Ramjets Nasıl Çalışır?

Şimdiye kadar yüksek bir dalıştan göbeği düşen herhangi birinin size söyleyebileceği gibi, yoldan çekilmesi için zaman tanımadan bir sıvıya çarptığınızda, geri tepme eğilimi gösterir. Dalgıçlar daha aerodinamik bir dalma yaparak fiziği yenerler ve daha hızlı arabalar ve uçaklar bunu daha aerodinamik şekillerle yapar. Ancak ses bariyerinin yakınında, düzene girmenin yeterli olmadığı bir nokta var - uçağınızı havada tutan havanın, görünüşte aşılmaz bir sürüklenme, dişleri çınlayan türbülans ve acımasız şok dalgaları ile sizi dövmeye başladığı bir hız. Ekim 14, 1947 tarihinde, kadar Nitekim, birçok kırılmaz bu ses duvarını inanılan Chuck Yeager 'ın roket Bell X-1 onları yanlış olduğunu kanıtladı Destekli.

Peki ya tüm bu yığılmış havayı kendi avantajınıza çevirebilseydiniz? Ya pervanelerle karıştırmak ya da roketlerle yakmak yerine, onu özel olarak şekillendirilmiş bir tüpe paketleyip, bir patlama ile pompalayıp süpersonik hızlarda bir nozülden ateşleseydiniz, hiçbiri büyük hareketli parçalar olmadan? Çok özel tipte bir jet motorunuz olacaktı , gökyüzünde saatte binlerce mil hızla dilimlemeye uygun bir "uçan soba borusu". Bir ramjet alırdın .

Ancak ramjet'in görünen basitliği aldatıcıdır; en son teknolojiye sahip havacılık mühendisliği, modern malzemeler ve hassas üretim bir tanesini çekmeyi gerektiriyor - bu da, Soğuk Savaş sırasında sınırlı bir başarıya ulaşmadan önce, motorlu uçuş kadar eski bir fikrin neden defalarca tekrar tekrar ele alındığını ve on yıllarca bir kenara atıldığını kısmen açıklıyor.

Ana hız rekabetinden farklı olarak, amonyum nitrat, potasyum klorat veya amonyum klorat gibi yerleşik oksitleyiciler kullanarak yakıtı yakan roket ramjetler hava solur. Bu nedenle, roketler uzay boşluğunda çalışabilirken, ramjetlerin atmosferde uçmaları gerekir. Bunu çok yüksek hızlarda da yapmaları gerekir - Mach 2.5-3.0 civarında veya ses hızının üç katı - çünkü ramjetler , bir uçağın yüksek hızının getirdiği doğal hava sıkıştırması olan koç basıncını kullanarak çalışır . Başka bir deyişle, ramjetler, bir zamanlar yüksek hızlı uçuşa karşı çıkan şok dalgalarının ve sıkıştırma kuvvetlerinin müttefikidir; tam anlamıyla akışa uyarlar [kaynaklar: Encyclopaedia Britannica ; NASA ].

Fırlatma jetleri uzun mesafelerde roketlere göre daha verimlidir ancak önemli bir dezavantajı vardır: Düşük hızlarda işe yaramazlar. Sonuç olarak, hızlandırmak için güçlendirici roketlere veya diğer araçlara güvenirler. Bağımsız ramjet uçakları tipik olarak hibrit motorlar kullanır [kaynak: NASA ].

Bu açıklama sizi süpersonik bir hızla geçtiyse, bunun nedeni muhtemelen birçok harika ve ilginç şeyi atlamış olmamızdır. Jet motorlarının bu modern harikayı yaratmak için nasıl geliştiğine bakalım.

İçindekiler

1. Patlamalar ve Varışlar
2. Ramjets, Zamanının Ötesinde mi?
3. Ramjets: Mach Mock Yapmak

Jetler kontrollü patlamalarla çalışır. Bu, çoğu araba motorunun da yaptığını anlayana kadar kulağa garip geliyor : Havayı çekin, sıkıştırın, yakıtla karıştırın, ateşleyin ve çarpın! Bir pistonu ittin . Ancak benzinli ve dizel motorlar döngüsel veya aralıklı yanmayı içerirken , jetler yakıt ve havanın karıştığı ve durmadan yandığı sürekli yanmayı gerektirir . Her iki durumda da, daha fazla kauçuk yakmak, daha fazla gaz içmek anlamına gelir ve bu, karışımı doğru bir şekilde elde etmek için daha fazla oksijen emmek anlamına gelir. Çorba haline getirilmiş arabalar bunu süper şarj cihazlarıyla yapar; jet motorlarında daha karmaşıktır [kaynak: Encyclopaedia Britannica ].

