Ramjets begrijpen

Ramjets zijn een klasse van lucht ademende straalmotoren die geen bewegende compressor of turbine hebben, volledig afhankelijk van de voorwaartse beweging van het voertuig om inkomende lucht comprimeren. Dit ontwerp maakt ze inherent eenvoudig en lichtgewicht in vergelijking met turbojet of turbofan motoren. Bij subsonische snelheden ramjets zijn ineffectief omdat er onvoldoende dynamische druk om de lucht comprimeren, maar bij supersonische en hypersonische snelheden worden ze zeer efficiënt. Het gebrek aan roterende machines staat ramjets om te werken bij zeer hoge Mach nummers, meestal van Mach 2,5 tot Mach 6 of verder, afhankelijk van de brandstof en het ontwerp.

In een ramjet komt lucht in de inlaat en wordt vertraagd (gecomprimeerd) door een reeks schokgolven voordat de verbrandingskamer binnengaat. Brandstof wordt geïnjecteerd en verbrand, en het resulterende warm gas breidt zich uit door een mondstuk om stuwkracht te produceren. Omdat de motor atmosferische zuurstof gebruikt als oxideerder, hoeft het voertuig geen zware oxideertanks te dragen, een groot voordeel ten opzichte van traditionele raketmotoren. De specifieke impuls van een ramjet kan 1200.02000 seconden bereiken bij hoge supersonische snelheden, ver boven de 300.0450 seconden van een typische chemische raket. Deze brandstofefficiëntie is wat ramjets aantrekkelijk maakt voor de vroege stadia van een ruimtelancering, vooral voor herbruikbare eerste trap boosters of luchtademende hypersonische vliegtuigen die kunnen opstijgen naar de rand van de ruimte.

De thermodynamische cyclus van een ramjet is vergelijkbaar met een Brayton-cyclus, maar zonder compressor. In plaats daarvan zorgt de vertraging van de inkomende hogesnelheidslucht voor de vereiste compressie. Dit proces genereert aanzienlijke verwarming, en ramjetstructuren moeten bestand zijn tegen extreme temperaturen, vaak vereist geavanceerde materialen zoals keramiek, nikkel superlegeringen en actieve koelsystemen. Ramjet-motoren kunnen een verscheidenheid aan brandstoffen verbranden, met waterstof die de hoogste prestaties biedt door zijn hoge verbrandingsenergie en uitstekende koeleigenschappen. Koolwaterstofbrandstoffen worden ook gebruikt, vooral voor toepassingen met lagere snelheden waar behandeling en dichtheid belangrijk zijn.

Scramjets

Bij snelheden boven Mach 5 wordt de temperatuurstijging van het comprimeren van de lucht naar subsonische snelheden zo ernstig dat de materiaalgrenzen en chemische kinetiek conventionele ramjetverbranding onpraktisch maken. Een supersonische verbrandingsramjet, of scramjet, overwint dit door de luchtstroom supersonisch te houden door de hele motor. De lucht komt binnen bij hypersonische snelheden, wordt gecomprimeerd door de inlaatgeometrie, brandstof wordt geïnjecteerd en mengt zich in supersonische stroom, en verbranding vindt plaats zonder een normale schok. Dit maakt het mogelijk scramjet efficiënt te werken tot Mach 15 en potentieel hoger, hoewel duurzame werking bij dergelijke snelheden een grote technische uitdaging blijft.

Scramjets worden beschouwd als een belangrijke enabler voor hypersonisch langeafstandstransport en als de luchtademhalingsfase van een tweetraps-to-orbit (TSTO) lanceersysteem. De X-43A (NASA) en X-51 Waverider (US Air Force) hebben scramjettechnologie in de vlucht gedemonstreerd, die respectievelijk Mach 9.6 en Mach 5.1 bereikt. Deze tests hebben aangetoond dat supersonische verbranding haalbaar is en positieve nettostuwkracht kan opleveren, maar ze hebben ook problemen met ontsteking, vlamvasthouden en thermisch beheer onder extreme omstandigheden aangetoond.

