Nadzvučni nabojnomlazni motor

Nadzvučni nabojnomlazni motor (engl. Scramjet) vrsta je nabojnomlaznog motora, u kome se sagorevanje odvija u nadzvučnom strujanju vazduha. Kao u nabojnomlaznog motoru, rad supersoničnog nabojnomlaznog motora se zasniva na velikoj brzini kretanja letelice – nosača za prinudu sabijanja vazduha, koji se uvodnikom uvodi u komoru za sagorevanje (otuda i naziv nabojnomlazni), ali za razliku, obični nabojnomlazni motor usporava vazduh na podzvučno strujanje ispred komore sagorevanja, dok je strujanje vazduha s nadzvučnim brzinama duž celog nadzvučnog nabojnomlaznog motora. Ovo obezbeđuje veliku efikasnost nadzvučnim nabojnomaznim motorima na izuzetno velikim hipersoničnim brzinama leta.

Pogon letelica

Za postizanje ove ravnoteže neophodan je sistem pogona, motor

Vrste

1. Vazduhoplovni motor 1.1 Motori sa unutrašnjim sagorevanjem: 1.1.1 Klipni motor 1.1.2 Linijski klipni motor 1.1.3 Radijalni klipni motor 1.1.4 Rotacioni klipni motor 1.1.5 V klipni motor 1.1.6 Bokser klipni motor 1.1.6 Vankelov motor 1.2 Pogon bez procesa sagorevanja: 1.2.1 Ljudski pogon aviona 1.2.2 Elektromotor 1.3 Reaktivni motori: 1.3.1 Mlazni motori: 1.3.1.1 Elisnomlazni motor 1.3.1.2 Turboelisni motor 1.3.1.3 Turbomlazni motor 1.3.1.4 Dvoprotočni turbomlazni motor 1.3.1.5 Pulsirajući mlazni motor 1.3.1.6 Nabojnomlazni motor 1.3.1.7 Nadzvučni nabojnomlazni motor 1.3.1.8 Motokompresorski reaktivni motor 1.3.2 Raketni motori 1.3.2.1 Raketni motor sa hemijskim gorivom 1.3.2.2 Jonski motor

Portal:Vazduhoplovstvo

Nadzvučni nabojnomlazni motor

Nadzvučni nabojnomlazni motor, sastoji se od tri osnovne komponente: konvergentnog usisnika, gde se ulazni vazduh sabija, komore sagorevanja, gde smeša vazduha i goriva sagoreva razvijajući toplotu i divergentne mlaznice, gde se vreli sagoreli gasovi ubrzavaju i povećava im se količina kretanja, što proizvodi potisak. Za razliku od tipičnog mlaznog motora, kao što je turbomlazni ili dvoprotočni, nadzvučni nabojnomazni motor ne koristi pokretne delove za sabijanje vazduha, već dinamički pritisak usled brzine letelice, koja se kreće velikom brzinom kroz atmosferu. Klasični turbomlazni motor zahteva ulazne lopatice, višestepene obrtne diskove kompresora i višestepene turbinska obrtna kola i diskoveve, od kojih svi dodaju težinu, kompleksnost i veći broj otkaza na motoru.

Zbog karakteristika projekta, upotreba nadzvučnog nabojnomlaznog motora je ograničena na brzinama bliskim hipersoničnim. Kako nema mehanički kompresor, ovaj motor zahteva veliku kinetičku energiju protoka vazduha kroz usisnik u kome se sabija. Tako, kada nadzvučni nabojnomlazni motor pogoni letelicu, početno mora biti ubrzano do željene brzine (obično oko M = 4) sa nekim drugim pogonskim sredstvom, kao što su turbomlazni, ili raketni motor. Tako je eksperimentalni nadzvučni nabojnomlazni motor pogonio avion Boing X-51A, koji je popeo na nadmorsku visinu leta avion Boing B-52 stratofortres, pre nego što je pušten i ubrzan odvojivom raketom na blizu M = 4,5. U maju 2013. godine, na drugom letu je ostvarena brzina adekvatna Mahovom broju većem od M = 5,1.

Dok je nadzvučni nabojnomlazni motor konceptualno jednostavan, stvarna njegova primena je ograničena ekstremnim tehničkim izazovima. Hipersonični let u atmosferi stvara ogromni otpor, a zagrevanje strukture letelice i motora je mnogo veliko u odnosu na okolni vazduh. Održavanje sagorevanja u nadzvučnom strujanju predstavlja dodatan izazov, kao i problem ubrizgavanja gorivo u tim uslovima, paljenje i sagorevanje mešavine u trajanju milisekuni. Dok je tehnologija nadzvučnih nabojnomlaznih motora u razvoju još od pedesetih godina 20. veka, tek je nedavno, u martu 2004. godine, prvi put uspešno ostvaren hipersonični let.

