Az űrrepülőgép a hiperszonikus reaktorok kifutópályája a Tudomány számára
Az az álom, hogy repülőgépet a hangsebesség több mint tízszeresével repüljenek és állítsanak pályára, hamarosan megvalósulhat egy még mindig kísérleti típusú reaktornak, a szupersztatónak köszönhetően.
A NASA X-43A-ja 2004. novemberében 9,6 Mach-tal, azaz óránként több mint 11 000 kilométeres sebességgel hajtotta végre a légi befecskendezett motoros repülőgép sebességrekordját.
NASA/Dryden Flight kutatóközpont
A mérnökök régóta álmodoznak egy repülőgépről, amely felszáll egy kifutópályáról, hogy helyet nyerjen, majd a földön pihenjen, mint Luke Skywalker X-Wing vadászgépe a Csillagok háborújában. Ez az álom azonban elkerülhetetlen ténnyel áll szemben: az üzemanyag elégetéséhez elengedhetetlen az oxigénellátás. Ez a gáz azonban túl ritka a felső légkörben ahhoz, hogy fenntartsa az égést. Az űrrepüléshez tehát mind az oxidálószert, mind az üzemanyagot magával kell vinni, ahogy ez egy rakétamotor esetében is történik. Ez hátrány: a jelenlegi hordozórakétákban a kezdeti tömeg több mint a fele megfelel az oxidálószernek és a fedélzeten lévő üzemanyagnak, amely biztosítja az égést az orbitális pályára állításig. A szupersztatónak nevezett szuperszonikus reaktorok ennek az akadálynak a megszűnését ígérik.
Ellentétben egy rakétával, amely függőlegesen felszáll, hogy helyet szerezzen, a szupersztatóval felszerelt gép a szárnyai által létrehozott aerodinamikai emelésnek köszönhetően repülőgépként szállna fel. Ez manőverezhetőbbé és biztonságosabbá tenné - ha egy járatot megszakítanának, a repülőgép a földre lebeghet. A hagyományos reaktorok biztosítanák a felszállást és a szuperszonikus sebességre való gyorsulást (a hangsebesség, vagyis Mach 1, tengerszint feletti 1225 kilométer/órának felel meg), és egy ramjellemző közvetítené őket a Mach 3 és a Mach 6 között. majd hiperszonikus üzemmódban, az Mach 5 és a Mach 15 között átveszi az irányítást. Összehasonlításképpen, a létező leggyorsabb repülőgép, az amerikai légierő SR-71 fekete madara elérte a 3. Mach 2-t. Végül a kis rakéták adnának egy utolsó rövid lendületet a jármű űrpályára állításához.
Ezek a képességek forradalmasítanák az űripart. A szupersztátokkal felszerelt gépek mindössze két óra alatt összekötnék Párizst Sydney-vel. A pályára állítás költségei csökkenne, és az űrbe utazás rutinszerűvé válik. És a katonaság kétségtelenül profitálna belőle.
A superstato fogalma nem új keletű. Az elvet az 1950-es években szabadalmaztatták, és az 1960-as évek közepére számos prototípust teszteltek a földön akár 7,3 Mach sebességig. Az 1980-as években az Egyesült Államok kormánya programot indított egy szupersztató űrrepülőgép kifejlesztésére, de majdnem 1,5 milliárd eurós beruházás után a projektet a hidegháború végét követő költségvetési megszorítások közepette felszámolták. Ma sok csapat szerte a világon megpróbálja leküzdeni az operatív szupersztátók felépítésének technikai nehézségeit (lásd a keretet a 82. oldalon).
2004-ben a nasa Hyper-x program x -43a kutatórepülőgépe két néhány másodperces repülés során sebességrekordot állított fel 6,8, majd 9,6 Mach sebességgel. Ebben a cikkben az amerikai légierő által kifejlesztett HyTech projektre fogunk koncentrálni, amely a folyékony szénhidrogének üzemanyagként és hűtőközegként történő felhasználására alapul. De hogy megértsük a funkcionális szupersztató kialakításával kapcsolatos nehézségeket, térjünk vissza működési elvére.
