Einführung in Ramjet-Engine Design und Betrieb

Das Ramjet-Triebwerk ist eines der elegantesten Beispiele für Antriebstechnik, das sich auf das Prinzip der dynamischen Druckverdichtung anstelle mechanischer Kompressoren stützt. Im Gegensatz zu Turbojet- oder Turbofan-Triebwerken hat ein Ramjet keine rotierenden Teile wie Verdichterschaufeln oder Turbinen. Diese Einfachheit macht es außergewöhnlich zuverlässig und kostengünstig für bestimmte Hochgeschwindigkeitsanwendungen, insbesondere in Überschall- und Hyperschallflugregimen. Die Eigenschaften, die Ramjets ihre Leistung bei hohen Mach-Zahlen verleihen, legen jedoch auch Einschränkungen auf: Sie können keinen statischen Schub erzeugen und müssen auf Betriebsgeschwindigkeit gebracht werden, bevor sie funktionieren können. Das Verständnis der Komponenten und der physikalischen Prozesse, die den Ramjet-Betrieb ermöglichen, ist für jeden, der in der Luft- und Raumfahrt arbeitet, unerlässlich, sei es bei der Entwicklung von Flugkörpern der nächsten Generation oder bei der Betrachtung der Zukunft des Hyperschallflugs.

Schlüsselkomponenten eines Ramjet-Triebwerks

Ein Staustrahl besteht aus vier Hauptuntersystemen: dem Einlass (oft Diffusor genannt), der Brennkammer, der Düse und dem Kraftstoffzufuhrsystem.

The Inlet (Diffusor)

Der Einlass ist die kritischste aerodynamische Komponente in einem Staustrahl. Seine Funktion ist es, Freistrahl-Überschallluft einzufangen und subsonisch zu verlangsamen, kinetische Energie in einen Druckanstieg umwandeln. Dieser Prozess, bekannt als Staukompression, ist das primäre Mittel des Triebwerks, den Druck ohne mechanischen Kompressor zu erhöhen. Einlassöffnungen sind typischerweise als konvergent-divergente Kanäle konzipiert. Der ankommende Überschallstrom durchläuft eine Reihe von Stoßwellen & 8212; entweder normale oder schräge Stoßwellen & 8212; die die Luft dramatisch verlangsamen und ihren statischen Druck erhöhen. Die Geometrie des Einlasses bestimmt die Lage und Stärke dieser Stoßbewegungen. Einlassöffnungen mit variabler Geometrie können sich anpassen, um die Leistung in einem Bereich von Machzahlen zu optimieren, obwohl festgeometrische Designs bei einfacheren Staustrahlraketen üblich sind.

Die Einlassleistung wird durch den Druckrückgewinnungskoeffizienten quantifiziert, der misst, wie viel des freien Strömungsstaudrucks nach der Verzögerung beibehalten wird. Eine hohe Druckrückgewinnung ist für eine effiziente Verbrennung und Schuberzeugung unerlässlich. Bei niedrigen Überschalldrehzahlen kann ein einziger normaler Stoß ausreichen, aber bei höheren Machzahlen (über etwa Mach 3) bieten mehrere schräge Stöße, gefolgt von einem schwachen normalen Stoß, eine überlegene Erholung. Die Auslegung des Einlasses beeinflusst auch den erfassten Massendurchsatz, der dem Motorbedarf entsprechen muss, um einen Verschüttungswiderstand oder eine Strömungsverzerrung zu vermeiden.

Die Verbrennungskammer

Sobald die Luft komprimiert und auf Unterschallgeschwindigkeit abgebremst ist, tritt sie in die Brennkammer ein, wo Brennstoff eingespritzt und verbrannt wird. Der Verbrennungsprozess muss trotz des Hochgeschwindigkeitsstroms stabil, effizient und aufrechterhalten sein. Im Gegensatz zu Gasturbinen, bei denen die Verbrennung bei nahezu konstantem Druck durch den Verdichter und die Turbine erfolgt, erfolgt die Staustrahlverbrennung in einem Kanal mit einem leichten Druckabfall über die Flammenzone. Die Kammer ist typischerweise mit einem hitzebeständigen Material oder Kühlkanälen ausgekleidet, um Gastemperaturen von mehr als 2500 K zu widerstehen.