Voordelen van Ramjets en Scramjets voor de lancering van de ruimte

  • Massreductie: Door het gebruik van atmosferische zuurstof kan het voertuig aanzienlijk minder brandstofmassa dragen. Voor een lanceervoertuig is de oxider meestal goed voor ongeveer 60.70% van de massa van de drijfgas. Uit de luchtademhalingsfase weg te nemen vermindert het totale bruto-hefvermogen (GLOW) en maakt een grotere ladingsfractie of een kleiner voertuig mogelijk.
  • Hogere specifieke impuls: Zoals opgemerkt, lucht ademende motoren bieden specifieke impuls vele malen die van raketten. Dit betekent dat het voertuig meer stuwkracht per eenheid verbruikte brandstof kan genereren, waardoor de totale impuls beschikbaar voor acceleratie en baanvorming.
  • Reusabiliteitspotentieel: Ramjet-aangedreven eerste fasen kunnen horizontaal landen als een vliegtuig, waardoor snelle ommezwaai mogelijk is en de kosten per lancering worden verlaagd. Concepten zoals de Reactie-engine Skylon hebben volledig herbruikbare enkeltraps-aan-baan (SSTO) voertuigen voorgesteld met behulp van een voorgekoelde hybride luchtademende motor, hoewel dergelijke ontwerpen extreme technische hindernissen ondervinden.
  • Lagere stijgende belasting: Luchtademende ascentprofielen omvatten doorgaans een geleidelijke stijging door de atmosfeer in plaats van een verticale lancering met hoge snelheid. Dit vermindert de aerodynamische piekkrachten en verwarmingsbelastingen, waardoor lichtere constructies mogelijk zijn en mogelijk minder slijtage bij herbruikbare voertuigen.
  • Flexibele Operations: Hypersonische luchtademende voertuigen kunnen tijdens de opklimmen manoeuvreren, bieden trajectflexibiliteit om verschillende banen te bereiken of veilig te aborteren. Dit is een belangrijk voordeel voor militaire ruimtetoegang en voor missies waarvoor tijdkritische lanceervensters nodig zijn.

Uitdagingen om te overwinnen

Ondanks hun belofte, staan ramjet en scramjet voortstuwingssystemen voor verschillende fundamentele uitdagingen die moeten worden aangepakt voordat ze routinematig kunnen worden gebruikt voor de lancering van de ruimte.

Thermisch beheer

De hoge snelheidsluchtstroom genereert intense convectie en stralingsverhitting. Stagnatietemperaturen bij Mach 8 kunnen meer dan 3000 K bedragen, wat actieve koeling voor de motorwanden, inlaatranden en mondstuk keel vereist. Regenererende koeling, waar brandstof vóór injectie via koelkanalen wordt verspreid, is de primaire benadering. Waterstof is een uitstekend koelmiddel vanwege zijn hoge specifieke warmtecapaciteit en lage viscositeit, maar het hanteren van cryogene waterstof op een lanceervoertuig voegt complexiteit toe. Endothermische koolwaterstofbrandstoffen kunnen ook warmte absorberen door kraakreacties, maar ze hebben een lagere koelcapaciteit.

Integratie met Raketaandrijving

Een lucht ademende motor kan niet buiten de atmosfeer werken. Elk lanceervoertuig dat ramjets gebruikt moet overgaan naar een raketmotor voor de uiteindelijke versnelling naar orbitale snelheid. Dit vereist een gecombineerde cyclusmotor, zoals een gecombineerde cyclus op turbinebasis (TBCC) of een gecombineerde cyclus op raketbasis (RBCC). De overgang tussen luchtademhaling en raketmodi moet soepel en snel zijn en de motor moet efficiënt werken over een breed scala van Mach-nummers en -hoogten. De SABRE motor van Reactiemotoren is een van de meest geavanceerde ontwerpen, waarbij een helium-gekoelde precooler wordt gebruikt om een turbocompressor te laten werken bij hypersonische snelheden voordat hij overstapt naar een raketmodus. SABRE heeft echter nog niet gevlogen in een compleet voertuig.

Inlaatprestatie en startbaarheid

Ramjet inlaten moeten de juiste hoeveelheid lucht vangen en de gewenste compressieverhouding over een breed scala van snelheden genereren. Bij lage supersonische snelheden kan de inlaat slecht beginnen, waardoor de ramjet wordt gemorst of ontstart. Het voertuig moet met andere middelen (raket booster, turbojet of katapult) worden versneld naar een Mach-nummer waar de ramjet het kan overnemen. Deze eerste acceleratiefase voegt complexiteit en gewicht toe. Het ontwerpen van een vaste geometrie inlaat die werkt van Mach 2 tot Mach 6 is uiterst moeilijk; variabele geometrie inlaten voegen bewegende delen en gewicht toe.