A szupersztátok az úgynevezett aerob reaktorok családjába tartoznak, amelyek ugyanazon az elven alapulnak: a légköri levegőt egy légbeömlő rögzíti, összenyomják, üzemanyaggal összekeverik, majd egy égéstérben meggyújtják. Az égés következtében a fúvókában táguló nagy nyomású és égő gázok tolóerőt okoznak (a gázok hőmérséklete és nyomása a sebességük javára csökken, más szavakkal, a gázok hőenergiája energiává alakul. kinetikus). Az aerob reaktorok közül a legismertebb a turbó motor. Forgó lapátkerekek sorozata beszívja a levegőt és összenyomja. Ezt a kompresszort egy turbina hajtja, amelyet az égéstérből kilépő gázok mozgásba hoznak. A jelenlegi turbógépek a Mach 3 körül érnek el; ezen túl a kompresszor kimeneténél és a turbina bemeneténél elért hőmérséklet meghaladja a számos mozgó alkatrész ellenállását.
Üzemanyag, levegő, tolóerő
Szerencsére a Mach 2.5-től a kompresszorra már nincs szükség: a beáramló levegő áramlása olyan gyors, hogy a légbemenet megfelelő formája elegendő a lassításhoz és a tömörítéshez. A ramjetnek tehát nincsenek mozgó alkatrészei, és egyszerűen egy levegőbemenetből, egy égéstérből és egy fúvókából áll. A bejövő levegőt 0,5 Mach nagyságrendű sebességre lassítják és összenyomják. Az injektorok ezután beépítik az üzemanyagot a levegő áramlásába, és a keveréket elégetik. A forró kipufogógázok a hangnyomás közelébe gyorsulnak, amikor keskeny nyakon haladnak át, és a szuperszonikus sebesség elérésekor egy fúvókában ellazulnak. Az égéstér gondosan megtervezett alakja biztosítja a lángstabilitást. Az 5 Mach-on túl azonban a beáramló levegő lassulása és felmelegedése túl nagy lesz, így csökken az égés és a motor hatékonysága. A gyakorlatban a ramjet sebességkorlátozása tehát 5 és 6 Mach között van.
A nagyobb repülési sebesség eléréséhez csökkenteni kell a beáramló légáram összenyomódását és lelassulását. A szupersztatóban a levegő áramlása így az egész égési folyamat alatt szuperszonikus marad - az Mach-2 nagyságrendű x -43 repülőgéphez képest. A ramjethez hasonlóan a szupersztató sem tartalmaz mozgó alkatrészeket; sematikusan két kúp alakja van, amelyeket cső köt össze. Repülés közben a szuperszonikus sebességgel a légbeömlőn belépő levegő lelassul, túlnyomásos és felmelegszik. Az égéstér keskeny nyakában üzemanyagot fecskendeznek be, és a keverék meggyullad. A kipufogógázok kitágulnak a fúvókában, és a beáramló levegőnél nagyobb sebességgel törnek fel. A levegő szabályozott összenyomása elméletileg lehetővé teszi a 12-15 Mach nagyságrendű sebesség elérését.
A cápákhoz hasonlóan, akiknek megállás nélkül kell úszniuk, hogy oxigént keringessenek kopoltyúikon keresztül, a szupersztatának, mint a ramjetnek, elég nagy sebességgel kell mozognia ahhoz, hogy elegendő levegő juthasson be a légbevezető nyílásba, és hogy a motor járni tudjon. Ezt a minimális sebességet csak egy másik meghajtórendszerrel lehet elérni, például rakétával vagy turbógéppel, amely biztosítja az indítást. Amint eléri a szükséges sebességet, a szupersztató bekapcsolódhat a légkör felső szakaszába való repülés szakaszába, ahol egy rakéta veszi át az utat a pályára állításhoz. E különböző motorciklusok integrálása olyan tényezőktől függ, mint a hasznos teher, a célpálya vagy a légköri repülés távolsága és sebessége.
A superstato fő problémája a gyújtás és az égésszabályozás. Az 5 vagy annál nagyobb sebességnél a levegő néhány ezredmásodperc alatt halad át a reaktoron, így az üzemanyag elégetése olyan, mintha gyufát próbálna megégetni egy tornádó közepén. A befecskendező rendszer és a reaktorüreg geometriájának gondos kialakítása elméletileg lehetővé teszi a keverés meglehetősen gyors elvégzését, miközben az égés progresszív és jól lokalizált fejlődését tartja fenn. Az égéstérbe belépő légáram sebességének és nyomásának, valamint a befecskendezett tüzelőanyag mennyiségének szabályozásával így stabil égést, tehát tolóerőt lehet fenntartani. Mivel az égési keverék szuperszonikus marad, már nem szükséges újra felgyorsítani, mint a ramjetnél.