Brennstoff wird durch Düsen oder Brennstoffeinspritzdüsen, die ihn in feine Tröpfchen zerstäuben, eingespritzt, um sich schnell mit der ankommenden Luft zu vermischen. Übliche Brennstoffe sind unter anderem Kohlenwasserstoffe auf Kerosinbasis (JP-5, JP-10) für Staustrahler mit niedrigerer Geschwindigkeit und Wasserstoff oder Methan für Hochgeschwindigkeits- und Versuchskonstruktionen. Das Brennstoff-Luft-Gemisch muss innerhalb der Brennbarkeitsgrenzen liegen und über einen weiten Bereich von Flugbedingungen beleuchtet bleiben. Flammenhalter &# 8212;wie Rinnen, Staukörper oder Stufenstabilisatoren &# 8212;erschaffen eine Rezirkulationszone, die die Flamme verankert. Ohne diese Vorrichtungen würde der Hochgeschwindigkeitsstrom die Flamme fast sofort ausblasen. Die Länge der Brennkammer wird so gewählt, dass eine vollständige Verbrennung gewährleistet ist, bevor die Gase die Düse erreichen.

Die Düse

Die heißen Hochdruck-Verbrennungsprodukte treten durch eine Düse aus, die sie zur Schuberzeugung auf Überschallgeschwindigkeiten beschleunigt. Bei einem Staustrahl ist die Düse fast immer vom Typ des konvergent-divergenten (C-D) Strahls. Im konvergenten Abschnitt beschleunigt sich die Unterschallströmung am Hals bis Mach 1; im divergenten Abschnitt beschleunigt sie weiter zu Überschallgeschwindigkeiten. Das Verhältnis von Austrittsfläche zu Halsfläche steuert die Austritts-Machzahl und damit den erzeugten Schub.

Die Düsenkonstruktion muss die Ausdehnung der Abgase auf Umgebungsdruck berücksichtigen. Unter- oder Überdehnung reduziert den Schub und kann Strömungsinstabilitäten verursachen. Die meisten Staustrahldüsen sind fest angebracht, da der Motor über einen begrenzten Höhen- und Drehzahlbereich arbeitet, aber variable Düsen werden manchmal in fortschrittlicheren Konstruktionen verwendet. Die Düse übernimmt auch die thermische Belastung. Die regenerative Kühlung, bei der Kraftstoff durch Kühlmäntel zirkuliert wird, kann die Düsenstruktur schützen und den Kraftstoff vorwärmen.

Kraftstoffsystem und -lieferung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kraftstoffsystems, das einen konstanten Kraftstofffluss mit dem richtigen Druck und der richtigen Temperatur zu den Einspritzdüsen liefert. Bei einem typischen Staustrahl wird der Kraftstoff in Tanks gelagert und mit Stauluft oder einer separaten Pumpe unter Druck gesetzt. Das Steuersystem passt den Kraftstoffdurchsatz auf der Grundlage der Machzahl, der Höhe und des gewünschten Schubs an. Bei Flugkörpern ist das Kraftstoffsystem oft einfach und nicht wiederherstellbar. Bei Versuchsflugzeugen kann es ausgeklügelte Dosier- und Kühlkreisläufe umfassen. Hochgeschwindigkeits-Staustrahlsysteme, die Wasserstoffkraftstoff verwenden, erfordern aufgrund der geringen Dichte und der Leckneigung von Wasserstoff eine besondere Handhabung.

Wie ein Ramjet funktioniert

Der Staustrahl arbeitet im thermodynamischen Brayton-Zyklus, wobei jedoch die Kompression ausschließlich durch den Einlass und die Expansion ausschließlich durch die Düse erreicht wird &# 8212; Es gibt keine arbeitserhebende Turbine. Dieser Zyklus besteht aus drei Prozessen: isentrope (oder nahe isentrope) Kompression im Einlass, konstante Druckwärmezufuhr in der Brennkammer und isentrope Expansion durch die Düse. Das Fehlen einer Turbine bedeutet, dass der Motor nicht selbst starten kann; er muss auf eine Geschwindigkeit beschleunigt werden, bei der der dynamische Druck der einströmenden Luft ausreicht, um einen Nettoschub zu erzeugen.

