Motore Ramjet
Un motore ramjet (in inglese Ramjet come forme di realizzazione con combustione supersonica scramjet ) è un motore a reazione a respirazione d'aria , in cui non avviene la compressione fornita all'aria della camera di combustione attraverso parti in movimento come il compressore , ma semplicemente utilizzando l'alta velocità del flusso del gas stesso in un clistere stazionario, strettamente nascente.
I motori Ramjet non possono quindi generare spinta statica e funzionano solo a partire da una velocità minima; a seconda del design esatto, spesso solo a velocità supersonica . Per l'inizio, vengono utilizzati principalmente razzi ausiliari espellibili ( booster ).
A volte il motore a getto di impulsi , che è stato utilizzato nel V1 , tra le altre cose , viene contato erroneamente tra i motori a getto di ram . Tuttavia, il design e la funzione differiscono così tanto che questa assegnazione non sembra sensata (nessuna compressione, funzionamento da fermo, funzionamento intermittente).
I ramjet erano già stati descritti da René Lorin all'inizio del XX secolo , ma sono ancora rari e finora sono stati utilizzati principalmente in missili antiaerei come i sovietici 2K11 Krug e 2K12 Kub , il British Bloodhound e gli Stati Uniti Bomarc , il missile aria-aria MBDA Meteor o il missile da crociera Navaho praticamente utilizzato. Anche i missili anti-nave russi P-800 Oniks e P-80/270 Moskit hanno tali sistemi di propulsione.
base
Il principio di funzionamento e la struttura meccanica di base di questi motori è molto semplice rispetto agli azionamenti basati su turbine a gas . Tuttavia, padroneggiare l' aerodinamica a velocità operative (fino a dieci volte la velocità del suono) è impegnativo.
Fondamentalmente, un motore a reazione riceve la sua spinta dalla combustione del carburante . Per una combustione efficace, tuttavia, è necessaria la compressione dell'aria fornita . A velocità di volo nella gamma subsonica, al giorno d'oggi viene utilizzato principalmente un motore turbofan , che utilizza un compressore assiale multistadio.
A velocità di volo più elevate, tuttavia, l'effetto di smorzamento del motore si traduce in un aumento della pressione concorrente, a seguito del quale la quota del compressore assiale nello sviluppo della pressione diminuisce. A Mach 1 è in ogni caso circa il 50%, fino a Mach 3 la proporzione scende a circa lo 0%. A diverse volte la velocità del suono, l' efficienza dei motori a turbina a gas convenzionali diminuisce, mentre d'altra parte la pressione dinamica porta già a una compressione dell'aria sufficiente.
I ramjet si basano su questo principio, ma non funzionano da fermi oa velocità molto basse, poiché non c'è compressione a causa della mancanza di pressione del pistone. Per raggiungere la loro velocità operativa, devono quindi essere sempre accelerati da una centralina ausiliaria o da altri mezzi. La loro gamma ottimale di servizi di solito inizia dove i motori a reazione basati su turbine a gas lasciano il loro ottimale.
I vantaggi rispetto ai motori turbofan includono il peso ridotto, la bassa usura e la capacità di utilizzare diversi combustibili. Rispetto ai motori a razzo , il vantaggio è il minor peso dell'intero sistema, poiché l' ossidante non deve essere trasportato come carburante, ma viene utilizzato l'ossigeno nell'aria.
funzione
Il motore ramjet è costituito essenzialmente da un tubo che è progettato come un diffusore in corrispondenza dell'apertura di ingresso . Un cono , il cui diametro aumenta nella direzione del flusso d'aria, forma una costrizione con la parete del tubo per il flusso d'aria e quindi assicura, secondo Bernoulli, una riduzione della velocità del flusso (relativa), per cui la pressione aumenta e l'aria è compressa.
Nella camera di combustione successiva, il diametro del motore diminuisce nuovamente o almeno rimane costante. L'aria riscaldata dalla compressione viene alimentata a questo punto con combustibile, che brucia continuamente e quindi fa espandere il gas. Il gas caldo esce quindi nella parte posteriore, viene accelerato dall'ugello e allineato il più assialmente possibile nella direzione del flusso. Ciò consente di utilizzare la spinta nella parte anteriore della camera di combustione.
La compressione necessaria per una combustione efficace è solitamente data solo da una velocità dell'aria di circa 1.000 km / h. La maggior parte dei motori ramjet garantisce un funzionamento ottimale solo a partire dal doppio della velocità del suono (sopra Mach 2 o 2.400 km / h). Tuttavia, c'erano anche motori ramjet che potevano essere avviati a circa 320 km / he quindi accelerare l'aereo.
