Scram-Jet

X-43A mit Scramjet-Triebwerk unten.

Der Überschall-Verbrennungs-Staustrahltriebwerk , besser bekannt unter seinem englischen Namen Scramjet , ist eine Variante eines Staustrahltriebwerks mit dem Unterschied, dass ein Teil oder der gesamte Verbrennungsprozess mit Überschall erfolgt. Bei höheren Geschwindigkeiten ist eine Überschallverbrennung erforderlich, um die Effizienz des Verbrennungsprozesses zu maximieren. Projektionen für die Geschwindigkeit eines Scramjet-Triebwerks ohne zusätzliche Oxidationsmittelzufuhr variieren zwischen Mach 12 und Mach 24 ( Orbitalgeschwindigkeit ). Der X-30 hat in Tests eine Geschwindigkeit von Mach 17 erreicht, aufgrund von Problemen in der Art der Verbrennung. Im Gegensatz dazu ist das schnellste der konventionellen Flugzeuge, die Luft zum Auftrieb verwenden, die Lockheed SR-71 ( Turbostrahl + Staustrahl ) der United States Air Force, die ungefähr Mach 3,4 erreicht.

Ursprünge

Die ursprüngliche Idee des Hyperjets oder Ramjets wurde Anfang des 20. Jahrhunderts im Jahr 1913 (Patentdatum) aus den Händen von René Lorin geboren . Dieser französische Ingenieur legt die theoretischen Grundlagen für das, was er Thermopropulsive Nozzle nennt, unter dem einfachen thermodynamischen Zyklus von Brayton, Kompression, Verbrennung und Expansion . Ein Reaktor, der Hyperschallgeschwindigkeiten erreichen konnte, die damals unvorstellbar waren.

Zwei Jahrzehnte später, im Jahr 1933, entdeckte René Leduc die Ideen von René Lorin wieder, dann erschien der Ramjet , in der Sowjetunion so genannt , und der Staustrahl in Frankreich, als der ideale Reaktor mit großer Leistung, maximaler Effizienz und minimalen Produktionskosten. , denn als die mechanischen Teile verschwanden, blieb es wie eine Röhre, sehr einfach herzustellen. Aber der Ramjet hat den Nachteil, dass er nicht alleine abheben kann. Ein Flugzeug mit einem Hyperschallantrieb dieses Typs muss von einem anderen auf eine Mindestgeschwindigkeit (Mach 3) beschleunigt werden oder mit TBCC- oder RBCC-Technologie ausgestattet sein, die den Betrieb der Ramjet-/Scramjet-Triebwerke unterstützen könnte, um die Mindestbetriebsbedingungen zu erreichen.

Eine einfache leere Röhre

Die Grundidee von René Lorin war ein Rohr, das Luft aufnimmt, diese durch den gleichen Druck komprimiert, der durch seine Geschwindigkeit und das aerodynamische Design des Innenraums erzeugt wird, und dann mit einem Kraftstoff versorgt wird, der mit Sauerstoff reagiert und durch Verbrennung eine Ausdehnung erzeugt , die Strömung, die das Schiff antreibt. Ein "einfacher" Zyklus aus Kompression, Verbrennung und Expansion, der es ermöglicht, sehr hohe Geschwindigkeiten zu erreichen, ohne bewegliche Teile, die für die Kompression erforderlich sind, und mit sehr hoher Leistung. Mechanisch einfach, liegt die größte Komplexität in seinem aerodynamischen Design, von dem alles abhängt.

Schema eines Staustrahltriebwerks .

Schema eines Scramjet-Triebwerks.

Wir können das Design eines Staustrahlreaktors sehen , die Luft tritt mit Überschallgeschwindigkeit durch die Mündung des Reaktors ein und reduziert ihre Geschwindigkeit auf Unterschallniveau durch aerodynamische Diffusion, die durch die Insel und den Diffusor erzeugt wird. Luft tritt in die Brennkammer ein und reagiert mit dem Kraftstoff, wodurch ein Abfluss erzeugt wird, der das Schiff antreibt, wenn er größer als der Zufluss ist. Eine der Grenzen des Staustrahltriebwerks ist, dass es bis zu Geschwindigkeiten von Mach 3 nicht funktioniert, sodass es andere Treibmittel benötigt, um zu arbeiten, aber es ist auch in der Höchstgeschwindigkeit auf Mach 6 begrenzt. Staustrahlpropeller können diese Grenze nicht überschreiten. Der Schub ist nicht mehr positiv, aufgrund der Reibung, die durch die für die Verbrennung notwendige Verzögerung entsteht, kommt die Luft so heiß an, dass sie nicht mit dem Brennstoff verbrannt werden kann. Der einzige Weg, dies zu umgehen, besteht darin, die Ansaugluft nicht zu verlangsamen, und hier kommt der Scramjet des X-43A ins Spiel .

