Giriş: Modern Uzay Erişiminde Ramjetlerin Rolü

Düşük maliyetli, uzaya güvenilir erişim, geniş bir tahrik teknolojileri spektrumunu keşfetme mühendislerine yol açtı. Bunların arasında, ramjets eşsiz bir niş işgal ediyor: süpersonik ve hipersonik hızlarda verimli bir şekilde çalışan motorlar, geleneksel turbojetler ve saf roket motorları arasında bir köprüyü keşfederek, yatay geçiş araçları (RLVs) ve uzay uçaklarının kapsamı içinde, ramjetler sadece bir merak değil, ancak oksiter üzerinde çalışan ciddi bir aday, araç mimarisine sahip ve yatay geçiş yapan bir teknik özellik haline gelir.

Ramjets Operate Nasıl

Onun özünde, bir ramjet, dönen makineden değil, yüksek hızlı gelen havadan gelen bir araçla sıkıştırmaya başlayan bir jet motoru türüdür.Bir araç, Mach 2'den daha hızlı uçarken, ileri hareket, baskı ve sıcaklık yükselterek havaya girer.

Çünkü ramjets’in kompresör veya türbini yok, mekanik olarak basit, hafif ve aşırı hızlara sahipler. Ancak, statik itki üretemezler - zaten motor işlevinden önce süpersonik hızda hareket etmelidirler.Bu temel karakteristik şekiller her tasarım kararı.

Supersonik vs. Hypersonik Operasyon

Geleneksel ramjets subsonik yanma ile çalışır: hava akışı, yakıtın eklendiği motorda Mach 0.3-0.6'ye kadar yavaşlanır ve ateşten yanar.Bu, Mach 5. Yukarıda, subsonik akışların aşırı sürüklenmesi ve sıcaklık artışına neden olur.Komşulucun arttırılması için, mühendislerden yanan pujetler (sürekli) ve hava diskonik kalırken, kablolar genellikle farklı bir sınıf olarak kabul edilir.

Tipik Performans Metrikleri

Ramjets, yüksek performanslı bir roket motorunun, özellikle de 300-450 saniyenin sadece belirli bir hız koridoru içinde çalışmasını sağlar, genellikle Mach 2 ve Mach 6-8 arasında ve bu zarf dışında yüksek performanslı bir roket motorun, bu da genellikle 300-450 saniyenin daha fazla vakumla tamamlanmalıdır.

Reusable Start Tools ve Spaceplanes için Avantajları

Hava-Breathing aracılığıyla kitlesel Azaltımı

Geleneksel bir roketde, o oksiter (genellikle sıvı oksijen) pervanantların çoğunluğunu oluşturur. Örneğin, Falcon 9'un ilk aşaması, yaklaşık 0.93 (kırıklar için) ila 0.7, doğrudan daha küçük bir üretim maliyetine kadar gerekli olan peripik kütlenin %75'ini daha düşük gösterebileceğini göstermiştir.

Güvenilirlik ve yatay Operasyonlar

Ramjet-güçlü uzay uçakları, pahalı fırlatma pedleri yerine, koşu ve iniş için tasarlanmıştır. Bu, doğal olarak ticari uçak operasyonel modeli ile, uçuşlar arasında hızlı bir şekilde dönüş sağlar. karmaşık turbomakri (bomakjet veya roket motorlara karşı) yokluğu bakım gereksinimleri ve kısmı azalır, daha fazla yaşam döngüsü maliyeti geliştirir.

Trajektörlü Flexability

Çünkü ramjets geniş bir Mach aralığı üzerinde sürekli itme sağlar, araçların sığar, daha verimli ascent trajektörleri takip etmelerine izin verir. dikey roketler tarafından deneyimli ağır yerçekimi kayıpları yerine, bir ramjet-güçlü uçak yörüngede daha fazla esneklik sağlayabilir ve potansiyel abort senaryoları verir.

Anahtar Teknik Zorluklar ve Sınırlamalar

Onların itirazlarına rağmen, onları operasyonel RLV'lerde hizmetten alıkoyan çarpıcı engeller için mevcut olan ramjetler. Bu zorluklar hem temel hem de pratiktir.

