Capire Ramjets

I Ramjet sono una classe di motori a getto d'aria che non hanno compressore o turbina in movimento, basandosi interamente sul movimento in avanti del veicolo per comprimere l'aria in arrivo. Questo disegno li rende intrinsecamente semplici e leggeri rispetto ai motori turbojet o turbofan.

In un ramjet, l'aria entra nell'ingresso ed è rallentata (compressa) da una serie di onde d'urto prima di entrare nella camera di combustione. Il carburante viene iniettato e bruciato, e il gas caldo risultante si espande attraverso un ugello per produrre spinta. Poiché il motore utilizza ossigeno atmosferico come ossidante, il veicolo non ha bisogno di trasportare serbatoi di ossidante pesanti, un grande vantaggio rispetto ai motori a razzo tradizionale.

Il ciclo termodinamico di un ramjet è simile a un ciclo di Brayton, ma senza compressore. Invece, la decelerazione dell'aria ad alta velocità in entrata fornisce la compressione necessaria. Questo processo genera un significativo riscaldamento, e le strutture a getto di ram devono sopportare temperature estreme, spesso richiedendo materiali avanzati come la ceramica, le superalloy di nichel e i sistemi di raffreddamento attivi.

Scramjets – La Variante di Combustione Supersonico

A velocità superiori a Mach 5, l'aumento di temperatura dalla compressione dell'aria alle velocità subsoniche diventa così grave che i limiti materiali e i cinetici chimici rendono la combustione a getto di raggi convenzionali impraticabile. Un ramjet di combustione supersonica, o massetto, supera questo mantenendo la supersonica del flusso dell'aria durante il motore. L'aria entra a velocità ipersonica, è compressa dalla geometria dell'ingresso, gli shock del combustibile è iniettato.

I getti di scarico sono considerati un fattore chiave per il trasporto a lungo raggio [ e come la fase di respirazione dell'aria di un sistema di lancio a due stadi (TSTO) (X-43A (NASA) e X-51 Waverider) hanno dimostrato la tecnologia di getto di vapore in volo, raggiungendo le condizioni di combustione nette possibili e di Mach 5.

Vantaggi di Ramjets e Scramjets per il lancio spaziale

  • Riduzione del peso:[] Utilizzando ossigeno atmosferico, il veicolo può trasportare una massa proporzionale significativamente minore. Per un veicolo di lancio, l'ossidante rappresenta tipicamente circa il 60–70% della massa propellante.
  • Pulso specifico più elevato:[ Come notato, i motori di respirazione aria offrono impulsi specifici molte volte che dei razzi. Ciò significa che il veicolo può generare più spinta per unità di propellente consumato, aumentando l'impulso totale disponibile per l'accelerazione e la sagomatura traiettoria.
  • Riusabilità Potenziale:[ Le prime fasi alimentate a Ramjet potrebbero atterrare orizzontalmente come un velivolo, consentendo una rapida rotazione e riducendo i costi per lancio.
  • Lower Ascent Loads:[] I profili di aspirazione aria in genere comportano una progressiva salita attraverso l'atmosfera piuttosto che un lancio verticale ad alto rischio.
  • Flexible Operations:[] I veicoli ipersonici possono manovrare durante l'ascesa, offrendo flessibilità traiettoria per raggiungere diverse orbite o per abortire in modo sicuro.Questo è un vantaggio significativo per l'accesso spaziale militare e per le missioni che richiedono finestre di lancio puntuali.

Sfide per il superamento

Nonostante la loro promessa, i sistemi di propulsione a getto e a getto di gomma devono affrontare diverse sfide fondamentali che devono essere affrontate prima che possano essere utilizzati regolarmente per il lancio dello spazio.

Gestione termica

Le temperature di stagnazione a Mach 8 possono superare i 3000 K, richiedendo un raffreddamento attivo per le pareti del motore, i bordi di ingresso e la gola dell'ugello. Il raffreddamento rigenerativo, dove il combustibile è circolato attraverso i canali di raffreddamento prima dell'iniezione, è l'approccio primario. L'idrogeno è un ottimo refrigerante a causa della sua elevata capacità termica specifica e della bassa viscosità del veicolo, ma la gestione del criogenico

Integrazione con la Propulsione dei Rocchetti

Il motore di lancio che utilizza i ramjet deve passare a un motore a razzo per l'accelerazione finale a velocità del compressore orbitale. Questo richiede un motore a ciclo combinato, come un ciclo combinato a turbina (TBCC) o un ciclo combinato a base di razzi (RBCC). La transizione tra la velocità dell'aria e le modalità di razzo deve essere liscia e rapida, e il motore deve funzionare in modo efficiente attraverso un ampio range di velocità avanzata

Prestazioni e Avviamento dell'ingresso

A basse velocità di sovrasuoni, l'ingresso può iniziare male, causando la trazione di fuoriuscita o non avviare. Il veicolo deve essere accelerato da altri mezzi (rimorchio di roccia, turbojet, o catapulta) a un numero di Mach dove il getto di ramjet può prendere il sopravvento. Questa fase iniziale di accelerazione aggiunge molto complessità e peso.