Der Brayton-Zyklus in Ramjets

Bei einem idealen Staustrahl tritt die Luft mit Überschallgeschwindigkeit in den Einlass ein, wird auf einen hohen statischen Druck und eine hohe Temperatur komprimiert und tritt dann in die Brennkammer ein, wo Brennstoff verbrannt wird, wobei Wärme bei etwa konstantem Druck hinzugefügt wird. Das resultierende Gas expandiert dann durch die Düse, um Schub zu erzeugen. Der Nettoschub ist die Differenz zwischen dem Impuls des Auspuffs und dem der einströmenden Luft zuzüglich der Druckflächenkräfte am Düsenausgang. Echte Staustrahle erleiden Verluste durch Stoßwellen, Reibung, Wärmeübertragung an die Wände und unvollständige Verbrennung. Der Zykluswirkungsgrad steigt mit der Flug-Mach-Zahl an, weil das Kompressionsverhältnis mit der Geschwindigkeit zunimmt. Ein Staustrahl wird effizienter als ein Turbostrahl über etwa Mach 3.

Start- und Betriebsgeschwindigkeit

Wie bereits erwähnt, kann ein Staustrahl nicht bei Nullvorwärtsgeschwindigkeit Schub erzeugen. Zum Starten muss das Triebwerk auf eine Geschwindigkeit beschleunigt werden, bei der der Einlass genügend Kompression liefern kann. Typische Startgeschwindigkeiten reichen von Mach 0,8 bis Mach 2,5, je nach Konstruktion. Bei Unterschallstarts liefert eine Booster-Rakete, ein Turbojet oder ein Startflugzeug die Anfangsgeschwindigkeit. Sobald das Staustrahlflugzeug in Betrieb ist, kann es fliegen, solange Kraftstoff zugeführt wird und die aerodynamischen Kräfte innerhalb der Auslegungsgrenzen bleiben. Wenn das Triebwerk unter der Start-Mach-Zahl abbremst, flammt es aus.

Ladesysteme

Gängige Boost-Methoden sind feste Raketenmotoren (z. B. bei vielen Boden-Luft-Raketen), Turbinen-basierte kombinierte Zyklen (TBCC) für luftatmende Kreuzfahrtfahrzeuge oder Luftstart von einem Mutterschiff wie dem B-52, das für die X-15 verwendet wurde (die eine Rakete verwendete, aber für Ramjet-Testbetten ähnlich ist).

Design Überlegungen und Aerodynamik

Bei der Konstruktion eines Staustrahls müssen mehrere konkurrierende aerodynamische und thermodynamische Faktoren ausgeglichen werden: Der Einlass muss genügend Luft einfangen, ohne übermäßigen Luftwiderstand zu verursachen; die Brennkammer muss lang genug für eine vollständige Verbrennung sein, aber kurz genug, um übermäßiges Gewicht zu vermeiden; die Düse muss dem Umgebungsdruck über der vorgesehenen Flughülle entsprechen.

Einlassarten

  • Normaler Stoßeinlass: Verwendet einen einzelnen senkrechten Stoß, um den Durchfluss zu verlangsamen. Einfach, aber leidet unter hohem Gesamtdruckverlust bei höheren Machzahlen. Geeignet für niedrige Überschallgeschwindigkeiten (Mach 1,5 bis 2,5).
  • Oblique Shock Inlet Verwendet eine Reihe von abgewinkelten Stößen (von einem Mittelkörper oder Rampen) gefolgt von einem schwachen normalen Schock.
  • Mixed Compression Inlet: Kombiniert externe und interne Kompressionsschocks, um eine sehr hohe Druckrückgewinnung bei Hyperschallgeschwindigkeiten (Mach 5+) zu erreichen. Erfordert eine sorgfältige Grenzschichtsteuerung und ist komplexer.

Brennstabilität und Flammenhalter

Die Stabilisierung einer Flamme in einer Hochgeschwindigkeitsströmung ist eine Herausforderung. Flammenhalter schaffen eine Rückführzone mit niedriger Geschwindigkeit, in der Verbrennungsprodukte umgewälzt werden, wodurch das ankommende Kraftstoff-Luft-Gemisch kontinuierlich entzündet wird. Übliche Konstruktionen umfassen V-Rinnen, Staukörperstabilisatoren und Wandhohlräume. Die Wahl hängt vom erforderlichen Bereich der Kraftstoff-Luft-Verhältnisse und dem zulässigen Druckabfall ab. Computational Fluid Dynamics (CFD) wird häufig verwendet, um die Geometrie und Platzierung des Flammenhalters zu optimieren, um Ausblasen und Verbrennungsinstabilitäten wie z. B. Verrutschen zu vermeiden.

