Wie Ramjets funktionieren

Wie Ihnen jeder sagen kann, der schon einmal von einem hohen Tauchgang mit dem Bauch gefloppt ist, neigt es dazu, zurück zu schlagen, wenn Sie auf eine Flüssigkeit treffen, ohne ihr Zeit zu geben, aus dem Weg zu gehen. Taucher schlagen die Physik, indem sie einen stromlinienförmigeren Sprung wagen, und schnellere Autos und Flugzeuge tun dies, indem sie aerodynamischere Formen aufweisen. Aber es kommt ein Punkt, nahe der Schallmauer, an dem eine Straffung nicht ausreicht – eine Geschwindigkeit, bei der die Luft, die Ihr Flugzeug in der Luft hält, Sie mit scheinbar unüberwindlichem Widerstand, zähnerasselnden Turbulenzen und brutalen Schockwellen zu hämmern beginnt. Tatsächlich glaubten viele, diese Schallmauer sei unzerbrechlich, bis am 14. Oktober 1947 Chuck Yeagers raketengetriebener Bell X-1 ihnen das Gegenteil bewies.

Aber was wäre, wenn Sie all diese aufgestaute Luft zu Ihrem Vorteil nutzen könnten? Was wäre, wenn Sie es nicht mit Propellern durchwirbeln oder mit Raketen durchbrennen, sondern es in ein speziell geformtes Rohr packen, mit einer Explosion aufpumpen und mit Überschallgeschwindigkeit aus einer Düse schießen könnten, und das alles ohne größere bewegliche Teile? Sie hätten eine ganz besondere Art von Düsentriebwerk , ein "fliegendes Ofenrohr", das mit Tausenden von Meilen pro Stunde durch den Himmel rasen könnte. Du hättest einen Ramjet .

Aber die scheinbare Einfachheit des Staustrahltriebwerks täuscht; es bedarf modernster Luftfahrttechnik, moderner Materialien und präziser Fertigung, um so etwas zu erreichen – was zum Teil erklärt, warum eine fast so alte Idee wie der Motorflug wiederholt aufgegriffen und jahrzehntelang verworfen wurde, bevor sie während des Kalten Krieges nur begrenzten Erfolg hatte.

Im Gegensatz zu ihrer wichtigsten Geschwindigkeitskonkurrenz, der Rakete, die Treibstoff mit bordeigenen Oxidationsmitteln wie Ammoniumnitrat, Kaliumchlorat oder Ammoniumchlorat verbrennt, atmen Staustrahlflugzeuge Luft. Während also Raketen nahezu im Vakuum des Weltraums operieren können, müssen Ramjets durch die Atmosphäre fliegen. Sie müssen dies auch bei sehr hohen Geschwindigkeiten tun – etwa Mach 2,5-3,0 oder der dreifachen Schallgeschwindigkeit –, weil Staustrahltriebwerke arbeiten, indem sie den Staudruck nutzen, die natürliche Luftkompression, die durch die hohe Geschwindigkeit eines Flugzeugs hervorgerufen wird. Mit anderen Worten, Staustrahltriebwerke sind Verbündete der Stoßwellen und Kompressionskräfte, die einst dem Hochgeschwindigkeitsflug entgegenstanden; sie schwimmen buchstäblich mit dem Strom [Quellen: Encyclopaedia Britannica ; NASA ].

Ramjets sind über große Entfernungen effizienter als Raketen, haben aber einen erheblichen Nachteil: Sie sind bei niedrigen Geschwindigkeiten nutzlos. Folglich verlassen sie sich auf Trägerraketen oder andere Fahrzeuge, um sie auf Touren zu bringen. Eigenständige Staustrahlflugzeuge verwenden typischerweise Hybridtriebwerke [Quelle: NASA ].

Wenn diese Erklärung mit Überschallgeschwindigkeit an Ihnen vorbeigeflogen ist, liegt das wahrscheinlich daran, dass wir viele coole und interessante Dinge übersprungen haben. Schauen wir uns an, wie sich Düsentriebwerke entwickelt haben, um dieses moderne Wunderwerk zu produzieren.

