Τι είναι ένας κινητήρας Scramjet;

Ένας κινητήρας scramjet είναι ένας κινητήρας υπερηχητικής καύσης που καταργεί τον συμπιεστή και τον στρόβιλο ενός τυπικού κινητήρα αεριωθουμένων και μπορεί να επιτύχει ταχύτητες μεγαλύτερες από 5 Mach!

Πριν από λίγους μήνες, ο ινδικός οργανισμός DRDO (Οργανισμός Αμυντικής Έρευνας και Ανάπτυξης) έκανε τα νέα για την επιτυχή διεξαγωγή της παρθενικής δοκιμής πτήσης του μη επανδρωμένου αεροσκάφους επίδειξης scramjet για υπερηχητική πτήση ταχύτητας. Ναι, αυτό είναι μια μπουκιά. Το αεροσκάφος επίδειξης ονομαζόταν επίσημα «Όχημα επίδειξης υπερηχητικής τεχνολογίας (HSTDV)». Το αεροσκάφος σχεδιάστηκε για να επιτυγχάνει ταχύτητες μεγαλύτερες από 6 Mach. Για να το δούμε αυτό, ένα επιβατικό αεροσκάφος ταξιδεύει με ταχύτητα σημαντικά χαμηλότερη από 1 Mach.

Ταχύτητες 6 Mach ή μεγαλύτερες επιτυγχάνονται με τη χρήση τεχνολογίας scramjet. Η τεχνολογία Scramjet είναι εξαιρετικά δύσκολο να αναπτυχθεί και, πριν από την Ινδία, μόνο τρεις άλλες χώρες (ΗΠΑ, Ρωσία και Κίνα) πέτυχαν να αναπτύξουν μια τέτοια τεχνολογία.

Τα οχήματα που κινούνται με κινητήρες scramjet έχουν προταθεί να επιτυγχάνουν ταχύτητες 12 Mach και άνω. (Φωτογραφία:Marc Ward/ Shutterstock)

Τι είναι οι κινητήρες τζετ;

Πριν ρίξουμε μια πιο προσεκτική ματιά στους κινητήρες scramjet, ας αγγίξουμε γενικά τους κινητήρες αεριωθουμένων. Οι κινητήρες αεριωθουμένων είναι κινητήρες εσωτερικής καύσης που παράγουν ώθηση (ή κίνηση) μέσω της προώθησης αεριωθουμένων. Αυτοί οι κινητήρες βρίσκουν εφαρμογή σε καταστάσεις υψηλής ταχύτητας, όπως αεριωθούμενα αεροπλάνα, μαχητικά αεροσκάφη, πύραυλοι και drones. Οι κινητήρες τζετ τροποποιούνται επίσης για χρήση σε αυτοκίνητα υψηλής ταχύτητας και σταθμούς παραγωγής ενέργειας. Ένας βασικός κινητήρας τζετ λειτουργεί με την ίδια αρχή με έναν παραδοσιακό αεριοστρόβιλο.

Ένας βασικός κινητήρας τζετ αποτελείται από έναν ανεμιστήρα, έναν συμπιεστή, έναν θάλαμο καύσης και έναν στρόβιλο. (Φωτογραφία:Stanislav-Z/ Shutterstock)

Ένας κινητήρας τζετ αποτελείται από έναν συμπιεστή στο μπροστινό μέρος που ακολουθείται από έναν θάλαμο καύσης και έναν στρόβιλο. Ο συμπιεστής και η τουρμπίνα είναι τοποθετημένα στον ίδιο άξονα. Ένας ανεμιστήρας στο μπροστινό μέρος του συμπιεστή απορροφά αέρα από την ατμόσφαιρα.

Ο συμπιεστής, που αποτελείται από πολλαπλές λεπίδες που περιστρέφονται με υψηλές ταχύτητες σε έναν άξονα, συμπιέζει στη συνέχεια τον εισερχόμενο αέρα. Η πίεση και η θερμοκρασία του αέρα αυξάνεται και η ταχύτητα πέφτει ως αποτέλεσμα αυτής της συμπίεσης. Ενώ στον θάλαμο καύσης, το καύσιμο ψεκάζεται στον πεπιεσμένο αέρα και ένας σπινθήρας από το μπουζί αναφλέγει το μείγμα.