Istorija

Tokom Drugog svetskog rata, ogromno vreme i trud su utrošeni u istraživanje postizanje velikih brzina sa mlaznim - raketnim pogonom aviona, pretežno od strane Nemaca. Posle rata, SAD i Velika Britanija su preuzeli nekoliko nemačkih naučnika i rezultata u istraživanju vojnih tehnologija kroz Operaciju spajalica, u cilju stavljanja većeg naglaska na sopstveni razvoj naoružanja, uključujući i mlaznih motora. Bel X-1 je postigao nadzvučne brzine u letu u 1947. godine, a do ranih šezdesetih godina prošlog veka, brz napredak u povećanju brzina aviona je nametnuo ideju da bi budući operativni avioni mogli leteti i na hipersoničnim brzinama, u roku od nekoliko godina. Osim specijalizovanog raketnog istraživanja letelica, poput Nord Amerikan X-15 i drugih svemirskih letelica sa raketnim pogonom, postizani su rekordi u brzini aviona, uglavnom u opsegu M = od 1 do 3.

Tokom pedesetih i šezdesetih godina prošlog veka, eksperimentalni nadzvučni nabojnomlazni motori su integrisani u letelice i ispitivani u Americi i Velikoj Britaniji. U 1964. godini, dr Frederik S. Bilig i dr Gordon L Duger prijavili su patent za proces sagorevanja nadzvučnog nabojnomlaznig motora, na osnovu čega je Bilig odbranio i doktorsku tezu. Ovaj patent objavljen je u 1981. godine, nakon ukidanja uredbe o tajnosti.

U 1981. godini vršena su ispitivanja u Australiji pod vođstvom profesora Rej Stalker.

Prvo uspešno ispitivanje u letu sa pogonom nadzvučnim nabojnomlaznim motorom izvršeli su Rusi u 1991. godini. Letelica je bila osnosimmetrična, gorivo vodonik – pogonjena udvojenim – oblikom pogonom rada nadzvučnog nabojnomlaznog motora razvijenog od strane Centralnog instituta za vazduhoplovne motore (CIAM), u Moskvi u kasnim sedamdesetim godinama prošlog veka. Nadzvučni nabojnomlazni motor je ispitivan u letu kao pogon rakete zemlja -vazduh SA - 5, poznato kao Hipersonična leteća laboratori. Zatim od 1992. do 1998. godine, realizovano je dodatnih 6 letova u funkciji ispitivanja pogona rakete nadzvučnim nabojnomlaznim motorom, na velikim brzinama, zajedno sa Francuskom, a zatim sa NASA. Postignuta je maksimalna brzina leta veća od M = 6,4, postignut je nadzvučnim nabojnomlaznim motorom u toku 77 sekundi. Ova letna ispitivanja obezbeđuju uvid u autonomnim problemima letenja hipersoničnih brzinama.

Leteća laboratorija GLL-AP na MAKS-2009, sa nadzvučnim nabojnomlaznim motorom.

Napredak posle 2000.

Posle 2000. godine, ostvaren je značajan napredak u razvoju tehnologije u oblasti nadzvučnog nabojnomlaznog motora.

Američka finansijska ulaganja u istraživanje i razvoj, verovatno su najveća. Istraživačko razvojni tim Hiper-X tvrdi da prvi let X-43A sa pogonom nadzvučnog nabojnomlaznog motora sa punim aerodinamičkim komandnim površinama letelice u 2004. godini, otvara novo poglavlje. Međutim, prvi deo ispitivanja ima namenu dokaza rada nadzvučnog nabojnomlaznog motora u atmosferi, kao zajednički britanski i australijski projekat.

Projekat Hišot se odnosi na nadzvučno nabojnomlazni motor, koji je demonstriran 30. jula 2002. godine. Radio je efikasno i pokazao nadzvučno sagorevanje u letu. Međutim, on nije projektovan da se operativno koristi za pogon letelica. Projektovan je više ili manje kao demonstrator dotične tehnologije.

Američki vojni naučni cenar (engl. Defense Advanced Research Project Agency, DARPA) 15. juna 2007. godine je, u saradnji sa australijskom institucijom za nauku i tehnologiju (DSTO), najavio uspešan let na M = 10, nadzvučnim nabojnomlaznim motorom, sa pomoćnim raketnim motorom za povećalje brzine eksperimentalne letelice na hipersonične brzine.

Umetničko viđenje koncepcije NASA X-43. Sa donje strane je postavljen nadzvučni nabojnomlazni motor.