İlk operasyonel jet uçağı, II.Dünya Savaşı'nın sonlarına doğru, Brayton (veya Joule ) Döngüsüne dayanan basit ama ustaca bir tasarım olan turbojet motorları kullanarak savaşa odaklandı : Uçak uçarken, hava bir girişten bir difüzöre , bir odaya akar. hava akışını yavaşlatan ve şok dalgalarını engelleyen. Daha sonra bir dizi kanatlı diskten geçer: havayı geriye doğru iten dönen rotorlar ve sabit statorlarhava akışını yönlendiren. Birlikte, jetin yanma odalarında basıncı yükselten bir kompresör görevi görürler. Orada, yakıt basınçlı hava ile karışır ve ateşlenir, sıcaklıkları 1800-2800 F (980-1540 C) aralığında veya daha yüksek bir seviyeye çıkarır [kaynaklar: Encyclopaedia Britannica ; Krueger ; Spakovszky ].

Basınç sıcaklıkla artar, bu nedenle bu patlama, hızlı bir çıkış aramaktan başka yapacak hiçbir şey olmadan çok fazla kuvvet yaratır. Egzoz, arka nozuldan fışkırırken, uçağı hareket ettirmek için itme kuvveti oluşturur. Bu nozüle giderken, egzoz aynı zamanda rotorlara bir tork mili ile bağlanmış bir türbinden de fışkırır. Türbin dönerken öndeki kompresör kanatlarına enerji aktararak çevrimi tamamlar.

İle uçaklarda ise turboprop veya helikopterler ile turboşaft motorları, türbinler de dişli bir dizi üzerinden bir pervane ya da helikopter rotor güç aktarabilir.

Turbojetler çok fazla güç barındırır ancak düşük hızlarda mücadele eder. Sonuç olarak, 1960'larda ve 1970'lerde, düşük süpersonik uçaklar , çoğu özel jetin ve ticari uçağın hala kullandığı turbofanlara doğru yönelmeye başladı . Bir turbofan, motorların turduckenidir - esasen, daha büyük bir kaportaya sarılmış ve önünde büyük bir fan bulunan bir turbojettir. Fan daha fazla havayı çeker ve motor daha sonra iki akıma ayrılır: Bir miktar hava iç içe turbojet içinde hareket ederken, geri kalanı etrafındaki boş alandan akar. İki akış yeniden yönlendirildiğinde daha soğuk hava turbojetin egzozu ile karışır ve onu yavaşlatarak düşük hızlarda daha verimli olan daha büyük, daha yavaş bir itme akışı oluşturur [kaynaklar: Encyclopaedia Britannica ; Krueger ].

Bu arada, turbofanların ortaya çıktığı sıralarda, ramjet uçaklarıyla ilgili araştırmalar nihayet yoluna girdi. Uzun bir yol olmuştu.

Yakıcılar

Bazı türbojetler ve turbofanlar , türbini geçtikten sonra egzoz gazına yakıt enjekte ederek ve onu yeniden ateşleyerek daha fazla enerji üreten art yakıcılarla birleştirilmiştir . Yeniden ısıtma olarak da bilinen bu işlem verimsizdir ancak turbofan itkisini yüzde 50'ye kadar artırabilir [kaynaklar: Encyclopaedia Britannica ; Pratt & Whitney ]. Son yakıcılar, kalkış sırasında veya elverişsiz, düşük hızda veya düşük basınç koşullarında işe yarar. Concorde SST onları kalkışta da kullanmasına rağmen, çoğunlukla süpersonik savaş uçaklarında bulunurlar [kaynaklar: Encyclopaedia Britannica ; NASA ; Pratt & Whitney ].

Koşmadan önce yürümen gerektiğini kim söylediyse, Fransız René Lorin ile hiç tanışmamış. Pilotların hala yüceltilmiş ahşap uçurtmalarla uçtuğu 1913 gibi erken bir tarihte, koç basıncı itme olasılıklarını gördü. Tasarımın ses altı hızlardaki yararsızlığının farkında olarak, bunun yerine ramjet destekli bir uçan bomba tasarladı. Fransız ordusu ona el salladı. Başka bir ramjet öncüsü olan Macar mühendis Albert Fono, 1915'te benzer bir fikir peşinde koştu ve Avusturya-Macaristan Ordusu'ndan benzer bir resepsiyon aldı [kaynaklar: Gyorgy ; Heiser ve Pratt ; Wolko ].

Ramjet tasarımları dünya savaşları arasında kısa bir moda yaşadı. Sovyet mühendisleri roket tabanlı ramjetlerde erken adımlar attılar (bir sonraki bölüme bakın), ancak 1940'tan önce ilgi tükendi. Alman işgali, Fransız mühendis René Leduc'un ilk çalışmalarını kesintiye uğrattı, ancak ısrarı ve gizliliği 21 Nisan 1949'da Lorin -den ilham alan 010 modeli, ilk motorlu ramjet uçağını gerçekleştirdi. Bir Languedoc 161 uçağının üstüne taşındı, 12 dakika uçtu ve yarı güçte 450 mil / saate (724 km / sa) ulaştı [kaynaklar: Siddiqi ; Ward ; Wolko ; Yust ve diğerleri ].