Το μείγμα στη συνέχεια διαστέλλεται αυθόρμητα, δημιουργώντας έναν πίδακα. Η δύναμη αντίδρασης που δημιουργείται από τον πίδακα που προσπαθεί να εκτιναχθεί έξω από το ακροφύσιο παρέχει την απαραίτητη ώθηση για να μετακινηθεί το αεροπλάνο/όχημα προς τα εμπρός. Η ποσότητα της ώσης που δημιουργείται εξαρτάται από την ταχύτητα του εξερχόμενου πίδακα σε σύγκριση με την ταχύτητα του αέρα εισόδου. Όσο μεγαλύτερη είναι η ταχύτητα του εξερχόμενου πίδακα, τόσο μεγαλύτερη είναι η ποσότητα ώσης που παράγεται.

Πριν βγει από τον κινητήρα, ο πίδακας περνά μέσα από τα πτερύγια του στροβίλου. Η κίνηση που μεταδίδεται από τον πίδακα εξόδου στα πτερύγια του στροβίλου μεταφέρεται στον συμπιεστή μέσω ενός άξονα.

(Φωτογραφία:Nasa.gov)

Αδυναμίες του παραδοσιακού κινητήρα τζετ

Ένα σημαντικό μειονέκτημα του παραδοσιακού κινητήρα τζετ είναι ο αριθμός των κινούμενων μερών που ενσωματώνει. Ο κατάλογος περιλαμβάνει τους ρότορες του συμπιεστή πολλαπλών σταδίων και του στροβίλου, καθώς και άλλα μηχανικά εξαρτήματα, όπως μπουζί, συστήματα ψύξης, μετακαυστήρες, μονάδα ελέγχου καυσίμου, κινητήριο κινητήρα κ.λπ. Αυτά τα εξαρτήματα προσθέτουν μεγάλο βάρος στο συνολικό κινητήρα , κάνοντας ολόκληρο το όχημα βαρύτερο. Η μηχανική πολυπλοκότητα και ο αριθμός των στοιχείων που θα μπορούσαν να αποτύχουν και να οδηγήσουν σε αστοχία ή διακοπή λειτουργίας του κινητήρα αυξάνονται επίσης δραματικά με τόσα πολλά εξαρτήματα.

Ο συμπιεστής μειώνει τον εισερχόμενο αέρα σε υποηχητικές ταχύτητες σε έναν συμβατικό κινητήρα τζετ. Έτσι, μπορεί να δημιουργηθεί μια περιορισμένη ποσότητα ώσης, καθώς η ταχύτητα του πίδακα εξόδου παραμένει επίσης κάτω από υποηχητικά επίπεδα.

Επιπλέον, το όνειρο του ταξιδιού από το ένα μέρος στο άλλο στη Γη με υπερηχητικές ταχύτητες δεν είναι εφικτό με έναν κανονικό κινητήρα τζετ. Οι περισσότεροι κινητήρες τζετ μπορούν να επιτύχουν μόνο υποηχητικές ταχύτητες, δηλαδή ταχύτητες κάτω από 1 Mach, αν και ένας πολύ μικρός αριθμός μπορεί να πετάξει με ταχύτητες περίπου 3 Mach.

Εδώ παίζουν ρόλο τα ramjet και οι κινητήρες scramjet.

Τι είναι οι κινητήρες ramjet και scramjet;

Οι κινητήρες Ramjet και scramjet είναι παραλλαγές κινητήρων αεριωθουμένων που αφαιρούν τον περιστροφικό συμπιεστή και τον στρόβιλο από έναν κανονικό κινητήρα τζετ. Τα δύο μοντέλα βασίζονται στο φυσικό έμβολο του αέρα για την παραγωγή ώθησης. Η βασική αρχή λειτουργίας στα ramjet και τα scramjet περιλαμβάνει τη μετατροπή της σημαντικής κινητικής ενέργειας του εισερχόμενου υπερηχητικού (ταχύτητα μεγαλύτερη από 5 Mach) ή του υπερηχητικού αέρα σε ενέργεια πίεσης.

Ο αέρας που ρέει με υπερηχητικές ταχύτητες έχει πολύ υψηλή δυναμική πίεση. Η δυναμική πίεση ονομάζεται επίσης πίεση ταχύτητας και ορίζεται επίσημα ως η κινητική ενέργεια ανά μονάδα όγκου. Μπορεί να το θυμάστε ως όρο στην εξίσωση του Bernoulli (P + ½ ρ v2 +ρ g h =σταθερά, όπου ο όρος '½ ρ v2' είναι δυναμική πίεση).