Serija ispitivanja nadzvučnih nabojnomlaznih motora su završeni u NASA - grejanje pri radu na simuliranim uslovima leta na brzinama kojima odgovara M = 8. Ovi eksperimenti su korišćeni da podrže program HIFiRE Let 2.

Održan je prvi uspešan probni let, 22. maja 2009. godine, nekog vazduhoplova u okviru HIFiRE. Lansiranje je bilo jedno od 10 planiranih probnih letova. Ta ispitivanja su deo zajedničkog istraživačkog programa između nauke i tehnologije organizacije odbrane i američkom vazduhoplovstva, označenog kao Hipersonični međunarodni istraživački letovi eksperimentisanja (HIFiRE). HIFiRE istražuje hipersoničnu tehnologiju (studija je za brzine leta preko pet puta veće od brzine zvuka) i primenu rezultata na naprednim nadzvučnim nabojnomlaznim motorima, za pogon svemirskih letelica - cilj je da se podrži novi Boing X-51, demonstraior nadzvučnog nabojnomlaznog motora, a takođe da se izgradi jaka baza podataka letnih ispitivanja za brzu - reakciju za razvoj hipersoničnog udarnog oružja.

Australijski i američki naučnici odbrane uspešno su ispitali hipersoničnu raketu (HIFiRE), 22. i 23. marta 2010. godine. Ista je dostigla brzinu u atmosferi preko 5.000 km na sat, posle lansiranja u Južnoj Australiji.

Posle 2000. godine, ostvaren je značajan napredak u razvoju tehnologije u oblasti nadzvučnog nabojnomlaznog motora.

NASA je uspešno realizovala let aviona Boing X-51A, 27. maja 2010. godine, kada je za oko 200 sekundi postignut M = 5, postavljajući novi svetski rekord hipersinične brzine leta aviona. Boing X-51A je izgubio kontrolu leteo je samostalno, izgubio je ubrzanje iz nepoznatog razloga i uništen je po planu. Probni let je proglašen uspešnim. X-51A je lansiran sa aviona Boing B-52, ubrzan na M = 4,5, pomoću raketnog motora na čvrsto gorivo, a zatim je uključen nadzvučni nabojnomlazni motor Pratt & Vitnej Rokedajn da bi postigao M = 5, na visini od 70.000 metara. Međutim, drugi let 13. jun 2011. godine, se prerano završio rad motora, nije se uspelo njegovo preključenje na osnovno gorivo JP7, te nije mogao postići punu snagu.

Australijski naučnici su uspešno dokazali, 16. novembra 2010. godine, da pri protoku velikom nadzvučnom brzinom ne može prirodno da se upali smeša i da gori u nadzvučnom nabojnomlaznom motoru, već se ista može potpaliti pomoću impulsnog laserskog izvora.

Ispitivanje u letu Boing X-51A nije uspelo 15. avgusta 2012. godine. Pokušaj da leti, pogonjen nadzvučnim nabojnomlaznim motorom, na platformi aviona Boing B-52, duže vreme na M = 6 prekinut je, kada je samo posle 15 sekundi od početka leta bespilotna letelica Boing X-51A izgubila kontrolu i razbila se, srušila se u Tihi okean severu - zapadno od Los Anđelesa. Uzrok neuspeha je pripisan neispravnosti komandnog peraja.

U maju 2013. godine je bespilotna letelica Boing X-51A postigla brzinu od 4.828 km/h (M = 5,1), u toku leta u trajanju od tri minuta, pogonjenom nadzvučnim nabojnomlaznim motorom. X-51A je odvojena od aviona Boing B-52 na visini od 50.000 metara, a zatim ubrzana do M = 4.8 raketnim motorom na čvrsto gorivo, koji se zatim odvojio, pre nego što je uključen nadzvučni nabojnomlazni motor.

Američki satelit, za nadzor, primetio je hipersonični leteći objekat, pri brzini M = od 5 do 10 na oko 100 km visine, 9. januara 2014. godine. Posle kineskog saopštenja preliminarno je označen ovaj objekat sa WU-14. U prvoj fazi ova bespilotna letelica je postigla operativnu visinu i brzinu vojnog projektila dugog dometa.

Lokid Martin SR-72 je bespilotni, hipersoničan avion, namenjen za obaveštajne zadatke, nadzor i izviđanje, a predlaže ga Lokid Martin da nasledi SR-71 blekbird. Po činjenicama da je bespilotni, neuočljiv i da leti u domenu hipersoničnih brzina, može se smatrati da predstavlja uvod u borbene avione 6. generacije.

