Introduzione alla progettazione e all'operazione del motore Ramjet

Il motore ramjet è uno degli esempi più eleganti di ingegneria della propulsione, basandosi sul principio della compressione della pressione dinamica piuttosto che sui compressori meccanici. A differenza dei motori turbojet o turbofan, un ramjet non ha parti rotanti come le pale del compressore o le turbine. Questa semplicità lo rende estremamente affidabile e conveniente per specifiche applicazioni ad alta velocità, in particolare nei regimi di volo supersonico e ipersonico.

Componenti chiave di un motore a getto di Ramjet

Un ramjet è costituito da quattro sottosistemi primari: l'ingresso (spesso chiamato diffusore), la camera di combustione, l'ugello e il sistema di consegna del carburante.

L'ingresso (diffusore)

L'ingresso è il componente aerodinamico più critico in un ramjet. La sua funzione è quella di catturare l'aria supersonica a flusso libero e decelerata sottosonico, convertire l'energia cinetica in un aumento di pressione. Questo processo, noto come compressione raggi, è il motore’ il mezzo primario di aumentare la pressione senza un compressore meccanico.

Le prestazioni di ingresso sono quantificate dal coefficiente di recupero della pressione, che misura la quantità della pressione di ristagno a flusso libero dopo la decelerazione. Il recupero ad alta pressione è essenziale per una combustione efficiente e per una produzione di spinta. A basse velocità di supersonica, un singolo shock normale può essere sufficiente, ma a più alti numeri di Mach (sopra circa Mach 3) gli shock multipli seguiti da un debole shock normale forniscono un recupero superiore del motore.

La Camera di combustione

Quando l'aria viene compressa e decelerata alla velocità subsonica, entra nella camera di combustione dove viene iniettato e bruciato il combustibile. Il processo di combustione deve essere stabile, efficiente e sostenuto nonostante il flusso ad alta velocità. A differenza delle turbine a gas, dove la combustione si verifica a pressione vicina a contatto con il compressore e la turbina, la combustione a getto di raggi avviene in un condotto con una leggera caduta di pressione attraverso la zona del materiale di riscaldamento.

I combustibili comuni comprendono gli idrocarburi a base di cherosene (JP-5, JP-10) per i getti a raggi a bassa velocità, e l'idrogeno o il metano per i corpi a velocità elevata e sperimentali.

L'ugello

Per un ramjet, l'ugello è quasi sempre del tipo convergente-divergente (C-D). Nella sezione convergente, il flusso subsonico accelera a Mach 1 alla gola; nella sezione divergente accelera ulteriormente le velocità di uscita supersonica.

Il design dell'ugello deve essere in grado di spiegare l'espansione dei gas di scarico alla pressione ambientale. L'estensione o la sovraespansione riduce la spinta e può causare instabilità del flusso. La maggior parte degli ugelli a getto di ram viene fissata perché il motore opera su una gamma limitata di altitudini e velocità, ma gli ugelli variabili vengono talvolta utilizzati in progetti più avanzati.

Sistema di carburante e consegna

Il sistema di alimentazione del carburante deve fornire un flusso costante di combustibile alla pressione e alla temperatura corretta agli iniettori. In un tipico ramjet, il combustibile viene immagazzinato in serbatoi e pressurizzato utilizzando l'aria del ram o una pompa separata. Il sistema di controllo regola la portata del combustibile in base al numero di Mach, l'altitudine e la spinta desiderata.

Come funziona un Ramjet

Il ramjet opera sul ciclo termodinamico di Brayton, ma con compressione ottenuta esclusivamente dall'ingresso e dall'espansione esclusivamente dall'ugello— non è presente nessuna turbina estratrice di lavoro. Questo ciclo consiste in tre processi: isentropic (o quasi isentropica) compressione nell'ingresso, costante-pressione di calore aggiunta nel combustore, e espansione isentropica attraverso il ugello.

Il Ciclo di Brayton in Ramjets

In un ramjet ideale, l'aria entra nell'ingresso a velocità supersonica, viene compressa ad alta pressione statica e temperatura, quindi entra nel combustore dove viene bruciato il combustibile, aggiungendo calore a una pressione approssimativamente costante. Il gas risultante poi si espande attraverso l'ugello per produrre la spinta. La spinta netta è la differenza tra il moto dello scarico e quello dell'aria in arrivo, oltre a qualsiasi forza di pressione-area al flusso di uscita.