Ωστόσο, η δυναμική πίεση του αέρα που ρέει σε υποηχητικές ταχύτητες είναι ανεπαρκής για να παράγει οποιαδήποτε χρησιμοποιήσιμη ώθηση. Επιπλέον, όταν ένα αεροσκάφος βρίσκεται σε στάση, η δυναμική πίεση του αέρα που το περιβάλλει είναι ακόμη χαμηλότερη και δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή ώθησης.

Έτσι, τα ramjet και τα scramjet απαιτούν βοήθεια για την αρχική τους απογείωση έως ότου το αεροπλάνο επιτύχει μια συγκεκριμένη ταχύτητα. Και οι δύο τύποι λειτουργούν αποτελεσματικά μόνο όταν ο περιβάλλοντα αέρας ρέει με ταχύτητες όχι μικρότερες από υπερηχητικές, ξεκινώντας από 3 Mach.

Τα Ramjet και τα scramjet δεν χρησιμοποιούν περιστροφικό συμπιεστή και στρόβιλο για να παράγουν ώθηση, αντίθετα βασίζονται στη φυσική εμπλοκή του αέρα. (Φωτογραφία:GreyTrafalgar/Wikimedia Commons)

Τώρα, όσον αφορά την κατασκευή των δύο κινητήρων jet, ο συμπιεστής του κανονικού κινητήρα jet στο μπροστινό μέρος αντικαθίσταται από έναν διαχύτη, ενώ το άλλο άκρο του κινητήρα καταλαμβάνεται από ένα προωθητικό ακροφύσιο (σύγκλινο-αποκλίνον).

Οι διαχυτές είναι συσκευές που χρησιμοποιούνται για τη μείωση της ταχύτητας ενός ρευστού (εισερχόμενος αέρας, στην περίπτωσή μας) και την αύξηση της πίεσης και της θερμοκρασίας του. Τα ακροφύσια, από την άλλη πλευρά, χρησιμοποιούνται για τη μείωση της πίεσης και την αύξηση της ταχύτητας ενός ρευστού (εκτόξευση καυσαερίων). Δεδομένου ότι δεν υπάρχει συμπιεστής στους κινητήρες ramjet και scramjet, η ανάγκη για τουρμπίνα εξαλείφεται επίσης.

Όταν ο αέρας που κινείται με υπερηχητικές ταχύτητες αναγκάζεται να περάσει μέσα από τον διαχύτη, η δυναμική του πίεση μετατρέπεται σε στατική πίεση. Η ταχύτητα της ροής του αέρα μειώνεται, ενώ η πίεση και η θερμοκρασία αυξάνονται. Αυτή η αυξημένη θερμοκρασία και πίεση βοηθούν στην καύση του μείγματος.

Η υπόλοιπη διαδικασία εργασίας παραμένει η ίδια όπως σε έναν κανονικό κινητήρα τζετ. Μέσα στον θάλαμο καύσης, ο αέρας αναμιγνύεται με καύσιμο και τα μπουζί βοηθούν στην ανάφλεξη του μείγματος, ενώ το ακροφύσιο προώθησης επιταχύνει το ρεύμα των καυσαερίων για να δημιουργήσει ώθηση.

Ramjets εναντίον Scramjets

Σε ένα ramjet, ο εισερχόμενος αέρας επιβραδύνεται σε επίπεδα κάτω από τα υποηχητικά επίπεδα από τον διαχύτη. Χρησιμοποιεί λοξά κρουστικά κύματα για να επιβραδύνει τη ροή, που ακολουθείται από ένα τελικό κανονικό κρουστικό κύμα για να το φέρει κάτω από τις υποηχητικές ταχύτητες. Δεδομένου ότι η ποσότητα της ώσης που δημιουργείται εξαρτάται από την ταχύτητα του πίδακα καυσαερίων, σε ramjets, παρόμοια με τους κινητήρες αεριωθουμένων, η ποσότητα της παραγόμενης ώσης περιορίζεται από την υποηχητική ροή αέρα στο θάλαμο καύσης.

