Ramjet의 작동 원리

고강도 다이빙에서 배를 잃은 적이있는 사람은 누구나 말할 수 있듯이, 방해 할 시간을주지 않고 액체를 밟으면 반격하는 경향이 있습니다. 다이버들은보다 간소화 된 급락을 통해 물리학을 이기고, 더 빠른 자동차와 항공기는보다 공기 역학적 형태를 자랑하여이를 수행합니다. 그러나 사운드 장벽 근처에 유선형으로 충분하지 않은 지점이 있습니다. 비행기를 높이 유지하는 바로 그 공기가 겉보기에 극복 할 수없는 항력, 이빨 덜컹 거리는 난기류 및 잔인한 충격파로 당신을 망치기 시작하는 속도입니다. 실제로 많은 사람들은 1947 년 10 월 14 일 Chuck Yeager 의 로켓 구동 식 Bell X-1이 잘못된 것을 증명할 때까지이 방음벽이 깨지지 않는다고 믿었습니다 .

하지만 쌓인 공기를 모두 유리하게 만들 수 있다면 어떨까요? 프로펠러로 휘 두르거나 로켓으로 불 태우는 대신, 특수한 모양의 튜브에 담아 폭발로 펌핑 한 다음, 주요 움직이는 부품없이 초음속으로 노즐을 발사 할 수 있다면 어떨까요? 당신은 매우 특별한 유형의 제트 엔진 , 즉 시속 수천 마일로 하늘을 썰기에 적합한 "비행 스토브 파이프"를 갖게 될 것 입니다. 당신은 램젯을 가질 것 입니다.

그러나 램제트의 명백한 단순성은 기만적입니다. 최첨단 항공 공학, 현대식 재료 및 정밀 제조가 필요합니다. 이는 냉전 기간 동안 제한적인 성공을 거두기 전에 동력 비행만큼 오래된 아이디어가 수십 년 동안 반복적으로 채택되고 버려지는 이유를 부분적으로 설명합니다.

주요 속도 경쟁과 달리 질산 암모늄, 염소산 칼륨 또는 염소산 암모늄과 같은 온보드 산화제를 사용하여 연료를 태우는 로켓은 램제트가 공기를 흡입합니다. 따라서 로켓은 우주의 거의 진공 상태에서 작동 할 수 있지만 램제트는 대기를 통과해야합니다. 램제트 는 항공기의 고속 에서 발생 하는 자연적인 공기 압축 인 램 압력 을 이용하여 작동하기 때문에 마하 2.5-3.0 또는 음속의 3 배에 달하는 매우 빠른 속도에서도 그렇게해야합니다 . 다시 말해, 램제트는 한때 고속 비행에 반대했던 충격파와 압축력의 동맹을 맺습니다. 그들은 문자 그대로 흐름과 함께 이동합니다 [출처 : Encyclopaedia Britannica ; NASA ].

램젯은 로켓보다 장거리에서 더 효율적이지만 상당한 단점이 있습니다. 저속에서는 쓸모가 없습니다. 결과적으로 그들은 부스터 로켓이나 다른 차량에 의존하여 속도를 높입니다. 독립형 램젯 항공기는 일반적으로 하이브리드 엔진을 사용합니다 [출처 : NASA ].

그 설명이 초음속으로 당신을 지나쳤다면 아마도 우리가 멋지고 흥미로운 것들을 많이 건너 뛰었 기 때문일 것입니다. 이 현대적인 경이를 생산하기 위해 제트 엔진이 어떻게 발전했는지 살펴 보겠습니다.

내용

1. 폭발 및 도착
2. 시대를 앞선 Ramjets?
3. Ramjets : Mock of Mach 만들기

제트는 통제 된 폭발로 작동합니다. 대부분의 자동차 엔진 도 마찬가지 라는 사실을 깨닫기 전까지는 이상하게 들립니다 . 공기를 흡입하고, 압축하고, 연료와 혼합하고, 점화하고, 쾅! 당신은 밀어했습니다 피스톤을 . 그러나 가솔린 및 디젤 엔진은 주기적 또는 간헐적 연소 를 수반 하는 반면 , 제트 는 연료와 공기가 혼합되어 연속 연소 되는 연속 연소를 수반 합니다. 어느 쪽이든, 더 많은 고무를 태우는 것은 더 많은 가스를 뿜어내는 것을 의미하며, 이는 더 많은 산소를 빨아들이는 것을 의미합니다. 수프 업 자동차는 수퍼 차저로 이것을합니다. 제트 엔진에서는 더 복잡합니다 [출처 : Encyclopaedia Britannica ].

