Боевая ракета «земля — воздух» выглядела несколько необычно — ее носовую часть удлинял металлический конус. 28 ноября 1991 года она стартовала с полигона неподалеку от космодрома Байконур и самоликвидировалась высоко над землей. И хотя ракета не сбила никакой воздушный объект, цель запуска была достигнута. Впервые в мире гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель (ГПВРД) испытывался в полете.
ГПВРД или, как еще говорят, «гиперзвуковая прямоточка» позволит долететь из Москвы в Нью-Йорк за 2 — 3 часа, уходить крылатой машине из атмосферы в космос. Воздушно-космическому самолету не понадобится ни самолет-разгонщик, как для «Зенгера» (см. «ТМ» №1 за 1991 г.), ни ракета-носитель, как для «шаттлов» и «Бурана» (см. «ТМ» №4 за 1989 г.), — доставка грузов на орбиту обойдется чуть ли не вдесятеро дешевле. На Западе подобные испытания состоятся не ранее чем через три года.
ГПВРД способен разогнать самолет до 15 — 25М (М — число Маха, в данном случае — скорость звука в воздухе), самые же мощные турбореактивные двигатели, которыми оснащены современные гражданские и военные крылатые машины, — лишь до 3,5М. Быстрее не получается — температура воздуха, при торможении потока в воздухозаборнике, возрастает настолько, что турбокомпрессорный агрегат не в состоянии сжимать его и подавать в камеру сгорания (КС). Можно, конечно, усилить систему охлаждения и компрессор, но тогда их габариты и масса так увеличатся, что о гиперзвуковых скоростях не будет и речи — оторваться бы от земли.
Прямоточный же двигатель работает без компрессора — воздух перед КС сжимается за счет своего скоростного напора (рис. 1). Остальное, в принципе, как у турбореактивного — продукты горения, вырываясь через сопло, разгоняют аппарат.
Идею ПВРД, тогда еще не гиперзвукового, выдвинул в 1907 году французский инженер Рене Лоран. Но построили реальную «прямоточку» гораздо позже. Здесь лидировали советские специалисты.
Сначала, в 1929 году, один из учеников Н.Е.Жуковского, Б.С.Стечкин (впоследствии академик), создал теорию воздушно-реактивного двигателя. А затем, через четыре года, под руководством конструктора Ю.А.Победоносцева в ГИРДе (Группе изучения реактивного движения), после опытов на стенде, впервые отправили ПВРД в полет.
Двигатель размещался в корпусе снаряда 76-мм пушки и выстреливался из ствола со сверхзвуковой скоростью — 588 м/с. Испытания шли два года. Снаряды с ПВРД развивали более 2М — быстрее в то время не летал ни один аппарат в мире. Тогда же гирдовцы предложили, построили и испытали модель пульсирующего ПВРД — его воздухозаборник периодически открывался и закрывался, в результате горение в КС пульсировало. Подобные двигатели позднее использовали в Германии на ракетах ФАУ-1.
Первые крупные ПВРД создали опять же советские конструкторы И.А.Меркулов в 1939 году (дозвуковой ПВРД) и М.М.Бондарюк в 1944 году (сверхзвуковой). С 40-х годов работы по «прямоточке» начались в Центральном институте авиационных моторов (ЦИАМ).
Сверхзвуковыми ПВРД оснащались некоторые типы летательных аппаратов, в том числе и ракеты. Однако еще в 50-х годах выяснилось, что при числах М, превышающих 6 — 7, ПВРД малоэффективен. Вновь, как и в случае с турбореактивным двигателем, воздух, тормозившийся перед КС, попадал в нее слишком горячим. Компенсировать это увеличением массы и габаритов ПВРД не имело смысла. Кроме того, при высоких температурах начинают диссоциировать молекулы продуктов сгорания, поглощая энергию, предназначенную для создания тяги.