Verbrandingsstabiliteit en branderig vermogen

In een scramjet, de stroom verblijft tijd in de brander is in de orde van milliseconden. Brandstof moet worden geïnjecteerd, mengen met de supersonische luchtstroom, en ontbranden in dat raam. Cavity vlamhouders, stutten, en wand injectie schema's zijn getest, maar het handhaven van stabiele verbranding onder verschillende vluchtomstandigheden blijft een onderzoek focus. Uitbarsting of instabiliteit kan leiden tot verlies van stuwkracht en voertuig verlies.

Materialen en industrie

De extreme temperaturen, gecombineerd met oxiderende atmosferen en hoge dynamische druk, vereisen materialen die de sterkte handhaven en weerstand bieden aan oxidatie. Keramische matrix composieten (CMCs), ultra-hoge temperatuur keramiek (UHTCs), en vuurvaste metalen zijn kandidaten, maar ze zijn duur en moeilijk te produceren in grote, complexe vormen. Het verbinden van verschillende materialen om thermische expansie mismatches te beheren is een ander groot technisch probleem.

Huidige onderzoek- en demonstratieprojecten

Verschillende landen hebben actieve programma's om hypersonische luchtademende voortstuwing te ontwikkelen voor zowel militaire als civiele toepassingen. Deze projecten genereren kritieke gegevens die toekomstige ruimtelanceringsontwerpen kunnen informeren.

DARPA Hypersonic Air-breathing Weapon Concept (HAWC)

Het HAWC-programma, dat door DARPA wordt uitgevoerd in samenwerking met de US Air Force, heeft scramjet-gemotoreerde kruisraketten getest die in staat zijn om een duurzame vlucht te maken op Mach 5+. In 2022 heeft een Raytheon/Northrop Grumman-test een 9 minuten durende vlucht met snelheden boven Mach 5 behaald, waarmee de prestaties en uithoudingsvermogen van scramjet worden aangetoond. Terwijl het directe doel een wapen is, worden de technologieën ontwikkeld die zijn ontwikkeld met geavanceerde inlaten, thermische beveiliging en vluchtbesturingen die rechtstreeks van toepassing zijn op herbruikbare acceleratiefasen voor de lancering van de ruimte.

Reactiemotoren SABRE en Skylon

De in het Verenigd Koninkrijk gevestigde Reactie Engines Ltd. ontwikkelt sinds de jaren 1980 de Synergistische Air-Breathing Rocket Engine (SABRE) met een precooler die hypersonische inlaatlucht koelt van meer dan 1000°C tot -150°C in milliseconden, waardoor een lichtgewicht turbocompressor de lucht onder druk kan zetten voordat het een verbrandingskamer binnenkomt. Bij hoge snelheden en hoge hoogte sluit de motor de luchtinlaat af en schakelt over op een raketmodus met behulp van vloeibare zuurstof aan boord. Het Skylon ruimtevliegtuig concept is ontworpen om 15 ton nuttige lading naar lage aarde te vervoeren met behulp van SABRE motoren. Terwijl de volledige ontwikkeling van Skylon is onderbroken, heeft Reaction Engines de precooler en volledige motorkern met succes getest. De Reactie Motoren technologie pagina] biedt technische overzichten.

NASA X-43 en X-51 Legacy

NASA . Hyper-X programma vloog de X-43A in 2004, het bereiken van scramjet-aangedreven vlucht op Mach 6.8 en later Mach 9.6. De X-43A demonstreerde de levensvatbaarheid van scramjet voortstuwing en gevalideerde rekenmodellen. De X-51 Waverider, gefinancierd door de Amerikaanse luchtmacht, verlengde scramjet uithoudingsvermogen met een 200-seconde aangedreven vlucht in 2013. Deze records blijven mijlpalen, en de lessen geleerd worden opgenomen in de volgende generatie ontwerpen. NASA blijft onderzoek naar lucht ademende voortstuwing voor ruimte toegang; zie NASA .