최초의 작전 제트기 는 Brayton (또는 Joule ) 사이클을 기반으로 한 간단하지만 독창적 인 디자인 인 터보 제트 엔진을 사용하여 제 2 차 세계 대전이 끝날 무렵 전투를 확대했습니다 . 비행기가 비행 할 때 공기는 흡입구를 통해 디퓨저 , 챔버 로 흐릅니다. 공기 흐름을 늦추고 충격파를 억제합니다. 그런 다음 일련의 블레이드 디스크를 통과합니다. 회전하는 로터 ( 공기를 뒤로 밀어내는 회 전자 및 고정 된 고정자), 공기 흐름을 안내합니다. 이들은 함께 제트의 연소실 내에서 압력을 높이는 압축기 역할을합니다. 거기에서 연료는 압축 공기와 혼합되어 점화되어 1800-2800 F (980-1540 C) 이상의 범위로 폭발 온도를 올립니다 [출처 : Encyclopaedia Britannica ; Krueger ; Spakovszky ].

압력은 온도에 따라 상승하기 때문에이 폭발은 할 일이없는 많은 힘을 만들어냅니다. 배기 가스가 후면 노즐을 통해 쏠 때 기체를 움직이기위한 추력을 생성합니다. 이 노즐로가는 도중에 배기 가스는 토크 샤프트로 로터에 연결된 터빈을 통해 분사됩니다. 터빈이 회전하면 앞의 압축기 블레이드로 에너지를 전달하여 사이클을 완료합니다.

비행기에서와 터보프롭 또는 헬리콥터 와 터보 샤프트 엔진, 터빈은 일련의 기어를 통해 프로펠러 헬리콥터 로터에 전력을 전송.

터보 제트는 많은 힘을 가지고 있지만 저속에서는 어려움을 겪습니다. 결과적으로 1960 년대와 1970 년대에 저 초음속 항공기는 대부분의 개인용 제트기와 상업용 항공기가 여전히 사용 하는 터보 팬 쪽으로 추세를 보이기 시작했습니다 . 터보 팬은 엔진의 터덕 켄 (turducken)으로, 본질적으로 전면에 큰 팬이 쳐진 큰 카울링으로 감싼 터보 제트입니다. 팬은 더 많은 공기를 끌어 들여 엔진이 두 개의 흐름으로 나뉩니다. 일부 공기는 중첩 된 터보 제트를 통해 이동하고 나머지는 주변의 빈 공간을 통해 흐릅니다. 방향 전환 된 차가운 공기가 터보 제트의 배기 가스와 혼합되어 속도를 늦추면 두 흐름이 재결합하여 저속에서 더 효율적인 더 크고 느린 추력 흐름을 생성합니다 [출처 : Encyclopaedia Britannica ; Krueger ].

한편, 터보 팬이 자체적으로 등장 할 무렵 램제트 항공기에 대한 연구가 마침내 진전을 이루었습니다. 긴 여정이었습니다.

애프터 버너

일부 터보 제트 및 터보 팬은 애프터 버너 와 결합되어 터빈을 통과하고 다시 점화 한 후 배기 가스에 연료를 주입하여 더 많은 에너지를 방출합니다. 재가열 이라고도하는이 프로세스 는 비효율적이지만 터보 팬 추력을 50 %까지 높일 수 있습니다 [출처 : Encyclopaedia Britannica ; Pratt & Whitney ]. 애프터 버너는 이륙시나 불리한 저속 또는 저압 조건에서 유용합니다. Concorde SST가 이륙시에도 사용했지만 대부분 초음속 전투기에서 발견됩니다 [출처 : Encyclopaedia Britannica ; NASA ; Pratt & Whitney ].

달리기 전에 걸어야한다고 말한 사람은 프랑스 인 르네 로랭을 만난 적이 없습니다. 그는 조종사가 여전히 영광스러운 나무 연을 날고 있던 1913 년에 램 압력 추진의 가능성을 보았다. 아음속 속도에서 디자인의 쓸모가 없음을 인식 한 그는 대신 램제트 지원 비행 폭탄을 디자인했습니다. 프랑스 군은 그를 흔들었다. 또 다른 램제트 개척자 인 헝가리 엔지니어 Albert Fono는 1915 년에 비슷한 아이디어를 추구했고 오스트리아-헝가리 군대로부터 비슷한 환영을 받았습니다 [출처 : Gyorgy ; Heiser와 Pratt ; Wolko ].