1. Detonationen und Ankünfte
2. Ramjets, ihrer Zeit voraus?
3. Ramjets: Sich über Mach lustig machen

Jets laufen auf kontrollierte Explosionen. Das klingt seltsam, bis man merkt, dass es die meisten Automotoren auch tun: Luft ansaugen, komprimieren, mit Kraftstoff mischen, zünden und knallen! Du hast einen Kolben gedrückt . Aber während Benzin- und Dieselmotoren eine zyklische oder intermittierende Verbrennung beinhalten, haben Jets eine kontinuierliche Verbrennung, bei der sich Kraftstoff und Luft mischen und ununterbrochen verbrennen. Wie auch immer, mehr Gummi zu verbrennen bedeutet, mehr Gas zu schlucken, und das bedeutet, mehr Sauerstoff einzusaugen, um die Mischung richtig zu machen. Aufgemotzte Autos machen das mit Kompressoren; bei Strahltriebwerken ist es komplizierter [Quelle: Encyclopaedia Britannica ].

Das erste einsatzbereite Düsenflugzeug flog gegen Ende des Zweiten Weltkriegs mit Turbojet - Triebwerken in den Kampf, ein einfaches, aber geniales Design, das auf dem Brayton- (oder Joule- ) Zyklus basiert : Während das Flugzeug fliegt, strömt Luft durch einen Einlass in einen Diffusor , eine Kammer das den Luftstrom verlangsamt und Stoßwellen hemmt. Anschließend durchläuft es eine Reihe von beschaufelten Scheiben: rotierende Rotoren , die die Luft nach hinten drücken, und stationäre Statoren, die den Luftstrom leiten. Zusammen wirken sie als Kompressor, der den Druck in den Brennkammern des Jets erhöht. Dort vermischt sich Brennstoff mit Druckluft und entzündet sich, wodurch Temperaturen in den Bereich von 1800-2800 F (980-1540 C) oder höher gesprengt werden [Quellen: Encyclopaedia Britannica ; Krüger ; Spakovszky ].

Der Druck steigt mit der Temperatur, daher erzeugt diese Explosion eine Menge Kraft, die nichts zu tun hat, als einen schnellen Ausgang zu suchen. Wenn der Auspuff durch die hintere Düse schießt, erzeugt er Schub, um das Flugzeug zu bewegen. Auf dem Weg zu dieser Düse schießt das Abgas auch durch eine Turbine, die über eine Torsionswelle mit den Rotoren verbunden ist. Wenn sich die Turbine dreht, überträgt sie Energie auf die vorderen Verdichterschaufeln und schließt den Zyklus ab.

In Flugzeugen mit Turboprops oder Hubschraubern mit Turbowellentriebwerken übertragen die Turbinen über eine Reihe von Zahnrädern auch Leistung auf einen Propeller oder Hubschrauberrotor.

Turbojets haben viel Kraft, haben aber Probleme bei niedrigen Geschwindigkeiten. Infolgedessen begann in den 1960er und 1970er Jahren der Trend bei Niedrigüberschallflugzeugen zu den Turbofans , die die meisten Privatjets und Verkehrsflugzeuge immer noch verwenden. Ein Turbofan ist der Turbofan unter den Triebwerken – im Wesentlichen ein Turbojet, der in eine größere Motorhaube gehüllt ist und auf dessen Vorderseite ein großer Lüfter aufgesetzt ist. Der Lüfter saugt mehr Luft an, die das Triebwerk dann in zwei Ströme aufteilt: Ein Teil der Luft bewegt sich durch den verschachtelten Turbojet, während der Rest durch den leeren Raum um ihn herum strömt. Die beiden Ströme vereinigen sich wieder, wenn sich umgeleitete kühlere Luft mit dem Abgas des Turbojets vermischt und ihn verlangsamt, wodurch ein größerer, langsamerer Schubstrom entsteht, der bei niedrigen Geschwindigkeiten effizienter ist [Quellen: Encyclopaedia Britannica ; Krüger ].

In der Zwischenzeit, ungefähr zu der Zeit, als Turbofans sich durchsetzten, kam die Forschung an Staustrahlflugzeugen endlich in Fahrt. Es war ein langer Weg.

