Introduzione: La ricerca per una propulsione efficiente

Una delle sfide principali è stata lo sviluppo di sistemi di propulsione efficienti che possono funzionare efficacemente sia nel vuoto dello spazio che nell’atmosfera terrestre. Tra le molte innovazioni che sono emersi, i motori a getto di rascafo hanno giocato un significativo, anche se spesso sottovalutato, ruolo nell’avanzare la tecnologia di propulsione aerospaziale.

Cosa sono i Ramjet?

Un ramjet è un tipo di motore a getto d'aria che si basa sul movimento in avanti del veicolo per comprimere l'aria in entrata, piuttosto che usare compressori meccanici o turbine. A differenza di un turbogetto tradizionale o turbofan, un ramjet ha nessuna parte in movimento[]] nel percorso principale di flusso. Questa semplicità è sia la sua massima resistenza e la sua limitazione chiave.

I Ramjet sono spesso confusi con i getti di vapore (rami di combustione supersonici). La differenza fondamentale è nella velocità del flusso d'aria attraverso il motore: in un ramjet convenzionale, l'aria in entrata è rallentata a velocità subsoniche prima che il combustibile venga iniettato e bruciato; in un getto di massetto, il flusso d'aria rimane supersonica durante il processo di combustione.

Una breve storia dello sviluppo di Ramjet

[L'ipogeo di LLT-Rin] ha brevettato il progetto per un "termojet" che ha usato il movimento in avanti per comprimere l'aria. Tuttavia, il primo volo a getto di ramjet pratico non si è verificato fino agli anni '40, quando gli ingegneri tedeschi hanno testato il Argus As 014

Come funziona Ramjets?

La comprensione del funzionamento di un ramjet richiede di seguire il flusso d'aria attraverso il motore passo dopo passo. Il processo può essere suddiviso in quattro fasi principali:

  1. Aspirazione e compressione dell'aria: Il veicolo accelera ad una velocità elevata (tipicamente sopra Mach 2, anche se l'operazione efficiente di solito inizia intorno a Mach 3). Il movimento in avanti costringe l'aria all'ingresso, che è modellato per agire come diffusore. L'area dell'ingresso aumenta lisciamente, rallentando la pressione supersona fino a velocità subsoniche e aumentando notevolmente la sua pressione.
  2. Iniezione e miscelazione di combustibile:[ Alla fine della sezione del diffusore, il combustibile — di solito idrocarbonio di qualità kerosene o, in alcuni disegni, l'idrogeno — viene iniettato nel flusso d'aria ad alta temperatura, ad alta pressione. Il combustibile deve essere accuratamente mescolato con l'aria per garantire la combustione stabile.
  3. Combustion:[] La miscela di aria combustibile viene accesa (o auto-ignites a causa dell'alta temperatura) e brucia continuamente. La camera di combustione è progettata per mantenere il flusso subsonico e garantire la combustione completa.
  4. Ugello di scarico:[ I gas caldi e ad alta pressione si espandono poi attraverso un ugello convergente-divergente, accelerando alle velocità supersonica mentre escono. La spinta risultante viene prodotta secondo la terza legge di Newton. La forma dell'ugello è fondamentale per massimizzare l'efficienza della spinta al numero di progettazione Mach.

Poiché non ci sono parti in movimento, il rapporto di compressione è interamente una funzione della velocità del veicolo e della geometria dell'ingresso. Ciò significa che un ramjet non può produrre spinta statica; deve essere accelerato alla sua velocità di funzionamento da un altro sistema di propulsione, come un booster a razzo o un motore a turbogetto. Questa limitazione è un fattore importante nel modo in cui i ramjet sono integrati nei sistemi di propulsione a veicolo spaziale.

Metriche di prestazione di Ramjet

Il ramjet di compressione è misurato con un impulso specifico (]Isp), il rapporto di spinta-a-peso, e la gamma di Machjet su cui può operare. Ramjets tipicamente ottengono un impulso specifico nella gamma di 800 a 1200 secondi] quando i combustibili di idrocarburi a Mach 3 a Mach 5.