Ramjets 디자인은 세계 대전 사이에 짧은 유행을 즐겼습니다. 소련 엔지니어 들은 로켓 기반 램제트 (다음 섹션 참조)에서 초기 단계를 진행했지만 1940 년 이전에 관심이 사라졌습니다. 독일 점령은 프랑스 엔지니어 르네 르 덕의 초기 작업을 방해했지만 그의 끈기와 비밀은 1949 년 4 월 21 일 로린이 결실을 맺었습니다. -영감을 얻은 010 모델은 램젯 항공기의 첫 번째 동력 비행을 만들었습니다. Languedoc 161 여객기 위에 올라 타 12 분 동안 비행 한 후 반 출력으로 450mph (724kph)에 도달했습니다 [출처 : Siddiqi ; Ward ; Wolko ; Yust et al .].

그리고 잠시 동안 그게 다였습니다. Leduc의 성공에도 불구하고 자금 부족으로 1957 년 그의 연구에 대한 공식적인 지원이 끝났습니다 [출처 : Siddiqi ; 구; Wolko; Yust et al.]. 램젯은 적용되지 않은 발명품처럼 보이기 시작했습니다. 한편, 제 2 차 세계 대전 은 영국 Gloster Meteor, 독일 Messerschmitt Me 262 및 American Lockheed F-80 Shooting Star [출처 : Encyclopaedia Britannica ; 브리태니커 백과 사전 ; 브리태니커 백과 사전 ; USAF 국립 박물관 ; van Pelt ].

전쟁이 끝나고 냉전이 가열되면서 터보 제트와 터보 팬이 램제트보다 더 실용적인 아음속 및 저 초음속 솔루션을 제시한다는 것이 분명해졌습니다. 그 후 대부분의 미국과 소련의 램제트 작업은 대륙간 미사일을 만드는 데 중점을 두었습니다. 1950 년 미국 엔지니어 인 William H. Avery와 Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory는 미 해군 최초의 램제트 미사일 인 Talos를 생산했습니다. 미래 세대는 높은 초음속 속도 (마하 3-5)를 달성 할 수있는 하이브리드 램 로켓을 도입하여 설계를 개선하고 간소화 할 것입니다 (다음 섹션 참조) [출처 : Hoffman ; Kossiakoff ; Ward ].

Hiller XHOE-1 Hornet 헬리콥터, 제안 된 Republic XF-103 폭격기 요격기 및 단기 록히드 D-21B 무인 정찰 드론과 같은 흥미로운 디자인에도 불구하고 램젯 항공기는 록히드 SR-71 블랙 버드 가 1964 년 데뷔 할 때까지 시들었습니다 . 1989 년 퇴역 할 때까지 가장 빠른 유인 항공기 인 Mach 3+ Blackbird는 터보 램제트 라고도하는 하이브리드 엔진도 사용했습니다 [출처 : National Museum of the USAF ; 스미소니언 ; Ward ].

다음 섹션에서는 SR-71 및 기타 램젯 하이브리드 및 하위 유형에 대해 자세히 살펴 보겠습니다.

루디 램제트?

제 2 차 세계 대전이 끝날 무렵 독일은 로켓 지원 램제트, Fw 252 "슈퍼 로린"및 램제트 구동 Sänger-Bredt 대척 폭격기를 포함한 수많은 제트기 연구를 시작했습니다. 가장 유명한 것은, 그들은 증기 투석기 발사, 펄스 제트 구동 유도 폭탄 인 V-1 버즈 폭탄을 성공적으로 제작했습니다. 펄스 제트는 램제트가 아니지만 단순함과 최소한의 움직이는 부품을 포함하여 공통된 특성을 공유합니다 [출처 : Encyclopaedia Britannica ; 브리태니커 백과 사전 ; 브리태니커 백과 사전 ; USAF 국립 박물관 ; van Pelt ].

램제트가 너무 어리 석다면 왜 귀찮아? 음, Mach 2.5+에서 생성 된 압력과 온도에서 대부분의 제트 엔진은 매우 비현실적이며 완전히 무의미 해집니다. 한 가지 일을 할 수 있다고하더라도 허리케인에서 풍차를 달리는 위험과 파도 기계를 오아후의 노스 쇼어로 운반하는 무의미 함이 결합 될 것입니다.

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

One major obstacle to rocket-powered space travel is the exponential relationship between acceleration and fuel. The faster you go, the more fuel you need; the more fuel you carry, the more mass you add, the more additional fuel you need to overcome it [sources: Long ; NASA].

With this in mind, physicists have proposed other solutions, including everything from solar sails to exploding ejected nuclear bombs. In 1960, physicist Robert Bussard proposed an interstellar ramjet that would collect charged particles in space via an electromagnetic field, converge them, create a fusion reaction and use the energy for propulsion [sources: Long ; NASA].

Author's Note: How Ramjets Work

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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