הקדמה: הצורך במהירות בתחבורה מודרנית

נסיעות אוויר גלובליות צמחו בהתמדה יותר יעיל וזמין לאורך המאה הקודמת, אך המהירות הבסיסית של מטוסים מסחריים כבר מדורגת.מאז פרישת קונקורד בשנת 2003, שום מטוס נוסעים סופר-סטוני נכנס לשירות.בינתיים, הביקוש לנסיעות ממשיך לעלות, המניעה טכנולוגיות שיכולות להפחית באופן דרסטי את זמני הטיסה.

ראמיטס אינם חדשים – הם נוצרו לראשונה בתחילת המאה ה-20, והם שימשו טילים ומטוסים ניסיוניים במשך עשרות שנים.עם זאת, ההתקדמות האחרונה בחומרים, דינמיקות נוזליות חישוביות, וניהול תרמי עיצב מחדש עניין רציני ביישום ramjets לתחבורה מהירה של נוסעים. מאמר זה חוקר כיצד ramjets פועלים, היתרונות הפוטנציאליים שלהם ואת האתגרים שלהם עבור נסיעות, ואת התחזיות עבור מציאות מסחרית.

מה זה Ramjet?

ramjet הוא סוג של מנוע סילון אווירי המסתמך על התנועה קדימה של המטוס כדי לדחוס אוויר נכנס, ולא באמצעות דחוסים מכניים כמו אלה שנמצאו ב turbojets או turbofans. השם מגיע מהאפקט "ram": כמו המטוס מהירויות באמצעות האווירה, האוויר נאלץ לתוך המנוע במהירות גבוהה, העלאת הלחץ שלה וטמפרטורה זו נכנס לתוך דחיסה שלישית (מזרקה), או לחץ דם רטובה).

ההבחנה העיקרית של מנועי סילון קונבנציונליים היא היעדר חלקים רוטטים - לא להבים דחוסים, שום דיסקים טורבינות.פשטות זו מפחיתה משקל, עלות הייצור, נקודות כשל פוטנציאלי.עם זאת, זה גם אומר ramjet לא יכול לייצר דחף סטטי; זה חייב להיות מואץ מספיק מהירות (בדרך כלל מעל מאך 2) לפני שהוא יכול לפעול ביעילות.

הרמב"ם חייב להיות מכובד מ-FLT:0 scrametsFLT ( 1:1) (הבעירה על-קולסית) ב-Rirjet, זרימת האוויר הנכנסת לחדר ההבעירה מאטה למהירויות תת-קולוניות לפני הזרקת דלק, בעוד ש- mamjet שומרת על זרימה סופר-סיונית לאורך קובוס.

המדע שמאחורי הרמב"ם

הבנת הפיזיקה של ramjets היא חיונית להעריך הן את הפוטנציאל והן את המגבלות שלהם.מחזור המנוע מבוסס על מחזור Brayton, אותו מחזור תרמודינמיקה המשמש את רוב מנועי טורבינות גז, אבל ללא דחיסה מכנית או טורבינות במקום, דחיסה מושגת רק באמצעות deceleration אווירודינמית.

במהירויות של מאך 2 ומעלה, האנרגיה הקינטית של האוויר הנכנס היא עצומה.כאשר האוויר מאט בקטר ובדפוקר המנוע, הלחץ והטמפרטורה שלו עולים באופן דרמטי – לעתים קרובות מעל אלפי מעלות צלזיוס. דחיסה זו אינה תהליך חסר הפסד; היא יוצרת גלי הלם שיוצרים ופורצים, אשר מפחיתים את היעילות הכוללת של מהנדסים בעיצוב עם אטריות מעוצבות בזהירות או מנפחים את הזעזועים כדי לשלוט במהירויות של לחץ ושיקום.

