De geschiedenis en ontwikkeling van Ramjet-motoren van de Tweede Wereldoorlog tot heden

De ontwikkeling van ramjetmotoren vormt een hoeksteen van de hoge snelheid van de lucht- en ruimtevaart. In tegenstelling tot turbojets of raketten, hebben ramjets geen bewegende onderdelen compressoren, geen turbines. In plaats daarvan vertrouwen ze volledig op de voorwaartse snelheid van het voertuig om inkomende lucht te comprimeren voordat ze te mengen met brandstof en het ontsteken. Deze fundamentele eenvoud maakt ze ideaal voor aanhoudende supersonische en hypersonische vlucht. Hun geschiedenis is een verhaal van ambitieuze techniek, oorlogsnood, en voortdurende innovatie die zich uitstrekt van het begin van de 20e eeuw tot de huidige geavanceerde hypersonische onderzoek.

Oorsprong en vroege begrippen

De theoretische basis voor de ramjet werd gelegd lang voordat een praktische motor vloog. In 1913 de Franse uitvinder René Lorin patenteerde een ontwerp voor een "aandrijfbare kanaal" dat de beweging van het voertuig gebruikte om lucht te comprimeren. Echter, Lorin's concept kon niet worden gerealiseerd op dat moment omdat er geen vliegtuig bestond dat de nodige snelheden kon bereiken die meestal boven Mach 0,5 ..voor de motor te functioneren. Het idee bleef slapen voor jaren.

De eerste serieuze pogingen om een werkende ramjet te bouwen kwamen in de jaren dertig. In de Sovjet-Unie ontwikkelde ingenieur Michail Bondaryuk de GIRD-08, een vloeistof-getankte ramjet getest op een raket slee in 1939. Rond dezelfde tijd, Duitse onderzoekers aan de DVL (Duitse Luchtvaart Research Institute) begon te verkennen ramjet ontwerpen onder de codenaam Eisenhans (Iron Hans). Deze vroege prototypes toonden dat het concept kon werken, maar materialen, brandstofinjectie en brandstabiliteit bleven grote uitdagingen.

Het was de tweede wereldoorlog die de ontwikkeling van ramjet echt versnelde.De behoefte aan hoge snelheid, lange afstand wapens geduwd ingenieurs in Duitsland, het Verenigd Koninkrijk, en de Verenigde Staten om theoretische ontwerpen om te zetten in praktische hardware.De Duitse Fieseler Fi 103[ (beter bekend als de V-1 vliegende bom) gebruikte een pulsjet, niet een echte ramjet, maar de operationele ervaring opgedaan met eenvoudiger gekanaliseerde straaljagers geïnformeerd later ramjet werk. De geallieerden, ondertussen, achterna ramjet-aangedreven raketten en doelwit drones als onderdeel van hun eigen geheime projecten.

Ontwikkeling tijdens en na de Tweede Wereldoorlog

Britse bijdragen

Het Verenigd Koninkrijk heeft een aantal van de belangrijkste vroege vorderingen gemaakt.Het Royal Aircraft Establishment (RAE) en Metropolitan-Vickers werkten samen aan de Metropolitan-Vickers F.2/40, een ramjet die bedoeld was om strijders tot extreme hoogten te laten aandrijven. Hoewel de motor nooit was gemonteerd op een productievliegtuig, verstrekte het uitgebreide gegevens over supersonische verbranding en inlaatontwerp.De Britten ontwikkelden ook de Projectiel, Air-Breathing, Ramjet (PABR)] familie, waaronder de []Horsehoe[[]] raket, die een van de eerste ramjet-aangedreven voertuigen was om gecontroleerde vlucht te bereiken.Deze ontwerpen stelden de fundamentele architectuur vast met een lange numerieke centrale neushoorn, inlaat, verbrandingskamer en uitlaatmond die vandaag standaard blijft.