Subsonico / supersonico
In base alla compressione si possono distinguere due varianti di motori ramjet:
Combustione subsonica
Con il Ramjet, l'aria che fluisce all'interno del motore viene frenata al di sotto della velocità del suono (vista dal sistema di riferimento del veicolo o del motore; per quanto riguarda l'aria circostante, l'aria precedentemente ferma viene accelerata in direzione di volo), seguita da una combustione subsonica (subsonica nel sistema di riferimento del motore). Per ridurre la velocità di afflusso nella camera di combustione a subsonica e quindi aumentare la pressione, nella zona dell'ingresso del motore è disposto un diffusore di forma divergente . La stessa massa d'aria che passa il motore all'istante t viene anche espulsa nell'istante t . Qui la velocità del fluido aumenta quando la sezione del tubo diminuisce: un ugello Laval che segue la camera di combustione accelera quindi il gas in fuga di nuovo a supersonico. Il campo di lavoro di questo tipo di motore è con idrocarburi a velocità di volo fino a Mach 5; con idrogeno fino a Mach 7.
Questa tecnica è stata utilizzata per la prima volta negli anni '50 sul Lockheed X-7 e sul Nord 1500 Griffon .
Combustione supersonica nello scramjet
Quando lo scramjet ( S upersonic C ombustion Ramjet - Supersonic Combustion Ramjet- ) viene frenato durante la compressione non è (correlato al motore) al di sotto della velocità del suono l'aria in ingresso e la combustione avviene come combustione supersonica. La gamma di lavoro dei motori scramjet è quindi compresa tra Mach 5 ( relativa agli aeromobili) e Mach 15 (prevista).
La densità ρ del gas è decisiva per l' accelerazione del gas : a differenza dell'ugello Laval del Ramjet, un'espansione del diametro dell'ugello porta ad un'accelerazione del mezzo emergente. La ragione di ciò è la libera espansione del mezzo, che consente di ottenere una maggiore espansione e quindi una maggiore velocità di uscita.
I motori Scramjet fluiscono a velocità supersoniche (> Mach 3) per tutta la loro lunghezza e devono essere in grado di resistere alle temperature notevolmente più elevate risultanti. Ad esempio, ad una velocità di Mach 8, a seconda della densità dell'aria, una temperatura da 3000 a 4000 ° C si pone . Nell'X-51 sviluppato per Mach 6, il carburante scorre intorno al motore, che è oltre i 1000 ° C, per raffreddarsi e assorbe il calore, evaporando. I canali di raffreddamento sono rivestiti con un catalizzatore e il carburante ( JP-7 ) viene scomposto in molecole più piccole (più leggere), come l'idrogeno o l'etilene. Questi vengono poi bruciati.
Un altro problema con la combustione supersonica è il breve tempo di permanenza dell'aria nel motore. Ciò rende più difficile la miscelazione del carburante con l'aria e l'ossigeno che contiene. Questo problema può essere risolto adottando misure appropriate nella progettazione del motore.
Lo Scramjet ha anche un isolante , un pezzo di tubo con una sezione trasversale costante, al fine di prevenire urti di compressione indesiderati e blocchi a velocità superiori a Mach 3.
Voli Scramjet
La prima prova di combustione supersonica in un missile è stata fatta dall'HFL Cholod nel novembre 1991 in Russia. Lo Scramjet è stato sviluppato dall'Istituto centrale per i motori aeronautici (ZIAM) di Mosca alla fine degli anni '70. Le basi teoriche per la combustione supersonica sono emerse nell'Unione Sovietica negli anni '60. Dal 1992 al 1998 altri 6 voli di prova del dimostratore scramjet a simmetria assiale sono stati effettuati dalla ZIAM insieme alla Francia e successivamente alla NASA . Sono state raggiunte velocità di volo massime di oltre Mach 6.4 e l'operazione di scramjet può essere dimostrata per 77 secondi.
Il 26 marzo 2004, la NASA americana americana raggiunse una velocità del suono sette volte superiore con il missile X-43A con l'aiuto dell'unità scramjet e la mantenne per alcuni secondi. La velocità operativa richiesta per il motore scramjet è stata raggiunta da un lanciatore Pegasus .
Il 16 novembre 2004, la NASA ha raggiunto quasi Mach 10 con una configurazione di prova simile. Il veicolo di lancio Pegasus con l'X-43A è stato lanciato da un B-52 ad un'altezza di 12 km. Il volo effettivo dell'X-43A ha richiesto poco meno di 20 secondi fino a un'altitudine di oltre 33 km e ha raggiunto Mach 9.8 (circa 11.000 km / ho 3,05 km / s).
Nel 2007 il missile sperimentale HyCAUSE ( Hypersonic Collaborative Australia / United States Experiment ) ha raggiunto Mach 10 sul sito di test Woomera in Australia.
Nel 2009 sono proseguiti i voli di prova del programma HIFiRE ( Hypersonic International Flight Research Experimentation ).