לאחר דחוס, האוויר נכנס לקובטור.דלק מוזרק מעורבב עם האוויר בטמפרטורה גבוהה. Ignition מתרחשת באופן ספונטני בשל החום הגבוה, או בעזרתו של בעל הלהבה.תהליך הבעירה, אם נשלט כראוי, מעלה את הטמפרטורה עוד יותר, ואת הגזים החמים להאיץ באמצעות מטבול מתכנס למהירויות סופר-דיות, לייצר.

יעילות היא גורם קריטי.יעילות ראמאט מובעת לעתים קרובות כאימפולס ספציפי (Isp) או דחף צריכת דלק מסוימת (TSFC) בשלב העיצוב האופטימלי שלהם - בדרך כלל סביב מאך 3-4 - ramjets יכול להשיג יעילות גבוהה יותר מאשר turbojets כי אין טורבינות להוציא אנרגיה מהזרם הגז.

מושג מפתח נוסף הוא יחס הדחיסה.בניגוד לטרפוג'טים שיכולים להשיג יחס לחץ של 30:1 או יותר באמצעות דחיסות מרובות של רב-שלב, יחס הדחיסה של ramjet מוגבל על ידי הגובה ומספר מאך 3 ו-60,000 רגל, המבוא יכול להשיג יחס לחץ של בערך 10-15:1. יחס נמוך זה מגביל את היעילות התרמודינמית בהשוואה לטרפדנות המודרנית של ההפלגה, אך במהירות גבוהה על ידי צמצום זמן נסיעה מאוד.

פוטנציאל תחבורה נוסעים במהירות גבוהה

הטיעון החשוב ביותר עבור מטוס נוסעים המופעל על ידי ramjet הוא ההפחתה הדרמטית בזמן הנסיעה. A טיסה מניו יורק ללונדון, שלוקח כיום כ-6-7 שעות על מטוס תת-קולוני, ניתן להשלים תוך שעתיים ב- Mach 3. A Sydney-to-London Journey - עכשיו בסביבות 22 שעות עם עצירה - יצטמצם ל-4 שעות בערך.

(ב) כמה חברות וארגונים מחקר הם מרדף פעיל אחר מושגים של נוסעים היפרוזיים הנשען על מנועים של ramjet או משולב מחזורי.לדוגמה, FLT:0HermeusFLT:1 מפתחת את מטוס הרובע המיועד ל- Mach 5 באמצעות מנוע משולב של טורבינות (TBCC) מנועים עם מנועים LT2TGTGTGTGIT, כאשר יש צורך במהירויות נמוכות יותר מ-A5GPSA:

ראוי גם לציין כי ramjets אינם מוגבלים לטיפה אופקית ונחיה. כמה מושגים קוראים עבור שיגור אוויר ממטוס נושא גדול יותר, אשר מבטל את הצורך של רכב הנוסע להתמודד עם טיסה מהירה נמוכה עצמה. גישה זו יכולה לפשט את מערכת המנוע אבל מוסיף מורכבות לוגיסטית.

  • (FLT:0) טיסות ללא הפסקה: ראטפל 1: 1) מטוס המופעל על ידי ramjet יכול לטוס מניו יורק לטוקיו תוך 3 שעות, פתיחת מסלולים חדשים ללא הפסקה מעל האוקיינוס השקט.
  • (FLT:0) אספקת שדות תעופה: 1FIRLT:1 עם זמני תפנית מהירים יותר, פחות מטוסים יכולים לשרת יותר נוסעים במסלולים ביקוש גבוה.
  • (FLT:0)Time Zone arbitrage:FLT:1) איש עסקים יכול לעזוב את ניו יורק אחרי ארוחת הערב, להגיע ללונדון לפני חצות, לקיים פגישות למחרת בבוקר, ולהחזיר את אותו היום - "יום עגול" אמיתי מעבר לאוקיינוס האטלנטי.