Amerikaanse vooruitgang

De Verenigde Staten kwamen in de late oorlogsjaren het veld in. Het Naval Air Weapons Station bij China Lake begon met het testen van de KAN (Kaiser-North American) ramjet in 1944. Na de oorlog, gevangen Duitse documenten en wetenschappers, met name Dr. Adolf Busemann, die gewerkt had aan supersonische opnames bij de DVL, gaf Amerikaans onderzoek een grote boost. De ]Wright Aeronautical Division[] van Curtiss-Wright ontwikkelde de RJ47[] ramjet, die later de ] Bomarc[[ supersonische oppervlakte-luchtraket aan boord van de aarde voedde. De RJ47 was een landmerk prestatie: het toonde dat een ramjet betrouwbaar kon werken gedurende langere perioden boven Mach 2,5.

Het post-oorlogstijdperk: Ramjets Enter Service

Tegen de jaren 1950 had ramjettechnologie genoeg gerijpt voor operationele inzet. De Britse Blue Steel raket, een nucleair gewapend standoff wapen dat door V-bommenwerpers werd gedragen, gebruikte een Bristol Siddeley BS.605[[] ramjet sustainer motor na boost naar Mach 2.5. Blue Steel bleef in dienst tot begin jaren 1970. In de Verenigde Staten, de Bomarc[] ging Air Force dienst in 1959, bewapend met conventionele of nucleaire oorlogskoppen en geleid door een geavanceerde radar systeem. Bomarc's [Marquadt RJ43-MA-7 motoren gaven het een bereik van meer dan 400 mijl en een snelheid van Mach 2.8. Deze systemen bewezen dat ramjets niet alleen laboratoriumcuriosie-eenheden maar afhankelijke militaire toepassingen in de praktijk brengen.

Technologische ontwikkelingen: van Ramjets tot Scramjets

Verbrandingsuitdagingen

De kern technische uitdaging van de ramjet is het handhaven van stabiele verbranding bij hoge supersonische snelheden. In een subsonische verbrandingsramjet, moet de lucht die de inlaat moet worden vertraagd tot subsonische snelheden voordat de verbrandingskamer. Deze vertraging veroorzaakt schokgolven en druk verliezen die de efficiëntie te beperken. Ingenieurs besteedden decennia raffinage van de opname geometries met behulp van compressie-inlaten, scherp afgelipte inlaten, en variabele geometrie . Het werk van Dr. Antonio Ferri bij het Polytechnische Instituut van Brooklyn was bijzonder invloedrijk; zijn "Ferri-type" opname werd een standaard ontwerp voor veel Amerikaanse ramjets.

Brandstofsystemen en Thermisch Beheer

De eerste ramjets gebruikten standaard kerosine (JP-4 of JP-5), maar hoge snelheidsvlucht genereert ook een intense warmte. Bij Mach 3 en hoger worden het luchtframe en de motor zo heet dat conventionele brandstof kan ontbinden of coke kan veroorzaken in brandstofleidingen. Dit leidde tot de ontwikkeling van endothermische brandstoffen die warmte absorberen door chemische kraakreacties voordat ze verbrand worden. De JP-7[] brandstof gebruikt in de ]SR-71 Blackbird[]'s Pratt & Whitney J58 turbo-ramjet motoren is een beroemd voorbeeld. Meer recentere werkzaamheden zijn gericht op RJ-8 en andere gespecialiseerde mengsels ontworpen voor hypersonische lange-durige vlucht.

De Scramjet Doorbraak

De volgende grote sprong kwam met de scramjet (supersonische verbrandingsramjet). In een scramjet blijft de luchtstroom supersonisch door de hele motor, waardoor de behoefte aan een subsonische diffuser en vermindering van de weerstand. Het concept werd voor het eerst voorgesteld in de jaren 1960, maar praktische realisatie bleek buitengewoon moeilijk. Verbranding bij Mach 5 of hoger treedt op in milliseconden, waarvoor nauwkeurige brandstofinjectie en ontsteking systemen.

De NASA X-43A, die in 2004 werd gevlogen, was het eerste vliegtuig dat een duurzame vlucht met een scramjet bereikte, en bereikte Mach 9.6 op zijn derde en laatste vlucht. Deze mijlpaal werd gevolgd door de X-51A Waverider[], een gezamenlijk Air Force-NASA-project dat meer dan 200 seconden scramjet-operatie bij Mach 5.1 in 2013 liet zien. Deze programma's toonden aan dat scramjets hun belofte van efficiënte hypersonische voortstuwing konden waarmaken, waardoor de deur openstond voor praktische toepassingen.