Ve bir süreliğine buydu. Leduc'un başarısına rağmen, fon eksikliği 1957'de araştırmasına verilen resmi desteği sona erdirdi [kaynaklar: Siddiqi ; Ward; Wolko; Yust ve diğerleri]. Ramjet uygulaması olmayan bir icat gibi görünmeye başlamıştı. Bu arada, II.Dünya Savaşı , ilk nesil operasyonel turbojetleri başlattı: İngiliz Gloster Meteor, Alman Messerschmitt Me 262 ve Amerikan Lockheed F-80 Shooting Star [kaynaklar: Encyclopaedia Britannica ; Encyclopaedia Britannica ; Encyclopaedia Britannica ; USAF Ulusal Müzesi ; van Pelt ].

Savaş sona erdiğinde ve Soğuk Savaş kızıştıkça, turbojetlerin ve turbofanların ramjetlerden daha pratik ses altı ve düşük süpersonik çözümler sunduğu ortaya çıktı. Bundan sonra, ramjetlerdeki çoğu ABD ve Sovyet çalışmaları kıtalararası füzeler inşa etmeye odaklandı. 1950'de Amerikalı mühendis William H. Avery ve Johns Hopkins Üniversitesi Uygulamalı Fizik Laboratuvarı, ABD Donanması'nın ilk ramjet füzesi olan Talos'u üretti. Gelecek kuşaklar hibrid sokulması, rafine ve tasarım düzene olur ramrockets yüksek ses üstü hızı (Mach 3-5) [kaynaklar (aşağıdaki bölüme bakınız) elde etme yeteneğine: Hoffman ; Kossiakoff ; Ward ].

Hiller XHOE-1 Hornet helikopteri, önerilen Republic XF-103 bombardıman önleme aracı ve kısa ömürlü Lockheed D-21B insansız keşif uçağı gibi ilgi çekici tasarımlara rağmen ramjet uçağı, Lockheed SR-71 Blackbird'ün 1964'teki ilk çıkışına kadar zayıfladı . 1989'da emekli olana kadar en hızlı insanlı uçak olan Mach 3+ Blackbird, bazen turboramjet olarak da adlandırılan hibrit bir motor kullandı [kaynaklar: USAF Ulusal Müzesi ; Smithsonian ; Ward ].

Bir sonraki bölümde SR-71 ve diğer ramjet hibritlerine ve alt tiplerine dalacağız.

Rudi Ramjet?

II.Dünya Savaşı'nın sonunda Almanya, roket destekli ramjet, Fw 252 "Süper Lorin" ve ramjet ile çalışan Sänger-Bredt anti-mod bombardıman uçağı da dahil olmak üzere çok sayıda jet uçağı üzerinde araştırma yapmaya başladı. En ünlüsü, buharlı mancınıkla fırlatılan, nabız jeti güdümlü bir bomba olan V-1 Buzz Bomb'ı başarıyla inşa ettiler. Darbe jeti bir ramjet değildir, ancak basitlik ve minimum hareketli parça gibi ortak nitelikleri paylaşırlar [kaynaklar: Encyclopaedia Britannica ; Encyclopaedia Britannica ; Encyclopaedia Britannica ; USAF Ulusal Müzesi ; van Pelt ].

Eğer ramjetler bu kadar zahmetliyse, o zaman neden zahmet edelim? Mach 2.5+ ile üretilen basınç ve sıcaklıklarda, çoğu jet motoru son derece kullanışsız ve tamamen anlamsız hale geliyor. Bir iş yapabilseniz bile, bunu yapmak, bir fırıldakta fırıldak çalıştırmanın tehlikelerini Oahu'nun Kuzey Kıyısı'na bir dalga makinesini çekmenin anlamsızlığı ile birleştirir.

Ramjet'ler, diğer jetlerin temel prensiplerini alır ve bunları, tümü büyük hareketli parçalar olmaksızın 11'e kadar krank eder. Hava, bir ramjet difüzörüne süpersonik hızlarda girer ve ramjet basıncı oluşturmaya yardımcı olan şok dalgaları ile ona saldırır. Girişteki elmas şeklindeki bir merkez gövde, havayı daha da sıkıştırır ve yakıtla daha verimli bir şekilde karışması ve yanması için onu ses altı hızlara yavaşlatır. Yanma, sıvı yakıtın enjekte edildiği veya odanın kenarlarından katı yakıtın kesildiği dev bir art yakıcıya benzer bir açık odada meydana gelir [kaynaklar: Aşgriz ; Encyclopaedia Britannica ; SPG ; Ward ].