Тогда-то в 1957 году Е.С.Щетинков — известный ученый, участник первых летных испытаний ПВРД — изобрел гиперзвуковой двигатель. Спустя год публикации о подобных разработках появились и на Западе. Камера сгорания ГПВРД начинается почти сразу за воздухозаборником, далее она плавно переходит в расширяющееся сопло (рис.2). Воздух хоть и притормаживается на входе в нее, но в отличие от предыдущих двигателей перемещается в КС, вернее, мчится со сверхзвуковой скоростью. Поэтому его давление на стенки камеры и температура значительно ниже, чем в ПВРД.
Несколько позже была предложена схема ГПВРД с внешним горением (рис.3) У самолета с таким двигателем топливо будет гореть прямо под фюзеляжем, который послужит частью открытой КС. Естественно давление в зоне горения окажется меньше, чем в обычной КС, — тяга двигателя несколько снизится. Зато получится выигрыш в весе — двигатель избавится от массивной наружной стенки КС и части системы охлаждения. Правда, надежная «открытая прямоточка» еще не создана — ее звездный час придет, вероятно, в середине XXI века.
Вернемся, однако, к ГПВРД, который и испытывался в канун прошлой зимы. Топливом ему служил жидкий водород, хранящийся в баке при температуре около 20 К (— 253°С). Обеспечить горение в сверхзвуковом потоке было, пожалуй, самой сложной проблемой. Распределится ли водород равномерно по сечению камеры? Успеет ли полностью выгореть? Как организовать автоматическое управление горением? — ведь датчики в камере не установишь, они расплавятся.
Ни математическое моделирование на сверхмощных компьютерах, ни стендовые испытания не давали исчерпывающих ответов на множество вопросов. Кстати, для имитации воздушного потока, например при 8М, на стенде необходимы давление в сотни атмосфер и температура около 2500 К — жидкий металл в раскаленном мартене куда «прохладней». При еще больших скоростях характеристики двигателя и летательного аппарата можно проверить только в полете.
Он задумывался давно и у нас, и за рубежом. Еще в 60-х годах в США готовили испытания ГПВРД на скоростном самолете-ракете Х-15, однако, судя по всему, они так и не состоялись.
Зенитная ракета с ГПВРД на стартовой установке (фото публикуется впервые).
Стендовые испытания и подготовка к полету проводились в ЦИАМ имени П.И.Баранова совместно с Военно-воздушными силами, машиностроительным КБ «Факел», превратившим свою ракету в летающую лабораторию, тураевским КБ «Союз» и московским агрегатным КБ «Темп», изготовившими двигатель и регулятор топлива, и другими организациями. Руководили программой известные авиационные специалисты Р.И.Курзинер, Д.А.Огородников и В.А.Сосунов.
Для обеспечения полета в ЦИАМе создали мобильный заправочный комплекс жидкого водорода и бортовую систему его подачи. Сейчас, когда жидкий водород рассматривается как одно из самых перспективных топлив, опыт обращения с ним, накопленный в ЦИАМе, может пригодиться многим.
. Ракета стартовала поздно вечером, было уже почти темно. Через несколько мгновений носитель «конуса» скрылся в низкой облачности. Наступила неожиданная по сравнению с первоначальным грохотом тишина. Испытатели, наблюдавшие старт, подумали даже: неужели все сорвалось? Нет, аппарат продолжал намеченный путь. На 38-й секунде, когда скорость достигла 3,5М, двигатель запустился, в КС начал поступать водород.
А вот на 62-й действительно произошло непредвиденное: сработала автоматика прекращения подачи топлива — ГПВРД отключился. Затем, примерно на 195-й секунде, вновь автоматически запустился и проработал до 200-й. Ее заранее определили как последнюю секунду полета. В этот момент ракета, находясь все еще над территорией полигона, самоликвидировалась.
Максимальная скорость составила 6200 км/ч (чуть больше 5,2М). Работу двигателя и его систем контролировали 250 бортовых датчиков. Измерения по радиотелеметрической связи передавались на землю.