היתרונות של רכבי Ramjet-Powered

  • יעילות גבוהה בשייט סופר-סיני: הרמב"ם: רמיטס אין חלקים רוטטים, ולכן הפסדים מכניים מינימליים מתרחשים במהירות עיצוב, הדחף הספציפי יכול לעלות על כך של טורבואג'טים לאחר שריפת.
  • (FLT:0) של פשטות ותחזוקה נמוכה: חלקי תנועה קטנים יותר פירושו פחות רכיבים שיכולים להיכשל, עלויות ייצור נמוכות יותר, והורדת נטל תחזוקה.
  • עקרונות הרמב"ן (FLT:0) ,1, הרמב"ם, חלים על פני מגוון רחב של גדלים, מטילים קטנים ועד מטוסים גדולים. Scaling Up, היא בעיקר סוגיה של חומרים וניהול תרמי ולא עיצוב מנוע בסיסי.
  • (FLT:0)פונטאלי עבור דלק מימן:FLT:1 צפיפות האנרגיה הגבוהה של הידרוגן ובעירה נקייה להפוך אותו אטרקטיבי לטיסה היפרוזיונית. Ramjets יכול להיות מתוכנן לשרוף מימן, צמצום פליטות פחמן (למרות ש-Ulapour מים ו- NOx נשאר חששות בגובה).
  • (FLT:0Speed Advantage: ההרחבה: ההרחבה של ההרחבה:EsFLT:1) גם ב- Mach 3, זמני הנסיעה נחתכים על ידי שני שליש בהשוואה למטוסים תת-קוליים, ובמאך 5, ב- 80 אחוזים.

אתגרים לOvercome

  • (FLT:0)Subsonic Act: FLT:1 Ramjets לא יכול לייצר דחף במהירויות נמוכות. Takeoff ו הנחיתה דורשים מערכת הנעה נפרדת, הוספת משקל ומורכבות.מנועי מחזור משולבים (למשל, טורמונים) הם עבודה סביב, אבל הם דורשים שילוב זהיר.
  • (FLT:0) לטעון תרמיים:FLT:1 ב מאך 3-5, חימום אווירודינמי מעלה טמפרטורות עור 600-1500 מעלות צלזיוס. מבנים מטוסים חייב להיות בנוי מסופר-כלולים מתקדמים, קרמיקה, או מקרר באופן פעיל מרופדים.ההנהלה הירומית משתרעת גם על מנת למנוע קומטור וקירות נוזל.
  • (FLT:0)Materials and Manufacturing:FLT:1 מתכות עתיריות גבוהות כמו Inconel ו titanium ⁇ s הם כבדים ויקרים. Ceramic matrixs (CMCs) מציעים סובלנות חום טובה יותר אבל הם יקרים לייצר בקנה מידה.
  • (FLT:0) רעש ופריחה כלנית: FLT:1 , מטוס סופר-קולי יוצר בום סוסן שיכול להיות משבש מעל הקרקע. מסלולים מעל-אוקיים עשויים להיות מקובלים יותר, אבל פעולה מעל פני הקרקע תדרוש טכניקות מייגנציה - כגון אווירי בתדר נמוך - שהם עדיין ניסיוניים.
  • (FLT:0) מגבלות תפעוליות: מהירות גבוהה של 1FLT צורכת דלק במהירות רבה יותר לזמן יחידת, גם אם דלק הנסיעה הכולל יכול להיות דומה.
  • (FLT:0) Cost and Economic viability:FLT:1 העלות של חברת תעופה היפרוזיונית היא עצומה.מחירי כרטיס יהיה צורך להיות גבוה - תחילה מיקוד עסקי פרימיום ושווקים ברמה הראשונה - אבל בסופו של דבר יכול לרדת עם נפח.