Vantaggi di Ramjets nella Propulsione Spacecraft

Nonostante i loro limiti, i ramjet offrono diversi vantaggi interessanti per le applicazioni legate allo spazio, che diventano particolarmente rilevanti quando si considera l'efficienza complessiva del sistema di un veicolo di lancio o di un veicolo da crociera ipersonico.

  • Efficienza ad alta velocità:[] I Ramjet sono più efficienti a velocità supersonica (Mach 2 a Mach 5). Per un veicolo spaziale che accelera attraverso l'atmosfera, un ramjet può fornire un impulso specifico molto più alto di un motore a razzo durante la parte atmosferica del volo, riducendo così la quantità di propellante necessaria e può aumentare la frazione di carico.
  • Semplicità e affidabilità:[ L'assenza di macchine rotanti (senza compressore, nessuna turbina) riduce la complessità meccanica, i potenziali punti di guasto e i requisiti di manutenzione.
  • Design leggero:[ Poiché non ci sono compressori pesanti o turbine, la struttura del motore può essere relativamente leggera. I materiali ad alta temperatura sono ancora necessari per il combustibile e l'ugello, ma il peso complessivo del motore può essere inferiore a quello di un turbogetto di spinta simile.
  • Ossidante-Free Operation: Come tutti i motori di respirazione aria, i ramjet usano l'ossigeno ambientale dall'atmosfera.
  • I motori a ciclo combinato che incorporano le modalità a getto di raggi sono studiati per veicoli di lancio completamente riutilizzabili. Utilizzando la propulsione a respirazione dell'aria durante l'ascesa, il veicolo può ridurre la massa propellante e potenzialmente raggiungere decollo orizzontale e atterraggio, simile a un aereo.

Limitazioni e sfide

Per tutti i loro vantaggi, i ramjet affrontano limitazioni fondamentali che hanno storicamente limitato la loro applicazione principalmente ai missili e ai droni ad alta velocità.

  • Speed Range:[] I Ramjet sono inefficaci a bassa velocità. Non possono produrre spinte statiche, e sotto circa Mach 0.5, la compressione del ram è insufficiente per generare una spinta significativa. Anche a Mach 1, le prestazioni sono povere. Ciò significa che un veicolo a getto di raggi deve avere un sistema di spinta alternativo (rocket, turbojet, o anche una catapulta) per accelerare alla velocità di funzionamento.
  • L'altezza si deteriora rapidamente con l'altitudine. La spinta scende quando la densità dell'aria diminuisce. Sopra circa 35 km, l'aria è troppo sottile per sostenere la combustione e produrre spinta utile. Questo limita i raggi all'atmosfera inferiore e non può fornire propulsione nello spazio.
  • Sfide termiche e strutturali:[ Le alte temperature nella camera di combustione (spesso superiore a 2000°C) richiedono tecniche di raffreddamento avanzate. L'ingresso e il cono del naso sperimentano anche un riscaldamento aerodinamico estremo, soprattutto a velocità superiori a Mach 5.
  • Integrazione con altre propulsioni:[ Per le missioni spaziali, un ramjet deve essere parte di un [ motore a ciclo combinato[[]] che può passare al modo di razzo una volta che l'atmosfera si disgelo. Questa integrazione introduce problemi di peso, complessità e controllo aggiuntivi.
  • Instabilità della combustione:[ Ad alta velocità, soprattutto nella regione di transizione tra modalità a getto e a getto di vapore, la combustione può essere instabile.

Ramjets vs. Rockets: Una vista comparativa

Per comprendere il ruolo dei ramjet nella propulsione di veicoli spaziali, è utile confrontarli direttamente con il cavallo di lavoro del lancio spaziale: il motore a razzo. La differenza chiave è l'uso di ossigeno atmosferico. Un razzo trasporta sia il combustibile che l'ossidante (ossigeno tipalmente liquido e idrogeno liquido, o una combinazione solida di propellente densità). Ciò significa che un razzo può operare nel vuoto, ma deve sollevare il peso del propulsore il terreno del propietto è il terreno specifico.

Un ramjet può ottenere una Isp di circa 1000 secondi a Mach 4, mentre un razzo idrogeno/ossigeno ha una Isp di circa 450 secondi in vuoto e meno in atmosfera. Tuttavia, il vantaggio del ramjet è limitato al segmento di volo atmosferico.