Materialen en thermische bescherming

Deze materialen moeten niet alleen bestand zijn tegen extreme hitte maar ook tegen ernstige mechanische spanningen door schokken en trillingen.

Toepassingen op huidige dagen

Militaire raketsystemen

Ramjet-motoren blijven een aantal van 's werelds meest geavanceerde raketsystemen aandrijven. De MBDA Meteor[, een buiten beeld-bereik lucht-luchtraket die door verschillende NAVO-luchtkrachten wordt gebruikt, integreert een variabele-stroom ducted raket (een type ramjet) waarmee het de stuwkracht kan handhaven tijdens hooggetankte manoeuvres waar conventionele raketten zouden uitbranden. De BrahMos[] raket, die gezamenlijk door India en Rusland is ontwikkeld, gebruikt een vloeistof-getankte ramjet-aangedreven wapener om Mach 2.8 te bereiken.In de terminalfase is BrahMos ingezet op schepen, onderzeeërs, vliegtuigen en land-gebaseerde draagraketten, waardoor het een van de meest veelzijdige ramjet-aangedreven wapens die bestaan.

Het Aegis raketverdedigingssysteem gebruikt het RIM-161 Standaard Missile 3 (SM-3) met een dual-puls raketmotor, maar zijn opvolger, de SM-6[], bevat een ramjet-supporter voor een uitgebreid bereik en Kinematische prestaties. De Amerikaanse marine ontwikkelt ook het ]Offensive Anti-Surface Warfare (OASUW) wapen, waarschijnlijk een ramjet voor het doorboren van vijandelijke verdedigingen met hoge snelheid. Deze toepassingen vertrouwen op het vermogen van de ramjet om hoge snelheid over lange afstanden te ondersteunen, terwijl de manoeuvreerbaarheid wordt gehandhaafd.

Hypersonische onderzoeksvoertuigen

Experimentele programma's blijven grenzen verleggen.Het Boeing X-20 Dyna-Soar, geannuleerd in 1963, was een vroege kandidaat voor ramjet voortstuwing in een ruimtevliegtuig. Vandaag wordt de DARPA Falcon] programma en het Lockheed Martin SR-72 demonstratiester genoemd om op scramjet gebaseerde motoren te gebruiken voor verkennings- en stakingsmissies. Het US Air Force Research Laboratory (AFRLL] heeft meerdere testvoertuigen gevlogen onder de Hypersonic Air-breathing Weapon Concept (HAWC)]] programma, dat alle gebaseerd is op scramjet voortstuwing.

In de civiele sector volgt de Australische-UK samenwerking op de SABRE-motor[ (Synergetic Air-Breathing Rocket Engine) een andere aanpak, waarbij een pre-cooler wordt gecombineerd met een ramjet-achtige cyclus om van nul naar Mach 5.4 te werken alvorens over te stappen naar raketmodus voor ruimtetoegang. Hoewel SABRE geen pure ramjet is, bevat het veel van dezelfde principes en heeft het aanzienlijke belangstelling gewekt van ruimtevaartorganisaties en ruimtevaartbedrijven.

Vooruitzichten

Hypersonisch vervoer

De meest ambitieuze toekomstige toepassing voor ramjet- en scramjet-technologie is point-to-point hypersonisch vervoer. Bedrijven als Hermeus en Venus Aerospace[ ontwikkelen vliegtuigconcepten die passagiers in minder dan twee uur over de Atlantische Oceaan zouden vervoeren met hybride turboramjet-systemen. Hermeus [Quarterhorse[]] Demonstrator een gecombineerde cyclus van turbines (TBCC) vliegtuigen is ontworpen om Mach 5.5 te bereiken met behulp van een aangepaste Pratt & Whitney F100 turbofan die op hoge snelheid overschakelt naar een ramjet-modus. Als deze voertuigen succesvol zijn, zouden dergelijke voertuigen langeafstandsreizen kunnen revolutioneren, waarbij ze de vliegtijden met 75% of meer kunnen verminderen.