Ramjet'lerin hız sınırlamaları, kademeli olarak daha düşük hızlarda uçabilen ve süpersonik hızlara hızlanabilen hibrit motorlara ilham verdi. En ünlü örnek olan SR-71 Blackbird, uygun şekilde turboramjet adı verilen bir turbojet-ramjet hibrit kullandı . Bu tür motorlar, Mach 1'i geçene kadar art yakan bir turbojet gibi çalışır, ardından kanallar turbojeti atlar ve ram-basınçlı hava akışını art brülöre yönlendirerek motorun bir ramjet [kaynak: Ward ] gibi davranmasını sağlar .

Bu arada füze tasarımları, ramjetin kendisinin içine hareket ettirerek hızlandırıcıları kademeli olarak ortadan kaldırarak , entegre roket ramjetleri olarak da bilinen ramroetler yarattı . Roket hızlanması sırasında, tapalar ramjet'in girişini ve yakıt enjektörlerini geçici olarak kapatır. Roketler tükendikten ve ramjet hızlanmaya başladığında, bunlar fırlar ve boş roketler yanma odaları [kaynak: Ward ] görevi görür .

İleriye baktığımızda, Mach 5 hattını hipersonik hızlara geçmek muhtemelen scramjet'leri (süpersonik yanan ramjetler) gerektirecektir . Diğer ramjetlerden farklı olarak, scramjetlerin yanma odalarında havayı ses altı hızlara yavaşlatmalarına gerek yoktur. Basınçlı hava egzozdan dışarı fırlamadan önceki 0.001 saniye içinde ateşlemeyi ve genleşmeyi çekmek için, scramjetler tipik olarak yüksek bir özgül itkiye (itici gazın birim kütlesi başına momentumdaki değişim) sahip olan hidrojen yakıtı kullanır ve geniş bir yakıt aralığında ateşlenir / hava oranları ve yandığında büyük bir enerji patlaması yayar [kaynaklar: Bauer ; Encyclopaedia Britannica ; NASA ].

Scramjetler, geçtiğimiz birkaç on yıldan önce teorik kaldı ve çalışmalar çoğunlukla deneysel kaldı. Kasım 2004'te, NASA'nın sekiz yıllık 230 milyon dolarlık Hyper-X Programı, son uçuşunda Mach 9,6'ya ulaşan bir scramjet üretti. Bazı analistler, teknolojinin Mach 15-24'e ulaşabileceğine inanıyor, ancak hipersonik hızlarda hava yolculuğu, en hızlı süpersonik aracın bile karşılaştığı güçlerin aksine güçlerin üstesinden gelmek anlamına geliyor. Kısacası, New York'tan Los Angeles'a 12 dakika içinde gidip gelmeden önce daha gidecek çok yolumuz var [kaynaklar: Bauer ; DARPA ; Fletcher ; NASA ].

Yıldızlararası Ramjet

Roketle çalışan uzay yolculuğunun önündeki en büyük engel, hızlanma ve yakıt arasındaki üstel ilişkidir. Ne kadar hızlı giderseniz o kadar çok yakıta ihtiyacınız olur; Ne kadar çok yakıt taşırsanız, o kadar fazla kütle eklerseniz, üstesinden gelmek için o kadar fazla yakıt gerekir [kaynaklar: Uzun ; NASA ].

Bunu akılda tutarak, fizikçiler güneş yelkenlerinden fırlatılan nükleer bombaların patlamasına kadar her şeyi içeren başka çözümler önerdiler. 1960 yılında fizikçi Robert Bussard, uzayda yüklü parçacıkları elektromanyetik alan aracılığıyla toplayacak, onları birleştirecek, bir füzyon reaksiyonu oluşturacak ve enerjiyi tahrik için kullanacak yıldızlararası bir ramjet önerdi [kaynaklar: Long ; NASA ].

Yazarın Notu: Ramjets Nasıl Çalışır?

İlk icat edildiklerinde bir uygulama bulamayan büyük yeniliklerin hikayeleri beni sık sık büyülüyor. Örneğin bu makaleyi yazarken, bir zamanlar problem arayan bir çözüm olarak adlandırılan lazer bana defalarca hatırlatıldı.

Oh, birkaç on yıl ne fark eder.

Öte yandan, bazen garip icatlar milyonlar kazandırır . Diğer zamanlarda, öngörülemeyen uygulamalara dönüşen tek bir amaç için şeyler icat ederiz. Pek çok katkısı arasında Amerikan uzay programı fitilli mayoyu icat etti ve çocuk bezini sonsuza kadar değiştirdi . Günümüzde malzeme bilimcileri, henüz kullanım alanı bulamadığımız özellikleri keşfediyorlar. Şansla, Lorin'den daha iyi olacaklar.

İlgili Makaleler