Еще не вся информация обработана, и более подробный рассказ о полете — преждевременен. Но уже сейчас ясно — через несколько десятилетий пилоты и космонавты оседлают «гиперзвуковую прямоточку».
От редакции. Летные испытания ГПВРД на самолетах «Х-30» в США и на «Hytex» в Германии планируются на 1995-й или ближайшие после него годы. Наши же специалисты могли бы уже в ближайшее время опробовать «прямоточку» при скорости более 10М на мощных ракетах, снимаемых сейчас с вооружения. Правда, над ними довлеет неразрешенная пока проблема. Не научного или технического характера. У ЦИАМа нет денег. Их нет даже на полунищенскую зарплату сотрудникам.
Что дальше? Сейчас в мире всего четыре страны, которые обладают полным циклом авиадвигателестроения — от фундаментальных исследований до выпуска серийной продукции. Это США, Англия, Франция и, пока, Россия. Так вот не осталось бы их в дальнейшем — три.
Американцы же в программу ГПВРД вкладывают сейчас сотни миллионов долларов.
Рис. 1. Принципиальная схема прямоточного воздушно-реактивного двигателя (ПВРД): 1 — центральное тело воздухозаборника, 2 — горло воздухозаборника, 3 — камера сгорания (КС), 4 — сопло с критическим сечением. Белыми стрелками показана подача топлива. Конструкция воздухозаборника такова, что попавший в него воздушный поток тормозится и поступает в КС под высоким давлением. Продукты сгорания, покидая КС, разгоняются в суженном сопле до скорости звука. Интересно, что для дальнейшего ускорения газов сопло надо расширять. Пример с рекой, когда течение убыстряется пропорционально сужению берегов, годится лишь к дозвуковым потокам.
Рис. 2 Принципиальная схема гиперзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателя (ГПВРД): 1 — КС, 2 — расширяющееся сопло. КС начинается не за диффузором, как у ПВРД, а почти сразу за горлом воздухозаборника. Топливо-воздушная смесь горит, двигаясь со сверхзвуковой скоростью. Продукты горения еще более разгоняются в расширяющемся сопле.
Рис. 3 Принципиальная схема ГПВРД с внешним горением: 1 — место впрыска топлива. Горение происходит на внешней стороне двигателя — давление продуктов сгорания меньше, чем в закрытой КС, но тяга — сила, действующая на стенки планера, больше лобового сопротивления, что и приводит аппарат в движение.
Британская компания Dyson известна прежде всего как мировой лидер в производстве пылесосов без мешка для сбора пыли. Ее глава Джеймс Дайсон является изобретателем этого устройства, появившегося на рынке в начале 80-х годов прошлого века. Идея заключалась в том, чтобы реализовать в бытовой уборочной технике принцип работы индустриального циклонного сепаратора, которые, в частности, на лесопильных производствах улавливают из воздуха опилки, а на нефтеперерабатывающих заводах применяются для отделения масел и газов.
Ноу-хау Джеймса Дайсона позволило создать аппараты с постоянной силой всасывания, не нуждающиеся в расходных материалах. Пыль здесь собирается в контейнер и высыпается прямо в мусорное ведро. Фильтры в моделях предыдущих поколений нужно лишь изредка промывать, а в новинках они и вовсе не требуют обслуживания и замены. На сегодняшний день в мире продано более 50 млн. пылесосов Dyson. Если бы во всех них использовались расходные материалы, на свалки попали бы миллиарды мешков. Но это не единственная прорывная инновация, которой способны похвастать пылесосы бренда. Двигатель в различных устройствах выполняет важную функцию преобразования электрической энергии в механическую. Чтобы хорошо справляться со своей работой, он должен быть эффективным, легким и безотказным. Обычные, далекие от идеала моторы содержат множество достаточно громоздких и не всегда прочных элементов — крыльчатки, медные обмотки, угольные щетки. Они выделяют немало тепла и, соответственно, расходуют часть электроэнергии без пользы для дела.