Ruimtetoegang

Ramjet en scramjet voertuigen kunnen ook de kosten van het lanceren van lading naar baan verminderen. Door atmosferische zuurstof tijdens de vroege stijging te gebruiken, kon een hypersonische eerste fase voorkomen dat zware oxideertanks werden vervoerd, mogelijk een verdubbeling van de laadvermogen.Het Reaction Engines Skylon concept (met behulp van de SABRE-motor) is het meest bekende voorbeeld, maar soortgelijke studies zijn uitgevoerd door [NASA[] onder ]Hypersonic Airplane Space Tether Orbital Lancering (HASTOL)[] concept. Er is nog geen dergelijk voertuig gebouwd, maar vooruitgang in materialen, koeling en besturingssystemen brengen dit doel elk jaar dichterbij.

Defensie en Deterrence

Militaire eisen zullen vrijwel zeker de drijfveer zijn voor investeringen op korte termijn. Adversarissen zoals China en Rusland ontwikkelen hypersonische glij- en cruiseraketten die afhankelijk zijn van ramjet of scramjet voortstuwing.Het Amerikaanse ministerie van Defensie heeft hypersonische wapens[] in zijn budget prioriteit gegeven aan financieringsprogramma's zoals het Long Range Hypersonic Weapon (LRHW)[] en de ]Hypersonic Attack Cruise Missile (HACM)]. Om deze bedreigingen te bestrijden zullen even snel interceptoren nodig zijn, waarvan velen zelf ramjet-aangedreven zullen zijn. De Northrop Grumman X-47C en soortgelijke onbemande platforms worden vaak besproken als mogelijke hypersonische aanvals- of renaissanceplatforms.

Resterende technische horden

Ondanks decennia van vooruitgang blijven er belangrijke uitdagingen bestaan. Aanhoudende hypersonische vlucht produceert temperaturen boven 2.500°C (4.500°F) aan de voorkant, waarvoor actieve koeling of ablatie vereist is. Brandstofinjectie en menging moeten nauwkeurig worden gecontroleerd om uitbarsten of uitbarsten te voorkomen (een voorwaarde waarbij het schoksysteem loslaat en de motor stopt met het comprimeren van lucht). Integratie met turbojets voor lage snelheid opstijgen en landen voegt complexiteit, gewicht en kosten toe. Het TBCC-concept, hoewel veelbelovend, moet nog worden aangetoond in een volledig vluchtvoertuig. En de overgang van subsonische naar supersonische verbranding ..overstijgt de zogenaamde thermische choke[].

De Weg vooruit

De geschiedenis van de ramjet is een testament hoe een eenvoudig idee van lucht samenpersen door snel genoeg te bewegen kan evolueren tot een technologie met diepgaande implicaties voor oorlogvoering, transport en ruimteverkenning. Van de ruwe slede-gemonteerde prototypes van de jaren 1930 tot de Mach 9.6 vlucht van de X-43A, elke generatie heeft verbeterde efficiëntie, betrouwbaarheid en snelheid. De komende decennia zal waarschijnlijk zien operationele hypersonische raketten, experimentele passagiersshuttles, en eventueel zelfs herbruikbare eerste fase boosters die de atmosfeer gebruiken als hun oxideerder. De ramjet, in zijn verschillende vormen, zal de kern van deze vooruitgang.

Voor verdere lezing over de basis van ramjet biedt de Smithsonische instelling een uitstekend historisch overzicht van de ontwikkeling van ducten en ramjet. Het American Institute of Aeronautics and Astronautics (AIAA) publiceert gedetailleerde technische documenten over de verbranding en thermische beheersing van scramjet. En het NASA Armstrong Flight Research Center[] houdt een publiekelijk beschikbaar archief van X-43A en X-51A vluchtgegevens bij.

De ramjet mag dan een van de eenvoudigste lucht ademende motorconcepten ooit bedacht, maar de realisatie ervan heeft een aantal van de meest geavanceerde techniek ooit ondernomen vereist. Aangezien hoge snelheid vlucht wordt een strategische en commerciële prioriteit, zal het werk begonnen in de jaren 1940 blijven om resultaten die ooit beperkt waren tot het gebied van science fiction produceren.