Lokid Martin smatra da je njihov predlog aviona 6. generacije, baziran na izuzetno velikoj brzini, efikasniji da prodre u branjeni vazdušni prostor protivnika od aviona 5. generacije, koji se prvenstveno zasniva na neuočljivosti i efikasniji je od primene bespilotnih letelica. Razvoj aviona SR-72 je potvrđen 1. novembra 2013. godine, a nepotvrđene informacije o tome programu datiraju još od 2007, kada je obelodanjeno od izvora iz Lokid Martina da se razvija avion koji leti sa brzinom koja odgovara M = 6.

SR-72 koristi za pogon motore, turbomlazni i nadzvučni nabojnomlazni, po principu kombinovanovanog ciklusa, turbomlazni radi na malim brzinama, a na supersoničnim i hipersoničnim nadzvučni nabojnomlazni. Na ovaj način je kontinualno obezbeđen pogon od nulte do velikih hipersoničnih brzina aviona. U ovoj kombinacija motora se koristi zajednički usisnik i izduvna cev, za turbinsku i nabojno mlaznu funkciju, zbog smanjenja otpora i povećanja racionalnosti, stim što su im zasebni kanali protoka vazduha (centralni delovi jezgra).

Sekcije kompresije, sagorevanja i ekspanzije za: (a) Turbomlazni motor; (b) Nabojnomlazni motor i (v) Nadzvučni nabojnomlazni motor.

Projekat

Nadzvučni nabojnomlazni motor je tip mlaznog motora, zasniva se na sagorevanju goriva i kiseonika, u funkciji „proizvodnje“ potiska. Slično konvencionalnom mlaznoh motoru, nadzvučni nabojnomlazni motor pogoni letelicu, koja nose gorivo u rezervoarima, a dobija kiseonik iz atmosferskog vazduha (rakete nose gorivo i oksidaciono sredstvo). Ovaj zahtev ograničava nadzvučni nabojnomlazni motor da može biti pogon letelici samo atmosferi, gde je sadržaj kiseonika u vazduhu dovoljan da održi sagorevanje.

Osnova principa

Nadzvučni nabojnomlazni motor je projektovan da radi pri hipersoničnim brzinama letelice, izvan mogućnosti turbomlaznih motora. Zajedno sa nabojnomlaznim motorom popunjava jaz između visoke efikasnosti turbomlaznih i visoke raketnih motora za velike brzine. Turbomlazni motor je vrlo efikasan pri podzvučnim brzinama, smanjene su efikasnosti u krozvučnoj i nazvučnoj oblasti brzina, lopatice kompresora i turbine ograničavaju turbomlazne motore da strujanje vazduha i smeše kroz njih mora biti podzvučno. Dok u tim uslovima protok na niskih krozvučnim i nadzvučnim brzinama može biti usporen, a to na nadzvučnim brzinama dovodi do ogromnog povećanja temperature i gubitka ukupnog pritiska protoka. Na M = 3-4, turbomlazni motor nije više koristan, a kompresija u stilu prinudnog sabijanja postaje smo poželjan metod.

Nabojnomlazni motor koristi karakteristike velike - brzine vazduha, bukvalno sabija vazduh kroz usisnik u komoru sagorevanja. Na transoničnim i supersoničnim brzinama leta, vazduh u suprotnom smeru od leta nije u stanju da se kreće kroz kanal usisnika, a sabija se u usisniku pre difuznog dela isped komore. Sagorevanje u nabojnomlaznom motoru se odvija pri podzvučnoj brzini smeše, kao kod turbomlazno motora, ali se produkti sagorevanja zatim ubrzavaju kroz konvergentno - divergentnu mlaznicu, na nadzvučne brzine. Pošto nema mehanička sredstva za realizaciju kompresije, nabojnomlazni motor ne može da počne rad iz stanja mirovanja, dok ne postigne dovoljnu kompresiju sa dinamičkim pritiskom nadzvučnog leta. Nedostatak komplikovanog turbomlaznog motora omogućava nabojnomlaznom da se nosi sa porastom temperature i usporavanjem nadzvučnog protoka do podzvučnih brzina, ali to se dešava u blizini - hipersoničnih brzina leta, tada poraste temperatura i neefikasnost, što usporava protok na nivo odgovarajući nabojnomlaznom motoru.

Nadzvučni nabojnomlazni motor radi na istim principima kao nabojnomlazni, ali ne usporava protok gasova na podzvučne brzine. Umesto toga, kod nadzvučnog nabojnomlaznog motora je sagorevanje smeše pri nadzvučnom strujanju: vazduh ulazeći u usisnik se usporava na nešto niži Mahov broj za sagorevanje, nakon čega se ekspanzijom ubrzava na još viši Mahov broj kroz mlaznicu. Ograničavanjem količine usporavanja, temperature unutar motora se podešavaju na prihvatljivom nivou, zavisno od izdržljivosti materijala i zahteva za kvalitetno sagorevanje. Čak i pri tome, tehnološki uslovi u nadzvučnom nabojnomlaznom motoru zahtevaju upotrebu visoko-energetskih goriva i aktivne principe hlađenja da bi se obezbedio stabilan rad.