Il terzo tentativo di test dell'aeronautica militare statunitense è avvenuto nel 2012 : il velivolo ipersonico sperimentale X-51A operava con una trasmissione scramjet . Il 14 agosto 2012, il motore a razzo si è acceso dopo essere stato lanciato da un bombardiere B-52. Tuttavia, dopo 16 secondi si sono verificati problemi e il missile è sfuggito al controllo. Al suo quarto volo di prova il 1 ° maggio 2013, ha raggiunto una velocità di Mach 5.1 e ha volato per circa 426 km in poco più di 6 minuti.
Il 9 gennaio 2014, i satelliti statunitensi hanno osservato un oggetto che volava a Mach 5 (secondo dati non confermati fino a Mach 10) a un'altitudine di 100 km. In questo caso Mach 5 significherebbe circa 5400-6000 km / ho Mach 10 circa 11.000 km / h. Secondo le informazioni americane, supportate da informazioni cinesi, si tratta di un aliante senza pilota sperimentale cinese con il nome non ancora definitivo WU-14 . Si dice che l' aereo, ora noto come DF-ZF , sia stato portato all'altezza e alla velocità necessarie per accendere lo scramjet nella prima fase da un lanciatore militare a lungo raggio.
Forme speciali
Nel progetto Plutone , alla fine degli anni '50 fu sviluppato un ramjet nucleare con grandi spese , che avrebbe dovuto trasportare un certo numero di bombe H nell'URSS mentre volava basso a Mach 3 . Il motore fu testato con successo nel 1961, ma il progetto fu interrotto per motivi politici e pratici prima che iniziassero i test di volo.
Nella Lockheed SR-71 ricognizione aeromobili , Pratt & Whitney J58 motori sono utilizzati che, come -cycle variabile motore, combinare turbo e Ramjet funzioni: A basse velocità, solo la funzione turboreattore è utilizzato, dal Mach 3 in poi Spostando boccaglio , parte del flusso d'aria oltre le turbine viene utilizzato come ramjet, alla velocità massima di Mach 3.2, l'80% della spinta viene generato in questo modo.
Le società statunitensi Pratt & Whitney e United Technologies hanno sviluppato un motore come parte del programma FALCON che consente la combustione subsonica e supersonica in un unico motore. Può funzionare nella gamma di velocità da Mach 2.5 a Mach 6, con l'ultimo test nel settembre 2007.
Guarda anche
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letteratura
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link internet
- Storia, tecnologia, diagrammi e foto
- Ramjets: sviluppo, tecnologia e problemi
- Sviluppo, tecnologia e problemi; Calcoli (PDF; 1,3 MB)
- NASA: Ramjet / Scramjet Trust, calcoli, informazioni
- ARLA ( Memento del 21 settembre 2008 in Internet Archive )
- Un primo concetto: Rockwell Starraker Ramjet
- Progettazione aerotermodinamica di un sistema di propulsione scramjet per futuri sistemi di trasporto spaziale, Università di Stoccarda, accesso 9 febbraio 2019
Prove individuali
- ^ Glenn Olson: Ramjet Performance Primer. Il 456th Fighter Interceptor Squadron, 2 novembre 2005, ha avuto accesso il 1 ° agosto 2012 (inglese, "[...] il Leduc 0.10 è stato lanciato da un aereo convenzionale a 200 mph per far funzionare il motore.").
- ↑ Deutschlandfunk: a velocità ipersonica sul Pacifico .
- ↑ Craig Covault: i voli X-51 scramjet pronti a colmare la propulsione aerea e spaziale per il lancio spaziale, Prompt Global Strike . Spaceflight Now il 16 maggio 2010, accesso il 14 febbraio 2019.
- ↑ W. Pavlenko: Hypersonic Engines - A Soviet Analysis . In: Flug-Revue, marzo 1968, pagg. 34–36
- ↑ Scramjet raggiunge Mach 10 su newscientist.com in Australia .
- ↑ DARPA scramjet spinge Mach 10 su theregister.co.uk.
- ↑ HyShot uq.edu.au
- ↑ Woomera ospita il primo volo di prova ipersonico HIFiRE dailytelegraph.com.au, accesso 14 maggio 2011.
- ↑ Rapporto di Alexander Stirn in Süddeutsche Zeitung v. 17 agosto 2012, p. 16
- ↑ Werner Pluta: l' aereo sperimentale X-51A Waverider stabilisce un record . Golem.de del 6 maggio 2013, accesso 14 febbraio 2019.
- ↑ Die Presse: la Cina sta testando missili iperveloci . Estratto il 21 luglio 2014.
- ↑ WantChinaTimes.com: PLA testa missili ad alta velocità in mezzo a discorsi ipersonici sulla corsa agli armamenti . Estratto il 21 luglio il 2014.