Low-Speed In effectiveness

Ramjets düşük hızlara hiç baskı yapmaz. Bir araç, Mach 2-3'e başka bir tahrik sistemi ile hızlanmalıdır - tipik olarak bir turbojet, roket güçlendirme veya dış fırlatma aniden yapılır. Bu, aracın brüt kütlesini hızlandırır ve tahrik mimarisini zorlar.

Air Intake Design and Drag

Hipersonik hızlarda, hava alımı tam olarak yeterli hava akışı yakalamak için şok dalgaları yönetmek gerekir, ancak Mach 5 için optimize edilmiş bir satın alma, Mach 2'de kötü performans gösterebilir ve bunun tersi değişken-geometri alımı mümkündür (örneğin, taşınır rampalar veya çatlaklar) ancak mekanik başarısızlık riskini artırmak.

Termal Yönetim

Mach 5'teki stagnasyon sıcaklığı 1000 °C'yi aşıyor ve Mach 8'de 2000 °C'ye ulaşır ve tüm araç için ısı koruma sistemi de 3000 °C'yi aşabilir. Aktif soğutma olmadan herhangi bir metalik yapı eriyecek veya oksite felaket olarak soğutulacaktır.

Altitude Tavan

Ramjets atmosfer oksijenine güveniyor. 35-40 km'nin üzerindeki yüksekliklerde, hava verimli yanmayı sürdürmek için çok ince hale geliyor. yörüngeye ulaşmak için, bir ramjet ikinci tahrik sistemi eklemek gerekir. Bu geçiş, “mode geçiş” olarak bilinen bir karmaşık manevradır.

Tarihsel ve Kavramsal Ramjet-Powered Spaceplanes

Mühendisler 1950'lerden beri ramjet uzay uçakları çizildiler. Birkaç tanesi akışlı olsa da, birçok etkili çalışma ve prototip mevcut araştırma için sahne belirledi.

X-15 ve Erken Ramjet Testleri

Kuzey Amerika X-15, 1960'ların roket destekli deneysel uçak, Mach 6.7'yi elde etti, hipersonik uçuşun viability of hipersonik uçuşu gösterdi.Şu anda, ABD ordusu X-7 ve X-10'u ramjet propulsion ile test etti, benzer hızlara ulaştı. Bu uçuşlar yüksek sıcaklık alaşımları, ısı kalkanları ve basit ramjet yanma odaları gibi önemli teknolojileri doğruladı.

LACE ve SABRE Kavramları

1980'lerde, İngiliz şirket Reaksiyon Motorları, Aklon uzay uçağı konseptini geliştirmeye başladı, bu da Synergistic Air-Breathing Rocket Engine (SABRE) SABRE, saf bir ramjet almaya çalışmıyor; o zaman bir atmosfer havayı kullanarak havaya sıkıştırıyor ve yörüngeye kapanıyor.

NASA'nın GTX ve Kombinasyon Araştırması

NASA'nın Glenn Research Center, GTX (Glenn Thruster Deney) konseptini inceledi, bir ramjet-scramjet-rocket birleşik döngü motoru yeniden başlatılabilir fırlatma araçları için bir araya geldi. GTX tasarımı, son yörüngede yapılan roket modları tekrarladı, ancak uçuş sırasında, araç gecikme hızını hızlandırmaya yönelik roket yangınları.

Son Çin ve Japon Çalışmaları

Çin'in uzay uçakları programları, Tengyun projesi dahil, bir ramjet /scramjet'i yatay bir kapa alanı için ittiler. JAXA gibi Japon organizasyonlar da ATREX (Air-Turbo Ramjet) motoru üzerinde çalıştı ve bu da bir turbojet ön sona erdi.

Malzemeler ve Soğutma Teknolojileri

Hiçbir ramjet-güçlü RLV, aşırı termal ve mekanik yükler hayatta kalabilen malzemeler olmadan mümkün değildir. Son gelişmeler daha önce imkansız tasarımları etkinleştirmektedir.