Stabilità e Fiamma

In un getto di vapore, il tempo residente di flusso nel combustor è sull'ordine di millisecondi. Il carburante deve essere iniettato, mescolare con il flusso d'aria supersonico, e accendere all'interno di quella finestra. I titolari di fiamma, le montature e i sistemi di iniezione della parete sono stati testati, ma mantenere la combustione stabile in condizioni di volo variabili rimane un focus di ricerca.

Materiali e produzione

Le temperature estreme, combinate con atmosfere ossidanti e pressioni dinamiche elevate, richiedono materiali che mantengono forza e resistano all'ossidazione. I compositi a matrice ceramica (CMC), le ceramiche ultra-alta temperatura (UHTC), e i metalli refrattari sono candidati, ma sono costosi e difficili da produrre in forme grandi e complesse.

Progetti di ricerca e dimostrazione attuali

Diversi paesi hanno programmi attivi per sviluppare la propulsione ad aria ipersonico sia per applicazioni militari che civili, che generano dati critici che potrebbero informare i progetti futuri di lancio dello spazio.

DARPA Ipersonico Air-breathing Weapon Concept (HAWC)

Il programma HAWC, gestito da DARPA in collaborazione con l'US Air Force, ha testato i missili da crociera a getto di schiuma in grado di volare durato a Mach 5+. Nel 2022, un test Raytheon/Northrop Grumman ha raggiunto un volo di 9 minuti a velocità superiori a Mach 5, dimostrando le prestazioni e la resistenza dello scarto.

Motori di reazione SABRE e Skylon

La tecnologia di sviluppo di un motore a raggi ultra-alto (SABRE) è stata sviluppata dal 1980. SABRE utilizza un precooler che raffredda l'aria di ingresso ipersonico da oltre 1000°C a -150°C in millisecondi, permettendo a un compressore turbo leggero di pressurizzare l'aria prima di entrare in una camera di combustione.

NASA X-43 e X-51 Legacy

Il programma Hyper-X della NASA ha pilotato l’X-43A nel 2004, raggiungendo il volo a getto di schiuma al Mach 6.8 e successivamente al Mach 9.6. L’X-43A ha dimostrato la possibilità di una propulsione a getto di scram e di modelli computazionali convalidati.

Sforzi cinesi e russi

La Cina ha testato il Starry Sky-2] waverider e sta sviluppando il veicolo ipersonico DF-ZF, che può essere aumentato da una fase di scramjet.

Integrazione in Sistemi di lancio futuri

L’applicazione più promettente di tecnologia a getto di ramjet e a getto di massetto nel lancio spaziale è come parte di un sistema a due stadi (TSTO) (TSTO), che in un tipico concetto TSTO, la prima fase è un aereo ipersonico che trasporta un secondo stadio ad alta quota e Mach 5+. La prima fase ritorna alla base per il riutilizzo, mentre la seconda fase accelera il carico di paga all’orbita.

Tale sistema potrebbe ridurre i costi di lancio di un fattore da 2 a 5 rispetto ai razzi esecutivi, a seconda del grado di riutilizzo. Ad esempio, l'approccio [Stratolaunch[[]]] vettori aerei utilizza un grande turboventola-alimentato velivolo, ma una prima fase a getto di TSTO potrebbe andare molto più veloce e più alto, migliorando ulteriormente le prestazioni.

Un altro percorso di integrazione è l’utilizzo di ramjet come booster per la prima fase del ramjet. Il ramjet fornisce una spinta aumentata durante l’ascesa iniziale, permettendo ai motori a getto di essere più piccoli o il carico utile per essere più grande. Tuttavia, la massa aggiuntiva del sistema a getto e la necessità di trasportare il proprio carburante (perché utilizza l’aria atmosferica) deve essere pesata contro i vantaggi.

La strada sulla fronte

Il percorso verso sistemi operativi di lancio di sistemi di lancio di spazi a getto di raggi-spo richiede un investimento continuo nei materiali, nella scienza della combustione e nei test di volo.

  • I test di volo dei motori TBCC o RBCC[ sui veicoli subscala, passando dalla respirazione dell'aria alla modalità missilistica in volo.
  • Dimostrazione della crociera ipersononica riutilizzabile[ per 10+ minuti, dimostrando la durata del motore e la gestione termica.
  • Modelli di prestazioni valutati[[] per la progettazione integrata del veicolo, consentendo previsioni fiduciose di traiettoria e peso.
  • Costo ridotto di materiali ad alta temperatura[[]] attraverso la produzione additiva e nuovi compositi.

Se queste sfide vengono superate, i ramjet potrebbero consentire una nuova generazione di veicoli di lancio che operano più come aerei che razzi, con rapidi costi operativi e bassi. Tali veicoli non sostituiranno completamente i razzi pesanti – alcuni carichi di pagamento sono troppo grandi per le fasi di respirazione dell'aria – ma potrebbero riempire una nicchia cruciale nel lancio di media classe e nel trasporto ipersonico punta a punto.

Ramjets e scramjet offrono un percorso convincente per sistemi di lancio più efficienti e riutilizzabili. Imbragando ossigeno atmosferico durante la fase iniziale del volo, riducono la massa propellante, aumentano la frazione di carico e consentono il decollo orizzontale e lo sbarco. Mentre molte ostacoli tecnologici rimangono, la ricerca continua a NASA, DARPA, Reaction Engines, e altre organizzazioni sta costantemente avanzando la maturità di volo più basso indispensabile.