Il vantaggio netto di incorporare un ramjet in un veicolo di lancio è più pronunciato per i concetti di decollo orizzontale e di atterraggio (come lo spaceplane Skylon) o per due stadi-a-orbit (TSTO)]]] disegni dove la prima fase è un ramjet-powered cruiser di gravità verticale che ritorna.

Ramjets in volo ipersonico e applicazioni missilistiche

Prima di esplorare le applicazioni future di veicoli spaziali, è importante notare che i ramjet hanno visto il loro uso più esteso nei missili ipersonici. BrahMos] missile (un progetto russo-indiano comune) utilizza un ramjet per la crociera subsonica a Mach 2.8.

La tecnologia sviluppata per i ramjet missilistici, come materiali ad alta temperatura, gestione termica e sistemi di iniezione di carburante, trasferisce direttamente alla propulsione di veicoli spaziali. I ramjet missilistici operano anche a numeri e altitudini simili di Mach come potenziale veicolo di lancio di prima fase.

Motori combinati: il ponte a orbita

Il motore più promettente per l'utilizzo di ramjet in propulsione a sondaggi è quello di un motore a turbocompresso che utilizza un generatore a getto d'aria a più velocità , mentre il motore a bassa quota SERVIZIO (Synergistic Air-Breath Rocket Engine) è stato sviluppato da

Un motore a ciclo combinato a getto puro potrebbe sembrare così: il veicolo si spegne utilizzando booster a razzo o un turbojet. Una volta raggiunto Mach 2–3, la modalità a getto di ramjet è attivata, fornendo una propulsione ad alta efficienza attraverso l'atmosfera fino a Mach 5 o 6 e altitudini di 30 km. A quel punto, le transizioni del motore a modalità a getto di scram (se progettato per esso) o la modalità razzo prende il completo per la spinta finale a orbita.

Programmi di chiave combinati-cicle

  • Skyrocket/Skylon (Reaction Engines): Utilizza il motore SABRE, che non è un puro ramjet ma utilizza un precooler per consentire l'operazione di respirazione dell'aria da Mach 0 a Mach 5, quindi transizioni a un razzo.
  • TBCC (Turbine-Based Combined Cycle): Un turbojet convenzionale per il volo a bassa velocità e un ramjet/scramjet per le alte velocità.
  • RBCC (Rocket-Based Combined Cycle): Un motore a razzo è incorporato in un condotto a getto di ramjet; il razzo fornisce spinta da bassa velocità e alta quota, mentre la modalità a getto di ram opera tra.

Il futuro dei Ramjets nella Esplorazione Spaziale

In vista, i ramjet potrebbero diventare un componente critico in una nuova generazione di veicoli di lancio riutilizzabili] e ipoticità di trasporto punto-punto. La visione di un singolo stadio-di-modalità (SSTO) piano di sviluppo è stato un motore da sogno per decenni, e ramjet-based di sviluppo combinato

Un’altra applicazione emergente è l’uso di ramjet per Mars o Venus volo atmosferico[. Su Marte, dove l’atmosfera è sottile (circa l’1% della Terra), i raggi di carbonio richiedono velocità estremamente elevate per comprimere abbastanza aria. Tuttavia, alcuni concetti propongono di utilizzare un ramjet come fonte di potenza per un sistema di propulsione elettrica (mo di funzionamento dell’aria-collecting).

Infine, la corsa spaziale commerciale e la spinta per i costi di lancio inferiori stanno spingendo rinnovato interesse nella propulsione di respirazione dell'aria. Aziende come SpaceX[ attualmente si affidano alla propulsione a razzi, ma l'alto rapporto di spinta-peso di Starship e la piena riutilizzabilità possono obviare la necessità di motori da crociera.

Conclusioni

I Ramjet hanno svolto un ruolo vitale nel promuovere la propulsione atmosferica ad alta velocità e continuano a ispirare nuove idee per i sistemi di lancio di veicoli spaziali. La loro semplicità, l'alto impulso specifico e la compatibilità con i progetti a ciclo combinato li rendono una misura naturale per la prossima generazione di veicoli di lancio riutilizzabili.