Chinese en Russische inspanningen

China heeft de Starry Sky-2 waverrider getest en ontwikkelt het hypersonische glijvoertuig van DF-ZF, dat mogelijk wordt versterkt door een scramjet-fase. Rusland

Integratie in toekomstige lanceersystemen

De meest veelbelovende bijna-term toepassing van ramjet en scramjet technologie in de ruimte lancering is als onderdeel van een twee-traps-to-orbit (TSTO) systeem. In een typisch TSTO concept, de eerste fase is een lucht ademende hypersonische vliegtuig dat een raket aangedreven tweede fase naar hoge hoogte en Mach 5+ draagt. De eerste fase keert dan terug naar de basis voor hergebruik, terwijl de tweede fase versnelt de lading naar baan. Deze aanpak heft de lucht ademende fase hoge specifieke impuls voor de eerste stijging, aanzienlijk verminderen van de massa van de stuwing nodig in vergelijking met een raket-alleen TSTO.

Een dergelijk systeem zou de lanceringskosten met een factor 2 tot 5 kunnen verlagen in vergelijking met vervangbare raketten, afhankelijk van de mate van hergebruik. Bijvoorbeeld, de Stratolachnch[] carrier vliegtuigbenadering maakt gebruik van een grote turbofan-aangedreven vliegtuig, maar een ramjet-aangedreven eerste fase kan veel sneller en hoger gaan, waardoor de prestaties verder verbeteren. Concepten zoals de Reactie-engines Skylon gericht op SSTO, maar TSTO is meer haalbaar met de huidige materialen en testrijpheid.

Een andere integratie pad is het gebruik van ramjets als boosters voor een raket . De ramjet zou augmented stuwkracht tijdens de eerste stijging, waardoor de raket motoren kleiner of de lading groter te zijn. Echter, de extra massa van de ramjet systeem en de noodzaak om zijn eigen brandstof (aangezien het gebruik van atmosferische lucht) moet worden afgewogen tegen de voordelen. Dual-mode ramjet / raket motoren, zoals RBCC ontwerpen, kan werken in ejector ramjet modus bij lage snelheden, overgang naar ramjet / scramjet modus bij hoge snelheden, en uiteindelijk sluiten de intake om een zuivere raket te worden. Verschillende RBCC motor concepten zijn getest op de grond, maar vluchtdemonstraties zijn nog steeds beperkt.

De Weg vooruit

De weg naar operationele ramjet-gebaseerde ruimtelanceringssystemen vereist voortdurende investeringen in materialen, verbrandingswetenschap en vliegproeven. Belangrijke mijlpalen die in het komende decennium worden verwacht, zijn:

  • Vluchttests van TBCC- of RBCC-motoren op subschaalvoertuigen, waarbij de overgang van luchtademhaling naar raketmodus tijdens de vlucht plaatsvindt.
  • Demonstratie van herbruikbare hypersonische cruise gedurende 10+ minuten, wat de duurzaamheid van de motor en het thermische beheer bewijst.
  • Gevalideerde prestatiemodellen voor geïntegreerd voertuigontwerp, waardoor zelfverzekerde voorspellingen van traject en gewicht mogelijk zijn.
  • Verlaagde kosten van hogetemperatuurmaterialen door additieve fabricage en nieuwe composieten.

Als deze uitdagingen worden overwonnen, kunnen ramjets een nieuwe generatie lanceervoertuigen die meer als vliegtuigen dan raketten werken, met een snelle ommezwaai en lage operationele kosten. Dergelijke voertuigen zouden niet volledig vervangen zware-lift raketten een aantal ladingen zijn net te groot voor lucht ademende stadia .Maar ze zouden een cruciale niche in middelgrote-klasse lancering en punt-tot-punt hypersonisch vervoer vullen.

Ramjets en scramjets bieden een overtuigende weg naar efficiëntere, herbruikbare ruimtelanceringssystemen. Door atmosferische zuurstof te benutten tijdens de vroege vluchtfase, verminderen ze de brandstofmassa, verhogen ze de ladingsfractie en maken ze horizontale start en landing mogelijk. Terwijl er veel technologische hindernissen blijven bestaan, is het lopende onderzoek bij NASA, DARPA, Reactie-engineers en andere organisaties gestaag de rijpheid van lucht ademende hypersonische voortstuwing vooruitstreven. De belofte van lagere kosten, hogere vliegsnelheid en grotere flexibiliteit maakt ramjets een onmisbaar onderdeel van het gesprek over de toekomst van ruimtetoegang.