Teoretska osnova

Nadzvučni nabojnomlazni motor usisava dolazeći vazduh pod dovoljnim ukupnim pritiskom za svoj rad, ima brizgaljke goriva, komoru za sagorevanje i divergentnu ekspanzionu mlaznicu. Motor može imati stabilizator plamena, iako ustaljene visoke temperature to sistemski obezbeđuju, ali usporavaju protok, fokusirajući gustinu talasa dovoljno visoko za samoodrživo sagorevanje.

Ostali mlazni motori koriste piroforne aditive goriva, kao što su silicijumova jedinjenja, da bi se prevazišli ti problemi. Često se koristi izolator između uvođenja vazduha i komore za sagorevanje da bi se produžilo vreme rada motora.

Kod nadzvučnog nabojnomlaznog motora, kinetička energija usisanog vazduha je velika u poređenju sa oslobođenom energijom sagorevanja smeše goriva i vazduha. Na brzini M = 25, doprinos toplote oslobođene sagorevanjem je oko 10% od entalpije protoka fluida. Bez obzira na gorivo, kinetička energija vazduha i teorijski korisne toplotne energije iz sagorevanja smeše biće međusobno jednake na brzini koja odgovara Mahovom broju od oko 8.

Računarsko modelerinja hipersoničnog strujanja fluida oko letelice NASA X-43A, pogonjene nadzvučnim nabojnomlaznim motorom, ugrađenim sa donje strane.

Dakle, projekat supersoničnog nabojnomlaznog motora prvenstveno teži cilju smanjenja otpora i povećavanja potiska. Velike brzine otežavaju kontrolu protoka unutar komore za sagorevanje. Usisani vazduh struji nadzvučnom brzinom, bez nogućnosti povratnog kretanja - odlazi u komoru i učestvuje u procesu sagorevanja. Nije moguće podešavati potisak promenom ulaznog preseka u komoru sagorevanja, nekim od načina prigušenja. Štaviše, sva količina mešavine prolazi nadzvučnom brzinom kroz komoru sagorevanja smeše, koja se meša minimalnim međusobnim trenjem (vazduh sa gorivom), raspoloživo je dovoljno vreme (iako je veoma kratko) za sagorevanje, a kasnije i za ekspanziju u mlaznici i generisanju potiska. Ovo nameće jako ograničenje na pritisak i temperaturu toka i zahteva efikasno ubrizgavanje i mešanje goriva. Operativni pritisci su u opsegu od 0.2-2 bara, pri čemu je:

Dinamički pritisak:

$\ q={\frac {\rho \cdot v^{2}}{2}}\quad \longmapsto \quad$

Gde su: $\rho \,$ – gustina vazduha $\ v\,$ – brzina

Da bi brzina sagorevanja bila konstantna, pritisak i temperatura u motoru takođe moraju biti konstantni. To je problematično, jer upravljanje protokom fluida koji ovo olakšava fizički nije moguće u nadzvučnom nabojnomlaznom motoru lansirane letelice, zbog njene velike brzine i nadmorske visine leta, što znači da se ista mora dopremiti na visinu koja odgovara njegovoj brzini. Jer se gustina vazduha smanjuje sa visinom, nadzvučni nabojnomlazni motor se mora s letelicom popeti na određenu visinu, letelica se ubrzava da bi se održao konstantan pritisak usisanog vazduha. Ovaj optimalni profil penjanja / poniranja, zove se putanja konstantnog dinamičkog pritiska. Smatra se da je nadzvučni nabojnomlazni motor operativan do visine od 75 km.

Ubrizgavanje goriva i upravljanje je takođe potencijalna oblast za delovanje. Jedna mogućnost bi bila da se gorivo pod pritiskom do 100 bara ubacuje turbo pumpom, zagrejano kroz trup i poslato od turbine komresora turbomlaznog motora, ubrzava vazduh na veće brzine nego što je u mlaznici. Vazduh i gorivo struje u obliku češlja, što generiše struktura, koja je značajan prenosnik. Turbulencija zbog veće brzine goriva dovodi do dodatnih mešanja. Kompleksno gorivo, kao što je kerozin, zahteva vremenski duže trajanje sagorevanja u motoru.

