Sådan fungerer Ramjets

Som enhver, der nogensinde har maven floppet af et højt dyk, kan fortælle dig, når du rammer en væske uden at give den tid til at komme af vejen, det har en tendens til at slå tilbage. Dykkere slår fysikken ved at tage et mere strømlinet spring, og hurtigere biler og fly gør det ved at dyrke mere aerodynamiske former. Men der kommer et punkt, tæt på lydmuren, hvor effektivisering ikke er nok - en hastighed, hvor selve luften, der holder dit fly højt, begynder at hamre dig med tilsyneladende uoverstigeligt træk, tandskramlende turbulens og brutale chokbølger. Ja, mange mente, at denne lydbarriere var uknuselig, indtil, den 14. oktober, 1947, Chuck Yeagers raketdrevne Bell X-1 viste dem forkert.

Men hvad nu hvis du kunne vende al den ophobede luft til din fordel? Hvad hvis, i stedet for at vende igennem den med propeller eller brænde igennem den med raketter, du kunne pakke det i et specielt formet rør, pump den op med en eksplosion, og fyr den ud af en dyse ved supersoniske hastigheder, alle uden større bevægelige dele? Du ville have en helt særlig type jetmotor, et "flyvende komfur", der er egnet til at skære gennem himlen i tusindvis af miles i timen. Du ville have en ramjet .

Men ramjets tilsyneladende enkelhed er vildledende; det tager banebrydende luftfartsteknik, moderne materialer og præcisionsfremstilling til at trække en af ​​- hvilket dels forklarer, hvorfor en idé næsten lige så gammel som motorflyvning gentagne gange blev taget op og kastet til side i årtier, før den opnåede begrænset succes under den kolde krig.

I modsætning til dens hovedhastighedskonkurrence, raketten, som forbrænder brændstof ved hjælp af indbyggede oxidationsmidler som ammoniumnitrat, kaliumchlorat eller ammoniumchlorat, ramjets ånder luft. Dermed, mens raketter kan operere i det næsten vakuum i rummet, ramjets skal flyve gennem atmosfæren. Det skal de gøre ved meget høje hastigheder, også-omkring Mach 2.5-3.0, eller tre gange lydens hastighed - fordi ramjets virker ved at udnytte vædetryk, den naturlige luftkomprimering forårsaget af et flys høje hastighed. Med andre ord, ramjets gør allierede til selve chokbølgerne og kompressionskræfterne, der engang var imod højhastighedsflyvning; de går bogstaveligt talt med strømmen [kilder:Encyclopaedia Britannica; NASA].

Ramjets er mere effektive over lange afstande end raketter, men lider af en betydelig ulempe:De er ubrugelige ved lave hastigheder. Følgelig, de er afhængige af boosterraketter eller andre køretøjer for at få dem op i fart. Standalone ramjet -fly bruger typisk hybridmotorer [kilde:NASA].

Hvis den forklaring fløj forbi dig i supersonisk hastighed, det er nok fordi vi har sprunget over en masse fede og interessante ting. Lad os se på, hvordan jetmotorer har udviklet sig til at producere dette moderne vidunder.

1. Detonationer og ankomster
2. Ramjets, Forud for deres tid?
3. Ramjets:Making Mock of Mach

Detonationer og ankomster

Stråler kører på kontrollerede eksplosioner. Det lyder mærkeligt, indtil du indser, at de fleste bilmotorer gør, også:Træk luft ind, komprimere det, bland det med brændstof, tænd det og knald! Du har skubbet et stempel. Men mens benzin- og dieselmotorer involverer cykliske eller periodisk forbrænding , jetfly medfører kontinuerlig forbrænding, hvori brændstof og luft blander og brænder nonstop. På den ene eller anden måde, at brænde mere gummi betyder at gnuse mere gas, og det betyder at man suger mere ilt ind for at få blandingen til at passe. Supperede biler gør dette med superladere; i jetmotorer, det er mere kompliceret [kilde:Encyclopaedia Britannica].

Det første operationelle jetfly zoomede ind i kamp nær slutningen af ​​Anden Verdenskrig ved hjælp af turbojet motorer, et ligetil, men genialt design baseret på Brayton (eller Joule ) Cyklus :Når flyet flyver, luftstrømme gennem et indtag til en diffusor , et kammer, der bremser luftstrømmen og hæmmer stødbølger. Det passerer derefter gennem en række bladskiver:spinding rotorer , som tvinger luft baglæns, og stationær statorer , som styrer luftstrømmen. Sammen, de fungerer som en kompressor, der pumper op i jetens forbrændingskamre. Der, brændstof blandes med trykluft og antændes, sprængningstemperaturer i området 1800-2800 F (980-1540 C) eller højere [kilder:Encyclopaedia Britannica; Krueger; Spakovszky].

Trykket stiger med temperaturen, så denne eksplosion skaber en masse kraft uden andet at gøre end at søge en hurtig udgang. Når udstødningen skyder gennem den bageste dyse, genererer den tryk for at flytte flyet. På vej til denne dyse, udstødningen skyder også gennem en turbine forbundet til rotorerne med en momentaksel. Når møllen snurrer, det overfører energi til kompressorbladene foran, afslutte cyklussen.

I flyvemaskiner med turboprops eller helikoptere med turboskaft motorer, møllerne overfører også strøm til en propel eller helikopterrotor via en række gear.

Turbojets pakker meget kraft, men kæmper ved lave hastigheder. Følgelig, i 1960'erne og 1970'erne, lav-supersoniske fly begyndte at trende mod turbofan som de fleste private jetfly og kommercielle flyselskaber stadig bruger. En turbofan er motorens turducken - i det væsentlige en turbojet pakket ind i en større kappe med en stor blæser slået på forsiden. Ventilatoren trækker mere luft ind, som motoren derefter deler sig i to vandløb:Noget luft bevæger sig gennem det indlejrede turbojet, mens resten flyder gennem det tomme rum omkring det. De to vandløb genforenes, når omdirigeret køligere luft blandes med turbojets udstødning og bremser den, skabe et større, langsommere trykstrøm, der er mere effektiv ved lave hastigheder [kilder:Encyclopaedia Britannica; Krueger].

I mellemtiden, omkring det tidspunkt, hvor turbofanerne kom til deres ret, forskning i ramjet -fly ramte endelig sit skridt. Det havde været en lang vej.

Nogle turbojets og turbofans er koblet til efterbrændere , som får mere energi ud ved at sprøjte brændstof ind i udstødningen, efter at den har passeret turbinen og genudsat den. Denne proces, også kendt som genopvarme , er ineffektiv, men kan øge turbofan -tryk med hele 50 procent [kilder:Encyclopaedia Britannica; Pratt &Whitney]. Efterbrændere kommer godt med under start eller ved ugunstige, lavhastigheds- eller lavtryksbetingelser. De findes for det meste i supersoniske jagerfly, selvom Concorde SST også brugte dem ved start [kilder:Encyclopaedia Britannica; NASA; Pratt &Whitney].

Ramjets, Forud for deres tid?

Den, der sagde, at du skal gå, før du kan løbe, har aldrig mødt franskmanden René Lorin. Han så mulighederne for stødtryksdrift allerede i 1913, da piloter stadig fløj glorificerede trækites. Kendt til designens ubrugelighed ved subsoniske hastigheder, han designede i stedet en ramjet-assisteret flyvende bombe. Det franske militær vinkede ham afsted. Ungarsk ingeniør Albert Fono, en anden ramjet -pioner, forfulgte en lignende idé i 1915 og modtog en tilsvarende modtagelse fra den østrig-ungarske hær [kilder:Gyorgy; Heiser og Pratt; Wolko].

Ramjets designs nød en kort mode mellem verdenskrige. Sovjetiske ingeniører gjorde tidlige fremskridt i raketbaserede ramjets (se næste afsnit), men interessen brændte ud før 1940. Den tyske besættelse afbrød den franske ingeniør René Leducs tidlige arbejde, men hans vedholdenhed og hemmeligholdelse gav pote den 21. april, 1949, da hans Lorin-inspirerede 010-model foretog sin første motorflyvning med et ramjetfly. Kørt oven på et Languedoc 161 passagerfly, den fløj i 12 minutter og nåede 450 mph (724 km / t) ved halv effekt [kilder:Siddiqi; Afdeling; Wolko; Yust et al.].

Og, for en stund, det var det. På trods af Leducs succes, mangel på midler ophørte med den officielle støtte til hans forskning i 1957 [kilder:Siddiqi; Afdeling; Wolko; Yust et al.]. Ramjet begyndte at ligne en opfindelse uden anvendelse. I mellemtiden, Anden Verdenskrig havde indledt den første generation af operationelle turbojets:den britiske Gloster Meteor, den tyske Messerschmitt Me 262 og den amerikanske Lockheed F-80 Shooting Star [kilder:Encyclopaedia Britannica; Encyclopaedia Britannica; Encyclopaedia Britannica; Nationalmuseet i USAF; van Pelt].

Da krigen sluttede og den kolde krig opvarmede, det blev klart, at turbojets og turbofans præsenterede mere praktiske subsoniske og lav-supersoniske løsninger end ramjets. Derefter, de fleste amerikanske og sovjetiske arbejder i ramjets fokuserede på at bygge interkontinentale missiler. I 1950, Den amerikanske ingeniør William H. Avery og Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory producerede Talos, den amerikanske flådes første ramjet -missil. Fremtidige generationer ville forfine og effektivisere designet, introducerer hybrid ramrockets i stand til at opnå høje supersoniske hastigheder (Mach 3-5) (se næste afsnit) [kilder:Hoffman; Kossiakoff; Afdeling].

På trods af spændende designs som Hiller XHOE-1 Hornet-helikopter, den foreslåede bombefly-interceptor fra Republik XF-103 og den kortvarige Lockheed D-21B ubemandede rekognoseringsdrone, ramjet -fly svandt indtil 1964 -debut af Lockheed SR-71 Blackbird . Det hurtigst bemandede fly indtil dets pensionering i 1989, Mach 3+ Blackbird brugte også en hybridmotor, undertiden kaldet a turboramjet [kilder:Nationalmuseet i USAF; Smithsonian; Afdeling].

Vi dykker ned i SR-71 og andre ramjet-hybrider og undertyper i det næste afsnit.

Ved afslutningen af ​​Anden Verdenskrig, Tyskland var begyndt at undersøge mange jetfly, herunder en raketassisteret ramjet, Fw 252 "Super Lorin, "og den ramjet-drevne Sänger-Bredt antipodale bombefly. Mest berømt, de byggede med succes V-1 Buzz Bomb, en dampkatapult-lanceret, puls-jet-drevet guidet bombe. En pulsstråle er ikke en ramjet, men de deler kvaliteter til fælles, herunder enkelhed og et minimum af bevægelige dele [kilder:Encyclopaedia Britannica; Encyclopaedia Britannica; Encyclopaedia Britannica; Nationalmuseet i USAF; van Pelt].

Ramjets:Making Mock of Mach

Hvis ramjets er så besværlige, hvorfor gider du så? Godt, ved tryk og temperaturer genereret ved Mach 2.5+ de fleste jetmotorer bliver enormt upraktiske - og fuldstændig meningsløse. Selvom du kunne få en til at fungere, dette ville kombinere farerne ved at køre en vindmølle i en orkan med det meningsløse at trække en bølgemaskine til Oahu North Shore.

Ramjets tager de grundlæggende principper for andre jetfly og skruer dem op til 11, alt sammen uden større bevægelige dele. Luft kommer ind i en ramjets diffuser ved supersoniske hastigheder, angriber det med stødbølger, der hjælper med at opbygge vædetryk. En diamantformet midterkrop i indsugningen klemmer yderligere luften og bremser den til subsoniske hastigheder for mere effektivt at blande sig med brændstof og forbrænding. Forbrænding sker i et åbent kammer, der ligner en kæmpe efterbrænder, hvor flydende brændstof injiceres eller fast brændsel ablateres fra kammerets sider [kilder:Ashgriz; Encyclopaedia Britannica; SPG; Afdeling].

Ramjets hastighedsbegrænsninger inspirerede gradvist til hybridmotorer, der kunne flyve med lavere hastigheder og accelerere til supersoniske hastigheder. Det mest berømte eksempel, SR-71 Blackbird, brugte en turbojet-ramjet hybrid kaldet, passende, -en turboramjet . Sådanne motorer fungerer som en efterbrændende turbojet indtil langt forbi Mach 1, hvorefter kanaler omgår turbojet og omdirigerer den komprimerede luftstrøm til efterbrænderen, får motoren til at opføre sig som en ramjet [kilde:Ward].

Missil design, imens, gradvist ophørte med boostere ved at flytte dem inde i selve ramjet, skaber ramrockets , aka integreret raketramjets . Under raketacceleration, stik forsegler midlertidigt ramjets indtag og brændstofindsprøjtninger. Når raketterne er brugt, og ramjet er oppe at køre, disse springer af, og de tomme raketter fungerer som forbrændingskamre [kilde:Ward].

Ser frem til, krydsning af Mach 5 -linjen til hypersoniske hastigheder vil sandsynligvis medføre scramjets (supersonisk forbrændende ramjets) . I modsætning til andre ramjets, scramjets behøver ikke at sænke luften til subsoniske hastigheder i deres forbrændingskamre. For at fjerne tænding og ekspansion i de 0,001 sekunder, før trykluften skyder udstødningen ud, scramjets bruger typisk brintbrændstof, som har en høj specifik impuls (ændring i momentum pr. masseenhed af drivmiddel), antænder over en bred vifte af brændstof/luftforhold og frigiver et enormt udbrud af energi ved forbrænding [kilder:Bauer; Encyclopaedia Britannica; NASA].

Scramjets forblev teoretisk inden de sidste par årtier, og arbejdet forbliver for det meste eksperimentelt. I november 2004, NASAs otte år, 230 millioner dollars Hyper-X-program producerede et scramjet, der nåede Mach 9.6 på sin sidste flyvning. Nogle analytikere mener, at teknologien kan nå Mach 15-24, men flyrejser med hypersoniske hastigheder betyder at overvinde kræfter i modsætning til dem, der står over for selv det hurtigste supersoniske håndværk. Kort sagt, vi har en lang vej at gå, før vi kan pendle fra New York til Los Angeles på 12 minutter [kilder:Bauer; DARPA; Fletcher; NASA].

En stor hindring for raketdrevne rumrejser er det eksponentielle forhold mellem acceleration og brændstof. Jo hurtigere du går, jo mere brændstof du har brug for; jo mere brændstof du bærer, jo mere masse du tilføjer, jo mere ekstra brændstof du har brug for for at overvinde det [kilder:Lang; NASA].

Med det i tankerne, fysikere har foreslået andre løsninger, herunder alt fra solsejl til eksploderende udslyngte atombomber. I 1960, fysiker Robert Bussard foreslog en interstellar ramjet, der ville opsamle ladede partikler i rummet via et elektromagnetisk felt, konverger dem, skabe en fusionsreaktion og bruge energien til fremdrift [kilder:Lang; NASA].

Masser mere information

Forfatterens note:Sådan fungerer Ramjets

Jeg er ofte fortryllet af historier om store innovationer, der ikke fandt en applikation, da de først blev opfundet. Mens du skrev denne artikel, for eksempel, Jeg blev gentagne gange mindet om laseren, som engang blev kaldt en løsning på udkig efter et problem.

Åh, hvilken forskel et par årtier gør.

På den anden side, nogle gange mærkelige opfindelser tjener millioner. Andre gange opfinder vi ting til et formål, der viser sig at have uforudsete applikationer. Blandt de mange bidrag, det amerikanske rumprogram opfandt ribbet badedragt og skiftede bleer for altid. I dag, materialeforskere opdager egenskaber, som vi endnu ikke har fundet anvendelser til. Med held, de vil klare sig bedre end Lorin.

relaterede artikler

• Kunne du pendle fra New York til Los Angeles på 12 minutter?
• Hvordan luftindåndende raketter vil fungere
• Hvordan starter de jetmotorer på fly?
• Hvordan fungerer en efterbrænder?
• Sådan fungerer gasturbinemotorer
• Hvorfor kommer ikke udstødningen i en jetmotor ud foran?

Kilder

• Ashgriz, Nasser. "Foredrag 5:Indløb." Maskin- og industriteknik, University of Toronto. (22. maj kl. 2014) http://www.mie.utoronto.ca/labs/mfl/propulsion/lectures/lecture5/inlets.htm
• Bauer, Daniel. "Scramjet -brændstof:hydrogen mod kulbrinter." Journal of UNSW@ADFA Undergraduate Hypersonics, Vol. 1, Nr. 1 (2007). (21. maj kl. 2014) http://seit.unsw.adfa.edu.au/ojs/index.php/Hypersonics/article/view/18/8
• Defense Advanced Research Project Agency (DARPA). "Falcon HTV-2 Tre vigtige tekniske udfordringer." (29. maj kl. 2014) http://www.darpa.mil/Our_Work/TTO/Falcon_HTV-2_Three_Key_Technical_Challenges.aspx
• Encyclopaedia Britannica. "Ernst Heinrich Heinkel." (29. maj kl. 2014) http://www.britannica.com/EBchecked/topic/259700/Ernst-Heinrich-Heinkel
• Encyclopaedia Britannica. "Flyvningens historie:Jetalderen." (29. maj kl. 2014) http://www.britannica.com/EBchecked/topic/210191/history-of-flight/260590/The-jet-age
• Encyclopaedia Britannica. "Forbrændingsmotor." (19. maj, kl. 2014) http://www.britannica.com/EBchecked/topic/290504/internal-combustion-engine
• Encyclopaedia Britannica. "Flymotor." (19. maj, kl. 2014) http://www.britannica.com/EBchecked/topic/303238/jet-engine
• Encyclopaedia Britannica. "Militære fly:Jetalderen." (29. maj kl. 2014) http://www.britannica.com/EBchecked/topic/382295/military-aircraft/57508/The-jet-age
• Encyclopaedia Britannica. "Ramjet." (19. maj, kl. 2014) http://www.britannica.com/EBchecked/topic/490671/ramjet
• Fletcher, D. G. "Fundamentals of Hypersonic Flow - Aerothermodynamics." RTO AVT Foredragsserie om kritiske teknologier til hypersonisk køretøjsudvikling, von Kármán -instituttet, Belgien, 10.-14. Maj, 2004. (21. maj, kl. 2014) http://ftp.rta.nato.int/public//PubFullText/RTO/EN/RTO-EN-AVT-116///EN-AVT-116-03.pdf
• Gyorgy, Nagy Istvan. "Albert Fono:En pioner inden for jetfremdrift." In Rocketry &Astronautics:IAC History Symposia 1967-2000 Abstracts &Index. Side 136. 2004. (22. maj, kl. 2014) http://iaaweb.org/iaa/Studies/history.pdf
• Heiser, William H. og David T. Pratt. "Hypersonisk luftpustedrift." AIAA. 1994.
• Hoffman, Jascha. "William Avery, Jet Engine Scientist, Dør ved 91. "The New York Times. 12. juli, 2004. (22. maj, kl. 2014) http://www.nytimes.com/2004/07/12/us/william-avery-jet-engine-scientist-dies-at-91.html
• Kossiakoff, Alexander. "In Memoriam:William H. Avery (1912–2004)." Johns Hopkins APL Technical Digest. Vol. 25, Nr. 2. Side 173. 2004. (22. maj, kl. 2014) http://techdigest.jhuapl.edu/techdigest/TD/td2502/avery.pdf
• Krueger, Paul S. "Turbojets." Institut for Maskinteknik, Southern Methodist University. (29. maj kl. 2014) http://lyle.smu.edu/propulsion/Pages/jetengine.htm
• Krueger, Paul S. "Variationer af jetmotorer." Institut for Maskinteknik, Southern Methodist University. (29. maj kl. 2014) http://lyle.smu.edu/propulsion/Pages/variations.htm
• Kumar, Satish, et al. "Scramjet Combustor -udvikling." Forbrændingsinstituttet. (29. maj kl. 2014) http://www.combustioninstitute-indiansection.com/pdf/SCRAMJET%20COMBUSTOR%20DEVELOPMENT.pdf
• Lang, K. F. "Deep Space Propulsion:En køreplan til interstellar flyvning." Springer. 2012.
• NASA. "Efterbrændende Turbojet." (30. maj, 2014) https://www.grc.nasa.gov/www/k-12/airplane/aturba.html
• NASA. "NASA Armstrong Faktablad:Hyper-X-program." 28. februar kl. 2014. (21. maj, kl. 2014) http://www.nasa.gov/centers/armstrong/news/FactSheets/FS-040-DFRC.html#.U3zG0PldV8F
• NASA. "NASA's Guide to Hypersonics." 21. oktober kl. 2008. (29. maj, kl. 2014) http://www.grc.nasa.gov/WWW/BGH/index.html
• NASA. "Drivmidler." In Space Handbook:Astronautics and its Applications. Personalerapport fra den udvalgte komité for astronautik og rumforskning. U.S. regerings trykkeri. 1959. http://history.nasa.gov/conghand/propelnt.htm
• NASA. "Warp Drive, Hvornår? "(30. maj, 2014) http://www.nasa.gov/centers/glenn/technology/warp/warp.html
• NASA. "Hvad er en Scramjet?" 30. januar, 2004. (21. maj, kl. 2014) http://www.nasa.gov/missions/research/f_scramjets.html
• Nationalmuseet i USAF. "Lockheed D-21B." 22. oktober kl. 2103. (29. maj, kl. 2014) http://www.nationalmuseum.af.mil/factsheets/factsheet.asp?id=396
• Nationalmuseet i USAF. "Republic/Ford JB-2 Loon (V-1 Buzz Bomb)." 4. februar kl. 2011. (29. maj, kl. 2014) http://www.nationalmuseum.af.mil/factsheets/factsheet.asp?id=510
• Nationalmuseet i USAF. "Republik XF-103." 30. oktober kl. 2009. (29. maj, kl. 2014) http://www.nationalmuseum.af.mil/factsheets/factsheet.asp?id=2377
• Oxford Dictionary of Science. "Jetfremdrivning (reaktionsfremdrivning)." Isaacs, Alan, John Daintith og Elizabeth Martin, red. Oxford University Press. 4. udgave. 2003.
• Pratt &Whitney. "F100 motor." 2014. (29. maj, kl. 2014) http://www.pw.utc.com/F100_Engine
• Siddiqi, Som om. "Udfordring til Apollo:Sovjetunionen og rumløbet 1945 - 1974." NASA SP-2000-4408. 2000. (22. maj, kl. 2014) http://history.nasa.gov/SP-4408pt1.pdf
• Smithsonian National Air and Space Museum. "Hiller XHOE-1 Hornet." (29. maj kl. 2014) http://airandspace.si.edu/collections/artifact.cfm?id=A19610115000
• Space Propulsion Group. "Ramme med fast brændstof." (22. maj kl. 2014) http://www.spg-corp.com/solid-fuel-ramjets.html
• Spakovszky, Z. S. "3.7 Brayton -cyklus." Fra Unified:Termodynamik og fremdrift. Massachusetts Tekniske Institut. 6. august, 2006. (19. maj, kl. 2014) http://web.mit.edu/16.unified/www/SPRING/propulsion/notes/node27.html
• van Pelt, Michel. "Rocket ind i fremtiden." Springer Praxis bøger. 2012.
• Afdeling, Thomas A. Aerospace Propulsion Systems. Wiley. 17. maj kl. 2010.
• Wolko, Howard S. "In the Flight Cause:Technologists of Aeronautics and Astronautics." Smithsonian Studies in Air and Space Number 4. Smithsonian Institution Press. 1981.
• Yest, Walter et al. "Jet fremdrift." Britannica Årets bog 1950. Encyclopedia Britannica, Inc. 1950. (22. maj, kl. 2014) http://archive.org/stream/britannicabookof030518mbp/britannicabookof030518mbp_djvu.txt