Despite these hurdles, the pace of research is accelerating. For example, NASA’s work on scramjets has produced valuable data on high-speed combustion that directly benefits ramjet designs. Meanwhile, the

Future Outlook: מערכות ההנעה ההיברידיות והכביש לשירות מסחרי

רוב המומחים מסכימים כי הדור הראשון של מטוס נוסעים מהיר יהיה להשתמש מנוע היברידי או משולב, לא ramjets טהור.האדריכלות המבטיחה ביותר הוא מנוע המשולב מבוסס טורבינות (TBCC) אשר משלב סידור טורבו (או turbojet) ו-ramjet באותה זרימה. במהירויות נמוכות, turbjeot פועל באופן קונבנציונלי; כמו מהירות irt זה למטה כדי למנוע את האוויר או ממטרומטר אחד, הוא יכול לקחת את כל אחד למטה.

גישה נוספת היא מחזור משולב של טילים (RBCC), המשתמשת רקטה קטנה בתוך דונם.הרקטה מספקת דחף לחטוף והאצה עד שה-Rjet יכול להשתלט על. בעוד פחות יעיל דלק במהירויות נמוכות מאשר זעזוע, מנועי RBCC יכולים להיות קלים ופשוטים יותר.

בהמשך, חברת תעופה היפר-קולית מלאה יכולה להחליף ציים תת-קוליים ארוכים במסלולים העמוסים ביותר.תחזיות התעשייה מ-FLT:0Boeing's Hypersonics DivisionFLT:1 מציע כי עד 2040, מטוס ההיפרספוטוני הראשון שנשא 50-100 נוסעים עשוי להיכנס לשירות.

אתגרים רגולטוריים יעצבו גם את ציר הזמן.רשויות התעופה האזרחיות יצטרכו לפתח תקני הסמכה חדשים למסגרות אוויריות הפועלות בגבהים קיצוניים (מעל 80,000 רגל) ומהירויות.תקנות RGB על הקרקע חייבות להיות רגועות או מצטמצם.הארגון הבינלאומי לתעופה אזרחית (ICAO) כבר החל ללמוד את ההשפעה הסביבתית של טיסה היפרוזיונית, כולל ההשפעה של מים ו- NOFretrax ב- stratorephestostostorepherephestosto.

למרות המכשולים הללו, היתרונות הפוטנציאליים הם עצומים.חברת תעופה היפרוזית יכולה לגרום לעולם להרגיש קטן יותר באופן משמעותי, המאפשר פגישות בין-יבשתיות של אותו יום, תחבורה רפואית מהירה יותר, פריסה מהירה של צוותי הקלה לאסון.הטכנולוגיה כבר הוכחה במערכות טילים ומטוסים ניסיוניים כמו FLT:0X-43AFLT:1), אשר טסה ב- מאך 9.6 באמצעות מכונית בלתי אפשרית.

מסקנה

מנועי Ramjet מציעים נתיב משכנע להשגת נסיעות אוויר מסחריות אולטרה-ארוכות.חוסר של חלקים נעים, יעילות גבוהה במהירויות סופר-סטוניות, ויכולת לפעול בגובה קיצוני להפוך אותם לתאים טבעיים לדור עתידי של מטוסים נוסעים במהירות גבוהה.עם זאת, טכני, כלכלי, ורגולציה משמעותיים נשארים.התקדמות בחומרים עמידים בחום, יחד עם הנעה, רעש והרתעה הם בהדרגה חזון אמין לתוך המטרה.

המסע מהרעיון למציאות מסחרית ידרוש השקעה מתמשכת הן מסוכנויות ציבוריות והן מתעשייה פרטית.חברות כמו הרשאוס וענקים אוויריים מבוססים מניחים את הקרקע, בעוד מחקר על ramjets ממומן יכול גם לתמוך מטרות של פחמן.אם אתגרים אלה ניתן לפגוש בתוך שני העשורים הבאים, נוסעים עשויים לחוות בקרוב צורה שונה לחלוטין של נסיעה - אחד טראנס שבו טיסות אטלנטיות לא נמשך יותר מ- 1F2: אבל לא פעם אחת של תחבורה אחת: