אפקט מאך מספר על עקשנות של ראג'ט

השפעת מספר מאך על ביצועי ראג'ט

מנועי Ramjet הם סוג של מערכות הנעה אוויריות שמסתמך על תנועה קדימה כדי לדחוס אוויר נכנס, חיסול הצורך בדחוסים רוטטים או טורבינות.יעילות הדחיסה הזו, וכתוצאה מכך תהליך הבעירה, מוכתב באופן מכריע על ידי תופעות הטיסה של המטוס מאך. a יסודי תפיסה של איך מספר מאך שולט בדינמיקה של צריכת אוויר, ערבוב אווירי דלק, להבה, ואסטרטגיות מורכבות עבור שיטות פעולה פיזיות עיצוביות שונות.

מספר מאך: יותר מאשר רק מהירות

מספר מאך מוגדר כיחס למהירותו של האובייקט למהירות הקול המקומי (FLT:0M= v / aFLT:1), כי מהירות הקולג'גאס משתנה עם טמפרטורה וגובה, אותו מהירות פיזית יכולה להתאים למספרים שונים של מאך בהתאם לתנאי אטמוספריים.עבור ניתוח ramjetic, מספר מאך הוא קריטי כי הוא קובע את המאפיינים של גלי הלם שנוצרו בשקע ורמת רמת לחץ סטטית של 2.

מהנדסים משתמשים במספר מאך לא כאינדיקטור מהירות פשוט, אלא כפרמטר מדרג לאפקטים דחיסות.כפי שמספר מאך גדל, האנרגיה הקינטית של הזרם החופשי הופכת משמעותית יותר ביחס לאנרגיה הפנימית שלה, ומאפשרת התאוששות בלחץ גדול יותר באמצעות מערכות אינלט המיועדות כראוי.עם זאת, יתרון זה מגיע עם עצירות מסחר בחוזק הלם, התנהגות של שכבת גבול, וטעינה תרמית - אשר משפיע ישירות על יעילות הבעירה.

Ramjet הפעלה Principle ו- The Role of Compression

בניגוד למנועי טורבוגן או טורבוטן, ל- ramjet אין דחיסה מכנית.במקום, הוא משתמש במהירות קדימה של המטוס כדי לפענח את זרימת האוויר העל-קולי באמצעות מהפך בקפידה ב- diffuser, המרת אנרגיה קינטית בלחץ סטטי וטמפרטורה.אוויר דחוס זה נכנס לחדר של הדבקה, שבו דלק מוזרק וצית את ה-High-temp-high-surture-al-to-the-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to

יעילות הבעירה ב-ramjet מוגדרת כיחס של שחרור חום בפועל לשחרור החום התיאורטי אם כל הדלק נשרף לחלוטין.זה מושפע משילוב איכות, להבות, זמן מגורים, והמדינה התרמודינמית המקומית של האוויר.מאך משפיעה ישירות על כל אחד מהגורמים האלה באמצעות שליטתו בתנאי החדירה והמבנים.

צוללת מול Supersonic Combustion Ramjets

ניתן לסווג את הרמב"ם לשני סוגים רחבים המבוססים על מספר מאך בתא הבעירה:

(FLT:0) ,Subsonic combustion ramjets (הכולל ramjets): ramigrLT:1 מיועד לטיסה מספר מאך בין 2 ל-5.מערכת אינלט מעדיפה את זרם העל-קולוני למהירויות תת-שיוניות (בדרך כלל מאך -0.5) לפני הזרקת דלק מתרחשת במהירויות תת-לשוניות, ומאפשרות מגורים וזמניות פשוטות יותר.
(FLT:0) , פיזור סופרוזיה (scramjets): ⁇ FLT:1 אופרות מעל מאך 5, שבו משמיד את הזרם למהירויות תת-קולוניות יגרום לאובדן לחץ מופרז ודיסוציאציה תרמית. in a scramjet, combustion מתרחשת במהירויות סופר-סיוניות (בדרך כלל 1–3 בשורות), הדורשות אובדן לחץ מופרז ואסטרטגיות מתקדמות לשילוב של אשפה שנייה.

המעבר בין שני משטרים אלה אינו חד; יש אזור אפור סביב מאך 4-6 שבו מעצבים חייבים להחליט אם להשתמש בתצורה של ramjet או תצורה של תצורה של ריצוף המבוססת על דרישות משימה ויכולות ניהול תרמיות.

אפקט מאך נמוך: אי יעילות קומפרסון ו Combustion

במספרים מתחת לטווח התפעולי המתוכנן של ramjet (בדרך כלל מתחת ל- Mach 2), הלחץ הדינמי של הזרם החופשי אינו מספיק כדי להשיג לחץ סטטי מספיק על פני השטח.מערכת ההלם הופכת חלשה או אפילו מנותקת, המוביל להחלמה בלחץ גרוע.ללא דחיסה מספקת, האוויר נכנס לתוך קובוס הוא בטמפרטורה נמוכה יחסית וצפיפות, אשר מעכב דלקות ונפיחות.

