ラムジェットエンジンにおける超音波燃焼安定性の高音域科学

ラムジェットエンジンは、航空宇宙工学における最もエレガントで要求の厳しい推進コンセプトの1つです。従来のターボジェットとは異なり、ラムジェットは移動コンプレッサーブレードがありません。代わりに、車両の前進運動に完全に依存して着信空気を圧縮します。この設計は、超音速で例外的に機能しますが、空気と燃料が音の速度よりも速く動いているときに、重要なボトルネックも作成します。堅牢で安定した燃焼を保ち、燃焼の難燃性を損なうことなく、このエンジンは、そのメカニズムを完全に破壊し、なぜ、または破壊するのかを正確に検証します。

ラムジェットの超音速燃焼のユニークな物理学

課題を理解するためには、まず、ラムジェットがどのように動作するかを把握しなければなりません。空気は、過音速度で入口に入り、一連の斜めと正常な衝撃波を宣言し、その後、エンジン設計(ラムジェット対スクランジェット)に応じて、サブソニックまたは低超音波速度でコンパスターに入ります。従来のランプでは、燃焼室の流れはサブソニックです。しかし、スクランジット(スーパースラムジェット)では、このような現象を燃焼させると、特定の速度が短時間で変化するのが、このような現象を観察することができます。

過音コンバスター内の空気の居住時間は、数ミリ秒ほど短くすることができます。そのウィンドウでは、燃料は、空気流と混合し、蒸発し、空気の流れと混合され、そして点火されなければならない。せん断層、衝撃波、および乱流の破壊的な力に対する安定した炎の正面を維持しながら、すべての。あらゆる偏差は、炎の吹きか暴力的な機能につながります。

スーパーソニック・コンバスターの主要安定性の課題

1. 衝撃誘発圧力および温度の変動

衝撃波は、超音波の流れの避けられない特徴です。 ラムジェットコンボスタでは、衝撃は壁を反射させ、炎の地帯と相互作用し、静圧と温度の突然の変化を引き起こすことができます。 これらの衝撃は、局所式比を変更することにより、炎を悪化させることができる急な勾配を誘発し、または過絶の局所的な領域を作成することによって。 振動ショック列車のカップルは、燃焼熱放電と、これらの衝撃を発生させることができ、これらの衝撃は、衝撃強度を低減し、これらの衝撃を発生させることができる。 衝撃強度は、これらの衝撃強度を低減するために、衝撃を発生します。

2. 炭化物混合および炎の固定

超音速コンバスターでは、燃料噴射は空気と急速な混合を生成しなければなりません。しかし、気流の高勢力は燃料噴射のためにそれを困難にし、完全に浸透させ、混合します。貧しい混合は燃料が豊富なポケットとリーンゾーンを作成し、不完全な燃焼と温度非ユニフォーマティをもたらします。これらの非ユニフォーマティは、炎伝播速度を変更し、局所的な吹き出を引き起こします。さらに、火炎を固定して、吹き飛ばす - 火炎を防止する - 流れを抑制する - 、または過度のストレスを発生させる - 過度の難燃性を防止する - または、または過度のストレスを発生させる。

3. 熱圧力および材料の限界

過音コンバスター内の温度は、特に炭化水素燃料や水素を使用するときに2,500 °C(4,500 °F)を超えることができます。 これらの温度は、従来のニッケルベースのスーパー合金の融点を超えています。 エンジンの壁は、クーラントまたは再生冷却チャネルを介して燃料を使用して積極的に冷却されなければならない。 しかし、冷却は、コンバスターのエアロダイナミクスに影響を与え、熱膨張は、フローパスを歪めることができ、衝撃位置をシフトし、熱的燃焼を安定させる必要があります。 と統合された設計は、熱的制御が必要です。

4. 点火および炎の伝搬は高速で

超音速の流れをIgnitingは、スパークプラグを加えるほど単純ではありません。高速で、燃料空気混合物の燃焼速度は、上流を促進するための着火の流れ速度よりも大きくなければなりません。灯油ベースの燃料のために、乱流炎の速度は、しばしば過音流速度よりもはるかに低いです。つまり、点火は、パイロット炎、プラズマトーチ、または高エネルギーの点火器を使用して強制的にする必要があります。さらに、燃焼後の燃焼は、熱を強制的に燃焼する必要があります。

5. 難燃機構とその限界

一般的な難燃装置には、キャビティ、ステップ、および支柱が含まれます。キャビティ・フラウンダは、超音波エアストリーム内のサブソニック・再循環領域を作成し、ホット・プロダクトが再循環し、燃料を着火させることを可能にします。ただし、キャビティは、正しくサイズされていない場合は低周波振動を生成できます。 ストラット・インジェクタは、フローに突入し、混合し、難燃性を提供しますが、ドラッグアンド・アンド・アンド・アンド・アンド・バリアブルは、熱膨張係数を増量する必要があり、多岐に渡る必要があります。