Kraftstoffeinspritzung

Die Einspritzdüsen können als Wandeinspritzungen, Federbeinspritzungen oder aerodynamisch gestaffelte Einspritzdüsen ausgebildet sein. Ziel ist eine schnelle Durchmischung des Kraftstoffs mit der heißen Druckluft. Für flüssige Kraftstoffe sind Tröpfchengröße und -verteilung entscheidend. Für gasförmige Kraftstoffe ist die Konstruktion des Einspritzdüsens auf Penetration und molekulare Durchmischung ausgerichtet. Eine schlechte Durchmischung führt zu unvollständiger Verbrennung, reduziertem Schub und Rußbildung.

Düsenkonfigurationen

Konvergenz-Divergentdüsen sind Standard für Überschallauspuff. Der Rachenbereich ist so bemessen, dass er den Durchfluss (Mach 1) erstickt, und das Expansionsverhältnis gibt die Ausgangs-Machzahl an. In niedrigen Höhen ist der Umgebungsdruck hoch, so dass die Düse unterexpandieren kann; in großen Höhen überexpandiert sie, wenn keine variable Geometrie verwendet wird. Einige Staustrahldüsen verwenden eine Stopfendüse oder eine Aerospikedüse, um sich automatisch an den Umgebungsdruck anzupassen, obwohl diese komplexer sind.

Vorteile und Einschränkungen

Ramjets bieten mehrere wichtige Vorteile für Hochgeschwindigkeitsantriebe:

  • Einfachheit: Keine beweglichen Teile im Kernmotor führen zu hoher Zuverlässigkeit, geringer Wartung und relativ geringen Kosten.
  • Hochspezifischer Impuls: Bei Überschallgeschwindigkeiten ist die thermodynamische Zykluseffizienz höher als die von Raketentriebwerken, was zu einer besseren Kraftstoffeinsparung führt.
  • High Thrust Density: Der einfache Strömungsweg ermöglicht einen hohen Massenstrom und ein kompaktes Design, das für volumenbegrenzte Anwendungen wie Raketen geeignet ist.

Sie haben jedoch auch erhebliche Einschränkungen:

  • Zero Static Thrust: Erfordert ein separates Boost-System, das Komplexität und Gewicht hinzufügt.
  • Narrow Operating Range: Einlass und Düse sind normalerweise für eine bestimmte Mach-Zahl und -Höhe optimiert; Off-Design-Leistung verschlechtert sich.
  • Hohe interne Temperaturen: Anhaltender Hyperschallflug erzeugt extreme thermische Belastungen, die exotische Materialien oder aktive Kühlung erfordern.
  • Geringerer spezifischer Impuls bei niedrigen Geschwindigkeiten: Unterhalb des Designpunktes erzeugt der Ramjet weniger Schub pro Kraftstofffluss als ein Turbojet.

Anwendungen von Ramjet-Motoren

Ramjets werden hauptsächlich in militärischen und experimentellen Hochgeschwindigkeitsplattformen mit einigen Nischen zivilen Anwendungen verwendet.

Überschallraketen

Die am weitesten verbreitete Anwendung findet bei Überschall-Anti-Schiffs- und Boden-Luft-Raketen statt. Beispiele sind die Boeing AGM-158C LRASM (die einen Turbojet verwendet, aber viele Ramjet-Raketen existieren), der MBDA Meteor (ramjetbetriebene Luft-Luft-Rakete) und die Hsiung Feng III (taiwanesische Anti-Schiff-Rakete). Diese Raketen können mit Mach 2 bis 4 fliegen, was sie schwer abfangen lässt. Ramjet-Antrieb bietet anhaltende hohe Geschwindigkeit ohne die großen Oxidationstanks, die von Raketen benötigt werden, und erweitert die Reichweite.

High-Speed-Flugzeuge und Testbeds

Experimentelle Flugzeuge wie die Lockheed D-21 Aufklärungsdrohne verwendeten einen Ramjet (Marquardt RJ43) für den Mach 3+ Flug. In jüngerer Zeit verwendete der Boeing X-51 Waverider einen Scramjet (eine Ramjet-Variante mit Überschallverbrennung), um Mach 5.1 zu erreichen. Diese Fahrzeuge zeigen das Potenzial für eine anhaltende Hyperschall-Kreuzfahrt, obwohl operative Versionen in der Entwicklung bleiben.

Kombinierte Zyklen für den Weltraumstart

Ramjets werden auch als Teil von kombinierten Antriebssystemen für wiederverwendbare Trägerraketen betrachtet. z. B. verwendet das Konzept der synergetischen Luft-Atem-Rakete (SABRE) einen vorgekühlten Turbojet für niedrigere Geschwindigkeiten und Übergänge zu einem Ramjet / Scramjet für Hyperschallgeschwindigkeit, bevor es in den Raketenmodus für den Orbit wechselt.

