Как хиперзвуковите самолети ще променят бъдещето на космическите пътувания

Подкрепените от НАСА изследвания в Университета на Вирджиния откриват нови пътища в областта на хиперзвуковите самолети за космически пътувания. Учените изследват начини за подобряване на работата на двигателите с помощта на адаптивни системи за управление и оптични сензори. Тези технологии могат да доведат до по-безопасни и по-ефективни космически кораби, които функционират като самолети.

Хиперзвуковите самолети: Бъдещето на космическите пътувания

Може би бъдещето на космическите пътувания ще изглежда не като ракетата Starship на SpaceX, а като „Hyper-X“ на НАСА – хиперзвуков самолет, който преди 20 години достигна скорости, недостижими за нито един друг самолет. През 2004 г. прототипът X-43A постави световен рекорд за скорост от 10 Мах, което се равнява на 10 пъти скоростта на звука, или над 12 000 км/ч.

Въпреки успеха на тестовете обаче технологията все още не е готова за практическо приложение поради сложността на управлението на двигателя. Основният проблем е в остарелите подходи към сензорните системи.

Пробив в управлението на хиперзвуковия двигател

Неотдавнашно проучване, публикувано в списание Aerospace Science and Technology показа, че въздушният поток в свръхзвуковите горивни камери може да се контролира с помощта на оптични сензори. Това откритие може значително да подобри стабилизирането на хиперзвуковите самолети. Освен това за пръв път е постигната адаптивна система за управление на хиперзвукови двигатели, която реагира на промените в динамиката, за да поддържа оптимална работа на системата.

Професор Кристофър Гойн, директор на Лабораторията за аерокосмически изследвания към Университета на Вирджиния заяви, че от 60-те години на миналия век един от приоритетите на аерокосмическата индустрия е да се разработят самолети, способни да достигат орбита от хоризонтално излитане и кацане. Понастоящем най-усъвършенстваният космически кораб е Starship на SpaceX, който използва вертикално излитане и кацане, но за да се оптимизира безопасността, удобството и повторното използване общността се стреми да създаде превозно средство, което да работи като традиционен самолет.

Усъвършенстване на скрамджет двигателите

НАСА отдавна се опитва да предотврати явлението, наречено „unstart“, което се появява в скрамджет двигателите и се отнася до внезапна промяна на въздушния поток. Университетът във Вирджиния разполага с няколко свръхзвукови въздушни тунела, които могат да симулират условията за хиперзвукови полети, което позволява експериментиране с нови сензори и техники за управление.

Скрамджетът (свръхзвуков двигател с праволинейна въздушна струя) се различава от рамджета (двигател с праволинейна въздушна струя) по това, че трябва да поддържа свръхзвуков въздушен поток през двигателя, за да достигне хиперзвукова скорост. Ако в двигателя внезапно се създадат дозвукови условия, това води до отказ от стартиране, което води до драстично намаляване на тягата.

Изпитване на двурежимния скрамджет двигател

Понастоящем, подобно на рамджет, скрамджет двигателите изискват първоначално ускорение, за да достигнат скоростта, необходима за работа. Последното нововъведение е двурежимният скрамджет двигател, който започва в режим рамджет при по-ниски скорости на Мах и след това преминава към пълен свръхзвуков поток в горивната камера при скорости, по-големи от 5 Мах (6100+ км/ч).

Важна цел е да се предотврати състоянието, когато двигателят преминава от един режим в друг. Взаимодействието на входящия въздушен поток със стените на въздухозаборника предизвиква серия от ударни вълни, които могат да бъдат разрушителни за конструкцията на превозното средство. Оптичните сензори могат да предскажат наближаващото развъртане, като наблюдават свойствата на пламъка вътре в двигателя.

Изследователският екип използва оптичен спектроскопичен сензор, за да осигури обратната връзка, необходима за контролиране на предния ръб на ударната вълна. Този сензор е в състояние да открива фини промени в двигателя и във въздушния поток, като анализира количеството светлина, излъчвана от горящите газове, както и местоположението и спектралното съдържание на пламъците.

Бъдещи перспективи

Въпреки, че все още има много работа за вършене, оптичните сензори могат да бъдат част от бъдещето, в което хиперзвуковите самолети ще летят в космоса като конвенционалните самолети. Двурежимните скрамджет двигатели все още ще се нуждаят от първоначално ускорение, но допълнителните мерки за безопасност, като например да не се използва единствено ракетна технология, биха могли да осигурят по-голяма безопасност и удобство.

Професор Гойн вярва, че подобни технологии могат да бъдат реализирани още през неговия живот, създавайки безопасен и рентабилен начин за достъп до космоса, който разчита на многократна употреба и експлоатация, подобна на тази на самолетите.