На запредельных скоростях: как гиперзвуковые самолеты изменят будущее космических путешествий

Исследования Университета Виргинии, поддержанные NASA, открывают новые горизонты в области гиперзвуковых самолетов для космических путешествий. Ученые изучают возможности улучшения работы двигателей с помощью адаптивных систем управления и оптических датчиков. Эти технологии могут привести к созданию более безопасных и эффективных космических аппаратов, функционирующих как самолеты.

Будущее космических путешествий: гиперзвуковые самолеты

Возможно, будущее космических путешествий будет выглядеть не как ракета Starship компании Space-X, а как "Hyper-X" от NASA — гиперзвуковой самолет, который 20 лет назад достиг скорости, недоступной ни одному другому летательному аппарату. В 2004 году прототип X-43A установил мировой рекорд скорости — Мах 10, что эквивалентно 10-кратной скорости звука.

Однако, несмотря на успех испытаний, технология еще не была готова к практическому применению из-за сложностей в управлении двигателем. Основная проблема заключалась в устаревших подходах к сенсорным системам.

Прорыв в управлении гиперзвуковыми двигателями

Недавнее исследование, опубликованное в журнале Aerospace Science and Technology , показало, что поток воздуха в сверхзвуковых камерах сгорания можно контролировать с помощью оптических датчиков. Это открытие может существенно улучшить стабилизацию гиперзвуковых самолетов. Более того, впервые была достигнута адаптивная система управления для гиперзвуковых двигателей, которая реагирует на изменения динамики для поддержания оптимальной производительности системы.

Профессор Кристофер Гойн, директор Лаборатории аэрокосмических исследований Университета Виргинии, отметил, что с 1960-х годов одной из приоритетных задач аэрокосмической отрасли было создание самолетов, способных достигать орбиты с горизонтального взлета и посадки. В настоящее время самым передовым космическим аппаратом является Starship от SpaceX, который использует вертикальный взлет и посадку. Но для оптимизации безопасности, удобства и повторного использования сообщество стремится создать аппарат, работающий как традиционный самолет.

Усовершенствование двигателей scramjet

NASA давно стремится предотвратить явление, называемое "unstart", которое возникает в двигателях scramjet и означает внезапное изменение потока воздуха. В Университете Виргинии есть несколько сверхзвуковых аэродинамических труб, которые могут моделировать условия для гиперзвуковых летательных аппаратов, что позволяет экспериментировать с новыми датчиками и методами управления.

Scramjet (сверхзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель) отличается от ramjet (прямоточный воздушно-реактивный двигатель) тем, что должен поддерживать сверхзвуковой поток воздуха через двигатель для достижения гиперзвуковых скоростей. Если внутри двигателя вдруг создаются дозвуковые условия, это вызывает unstart, что ведет к резкому снижению тяги.

Испытания двухрежимного двигателя scramjet

В настоящее время, как и ramjet, двигатели scramjet требуют начального ускорения, чтобы достичь скорости, необходимой для работы. Последней инновацией является двухрежимный двигатель scramjet, который запускается в режиме ramjet на более низких скоростях Маха, а затем переключается на полный сверхзвуковой поток в камере сгорания при скорости, превышающей Мах 5.

Важной задачей является предотвращение unstart при переходе двигателя из одного режима в другой. Взаимодействие входящего потока воздуха со стенками воздухозаборника приводит к образованию серии ударных волн, которые могут быть разрушительными для конструкции аппарата. Оптические датчики могут предсказать приближающийся unstart, наблюдая за свойствами пламени внутри двигателя.

Оптические сенсоры в управлении

Команда исследователей использовала оптический спектроскопический датчик для обратной связи, необходимой для контроля переднего края ударной волны. Этот датчик способен фиксировать тонкие изменения внутри двигателя и в потоке воздуха, анализируя количество света, излучаемого горящими газами, а также местоположение и спектральное содержание пламени.

Перспективы будущего

Хотя предстоит еще много работы, оптические сенсоры могут стать частью будущего, в котором гиперзвуковые самолеты будут совершать космические полеты, как обычные самолеты. Двухрежимные scramjet-двигатели все еще будут нуждаться в начальном ускорении, но дополнительные меры безопасности, такие как отказ от использования исключительно ракетных технологий, могут обеспечить большую безопасность и удобство.

Профессор Гойн верит, что такие технологии могут быть реализованы в его жизни, создавая безопасный и экономически эффективный способ доступа в космос, который основывается на многократном использовании и работе по принципу самолета.