Scramjet ( Supersonic Combustion Ramjet ), Reaktortyp des X-43A, reduziert nicht die Geschwindigkeit der Luft für seine Verbrennung, sondern dies geschieht durch ihn. Es ist eine sehr schnelle Verbrennung erforderlich (normalerweise wird Wasserstoff verwendet), aber es verursacht kein Reibungsproblem und seine Grenzgeschwindigkeit ist noch abzuwarten, vielleicht Mach 20. Es ist mechanisch sehr einfach, aber aerodynamisch äußerst komplex, mehr noch als der Staustrahl. Die drei Exemplare mit jeweils kleinen Unterschieden, die in den Tests des Hyper-X-Projekts getestet wurden, waren die ersten Scramjets in der Geschichte der Aerodynamik, und ihr volles Potenzial muss noch gesehen werden.

Vor- und Nachteile von Scramjets

Vorteile

1. Es muss kein Sauerstoff transportiert werden.
2. Es gibt keine rotierenden Teile, was die Herstellung erleichtert.
3. Es hat einen höheren spezifischen Impuls (Impulsänderung pro Treibmitteleinheit) als ein herkömmlicher Motor, es könnte zwischen 1.000 und 4.000 Sekunden liefern, während eine Rakete nur 600 Sekunden oder weniger liefert.
4. Eine höhere Geschwindigkeit könnte in Zukunft einen billigeren Zugang zum Weltraum bedeuten.

Kältetechnik und Sonderwerkstoffe

Im Gegensatz zu einer Rakete, die vertikal und schnell durch die Atmosphäre fliegt, oder einem Turbojet oder Staustrahl, der mit viel geringeren Geschwindigkeiten fliegt, fliegt ein luftbetriebenes Hyperschallfahrzeug optimalerweise auf einer „gesenkten Flugbahn“ und bleibt mit Hyperschallgeschwindigkeit in der Atmosphäre. Da Scramjets nur ein mittelmäßiges Verhältnis von Schub zu Gewicht haben, wäre die Beschleunigung begrenzt. Daher wäre die Zeit in der Atmosphäre bei Hyperschallgeschwindigkeit beträchtlich, möglicherweise 15-30 Minuten. Wie beim atmosphärischen Wiedereintritt wird die Wärmedämmung zu einer gewaltigen Aufgabe. Die Zeit in der Atmosphäre wäre länger als die einer typischen Raumkapsel , aber kürzer als die des Space Shuttles .

Neuere Materialien bieten eine gute Hochtemperaturisolierung, gehen dabei aber oft zu Lasten. Eine Alternative könnte eine „aktive Kühlung“ sein, bei der ein Kühlmittel verwendet würde, das durch die Außenhaut des Fahrzeugs zirkulieren würde, um zu verhindern, dass es sich auflöst. Es wird untersucht, dass das Kühlmittel der Kraftstoff selbst ist, genauso wie moderne Raketen ihren eigenen Kraftstoff und ihr eigenes Oxidationsmittel als Motorkühlmittel verwenden. Alle Kühlsysteme erhöhen das Gewicht und die Komplexität eines Starts. Das Kühlen von Scramjets auf diese Weise kann zu einer erhöhten Effizienz führen, da dem Kraftstoff Wärme zugeführt wird, bevor er in den Motor eintritt, aber das Ergebnis ist eine erhöhte Komplexität und ein erhöhtes Gewicht, die letztendlich alle Verbesserungen aufwiegen könnten.

Gewicht und Wirkungsgrad des Motors

Spezifischer Impuls verschiedener Reaktoren

Die Leistung eines Systemstarts ist komplex und hängt stark von seinem Gewicht ab. Fahrzeuge sind in der Regel so konstruiert, dass sie die Reichweite ( ), den Umlaufradius ( ) oder den Massenanteil der Nutzlast ( ) für einen bestimmten Motor und Kraftstoff maximieren. Dies ist das Ergebnis von Kompromissen zwischen Motoreffizienz (Treibstoffstartgewicht) und Motorkomplexität (Trockenstartgewicht), die durch die folgende Formel ausgedrückt werden können: $R$$R$$\Gamma$

$\Pi e}+\Pi f}+{\frac {1}{\gamma }}=1$

Wo:

• $\Pie}={\frac {m_{\text{leer}}}{m_{\text{initial}}}}$ist der Leermassenanteil und stellt das Gewicht des Aufbaus, der Tanks und des Motors dar.
• $\Pi​​f}={\frac {m_{\text{fuel}}}{m_{\text{initial}}}}$ist der Kraftstoffmassenanteil und stellt das Gewicht von Kraftstoff, Oxidationsmittel und anderen Materialien dar, die während des Starts verbraucht werden.
• $\gamma ={\frac {m_{\text{initial}}}{m_{\text{nutzlast}}}}$das anfängliche Massenverhältnis ist und der Kehrwert des Massenanteils der Nutzlast ist. Dies stellt die Menge an Nutzlast dar, die das Fahrzeug an einen Bestimmungsort liefern kann.

Ein Scramjet erhöht die Masse des Motors für eine Rakete und verringert die Masse des Treibstoffs . Es kann schwierig sein zu entscheiden, ob dies zu einer Gewichtszunahme führt (was eine größere Ladung wäre, die an einen Bestimmungsort für einen konstanten Start von Fahrzeugen geliefert wird). Die Logik hinter den Bemühungen, einen Scramjet zu fahren, ist (zum Beispiel), dass die Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs die Gesamtmasse um 30 % verringert, während ein erhöhtes Motorgewicht die Gesamtmasse des Fahrzeugs um 10 % erhöht. Leider ist die Unsicherheit bei der Berechnung der Massen oder Effizienzänderungen in einem Fahrzeug so groß, dass eine etwas andere Annahme des Motorwirkungsgrads oder der Kommunikation gute Gründe für oder gegen den Antrieb von Scramjet-Fahrzeugen liefern kann. $\Pie}$${\displaystyle\Pif}}$$\Gamma$

Auch die Übernahme der neuen Konfiguration muss berücksichtigt werden. Der Widerstand der Gesamtkonfiguration kann als Summe aus dem Widerstand des Fahrzeugs ( ) und dem Widerstand des Einbaumotors ( ) betrachtet werden. Der traditionelle Setup-Widerstand ergibt sich aus den Pylonen und der gekoppelten Strömung aufgrund der Strahltriebwerke und ist eine Funktion der Drosselklappenstellung. $D$$D_{e}$

Daher wird es oft geschrieben als:

$D_{e}=\phi e}F$ Wo:

• $\phi​​e}$ist der Verlustkoeffizient
• $F$ist der Triebwerksschub

Für einen stark aerodynamisch integrierten Motorkörper kann es bequemer sein, sich ( ) als den Unterschied im Luftwiderstand von einer bekannten Basiskonfiguration vorzustellen. $D_{e}$

Der Gesamtwirkungsgrad des Motors kann als Wert zwischen 0 und 1 ( ) in Bezug auf den spezifischen Impuls des Motors dargestellt werden: $\eta 0}$

$\mathrm {H} 0}={\frac {}{g_{0}V_{0}H_{PR}}}\cdot I_{SP}={\frac {\mbox{Schubenergie}}{ \mbox{Chemischer Energiesatz}}}$

Wo:

• $G_{0}$ist die Erdbeschleunigung in Bodennähe
• $V_{0}$ist die Geschwindigkeit des Fahrzeugs
• $I_{SP}$ist der spezifische Impuls
• $H_{PR}$ist der Brennstoff [Wärme [die Reaktion]]

Als Effizienzeinheit für Raketen wird häufig der spezifische Impuls verwendet, da bei der Rakete ein direkter Zusammenhang besteht zwischen spezifischem Impuls, [Treibstoff [spezifischer Verbrauch (Schub) | spezifischer Kraftstoffverbrauch]] und Abgasgeschwindigkeit. Diese direkte Beziehung ist kein allgemeiner Stromimpuls für luftatmende Motoren und wird in der Literatur weniger speziell verwendet. Beachten Sie, dass bei einem luftatmenden Motor sowohl als auch eine Funktion der Geschwindigkeit sind. $\eta 0}$$I_{SP}$

Der spezifische Impuls eines [Raketen][]-Triebwerks ist geschwindigkeitsunabhängig und liegt üblicherweise zwischen 200 und 600 Sekunden (450S für die Haupttriebwerke des Space Shuttles). Der spezifische Impuls eines Scramjets variiert mit der Geschwindigkeit und nimmt bei höheren Geschwindigkeiten ab etwa 1200 n. Chr. ab, obwohl die Werte in der Literatur variieren.