Minimalni Mahov broj, na kome mogu da rade nadzvučni nabojnomlazni motori, ograničen je činjenicom da komprimovani protok smeše mora biti dovoljno topao da se zapali gorivo, a da ujedno ima dovoljno visok pritisak da reakcija bude završena pre nego što napušta motor. Pored toga, u cilju da se je stvarno nadzvučni nabojnomlazni motor, komprimovani protok fluida mora i dalje biti nadzvučne brzine i posle sagorevanja. Ova dva ograničenja se moraju poštovati: Prvo, od početka usporavanja komprimovanog nadzvučnog toka, nivo kompresije mora biti dovoljno mali a početna brzina dovoljno velika, da nikako ne uspori gas ispod M = 1. Ako gas, u okviru nadzvučnog nabojnomlaznog motora, struji ispod M = 1 motor će se gušiti, prelaskom na podzvučno strujanje smeše u komori sagorevanja. Ovaj efekat je poznat među eksperimentatorima nadzvučnih nabojnomlaznih motora, jer su talasi izazvani gušenjem lako uočljiti. Pored toga, nagli porast pritiska i temperature u motoru može da dovede do ubrzanja sagorevanja, što dovodi do eksplozije komore sagorevanja. Drugo, grejanje sagorevanjem gasa dovodi do pojave brzine zvuka u njemu, pa se smanjuje realni Mahov broj, iako gas i dalje putuje istom brzinom, ali mu se menja fizikalnost. Povećanje brzine strujanja vazduha u komori za sagorevanje pri uslovima M = 1, naziva se toplotno gušenje. Jasno je, da nadzvučni nabojnomlazni motori mogu čisto da rade na brzinama koje odgovaraju M = 6-8, ali u donjoj granici, to zavisi od definicije nadzvučniih nabojnomlaznih motora. Svakako postoje projekti gde se nabojnomlazni pretvara u nadzvučni nabojnomlazni motor, iznad opsega M = 3-6 (dvostruki-mod nadzvučnog nabojnomlaznog motora). Međutim, u tome opsegu brzina, motor i dalje stvara značajan potisak od podzvučnog sagorevanja nabojnomlaznog tipa.

Eksperimentalni segment istraživanja i numeričke metode modeliranja procesa nadzvučnog nabojnomlaznog motora su još uvek nedovoljno razvijeni. Objekti za eksperimentalno istraživanje su veoma kompleksni i skupi.

Veći broj programa istraživanja i razvoja nadzvučnih nabojnomlaznih motora, a posebno domen eksperimentisanja, ostaje poverljiv. Nekoliko grupa, uključujući američku mornaricu, u periodu između 1968. i 1974. godine, kao i program Hiper-X sa i X-43A, tvrde da su uspešno demonstrirali tehnologiju nadzvučnih nabojnomlaznih motora. Pošto ovi rezultati nisu otvoreno objavljeni, oni ostaju neprovereni i konačan metod projektovanja nadzvučnih nabojnomlaznih motora još ne postoji.

Primena nadzvučnih nabojnomlaznih motora verovatno će biti u kombinaciji sa motorima koji mogu da rade van njihovog radnog opsega i da tako popune tu prazninu gde je neophodno podzvučno strujanje mešavine kroz motor i sagorevanje. Ti pomoćni motori će verovatno biti raketni (busteri) ili turbomlazni. Kombinacija pogona, u ova dva dosta razdvojena opsega brzina letelica, biće obezbeđena sa različitim tipovima i principa rada mlaznih motora, tako da će biti dosegnuta oblast hipersoničnih brzina, na kojima će se duže koristiti nadzvučni nabojnomlazni motor.

Prednosti i nedostaci nadzvučnog nabojnomaznog motora

Prednosti

• Ne mora da nosi kiseonik.
• Nema pokretnih delova i jednostavna je proizvodnja.
• Ima veći specifični impuls (specifični impuls $I_{sp}$ predstavlja dužinu vremena trajanja jednog kilograma mase goriva, za potisak od jednog Njutna) od konvencionalnog motora, može da obezbedi između 1.000 i 4.000 sekundi, dok raketni poseduje do 600 sekundi (vidi sliku ispod).
• Veća brzina, koju obezbeđuje, može da znači u budućnosti i jeftiniji pristup svemiru.

Specijalno hlađenje i materijali

Za razliku od konvencionalnih raketnih motora da brzo i leti skoro vertikalno kroz atmosferu, ili turbomlaznih ili nabojnomlaznih da lete sa mnogo manjim brzinama, hipersonične letelice optimalno lete depresivnom putanjom, to jest mora da prati putanju koja obezbeđuje zahtevani režim nadzvučnog nabojnomlaznog motora, ostaje u atmosferi na hipersoničnim brzinama. Letelica sa nadzvučnim nabojnomlaznim motorom ima najbolji potisak na osrednjem težinskom odnosu uređaja, tako da njegovo ubrzanje je malo u poređenju sa raketnim motorom. Stoga je vreme ostajanja u atmosferi na nadzvučnoj brzini značajno, pretpostavlja se 15-30 minuta. Po analogiji sa termičkom zaštitom za aerodinamičko kočenje Spejs šatla, tokom ponovnog ulaska u atmosferu, termička zaštita takve letelice mora takođe biti značajna. Vreme provedeno u atmosferi će biti duže nego za tipične svemirske kapsule, ali kraće od Spejs šatla.