Инженеры Dyson разработали совершенно новый двигатель с цифровым управлением V6. Начиная с 1999 года в проект было инвестировано более £150 млн., на исследования ушло семь лет. Получившийся у англичан компактный и экономичный силовой агрегат использует цифровую импульсную технологию, обеспечивающую вращение со скоростью до 110 000 оборотов в минуту. При весе всего 218 грамм он генерирует энергию в 425 Вт, по максимальной производительности соответствуя показателям прожорливых полноразмерных моторов. С 2008 года эффективные двигатели Dyson V6 на 40% снизили потребление электроэнергии при уборке пола в расчете на единицу техники. Нужно отметить, что для обеспечения впечатляющей производительности и безупречного качества двигатель должен собираться с абсолютной точностью. Даже человеческим рукам с их невероятной ловкостью не по силам такие филигранные операции. На сборке агрегатов задействованы 50 роботов, а полностью автоматизированная линия на заводе в Сингапуре способна производить в год шесть миллионов экземпляров — по одному каждые шесть секунд.
Трансформировать казалось бы привычные вещи, наделяя их новыми полезными свойствами, и переносить свои ноу-хау из одних сфер в другие стало для специалистов Dyson привычным делом. А порой они находят решения для проблем, на которые другие просто не обращают внимания. Тому есть множество примеров. Воспользовавшись туалетом в общественном месте, любой культурный человек поспешит тщательно вымыть и сразу же высушить руки. Самый простой способ, если речь не идет о хорошем ресторане или фитнес-клубе с подогретыми полотенцами из ткани — воспользоваться бумажным полотенцем. С точки зрения разовой гигиенической процедуры ничего страшного в этом нет, но в масштабах планеты решение экономически и экологически небезупречное. Даже полотенца из переработанной бумаги, несмотря на заявления об их экологической чистоте, вряд ли улучшают ситуацию, ведь их жизненный цикл не обходится без затрат энергии. Существуют сушилки традиционной конструкции, привычно выдувающие горячий воздух и высушивающие кожу на руках людей не самым удобным образом. Это происходит потому, что подобные устройства используют эффект испарения. Они нагревают воздух, содержащий грязь и бактерии, и выдувают его на руки, влага с которых испаряется постепенно и довольно медленно. Обычно такая процедура занимает 43 секунды. В Dyson предложили иное решение — инновационную сушилку для рук на базе технологии Airblade. Она как-бы «срезает» влагу с рук с помощью плоских потоков холодного воздуха, движущегося со скоростью 692 км/час благодаря двигателю с цифровым управлением, в результате чего руки высушиваются всего за 10 секунд. За счет кардинального уменьшения длительности процесса и отказа от нагрева воздушного потока, Dyson Airblade расходует лишь 1/6 часть электроэнергии, потребляемой стандартными устройствами аналогичного назначения, не имеющими «воздушного лезвия».
Специалисты Dyson сумели полностью поменять привычную конструкцию еще нескольких бытовых приборов, в частности, вентилятора. В этой технике они отказались от вращающихся лопастей, «разрубающих» воздух, зато задействовали явление, известное как эффект Коанда. Внешне фирменные модели на базе технологии Air Multiplier напоминают обруч на подставке. Окружающий воздух втягивается устройством, а далее равномерный, мощный поток на высокой скорости устремляется в нужном направлении. Вентиляторы Dyson Air Multiplier способны работать на 75% тише и потреблять при этом на 40% меньше энергии по сравнению со своими предшественниками. Инженеры и микробиологи Dyson обнаружили, что и существующие увлажнители воздуха далеки от совершенства. Ультразвуковые аппараты не очищают воду, поэтому любые бактерии из резервуара поступают прямо в помещение, а затем и в дыхательные пути людей. Другие модели используют для испарения влаги губчатый фильтр. Губка находится внутри корпуса и может служить благоприятной средой для размножения микроорганизмов. В увлажнителях бренда реализована запатентованная технология Ultraviolet Cleanse. Трехминутный цикл обработки ультрафиолетовыми лучами гарантирует устранение 99,9% бактерий до того, как влага попадает в воздух.