Velocità di partenza e di funzionamento

Per iniziare, il motore deve essere accelerato ad una velocità in cui l'ingresso può fornire una compressione sufficiente. Le velocità di avvio tipiche vanno da Mach 0.8 a Mach 2.5, a seconda del design. Per le partenze subsoniche, un razzo di booster, un turbojet, o un velivolo di lancio fornisce la velocità iniziale. Una volta che il ramjet funziona, può sostenere il volo fino a quando il carburante viene fornito e

Sistemi di potenziamento

I metodi comuni di spinta includono motori a razzo solido (ad esempio, in molti missili a terra), cicli combinati a turbina (TBCC) per veicoli da crociera a getto d'aria, o lancetta aerea da una nave madre come il B-52 utilizzato per la combustione sostenuta X-15 (che ha usato un razzo, ma simile per i letti a getto di ramjet).

Considerazioni di progettazione e aerodinamica

La progettazione di un ramjet comporta il bilanciamento di diversi fattori aerodinamici e termodinamici concorrenti, che devono catturare abbastanza aria senza causare un eccessivo trascinamento; la camera di combustione deve essere sufficientemente lunga per la combustione completa, ma abbastanza corta da evitare un peso eccessivo; l'ugello deve corrispondere alla pressione ambientale sulla busta di volo prevista.

Tipi di ingresso

  • Insenso di attacco normale:[] Utilizza un singolo shock perpendicolare per decelerare il flusso. Semplice ma soffre di un'elevata perdita di pressione totale a numeri di Mach superiori. Adatto per basse velocità supersoniche (Mach 1,5 a 2.5).
  • Oblique Shock Inlet:[] Utilizza una serie di urti angolati (da un centrocorpo o rampe) seguiti da un debole shock normale.
  • Insenso di compressione:[] Combina gli shock di compressione esterni e interni per ottenere un recupero di pressione molto elevato a velocità ipersoniche (Mach 5+).

Supporti di combustione e fiamma

Stabilizzare una fiamma in un flusso ad alta velocità è impegnativo. I supporti a fiamma creano una zona di ricircolo a bassa velocità dove i prodotti a combustione ricircolo, accendendo continuamente la miscela di aria combustibile in entrata. I progetti comuni includono V-gutter, stabilizzatori a corpo bluff e cavità a parete. La scelta dipende dalla gamma richiesta di rapporti di aria combustibile e dalla caduta di pressione consentita.

Modelli di iniezione del carburante

Gli iniettori possono essere disposti come iniezioni a parete, iniezioni di strut o iniettori aerodinamicamente posizionati. L'obiettivo è la rapida miscelazione del combustibile con l'aria compressa a caldo. Per i combustibili liquidi, la dimensione del gocciolo e la distribuzione sono fondamentali. Per i combustibili gassosi, il design dell'iniettore si concentra sulla penetrazione e sulla miscelazione molecolare.

Configurazioni ugello

Gli ugelli convergenti-divergenti sono standard per lo scarico supersonico. L'area della gola è dimensionata per soffocare il flusso (Mach 1) e il rapporto di espansione imposta il numero di uscita Mach. A basse altitudini, la pressione ambientale è alta, quindi l'ugello può sottosfruttare; ad alte altitudini, sovraspinge se non viene utilizzata una geometria variabile.

Vantaggi e limitazioni

Ramjets offrono diversi vantaggi chiave per la propulsione ad alta velocità:

  • Semplicità:[] Nessun movimento delle parti nel motore centrale porta ad alta affidabilità, bassa manutenzione e relativamente basso costo.
  • L'elevata Impulso Specifico:[ A velocità supersoniche, l'efficienza del ciclo termodinamico è superiore a quella dei motori a razzo, dando una migliore economia del combustibile.
  • Densità elevata del trasloco:[] Il semplice percorso di flusso consente un elevato flusso di massa e un design compatto, adatto per applicazioni limitate al volume come missili.

Tuttavia, hanno anche limitazioni significative:

  • Zero Static Thrust:[] Richiede un sistema di spinta separato, aggiungendo complessità e peso.
  • Cabina di funzionamento:[] L'ingresso e l'ugello sono solitamente ottimizzati per un numero specifico di Mach e l'altitudine; degradi delle prestazioni fuori progettazione.
  • Alta temperatura interna:[] Il volo ipersonico susposto produce carichi termici estremi, richiedendo materiali esotici o raffreddamento attivo.
  • Lower Specific Impulse at Low Speeds:[ Sotto il punto di progettazione, il ramjet produce meno spinta per il flusso di carburante rispetto a un turbogetto.