Für den einfachen Fall eines einstufigen Fahrzeugs kann der Kraftstoffmassenanteil ausgedrückt werden als:

$\Pi{f}=1-\exp \left[-{\frac {\left({\frac {V_{initial}^{2}}{2}}-{\frac {V_{i } ^{2}}{2}}\right)+\int {g}\,dr}{\eta 0}h_{PR}\left(1-{\frac {D+D_{e}} {F} }\richtig richtig]$

Wenn dies aus [[von einer Stufe in die Umlaufbahn|Übersetzung einer einzelnen Stufe aus] der Umlaufbahn] ausgedrückt werden kann als:

$\Pi{f}=1-\exp \left[-{\frac {g_{0}r_{0}\left(1-{\frac {1}{2}}{\frac {r_ { 0}}{r}}\right)}{\eta 0}h_{PR}\left(1-{\frac {D+D_{e}}{F}}\right)}}\right ]$

o Atmosphärische Flughöhe ab Luftstart ([Missile[]]-Flug):

$\Pi​​f}=1-\exp \left[-{\frac {g_{0}R}{\eta​​0}h_{PR}\left(1-\phi​​e} \right){\frac {C_{L}}{C_{D}}}}}\right]$

When is the Range , und die Berechnung kann in Form der Breguet -Range-Formel ausgedrückt werden: $R$

$\Pi{f}=1-e^{-BR}$

$B={\frac {g_{0}}{\eta​​0}h_{PR}\left(1-\phi​​e}\right){\frac {C_{L}}{C_ {D}}}}}$

Wo:

• ${C_{L}}$ist der Auftriebskoeffizient
• ${C_{D}}$ist der Luftwiderstandsbeiwert

Diese Formulierung ist extrem einfach, und es wurde angenommen:

• einstufiges Fahrzeug
• Es gibt keinen aerodynamischen Auftrieb für den transatmosphärischen Lifter

Das Obige gilt jedoch allgemein für alle Motoren.

Gegenwart und Zukunft

Betriebsschema des Scramjet im Vergleich zu einem konventionellen Reaktor.

Die Zukunft sieht die NASA in der Möglichkeit, die Kosten der Trägerraketen zu senken, Triebwerke wie die X-43A würden Geschwindigkeiten erreichen, die ausreichen, um die Anziehungskraft der Erde (Mach 10) zu überwinden. Durch die Reduzierung der Kosten für den Start in die Umlaufbahn wäre die Möglichkeit, mehr und größere Missionen zu senden, realisierbar, aber angesichts dieser Zukunft finden wir uns mit dem endemischen Problem des Staustrahls, der Mindestzündgeschwindigkeit und im Falle eines Weltraums wieder Shuttle ist seine Verwendung auf atmosphärische Phasen beschränkt, wie Professor Manuel Martínez Sánchez, Professor am MIT, sagt: „ ...um die Umgebungsluft nutzen zu können, ist eine lange und glatte Flugbahn innerhalb der Atmosphäre erforderlich, da die normalen Flugbahnen von Raketen verlassen es sofort, und uns würde der Sauerstoff vor unserer Zeit ausgehen. Das bedeutet Auftrieb, also Flügel, die das Gewicht des Schiffes tragen, und wenn ich mich richtig erinnere, beträgt der Massenanteil dieser Flügel etwa 11%. Zudem muss die Struktur enormen Wärmeflüssen standhalten, etwa bei einem Wiedereintritt. Bei Raketenwerfern passiert dies aus dem gleichen Grund wie zuvor nicht, dh wenn Machzahlen in der Größenordnung von 6-8 erreicht werden und thermische Probleme beginnen würden, ist die Rakete bereits aus der Atmosphäre heraus. ” ^{[ Zitat erforderlich ]}

Das bisher einzige ernsthafte Projekt zur Entwicklung eines Shuttles mit Flügelstruktur und langer Startbahn, das Geschwindigkeiten in der Größenordnung von Mach 20 standhält, um mittels Scramjet-Jets in die Umlaufbahn zu gelangen, war das gescheiterte NASP (National Aerospace Plane). ). Der Luft- und Raumfahrttraum der Reagan-Regierung in den 1980er Jahren, die versuchte, Tokio in zwei Stunden von New York aus zu erreichen und die Kosten der Raumfahrt zu senken. Doch das Projekt scheiterte, weil die notwendigen Technologien damals noch nicht existierten und der US-Kongress 1994 die Finanzierung des Projekts strich. Das Hiper-X-Programm ist der Erbe davon und der X-43A ist der Beweis dafür, dass es möglich ist.

Siehe auch

• Düsentriebwerk
• Staustrahl

Externe Links

• Wikimedia Commons hat eine Medienkategorie für Scramjet .
• BBC: Scramjet
• Scramjet: Ein bisschen Theorie