Nachbrenner

Einige Turbojets und Turbofans sind mit Nachbrennern gekoppelt , die mehr Energie herausholen, indem sie Kraftstoff in das Abgas einspritzen, nachdem es die Turbine passiert hat, und es wieder zünden. Dieser Prozess, auch Reheat genannt , ist ineffizient, kann aber den Turbofan-Schub um bis zu 50 Prozent steigern [Quellen: Encyclopaedia Britannica ; Pratt & Whitney ]. Nachbrenner sind praktisch beim Start oder bei ungünstigen Bedingungen bei niedriger Geschwindigkeit oder niedrigem Druck. Sie sind hauptsächlich in Überschallkampfflugzeugen zu finden, obwohl die Concorde SST sie auch beim Start verwendete [Quellen: Encyclopaedia Britannica ; NASA ; Pratt & Whitney ].

Wer gesagt hat, dass man laufen muss, bevor man laufen kann, ist dem Franzosen René Lorin noch nie begegnet. Schon 1913 sah er die Möglichkeiten des Staudruckantriebs, als Piloten noch verherrlichte Holzdrachen flogen. Er war sich der Nutzlosigkeit des Designs bei Unterschallgeschwindigkeit bewusst und entwarf stattdessen eine Staustrahl-unterstützte fliegende Bombe. Das französische Militär winkte ihm ab. Der ungarische Ingenieur Albert Fono, ein weiterer Staustrahlpionier, verfolgte 1915 eine ähnliche Idee und erhielt einen vergleichbaren Zuspruch von der österreichisch-ungarischen Armee [Quellen: György ; Heiser und Pratt ; Wolko ].

Ramjets designs enjoyed a short vogue between world wars. Soviet engineers made early strides in rocket-based ramjets (see next section), but interest burned out before 1940. The German occupation interrupted French engineer René Leduc's early work, but his persistence and secrecy paid off on April 21, 1949, when his Lorin-inspired 010 model made its first powered flight of a ramjet aircraft. Carried aloft atop a Languedoc 161 airliner, it flew for 12 minutes and reached 450 mph (724 kph) at half power [sources: Siddiqi; Ward ; Wolko ; Yust et al .].

And, for a while, that was that. Despite Leduc's success, lack of funds ended official support for his research in 1957 [sources: Siddiqi; Ward; Wolko; Yust et al.]. The ramjet was beginning to look like an invention with no application. Meanwhile, World War II had ushered in the first generation of operational turbojets: the British Gloster Meteor, the German Messerschmitt Me 262 and the American Lockheed F-80 Shooting Star [sources: Encyclopaedia Britannica; Encyclopaedia Britannica; Encyclopaedia Britannica; National Museum of the USAF; van Pelt ].

As the war ended and the Cold War heated up, it became clear that turbojets and turbofans presented more practical subsonic and low-supersonic solutions than ramjets. Thereafter, most U.S. and Soviet work in ramjets focused on building intercontinental missiles. In 1950, American engineer William H. Avery and the Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory produced Talos, the U.S. Navy's first ramjet missile. Future generations would refine and streamline the design, introducing hybrid ramrockets capable of achieving high supersonic speeds (Mach 3-5) (see next section) [sources: Hoffman; Kossiakoff; Ward ].

Despite intriguing designs like the Hiller XHOE-1 Hornet helicopter, the proposed Republic XF-103 bomber interceptor and the short-lived Lockheed D-21B unmanned reconnaissance drone, ramjet aircraft languished until the 1964 debut of the Lockheed SR-71 Blackbird. The fastest manned aircraft until its retirement in 1989, the Mach 3+ Blackbird also used a hybrid engine, sometimes called a turboramjet [sources: National Museum of the USAF; Smithsonian; Ward ].

We'll dive into the SR-71 and other ramjet hybrids and subtypes in the next section.

Rudi Ramjet?

Bis zum Ende des Zweiten Weltkriegs hatte Deutschland mit der Erforschung zahlreicher Düsenflugzeuge begonnen, darunter eines raketenunterstützten Staustrahlflugzeugs, der Fw 252 „Super Lorin“, und des staustrahlgetriebenen antipodalen Bombers Sänger-Bredt. Am bekanntesten ist, dass sie erfolgreich die V-1 Buzz Bomb bauten, eine von einem Dampfkatapult abgefeuerte, von einem Impulsstrahl angetriebene gelenkte Bombe. Ein Impulsstrahl ist kein Staustrahl, aber sie haben gemeinsame Eigenschaften, einschließlich Einfachheit und ein Minimum an beweglichen Teilen [Quellen: Encyclopaedia Britannica ; Enzyklopädie Britannica ; Enzyklopädie Britannica ; Nationalmuseum der USAF ; van Pelt ].