Applicazioni dei motori Ramjet

Ramjets sono utilizzati principalmente in piattaforme militari e sperimentali ad alta velocità, con alcune applicazioni civili di nicchia.

Scaglie supersoniche

L'applicazione più diffusa è in missili supersonic anti-ship e superficie-aria. Esempi includono il Boeing AGM-158C LRASM (che utilizza un turbojet, ma esistono molti missili a getto di raggi), il MBDA Meteor (che serve un turbojet, ma molti missili a getto d'aria-aria-aria-aria-aria-aria-aria-aria-aria-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-a

Aircraft e Testbed ad alta velocità

Gli aerei sperimentali come il Lockheed D-21] hanno usato un ramjet (il Marquardt RJ43) per il volo Mach 3+. Più recentemente, il Boeing X-51 Waverider ha usato un massetto (una variante a raggi con crociera superonica

Cicli combinati per il lancio spaziale

I Ramjet sono anche considerati come parte di sistemi di propulsione a ciclo combinato per veicoli di lancio riutilizzabili. Ad esempio, il concetto Synergetic Air-Breathing Rocket Engine (SABRE)]] utilizza un turbojet pre-cooled per velocità inferiori e transizioni a un ramjet/scramjet per velocità ipersoniche prima di passare a velocità di lancio drammatico per il volo operativo ma non potrebbe ridurre drasticamente i costi operativi ancora per orbita.

Confronto con altri motori di perforazione

Per capire dove si adattano i ramjet, confrontarli con i turbogetti e i getti di schiuma:

  • Turbojet:[] Ha un compressore e una turbina; efficiente da velocità basse a circa Mach 3; può iniziare dal riposo. Più complesso e più pesante di un ramjet.
  • Scramjet:[] Una variante a getto di ramjet dove la combustione si verifica in flusso supersonico. Permette il volo sopra Mach 5-6 ma richiede un design estremamente attento perché il tempo di residenza per la combustione è molto breve.
  • Ramjet:[] Lies tra turbojet e massamjet in gamma di velocità (Mach 2-5). La combustione subsonica all'interno della camera rende la fiamma più facile che in un getto di schiuma, ma l'ingresso deve decelerare il flusso a velocità subsoniche, incurring maggiori perdite a numeri di Mach più elevati.

La scelta del motore dipende dal profilo di volo previsto. Per un missile che deve accelerare rapidamente a Mach 3 e quindi sostenere quella velocità, un ramjet è ideale. Per un missile da crociera che deve loiter a velocità subsoniche, un turbofan o turbojet è migliore.

Sviluppo e ricerca futuri

La ricerca attuale si concentra sull'estensione della gamma di velocità di ramjet, migliorando le prestazioni off-design e riducendo i costi.

  • Variable-Geometry Inlets and Nozzles:[ Regolazioni meccaniche o fluidiche permettono a un singolo motore di operare efficacemente da Mach 2 a Mach 5+.
  • Materiali ad alta temperatura:[] I compositi a matrice ceramica (CMC) e i rivestimenti ablativi sono in fase di sviluppo per resistere alle temperature della camera di combustione superiori a 3000 K senza raffreddamento attivo.
  • Sistemi di controllo digitali:[[] Ottimizzazione in tempo reale del flusso di carburante e della geometria dell'ingresso utilizzando il controllo basato sul modello può migliorare la stabilità e l'efficienza.
  • Air-Turbo-Ramjets (ATR): Motori ibridi che combinano un generatore di gas con un ramjet per produrre spinta statica mantenendo l'efficienza del ramjet ad alta velocità.

Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA)] e NASA[] continuano a finanziare dimostratori di tecnologia ipersononica, molti dei quali si affidano ai principi di ramjet o di scramjet.

Conclusioni

Il motore ramjet rimane un cardine della propulsione ad alta velocità, combinando semplicità meccanica con notevole efficienza termodinamica a velocità supersonica e ipersononica. I suoi componenti principali & n. 8212; ingresso, camera di combustione, ugello e sistema di carburante & n. 8212; lavorare insieme per convertire l'energia cinetica dell'aria ad alta velocità direttamente in spinta.

Per ulteriori informazioni, vedere la pagina NASA Glenn Research Center su ramjet[], l'articolo Wikipedia sui motori a getto di raggi[[], e SKYbrary’s panoramica della propulsione a getto[7FLT:F[6]