Seramik Matrix Composites (CMC)

Karbon-karbon ve silikon lübünler şimdi burun konsünde, önde gelen kenarlarda ve yanma odası lineerlerinde kullanılmaktadır ve 2000°C'nin üzerindeki sıcaklıklarda güç tutar ve süperalloys'tan daha az ağırlık alır. Örneğin, NASA X-43A scramjet karbon-karbon bileşenleri kullanılır. Modern CMCs zirkon direnç için uyarılır ve zirkonyum veya hafnium zirkon ile kapılabilir.

Rejeneratif ve Film Soğutma

Hidrojen yakıtı, yüksek spesifik ısı ve düşük vizoloji ile, en şiddetli bölgelerden önce motor duvarlarında soğutma kanalları aracılığıyla dolaşıma girebilir.Bu rejeneratif soğutma yöntemi roket motorlarında kullanılır ve ramjets için de uyarlanabilir.

Precooling için ısı değiştiricileri

SABRE gibi motorlar için, yüksek hacimli ısı değiştirici ön soğutmalar 1000 °C'den gelen hava - 150 °C'ye sıkıştırmadan önce bu çarpıcı şekilde kompresyon verimliliğini artırır ve normalde onu ölçeklendirmek için turbo-makritmelere izin verir. yüksek tavan ısı değiştiricilerinin gelişimi bir atılımdır, ancak hava değiştiricileri zarar vermeden önce bir atılımdır.

Propulsion Systems Entegrasyon

Ramjets'i bir RLV'ye dahil etme zorluğu sadece motor çalışmasını yapmıyor - birden fazla tahrik modları arasında sorunsuz bir geçiş düzenliyor.

Çift-Mode Ramjet-Scramjet

Tek bir akış, daha yüksek hızlarda bir ramjet (subsonik yanma) olarak çalışabilir ve ramjet (sürekli yanma) daha yüksek hızlarda yapılır. Geçiş yakıt enjeksiyonu yerini ve boğaz alanını farklı bir şekilde değiştirir. Birkaç rüzgar tünel testleri bu modu geçişi alevlenmeden göstermiştir.

Rocket-Based Kombine (RBCC)

RBCC motorları bir roket nozunu bir ramjet dükleri içinde gömüyor. roket düşük hızlı hız hız için itme sağlar ve daha sonra bir ejektör olarak augment ramjet sıkıştırmasına karşı çalışır. yüksek irtifalarda, roket tamamen devralır.

Turbo-Ramjet Kombinasyonları

Bazı kavramlar, Pratt & Whitney J58 gibi, SR-71'de kullanılan, iç hava akışını yeniden şekillendiren değişken döngü motorlar üzerinde durabilirsiniz.For spaceplanes, such hibrit 3'ün ötesine geçebilir, ancak ağırlık ve karmaşıklık yüksek kalır. Modern gelişmeler, iç hava akışını yeniden yapılandıran değişken-dönüşüm motorlara odaklanır.

Ekonomik ve Operasyonel Tahminler

Ramjet-güçlü RLV genellikle “havalı tarzı” uzay erişimine giden bir yol olarak çerçevelenir. Ancak gerçek dünya ekonomisi dikkatle incelenmelidir.

Altyapı Maliyetleri

Geleneksel runways'den yatay geçiş cazip, ancak araçlar kendilerini özel hangarlar, yakıt depoları (liquid hidrojen) gerektirir ve yüksek termal ve akustik yüklere dayanabileceklerdir. Örneğin, Skylon en az 3.5 km uzunluğunda ağojenik yakıt işleme tesislerine ihtiyaç duymadan dengelenebilir.

Payload Fraction ve Reusability

Hava-breathing, per-to-orbit sistemi, ek ağırlıkları, alımı, termal koruma ve birlikte-kırık roketleri genellikle karşılaştırılabilir bir sabit roketden daha düşük ücret yükü fraksiyonlarında bulunur ve tamamen yeniden kullanılabilir iki-jet-yaratıcı ilk aşamalar için,% 2-4 ödeme yükü, Falcon 9 gibi dikey-karanlık roketleri ile benzer şekilde, hızlı bir şekilde kesintiye uğratılabilir ve per-flight per-uraktılabilir maliyet için azaltılabilir.