If ramjets are so fiddly, then why bother? Well, at the pressures and temperatures generated at Mach 2.5+, most jet engines become hugely impractical -- and utterly pointless. Even if you could make one work, doing so would combine the hazards of running a windmill in a hurricane with the pointlessness of hauling a wave machine to Oahu's North Shore.

Ramjets take the basic principles of other jets and crank them up to 11, all without major moving parts. Air enters a ramjet's diffuser at supersonic speeds, assaulting it with shock waves that help build ram pressure. A diamond-shaped center body in the intake further squeezes the air and slows it to subsonic speeds to more efficiently mix with fuel and combust. Combustion occurs in an open chamber akin to a giant afterburner, where liquid fuel is injected or solid fuel is ablated from the chamber's sides [sources: Ashgriz; Encyclopaedia Britannica; SPG; Ward ].

Ramjets' speed limitations gradually inspired hybrid engines that could fly at lower speeds and accelerate to supersonic velocities. The most famous example, the SR-71 Blackbird, used a turbojet-ramjet hybrid called, appropriately, a turboramjet. Such engines work like an afterburning turbojet until well past Mach 1, after which ducts bypass the turbojet and redirect the ram-compressed airflow into the afterburner, making the engine behave like a ramjet [source: Ward ].

Missile designs, meanwhile, gradually did away with boosters by moving them inside the ramjet itself, creating ramrockets, aka integral rocket ramjets. During rocket acceleration, plugs temporarily seal the ramjet's intake and fuel injectors. Once the rockets are spent and the ramjet is up to speed, these pop off, and the empty rockets act as combustion chambers [source: Ward ].

Looking forward, crossing the Mach 5 line into hypersonic speeds will likely entail scramjets (supersonic combusting ramjets). Unlike other ramjets, scramjets do not need to slow air to subsonic speeds in their combustion chambers. To pull off ignition and expansion in the 0.001 seconds before the pressurized air shoots out the exhaust, scramjets typically use hydrogen fuel, which has a high specific impulse (change in momentum per unit mass of propellant), ignites over a wide range of fuel/air ratios and releases a huge burst of energy when burned [sources: Bauer; Encyclopaedia Britannica; NASA].

Scramjets remained theoretical before the past few decades, and work remains mostly experimental. In November 2004, NASA's eight-year, $230-million Hyper-X Program produced a scramjet that reached Mach 9.6 on its final flight. Some analysts believe the technology could reach Mach 15-24, but air travel at hypersonic speeds means overcoming forces unlike those faced by even the fastest supersonic craft. In short, we have a long way to go before we can commute from New York to Los Angeles in 12 minutes [sources: Bauer; DARPA; Fletcher; NASA].

The Interstellar Ramjet

Ein Haupthindernis für die raketengetriebene Raumfahrt ist die exponentielle Beziehung zwischen Beschleunigung und Treibstoff. Je schneller Sie fahren, desto mehr Kraftstoff benötigen Sie; Je mehr Kraftstoff Sie mit sich führen, je mehr Masse Sie hinzufügen, desto mehr zusätzlichen Kraftstoff benötigen Sie, um es zu überwinden [Quellen: Long ; NASA ].

Vor diesem Hintergrund haben Physiker andere Lösungen vorgeschlagen, darunter alles von Sonnensegeln bis hin zu explodierenden ausgestoßenen Atombomben. 1960 schlug der Physiker Robert Bussard einen interstellaren Staustrahl vor, der geladene Teilchen im Weltraum über ein elektromagnetisches Feld sammeln, sie konvergieren, eine Fusionsreaktion auslösen und die Energie für den Antrieb nutzen würde [Quellen: Long ; NASA ].

Anmerkung des Autors: Wie Ramjets funktionieren

I'm often enchanted by stories of great innovations that failed to find an application when they were first invented. While writing this article, for example, I was repeatedly reminded of the laser, which was once called a solution looking for a problem.

Oh, what a difference a few decades make.

On the other hand, sometimes weird inventions make millions. Other times we invent things for one purpose that turn out to have unforeseen applications. Among its many contributions, the American space program invented the ribbed swimsuit and changed diapers forever . Today, materials scientists are discovering properties for which we have yet to find uses. With luck, they'll fare better than Lorin.

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