בנוסף, מספרי מאך נמוכים תואמים לעתים קרובות זוויות גבוהות של התקפה או תנאי טיסה מעוצבים, אשר יכולים לגרום לזרימת זרימה בתוך החדירה.בועות הפרדה משבשות את אחידות זרימת האוויר לתוך הקובוס, יצירת כיסים של זרימה דוועת שבו דלק לא יכול לערבב כראוי.זה מחמיר את חוסר יציבות הבעירה ויכול להוביל להבה.

טווח Mac: Peak Combustion Efficiency

עבור גיאומטריה נתונה, קיים להקה צרה של מספרי מאך שבו דחיסה מספיקה אך לא מוגזמת, גלי הלם מחוברים היטב ויציבים, והקובטור פועל ליד נקודת העיצוב שלו.במשטר זה, החדירה משיגה התאוששות בלחץ גבוה (בדרך כלל 70–90% של האידיאלי התיאורטי), וטמפרטורת האוויר המחוספסת גבוהה מספיק כדי לחוסם דלקים או שכבת דלק נוזלית, ללא דלק אחיד, הדורשת, חום, הוא מנקה, הוא נמוך.

בטווח האופטימלי זה, להבות מכשירים כגון צמתים או גופים bluff לתפקד באופן אמין, לעגן את אזור התגובה ומניעת מכה.יעילות ההבעירה יכולה לגשת 95-98%, כלומר כמעט כל האנרגיה הכימית של הדלק מומרת לאנרגיה תרמית.זה תרגם יעילות גבוהה ישירות לדחף ספציפי גבוה יותר ודחף, ומאפשר את ה-jet לשיט ב- 3- 5 ארוך למשך זמן.

הזרקת דלק ומיקס ב- Optimal Mach

במספר האופטימלי של מאך, אסטרטגיות הזרקת דלק ניתן לכוון לחדור את זרם האוויר ולשלב ביסודיות לפני חזית הלהבה.לדוגמה, דלקי הידרוקרבן נוזליים לעתים קרובות מוזרקים דרך צנרת או טפטים קיר בזווית שמקדמת את הניחת טיפות ו vaporization.אם הטמפרטורה והלחץ האוויר נמצאים בטווח הנכון, טיפות דלקות מתפוגגות במהירות, ו-Volfretras עם תערובת אווירית נוספת.

אתגרים גדולים של מספר מאך: גלי הלם, הפרדה זרימה ואי יכולת

בעוד מספר מאך מטפס מעל עיצוב אופטימלי (בדרך כלל מעל מאך 4-5 עבור ramjet קונבנציונלי), כמה תופעות degrade אינפלציה יעילות:

(FLT:0) גלי הלם סטרונגנר: FLT:1, ההלם השכחה והזעזועים הרגילים בשקע הופכים אינטנסיביים יותר, מה שמוביל להפסדי לחץ מלאים גבוהים יותר.
(FLT:0) הפרדה בין-שכבות הגבול המושרה: ⁇ F1) הלחץ השלילי על פני הלם חזק יכול לגרום שכבת הגבול להיפרד מהקירות הלטים.הפרדה זו יוצרת אזורי זרימה לא יציבים שמפיץים את הזרם לתוך הקובוס, מעוותים את פרופיל המהירות וגורמים לאזורים עשירים בדלק או דלק מקומי.
(FLT:0) חוסר יציבות: 1.10.10 במספרים גבוהים של מאך, זמן המגורים של זרימת האוויר בקובוס מתכווץ באופן דרמטי (מעשרות אלפי שניות לכמה מ"ג שניות או פחות) אם הקינטיקה הכימית של התגובה של דלק-חמצן הם איטי יותר מהזמן ההיקף, הלהבה לא יכולה לייצב ולפוצץ או לשרוף את התנודות הבלתי יעילות, גם עם לחץ לא יעיל.
(FLT:0) חנקן: FLT:1 , תוספת חום לזרם סופר-קולוני יכול לגרום למספר מאך ליפול לעבר אחדות, פוטנציאל ליצור גרון תרמי.אם שחרור החום גדול מדי או מקומי מדי, הזרם יכול להיות חנוק תרמי של nozzle, צמצום זרימת ההמונים ודחף תוך הגדלת גרור.

עיצובים Scramjet לטפל כמה מן הנושאים האלה על ידי שמירה על supersonic זרימה לאורך הקובע, אבל גם אז, משטר מספר מאך גבוה (Mach 8+) מציג דיסוציאציה של מולקולות חמצן וחנקן, אשר סופג אנרגיה שאחרת ישמש עבור דחף, עוד שטף יעילות של בעירה.