Pazar Talep ve Misyon Profilleri

Mevcut fırlatma pazarı dikey olarak başlatılır roketler. Bir ramjet uzay uçağı muhtemelen niş görevlere karşı olacaktır: küçük uydu takımyıldızları, mürettebatı düşük Dünya yörüngesine veya hipersonik noktaya-to-point seyahatine ulaşım. Bu tür hizmetler için pazar hala ortaya çıkıyor ve gelecekteki talepler için önemli R&D yatırım gerekiyor.

Son İlerleme ve Test Programları

Son on yılda, birkaç önemli dönüm noktası elde edildi, ramjet RLV teknolojisini canlı tutuyordu.

Reaksiyon Motorları' SABRE Şeytanstrator

2019 yılında, Reaksiyon Motorları, Colorado'daki tam ölçekli bir motor çekirdeğinin testini tamamladı, ancak başarı hava yoluyla bir araya gelen 1000 °C hava akışını -150°C'ye geri dönme yeteneğini onayladı.

DART AE ve Diğer Startups

Avustralya şirketi Hypersonix ve ABD tabanlı Venüs Havacılık Uzayı da dahil olmak üzere birkaç startup, geri dönüşümlü hipersonik uçaklar ve sonunda uzay düzlem konseptleri için ramjet'i geliştiriyor. Hypersonix'in Dart AE, küçük, reusable ram-güçlü bir test aracıdır, Mach 5 uçuşu yeşil hidrojen kullanarak göstermek için tasarlanmıştır.

Çin Uzay Uçakları Prototipler

Çin, Mach 5+'yı bir scramjet kullanarak alt ölçekli bir uzay aracının test edildiğini bildirdi. Bu testler, Çin'in gelecekteki yeniden kullanılabilir alan erişimi için öncelik verdiğini gösteriyor. Tengyun projesi, 2021 yılında ortaya çıktı, birleştirilmiş motorla 7+ elde etmeyi hedefliyor.

Future Outlook: Ramjets Revolutionize Space Access?

RLV'ler için ramjetler söz konusu zorlayıcı, ancak operasyonel sistemlere giden yol uzun ve belirsizdir.Geçmiş 15 yıl içinde ilk kez hipersonik kruvazometrik seyir füzeleri ve reconnaissance droneları kullanılarak, hız ve aralık avantajlarının hemen değerli olduğunu beklemek daha gerçekçidir.

Skylon gibi uzay düzlemi, Starship gibi dikey roketlerden sert rekabetle karşı karşıya kalır, bu zaten tam yeniden ve yüksek ücretli fraksiyonlar hava-breathing motorlarının karmaşıklığı olmadan elde edilir. Ancak, hava-breathing propulsion'nin temel fiziği, ücretsiz o oksiter kullanımı her zaman daha verimlidir.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Ramjets, düşük maliyetli, esnek ve yeniden kullanılabilir uzay taşımalarına karşı bir Tantalize yol sunar. Yüksek spesifik dürtüleri, basit mekanik tasarım ve yatay işlemlerle uyumluluk onları RLVs ve uzay düzlemleri için doğal bir uyum sağlar. Ancak düşük hızlı performans, termal aşırılık ve mod geçişleri büyük ölçüde artıyor.Bu engellerde, kombine çevrimli motorlar ve gelişmiş soğutmalar, bu engellere bağlı olarak, ancak saf bir şekilde ramjet-güçlü bir uzay uçağı hala gelecekteki zorluklardır, bu hıza bağlı olarak, ramjet teknolojisinin entegrasyonu büyük ölçüde artacaktır.

[FONTD:0]Dönemli Referanslar [DÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜSÜDÜDÜSÜDÜSÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜSÜSÜDÜŞÜNÜŞÜNÜDÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