Создавая робот-пылесос Dyson 360 Eye, работы над которым велись с 1999 года, британские специалисты взяли на вооружение передовые достижения робототехники, уникальный фирменный двигатель с цифровым управлением и ноу-хау из сферы выпуска аккумуляторных батарей. Получившийся аппарат с помощью панорамной камеры с углом обзора 360 градусов охватывает взглядом все помещение, а затем рассчитывает свой маршрут путем сложных вычислительных алгоритмов, базирующихся на некоторых положениях теории вероятности, а также основах геометрии и тригонометрии. Он обходит каждую часть комнаты только раз и не тратит энергию напрасно, дважды появляясь в одном и том же месте. И это единственный в мире робот-пылесос на гусеничном ходу, устойчивый на любой поверхности. Мягкие ворсинки из углеродного волокна удаляют мелкую пыль с твердых поверхностей, а жесткая нейлоновая щетина — въевшуюся грязь с ковров. Двигатель Dyson V2 с цифровым управлением при скорости вращения 78 000 оборотов в минуту гарантирует постоянное мощное всасывание. Технология Radial Root Cyclone позволяет модели улавливать самую мелкую пыль плюс содержащиеся в воздухе аллергены и фиксировать их в контейнере для мусора. С помощью приложения Dyson Link пользователь может задать расписание уборки, провести диагностику оборудования и дистанционно руководить всеми действиями Dyson 360 Eye.
По словам компании Duke Engineering, разработанный ими осевой двигатель – самый эффективный и лёгкий двигатель из всех, которые вы можете установить на свою лодку, малый самолёт или генератор.,
Как сообщают сами разработчики, финальная коммерческая модель их двигателя пока не завершена, но уже сейчас подаёт большие надежды:
«Механические и другие ключевые характеристики двигателя (сгорание топлива, производительность, тайминг портов, их геометрия, и так далее) показывают удовлетворительные результаты уже сейчас, на стадии прототипа, но без всякого сомнения получат выгоду от дальнейших исследовательских и конструкционных разработок».
Двигатель имеет пять цилиндров, три топливные форсунки и ни одного клапана. Все пять поршней как ив классическом двигателе внутреннего сгорания расположены на шатунах, а вот шатуны на крестовине с осевым перемещением, которая вращается в результате движения поршней, коленчатый вал при этом вращается в противоположном направлении. Трансформируя тепловую энергию в механическую поршни двигаются через порты в которых расположены топливные форсунки и свечи зажигания, устраняя при этом необходимость в клапанах. Система впуска и выпуска весьма схожа с двухтактным двигателем.
Осевой двигатель имеет ряд интересных особенностей: 1Очень низкий уровень вибрации 2Только три форсунки и три свечи зажигания на пять цилиндров, плюс нет клапанов, автоматически в разы уменьшается количество элементов. 3Может работать на самых разнообразных видах топлива 4Легче и компактнее, чем традиционные двигатели внутреннего сгорания.
На видео, показан принцип работы как самого двигателя в целом, так и отдельных его элементов. На втором продемонстрирован прекрасный баланс с очень низкой вибрацией. Данные двигатели разрабатываются в первую очередь для авиации, но компактность и низкая вибрация помогут двигателю найти свое пременение в ряде сфер не связанных с авиацией.
Английская компания Dyson сделала самый быстрый электродвигатель.
Новый электродвигатель, разработанный специалистами английской компании Дайсон (Dyson), может вращаться со скоростью в десять раз превышающую скорость вращения турбин реактивного самолета, что делает этот электродвигатель самым быстрым в мире в настоящее время. Эти электродвигатели используются в пылесосах и другой бытовой технике, производимой компанией Дайсон.