Vergleich mit anderen Luftatmungsmotoren

Um zu verstehen, wo Ramjets passen, vergleichen Sie sie mit Turbojets und Scramjets:

  • Turbojet: hat einen Kompressor und eine Turbine; effizient von niedrigen Drehzahlen bis etwa Mach 3; kann aus dem Ruhezustand starten. komplexer und schwerer als ein Ramjet.
  • Scramjet: Eine Ramjet-Variante, bei der die Verbrennung im Überschallstrom stattfindet. Ermöglicht einen Flug über Mach 5-6, erfordert jedoch ein äußerst sorgfältiges Design, da die Verweilzeit für die Verbrennung sehr kurz ist. Noch einfacher als ein Ramjet (keine beweglichen Teile), aber schwieriger, eine stabile Verbrennung zu erreichen.
  • Ramjet: liegt zwischen Turbojet und Scramjet im Drehzahlbereich (Mach 2 bis 5). Unterschallverbrennung in der Kammer macht das Flammenhalten einfacher als in einem Scramjet, aber der Einlass muss den Fluss auf Unterschallgeschwindigkeiten verlangsamen, was bei höheren Machzahlen größere Verluste verursacht.

Die Wahl des Triebwerks hängt vom vorgesehenen Flugprofil ab. Für einen Flugkörper, der schnell auf Mach 3 beschleunigen und dann diese Geschwindigkeit beibehalten muss, ist ein Staustrahl ideal. Für einen Marschflugkörper, der mit Unterschallgeschwindigkeiten fahren muss, ist ein Turbofan oder Turbojet besser.

Zukünftige Entwicklungen und Forschung

Die derzeitige Forschung konzentriert sich auf die Erweiterung des Geschwindigkeitsbereichs von Ramjets, die Verbesserung ihrer Off-Design-Leistung und die Senkung der Kosten.

  • Eingänge und Düsen mit variabler Geometrie: Mechanische oder fluidische Einstellungen ermöglichen es einem einzelnen Motor, effektiv von Mach 2 bis Mach 5+ zu arbeiten.
  • Hochtemperaturmaterialien: Keramikmatrix-Verbundwerkstoffe (CMCs) und Ablativbeschichtungen werden entwickelt, um Brennkammertemperaturen über 3000 K ohne aktive Kühlung zu widerstehen.
  • Digitale Steuerungssysteme: Die Echtzeitoptimierung von Kraftstofffluss und Einlassgeometrie mithilfe modellbasierter Steuerung kann Stabilität und Effizienz verbessern.
  • Air-Turbo-Ramjets (ATR): Hybridmotoren, die einen Gasgenerator mit einem Ramjet kombinieren, um statischen Schub zu erzeugen, während die Ramjet-Effizienz bei hoher Geschwindigkeit erhalten bleibt.

Die Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) und NASA finanzieren weiterhin Hyperschalltechnologie-Demonstratoren, von denen viele auf Ramjet- oder Scramjet-Prinzipien angewiesen sind.

Schlussfolgerung

Das Ramjet-Triebwerk bleibt ein Eckpfeiler des Hochgeschwindigkeitsantriebs und kombiniert mechanische Einfachheit mit bemerkenswerter thermodynamischer Effizienz bei Überschall- und Hyperschallgeschwindigkeiten. Seine Schlüsselkomponenten &# 8212; Einlass, Brennkammer, Düse und Kraftstoffsystem &# 8212;arbeiten zusammen, um die kinetische Energie der Hochgeschwindigkeitsluft direkt in Schub umzuwandeln. Während die Notwendigkeit eines Boost-Systems und die enge Betriebshülle seine Verwendung auf bestimmte Anwendungen beschränken, verspricht die laufende Erforschung variabler Geometrie, fortschrittlicher Materialien und kombinierter Zyklen, die Rolle von Ramjets sowohl bei militärischen als auch bei Weltraummissionen zu erweitern. Das Verständnis der in diesem Handbuch beschriebenen Prinzipien ist der erste Schritt zum Entwerfen oder Analysieren dieser faszinierenden Motoren.

Zum weiteren Lesen siehe die NASA Glenn Research Center Seite auf Ramjets, den Wikipedia Artikel auf Ramjet-Triebwerken und SKYbrary’s Überblick über Ramjet-Antrieb