Novi materijali nude dobru izolaciju na visokoj temperaturi, ali oni se često žrtvuju u procesu. Zato se studijama često planira aktivno hlađenje, gde rashladna tečnost cirkuliše kroz oplatu letelice i sprečava raspadanje strukture. Često je rashladna tečnost samo gorivo, na isti način na koji moderne rakete koriste svoje gorivo i oksidanse kao rashladno sredstvo za njihove motore. Svi sistemi hlađenja su dodatna težina i složenost. Hlađenje nadzvučnog nabojnomlaznog motora, na ovaj način, može da dovede do veće efikasnosti. Toplota se prenosi na gorivo pre ulaska u proces motora, te zbog većih gubitaka u performansama mogu da prevagnu povećana složenost i težina.

Performanse letelice

Specifični impuls mlaznih motora

Performanse lansiranja sistema je složen problem i u velikoj meri zavisi od njegove težine. Normalno letelice su projektovane kako bi se povećao dolet, poluprečnik orbite ($R$), ili udeo korisnog tereta ($\Gamma$), za dati motor i gorivo. To dovodi do kompromisa između efikasnosti motora (poletne težine sa gorivom) i složenosti motora (poletne suve težine), koji se može matematički prikazati.

Jednačina:

${\prod }_{e}+{\prod }_{f}+{\frac {1}{\Gamma }}=1\quad \longmapsto \quad$

Gde su: ${\prod }_{e}={\frac {m_{prazan}}{m_{poletna}}}$ – odnos mase prazne i pune letelice. ${\prod }_{f}={\frac {m_{goriva}}{m_{poletna}}}$ – odnos mase goriva i ukupne pune letelice. $\Gamma ={\frac {m_{poletna}}{m_{korisna}}}$ – odnos mase pune letelice i korisnog tereta.

Nadzvučnom nabojnomlaznom motoru se povećava masa ${\prod }_{e}$, u poređenju sa raketnim, ali se smanjuje masa goriva${\prod }_{f}$. To može biti teško za odluku koje rešenje će dati povećanje korisne nosivosti $\Gamma$, od mesta lansiranja do odredišta. Logika je za izbor primene nadzvučnog nabojnomlaznog motora je da smanjenje goriva smanjuje ukupnu masu za 30% (kao primer), dok se povećana težina motora doprinosi povećanju ukupne mase letelice za 10%. Nažalost, neizvesnost je u tome proračunu bilo kakve analize uštede na masi ili promeni efikasnosti letelice toliko velika da neznatno različite pretpostavke mogu da obezbede jednako dobre argumente za ili protiv izbora nadzvučnog nabojnomlaznog motora za pogon letelice.

Pored toga, aerodinamički otpor nove konfiguracije mora se uzimati u analizu i proračun. Otpor ukupne konfiguracije se može smatrati kao zbir otpora svih doprinosa na letelici $\ R_{x}$. Porast otpora usled te integracije ($\Delta \ {R_{x}}$) je doprinos od nosača i spregnutog protoka i aerodinamičke inteferencije motora – letelica, a funkcija je podešavanja režima rada motora.

Matematički prikazano:

$\Delta \ {R_{x}}=\phi _{e}\cdot \ F\quad \longmapsto \quad$

Gde su: $\Delta \ {R_{x}}$ – prirast otpora od integracije $\phi _{e}$ – koeficijent gubitaka $\ F$ – potisak motora bez gubitaka

Za optimalno integrisan motor u aerodinamičko telo, u principu može biti pad otpora ($\Delta \ {R_{x}}$) , u odnosu na otpor bazne konfiguracije.

Ukupna efikasnost motora $\eta _{0}$, može se bodovati kao vrednost između 0 i 1, u kontekstu specifičnog impulsa motora.

Energetska efikasnost:

$\eta _{0}={\frac {\ g_{0}\cdot \ V_{0}}{\ h_{PR}}}\cdot \ I_{sp}={\frac {\ snaga\,\ od\,\ potiska\,}{\ hemijska\,\ energija\,}}\quad \longmapsto \quad$

Gde su: $\ g_{0}$ – gravitacija na površini zemlje $\ V_{0}$ – brzina letelice $\ I_{sp}$ – specifični impuls $\ h_{PR}$ – toplota od sagorevanja

Specifični impuls se često koristi kao jedinica efikasnosti za rakete. Kod rakete, postoji direktna veza između specifičnog impulsa, specifične potrošnje goriva i brzine izduvnih gasova. Ova direktna veza nije generalno prisutna kod motora koji usisavaju vazduh, pa se takav pojam impulsa manje koristi u literaturi. Treba imati na umu da su kod motora koji usisavaju vazduh $\eta _{0}$ i $\ I_{sp}$ u funkciji brzine leta (dinamičkog pritiska).