תכנון מסחר-Offs for Optimized Combustion Efficiency Overs Mach Range

אף גיאומטריה בודדת לא יכולה לפעול ביעילות ברחבי כל קשת מאך.במקום זאת, מעצבים מבצעים את הבורסות המבוססות על המעטפה המיועדת לטיסה:

(FLT:0) וטרינרים הגיאומטריה:FLT:1 כדי לשמור על התאוששות בלחץ טוב על טווח של מספרי מאך, חלק מהעקרונות משלבים פסים נעים או ספייקטים אשר משנים את יחס התכווצות והמיקום ההלם.
(FLT:0)Dual-mode ramjet/scramjet: Fevolveph 1:0) קובוס יחיד יכול לפעול במצב של בעירה תת-קולית במספרים נמוכים יותר של מאך ומעבר לבעירה סופר-קולית במספרים גבוהים יותר של מאך, זה דורש תוכנית הזרקת דלק גמישה ובעלת עוצמה שיכול לתפקד תחת שני משטרים.
(FLT:0) בחירה מילולית: FLT:1 hydrogen יש קינטיקה כימית מהירה יותר ומגבלות של פליטות דלות רחבות יותר מאשר דלקי פחמן, מה שהופך אותו סובלני יותר של מספרי מאך גבוהים.עם זאת, דרישות אחסון נמוכות של מימן ו Cryogenic להטיל נפח ועונשים תרמיים.

גורמים חיצוניים כגון גובה גם מאמתים את השפעות מספר מאך בגובה גבוה מאוד (מעל 30 ק"מ), האוויר הדק מקטין את זרימת ההמונים ולחץ דינמי, אשר יכול להפחית את יעילות הבעירה הכוללת אפילו במספרים גבוהים של מאך, כי הלחץ המוחלט של הבעירה נמוך.

השלכות מעשיות על עיצוב רכב Hypersonic

הבנת מערכת היחסים בין מספר ליעילות של מאך אינה פעילות אקדמית; היא משפיעה ישירות על ביצועי רכב בעולם האמיתי.לדוגמה, ה-FLT:0NASA X-43A Scamjetph1:1 השיגה יעילות של כ-90% ב- Mach 9.6, אך הדבר נדרש להתאים מאוד של הזרקת דלק וגאומטריה.

מהנדסים משתמשים בדינמיקה של נוזל חישובי (CFD) בשילוב עם מודלים קינטיים כימיים כדי לחזות יעילות של הבעירה במספרים שונים של מאך.הסימולציות הללו חייבות לקחת בחשבון את הדחיסות, האינטראקציה בין זעזועים לכימיה, ואפקטים אמיתיים של גז טבעי בניסויי מנהרה של Wind Testing במספרים רלוונטיים (למשל, ב-FLT:0NASA'sonic WindFLT:1) נותרו חיוניים לבדיקות טיסה לפני בדיקות טיסה.

טכניקות לשיפור ההדבקה

כדי לדחוף את יעילות ההבעירה גבוה יותר בקיצוניות נמוכה וגבוהה של מאך, החוקרים פיתחו מספר טכניקות:

(FLT:0) פלזמות שאינן ⁇ ⁇ (FLT) 1 1 שאינן quilibrium המיוצרות על ידי פריקות חשמליות יכול לייצר רדיקלים תגובתיים (O, H, OH) אשר מאיצים חריפות וההבהלה, במיוחד בטמפרטורות נמוכות או במהירויות גבוהות שבהן הדבקה קונבנציונלית נכשלת.
(FLT:0) הזרקת הזרקה:0 (Staged הזרקת דלק:1) בזריקת דלק במקומות ציריים מרובים לאורך קובוס יוצר שחרור חום מבוזר כי הוא נמנע מחנק תרמי ומשפר את התערובת מעל טווח רחב של מאך.
(FLT:0Micro-ramp vortex גנרטורים:FLT) 1 מכשירים קטנים, דמויי רמפה המוצבים על קירות החדירה מייצרים פריימים הממריץ את שכבת הגבול ולהפחית את ההפרדה, שמירה על זרימת אחידה גם כאשר זעזועים חזקים נוכחים.
(FLT:0) קירור חוזר: שימוש בדלק כקרר לפני הזריקה (דלקים קדמוניים או מימן Cryogenic) מחממת את הדלק ומקרר את קירות המנוע, ומאפשר לקרוסטור לשרוד מספר גבוה יותר של מאך תוך שמירה על זיהום דלק.

כל אחת מהטכניקות הללו מוסיפה מורכבות ומשקל, ולכן אימוץם תלוי במטרות ביצועים ספציפיות וברמות סיכון מקובלות של התוכנית.

מסקנות ונקודות מבט עתידיות

מספר מאך הוא הפרמטר המשפיע ביותר השולט ביעילות של ramjet. at low Mach, דחיסה גרועה מובילה לבעירה חלשה; ב-Mach אופטימלי, בכפות עליות ומחזיקי הלהבות להשיג ליד שריפת דלק מלאה; ב High Mach, הפסדים מזעזעים, הפרדה זרימה וזמני מגורים קצרים ביצועים דה-דרגים.

ככל שהעניין בטיסה היפרוזיונית גדל – הן עבור יישומים ביטחוניים (למשל, FLT:0Raytheon של כלי נשק תקיפה היפרוזיוניים של Hypersonic StrikeFLT:1) והן עבור גישה לחלל - הביקוש ל-ramjets ו-Samjets כי שמירה על יעילות גבוהה של בעירה בטווח רחב מאך יתגבר.