Για να αυξηθεί η παραγωγή ώσης, ο εισερχόμενος αέρας δεν πρέπει να επιβραδύνεται κάτω από τις υποηχητικές ταχύτητες. Οι κινητήρες scramjet κάνουν ακριβώς αυτό. Οι κινητήρες Scramjet δεν είναι παρά μια αναβάθμιση σε κινητήρες ramjet. Στην πραγματικότητα, το scramjet σημαίνει "υπερηχητικούς κινητήρες ramjet καύσης".

Στα scramjet, η εισερχόμενη ροή αέρα δεν επιβραδύνεται σε υποηχητικά επίπεδα και διατηρεί τις υπερηχητικές ταχύτητες. Αυτό επιτυγχάνεται με έναν πιο σταδιακά αποκλίνοντα διαχύτη. Ο θάλαμος καύσης σε scramjet έχει επίσης τροποποιηθεί για να λειτουργεί σε υπερηχητικές ταχύτητες, ενώ ο θάλαμος καύσης σε ramjets λειτουργεί μόνο σε υποηχητικές ταχύτητες.

Το ακροφύσιο πρόωσης έχει επίσης τροποποιηθεί για να επιταχύνει το πίδακα εξάτμισης σε υψηλότερους αριθμούς Mach. Έτσι, η ώθηση που δημιουργείται από τα scramjet είναι μεγαλύτερη από αυτή των ramjet. Επομένως, τα Scramjets μπορούν να πετάξουν με μεγαλύτερες ταχύτητες από τα ramjet.

Τα Scramjets είναι επίσης σημαντικά καθώς γεφυρώνουν το χάσμα μεταξύ κινητήρων αεριωθουμένων υψηλής απόδοσης και κινητήρων πυραύλων υψηλής ταχύτητας.

Τα Scramjets μεταφέρουν καύσιμο και χρησιμοποιούν το ατμοσφαιρικό οξυγόνο ως οξειδωτικό, ενώ οι πύραυλοι μεταφέρουν και καύσιμο και οξειδωτικό παράγοντα επί του σκάφους. Καθώς τα scramjet δεν φέρουν οξειδωτικό παράγοντα, περιορίζονται σε ατμοσφαιρικές πτήσεις και δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν για διαστημικά ταξίδια… ακόμα.

Συμπέρασμα

Η χρήση της τεχνολογίας scramjet μπορεί να μας επιτρέψει να πετάξουμε με ταχύτητες περισσότερες από 10 φορές την ταχύτητα του ήχου, αλλά είναι ακόμα ένα έργο σε εξέλιξη. Όπως ήδη αναφέρθηκε, μόνο 4 έθνη έχουν επιτύχει στην ανάπτυξη της τεχνολογίας scramjet. Το πρώτο όχημα με κινητήρα scramjet πέταξε τον Νοέμβριο του 1991 και αναπτύχθηκε από τη Ρωσία. Έχουν περάσει περίπου 27 χρόνια από την πρώτη επίδειξη της τεχνολογίας scramjet, αλλά συνεχίζει να μας διαφεύγει σε μεγάλη κλίμακα.

Το πρωταρχικό πρόβλημα είναι η ανάγκη για ένα πρόσθετο όχημα εκτόξευσης για την έναρξη της πτήσης, καθώς τα scramjet παράγουν χρήσιμη ώθηση μόνο σε ταχύτητες 5 Mach ή μεγαλύτερες. Η ποσότητα θερμότητας που παράγεται από την τριβή του αέρα και τα κρουστικά κύματα είναι μια άλλη ανησυχία. Μια κακή αναλογία ώσης προς βάρος περιορίζει την επιτάχυνση και το αεροπλάνο πρέπει επίσης να είναι αρκετά μεγάλο για να μεταφέρει ένα συγκεκριμένο ωφέλιμο φορτίο. Επιπροσθέτως, η τεχνολογία scramjet είναι εξαιρετικά ακριβή στην κατασκευή και τη δοκιμή. Οι περισσότερες δοκιμές τελειώνουν με τον πλήρη αφανισμό του δοκιμαστικού οχήματος.

Έτσι, ενώ η τεχνολογία scramjet μπορεί να φαίνεται συναρπαστική και χρήσιμη, είναι κάτι που πιθανότατα δεν θα δούμε για τουλάχιστον άλλα 10-15 χρόνια.