Specifični impuls raketnog motora je nezavisan od brzine, i zajedničke vrednosti su između 200 i 600 s (450 s, za glavne motore Šatla). Specifični impuls za nadzvučni nabojnomlazni motor varira sa brzinom, smanjuje se pri većim brzinama, početni je u oko 1.200 s, iako se vrednosti u literaturi međusobno razlikuju.

Za jednostavan slučaj, jedno stepene letelice, može se izraziti preko mase delova goriva:

$\Pi _{f}=1-\exp \left[-{\frac {\left({\frac {V_{poletna}^{2}}{2}}-{\frac {V_{i}^{2}}{2}}\right)+\int {g}\,dr}{\eta _{0}\cdot \,h_{PR}\cdot \left(1-{\frac {\ {R_{x}}+\Delta \ {R_{x}}}{F}}\right)}}\right]\quad \longmapsto \quad \Pi _{f}=1-\exp \left[-{\frac {g_{0}\cdot \,r_{0}\cdot \,\left(1-{\frac {1}{2}}{\frac {r_{0}}{r}}\right)}{\eta _{0}\cdot \,h_{PR}\cdot \,\left(1-{\frac {\ {R_{x}}\,+\Delta \ {R_{x}}\,}{F}}\right)}}\right]\quad \longmapsto \quad$

$\Pi _{f}=1-\exp \left[-{\frac {g_{0}\cdot \,R}{\eta _{0}\cdot \,h_{PR}\cdot \,\left(1-\phi _{e}\cdot \,\right)\cdot \,{\frac {C_{z}}{C_{x}}}}}\right]\longmapsto$

sažeto:

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

Gde su: $\ B={\frac {g_{0}}{\eta _{0}\cdot \,h_{PR}\cdot \,\left(1-\phi _{e}\right)\cdot \,{\frac {C_{L}}{C_{D}}}}}$ $\ C_{z}\,$ – koeficijent uzgona $\ C_{x}\,$ – koeficijent otpora

Ova izuzetno jednostavna formula, koristi se za potrebe diskusije i pretpostavlja:

• letelicu jednog stepena i
• da ista nema aerodinamički uzgon za uspon kroz atmosferu.

Međutim, ne uslovljava vrstu pogona, već generalno važi za sve vrste motora.

Početni zahtevi pogona

Nadzvučni nabojnomlazni motor ne može da proizvede efikasan potisak ako nije na velikoj brzini leta, potrebna je brzina oko 5 puta veća od brzine zvuka (M ~ 5), mada u zavisnosti od projekta može i na manjoj. Horizontalno poletanje aviona će se morati odvijati dvoprotočnim turbomlaznim motorom ili raketnim koji se posle upotrebe odbacuje, dovoljno velikim za postizanje zahtevane brzine. Takođe, potrebno je gorivo za te motore, plus povezivanje tih motora strukturom i sistema upravljanja s njima. Dvoprotočni turbomlazni motori su teški i ne mogu lako da pređu granicu od oko M = 2-3, pa je još jedan način pogona neophodan za postizanje operativne brzine nadzvučnog nabojnomlaznog motora. To bi mogao biti nabojnomlazni ili raketni. Oni će takođe morati imati svoj poseban dovod goriva, strukturu i sisteme. Mnogi predlozi za prvu fazu pogona su na raspolaganju, među kojima su dosta izgledni raketni motori na čvrsto gorivo, što u velikoj meri pojednostavljuje projekat.

Ispitvanje nadzvučnog nabojnomlaznog motora Prat & Vhitnej SJY61, koji pogoni letlicu Boing X-51.

Problemi ispitivanja

Za razliku od mlaznih ili raketnih motora, koji mogu biti ispitani na terenu, razvojna i verifikaciona ispitivanja nadzvučnih nabojnomlaznih motora zahtevaju izuzetno skupe objekte (komore), ili skupe letelice koje se lansiraju. Oba rešenja iziskuju visoke troškove opremanja. Ispitivanja, za koja se koriste ispitne letelice, po pravilu se završavaju destrukcijom celog sklopa opitnog motora, opreme i letelice.

Vidi još

• Nabojnomlazni motor
• Mlazni motor
• Turbomlazni motor
• Pulsirajući mlazni motor
• Raketni motor
• Hamfrijev ciklus