора пока нет. Проект включает в себя фундаментальные исследования для лучшего понимания сверхзвукового смешивания и сгорания топлива, аэродинамических эффектов, материаловедения и проблем проектирования систем. В проекте участвуют Университет Штутгарта , Технический университет Мюнхена , Рейнско-Вестфальский технический университет Ахена и Немецкий аэрокосмический центр .
Первый в мире работающий ГПВРД «ГЛЛ Холод » поднялся в воздух 28 ноября 1991 года, достигнув скорости 5,8 Маха. [45] [46] Однако распад Советского Союза остановил финансирование проекта.
После того, как программа НАСА NASP была сокращена, американские ученые начали рассматривать возможность принятия доступных российских технологий в качестве менее дорогостоящей альтернативы разработке гиперзвукового полета. 17 ноября 1992 года российские ученые при некоторой дополнительной французской поддержке успешно запустили гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель под названием «Холод» в Казахстане 6 . С 1994 по 1998 год НАСА работало с российским Центральным институтом авиационного моторостроения (ЦИАМ) над испытанием двухрежимного гиперзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателя и передачей технологий и опыта на Запад. Было проведено четыре испытания, в ходе которых были достигнуты числа Маха 5,5, 5,35, 5,8 и 6,5. Последнее испытание состоялось на борту модифицированной ракеты класса «земля-воздух» SA-5 , запущенной с полигона Сары-Шаган в Республике Казахстан 12 февраля 1998 года. Согласно данным телеметрии ЦИАМ, первая попытка зажигания ГПВРД оказалась неудачной, однако через 10 секунд двигатель был запущен, и экспериментальная система налетала 77 с с хорошими характеристиками, вплоть до запланированного самоуничтожения ракеты SA-5 (по данным НАСА, чистая тяга не была достигнута).
Некоторые источники в российских вооруженных силах сообщили, что была испытана гиперзвуковая (скорость от 10 до 15 Махов) маневренная боеголовка МБР.
Ожидалось, что новая система «ГЛЛ Игла» будет запущена в полет в 2009 году.
3М22 «Циркон» — разработанная в России маневренная противокорабельная гиперзвуковая крылатая ракета с прямоточным воздушно-реактивным двигателем.
{{cite book}}
: |website=
проигнорировано ( помощь )