Этот новый электродвигатель с цифровым управлением DDM V2 был разработан специально для устройств с низким энергопотреблением и, вначале будет использоваться в пылесосах моделей Dyson DC30 и DC31, которые получают энергоснабжение от встроенных аккумуляторных батарей. Разработка этого типа двигателей принесла компании Дайсон 15 патентов на разные технологии, которые и позволили этому двигателю достичь рекордной скорости вращения равной 104000 оборотов в минуту.
Основатель фирмы Дайсон, Джеймс Дайсон (James Dyson), рассказал: «Большие двигатели не всегда имеют лучшие характеристики, чем двигатели малого размера. Наш новый цифровой двигатель – малогабаритный, быстрый, эффективный и прочный. Его способности управления скоростью вращения и потребления электроэнергии делают его электродвигателем нового поколения, эффективного и экологически чистого».
Традиционные электродвигатели имеют угольные щетки, необходимые для обеспечения электрического контакта с обмотками ротора и переключения полярности этих обмоток. Создаваемое трение между щетками и коллектором существенно снижает КПД двигателя. Так же, это известно каждому электромеханику, щетки и поверхность вращающегося коллектора являются самыми ненадежными элементами электродвигателей, приводящие к его выходу из строя.
Новый двигатель не использует ни щеток, ни коллектор. С вращающимся ротором вообще не никакого электрического контакта. На ротор воздействует только магнитное поле, создаваемое очень сильными постоянными магнитами, изготовленными из неодима. Переключение полярности, необходимое для создания вращающего момента, осуществляется микропроцессором, который расположен в встроенной силовой электронной схеме.
Компания утверждает, что двигатель V2 на 84 процента, почти в два раза эффективней, чем обычный электродвигатель с таким же энергопотреблением.
Инновации есть квинтэссенция научного труда, помноженная на упрямство и веру в лучшее. Не старайтесь искать эту цитату в интернете – это чистая импровизация. На самом деле в цитате не хватает нескольких переменных. Например, лучшая жизнь себе и своей семье, а еще щепотка наивности и несколько грамм альтруизма. Ну и не забывайте про распилы, без них инновации могли бы достичь своей цели. Представьте, что бы было! В каждом доме стоит мощный отечественный компьютер. У каждого человека свой просторный дом, к дому ведет хорошая ровная дорожка, по которой можно прокатиться на своем электромобиле, тоже, к слову, отечественной сборки. Ужас, не правда ли? Кстати, на электромобилях мы с вами и остановимся.
реклама
Итак, цикл материалов (1, 2, 3, 4, 5, 6), где мы простыми словами рассказываем об отечественных достижениях и инновациях сегодня пополнится еще одной новостью. Недавно мы вам рассказывали про электромобиль, который будет проезжать на одном заряде 1000 километров и заряжаться за 3 минуты, но который до сих пор не имеет даже примитивной картинки. Так вот, у другой команды разработчиков есть для нас неплохой материал.
Ребята из компании «Электротранспортные технологии» показали картинку (что уже круче, чем суперавтомобиль без картинки), на которой запечатлен уникальный мотор, технические характеристики которого значительно лучше всего, что представлено на зарубежном рынке. При этом, данная разработка настолько уникальна, что вовсе не имеет аналогов. Как пишут ребята из компании «Электротранспортные технологии», двигатель «ДВИТ-40» вместо постоянных магнитов использует медную катушку, создавая таким нехитрым образом магнитное поле. Вот так!
Как заявляют авторы картинки, новый электромотор не боится перегрева и прекрасно работает даже при температуре 150 0 С. Ну и, ко всему прочему, разработчики предполагают, что электродвигатель может позволить вашему авто проехать на 15% дальше аналогов. А может и не позволит. Тут как повезет. Но самой любопытной информацией поделился Илья Федичев, занимающий пост технического директора компании «Электротранспортные технологии»: «Наш мотор, образно говоря, состоит из железа, меди и математики».
masterok