安定性の向上と安定性の向上のためのイノベーション

高度な燃料噴射技術

現代のラムジェット設計は、角度の注射ポート、ランプインジェクタ、およびエアロダイナミクスの注射の概念を採用し、衝撃波を悪用して混合を強化します。例えば、衝撃波の燃料を流下流に注入することで、衝撃の圧力上昇を利用して、気流に深く浸透させることができます。パルス注射または段階的な注射(上流インジェクタの両方を使用して)は、局部の超音波構造と一致する燃料分布を調整することができます。現在のバルブと正確な速度は、正確な位置から制御可能である。

フラメンターデザイン最適化

計算式流体力学(CFD)は、ドラッグ&振動を最小限にしながら、再循環を最大化する構成を見つけるために、数千のキャビティの幾何学的および凹凸深さを探索するために、研究者が有効になっています。 壁冷却チャネルとキャビティを組み合わせ、過渡的な燃料噴射を使用して、不安定性を抑制することができます。 一部の設計では、キャビティが継続的な点火源として機能する渦を安定させる「トラップされた渦」概念を使用します。 これらのテックスベースの炎器は、特にマクラムエンジンとマクラムエンジンに8つの約束を提示します。

衝撃波のアクティブ制御–炎の相互作用

新たな戦略は、アクティブなフィードバック制御を含みます。コンパスター壁に沿って設置された圧力センサーは、振動や衝撃の動きの発症を検出します。応答では、燃料噴射率または射出場所は、熱放電分布を調整するために調整されます。このクローズドループ制御は、危険な振幅に成長する前に、不安定性を低下させる可能性があります。もう一つのアプローチは、小さな機械式アクチュエータや傷付きスロットを使用して、衝撃構造を変更し、これにより、ゾーンの燃焼温度と圧力フィールドを変更します。

物質科学・熱管理

高温セラミックス、セラミックマトリックス複合材(CMC)、カーボンカーボン複合材は、熱負荷に耐えるために使われています。例えば、レンチウムコーティング炭化炭化物がミサイルラメットで採用されています。また、燃料自体(熱間冷却)による再生冷却が重要となります。燃料は、注入される前に壁内の冷却チャネルを流れ、熱を吸収し、壁の温度を下げる。この燃料は、燃料を直接加熱する(BC)、直接のバリアを防止します。

モデリングとシミュレーションの進歩

改善された計算式パワーにより、研究者は、超音速反応の流れの高忠実度大江戸シミュレーション(LES)を実行することができます。これらのシミュレーションは、タービン、衝撃波、および化学反応間の複雑な相互作用をキャプチャします。彼らは、炎のブローアウトマージンを予測し、共鳴周波数を特定し、燃料噴射装置の配置を誘導することができます。スーパーソニック風洞の実験検証と一緒に、これらのツールは、強烈な設計サイクルを加速する加速しています。

未来の展望:信頼できるHypersonicの推進への道

安定した超音波燃焼のための探求は単なる学術的な演習ではありません。 これは、高音波ミサイル、再利用可能な起動車両、および潜在的な高速商用航空機の開発を支持しています。 [U.S. 空軍研究所[]と[DARPA]]は、空気呼吸式高音波プロポーションを実証するプログラムが、このようなトランジションを行うには、いくつかの[FLT]を、このようなトランジションを実行する必要があります[FLT:]と、このようなトランジスタ[FLT]は、このような動作が、このような動作をする必要があります[FLT]:[FLT]:]:[FLT:]は、このような動作が、このような動作が、このような場合、このような動作が、このような動作が、このような動作する:[FLTは、このような動作が、このような動作が、このような動作する、このような動作する:[FLTは、いくつかの動作が、このような動作速度は、動作が、このような動作が、このような動作が、動作が、動作が、動作する、動作する、動作する、動作が、動作が、動作する、

もう一つの有望な方向は、より高速でスラムジェットモードへの移行で、より低いマッハ番号でラムジェットとして動作することができるデュアルモードのラムジェット(DMR)エンジンです。 これらのエンジンは、可変ジオメトリまたは適応燃料噴射戦略を要求する、入口条件の広い範囲にわたって燃焼安定性を維持する必要があります。 高度な制御アルゴリズム、おそらく機械学習を組み込む、エンジンの状態をリアルタイムで調整して、不安定性を回避することができます。

反応性が速い高密度炭化水素などの代替燃料の研究は、混合と点火の課題を減らすこともできます。さらに、プラズマアシスト燃焼の統合により、電気放電が反応性ラジカルを生成し、安定した動作環境を拡張します。

パスフォワードは、シミュレーション主導の設計、高音波トンネルでの地上テスト、および増分飛行実験を組み合わせます。燃焼安定性の堅牢度の増加は、実用的な高音波空気呼吸能力に近接する人格をもたらします。この分野で働くエンジニアや科学者にとって、過音波コンパスターの安定した炎のミリ秒は、自然の中で最も要求される制約に対する3分の1です。