Ein Scramjet (Überschallverbrennen-Staustrahltriebwerk) ist eine Variante eines Staustrahltriebwerks airbreathing Düsenantrieb, in dem Verbrennen im Überschallluftstrom stattfindet. Als in Staustrahltriebwerken verlässt sich ein Scramjet auf die hohe Fahrzeuggeschwindigkeit, um die eingehende Luft vor dem Verbrennen (folglich Staustrahltriebwerk) kräftig zusammenzupressen und zu verlangsamen, aber wohingegen ein Staustrahltriebwerk die Luft zu Unterschallgeschwindigkeiten verlangsamt, bevor Verbrennen, der Luftstrom in einem Scramjet überall im kompletten Motor Überschall-ist. Das erlaubt dem Scramjet, mit äußerst hohen Geschwindigkeiten effizient zu funktionieren: Theoretische Vorsprünge legen die Spitzengeschwindigkeit eines Scramjets zwischen und. Das schnellste luftatmende Flugzeug ist ein ABHAUEN Strahldesign, die NASA X-43A, der Mach 9.8 erreicht hat. Zum Vergleich hat das zweite schnellste luftatmende Flugzeug, die besetzte SR-71 Amsel, eine Dauergeschwindigkeit dessen.

Der Scramjet wird aus drei grundlegenden Bestandteilen zusammengesetzt: Eine konvergierende kleine Bucht, wo eingehende Luft zusammengepresst und verlangsamt wird; ein combustor, wo gasartiger Brennstoff mit atmosphärischem Sauerstoff verbrannt wird, um Hitze zu erzeugen; und eine abweichende Schnauze, wo die erhitzte Luft beschleunigt wird, um Stoß zu erzeugen. Verschieden von einem typischen Düsenantrieb, wie ein Turbojet oder turbofan Motor, verwendet ein Scramjet das Drehen, einem Anhänger ähnliche Bestandteile nicht, um die Luft zusammenzupressen; eher verursacht die erreichbare Geschwindigkeit des Flugzeuges, das sich durch die Atmosphäre bewegt, die Luft zur Kompresse innerhalb der kleinen Bucht. Als solcher sind keine bewegenden Teile in einem Scramjet erforderlich. Im Vergleich verlangen typische Turbojets Einlassanhänger, vielfache Stufen von rotierenden Kompressor-Anhängern und vielfache rotierende Turbinenstufen, von denen alle Gewicht, Kompliziertheit hinzufügen, und eine größere Zahl des Misserfolgs weist zum Motor hin.

Wegen der Natur ihres Designs wird Scramjet-Operation auf Nah-Hyperschallgeschwindigkeiten beschränkt. Da sie an mechanischen Kompressoren Mangel haben, verlangen Scramjets die hohe kinetische Energie eines Hyperschallflusses, die eingehende Luft zu betrieblichen Bedingungen zusammenzupressen. So muss ein Scramjet-angetriebenes Fahrzeug zur erforderlichen Geschwindigkeit durch einige andere Mittel des Antriebs, wie Turbojet, railgun, oder Raketentriebwerke beschleunigt werden. Im Flug des experimentellen Scramjet-angetriebenen Boeing X-51A wurde das Testhandwerk zur Flughöhe durch einen Boeing B-52 Stratofortress gehoben, bevor es veröffentlicht wird, und durch eine abnehmbare Rakete zum nahen Mach 4.5 beschleunigt.

Während Scramjets begrifflich einfache, wirkliche Durchführung sind, wird durch äußerste technische Herausforderungen beschränkt. Der Hyperschallflug innerhalb der Atmosphäre erzeugt riesige Schinderei, und Temperaturen, die auf dem Flugzeug und innerhalb des Motors gefunden sind, können viel größer sein als diese der Umgebungsluft. Das Aufrechterhalten des Verbrennens im Überschallfluss präsentiert zusätzliche Herausforderungen, weil der Brennstoff eingespritzt, gemischt, entzündet, und innerhalb von Millisekunden verbrannt werden muss. Während Scramjet-Technologie unter der Entwicklung seit den 1950er Jahren gewesen ist, haben Sie nur sehr kürzlich Scramjets erfolgreich hat angetriebenen Flug erreicht.

Geschichte

Während und nach dem Zweiten Weltkrieg wurden eine enorme Zeitdauer und Anstrengung in die Forschung des Hochleistungsstrahles - und mit Raketenantrieb Flugzeug gestellt. Die Glocke x-1 hat Überschallflug 1947 und, bis zum Anfang der 1960er Jahre erreicht, der schnelle Fortschritt zum schnelleren Flugzeug hat darauf hingewiesen, dass betriebliches Flugzeug mit "Hyperschall"-Geschwindigkeiten innerhalb von ein paar Jahren fliegen würde. Abgesehen von Spezialrakete-Forschungsfahrzeugen wie der nordamerikanische X-15 und das andere mit Raketenantrieb Raumfahrzeug sind Flugzeugsspitzengeschwindigkeiten Niveau, allgemein im Rahmen des Machs 1 zum Mach 3 geblieben.

In den 1950er Jahren und 1960er Jahren wurde eine Vielfalt von experimentellen Scramjet-Motoren gebaut und Boden, der in den Vereinigten Staaten und dem Vereinigten Königreich geprüft ist. 1964 haben Dr Frederick S. Billig und Dr Gordon L. Dugger einen offenen Antrag für ein auf der Doktorarbeit von Billig gestütztes Überschallverbrennen-Staustrahltriebwerk eingereicht. Dieses Patent wurde 1981 im Anschluss an die Eliminierung einer Ordnung der Geheimhaltung ausgegeben.

1981 wurden Tests in Australien unter der Leitung von Professor Ray Stalker in der T3-Boden-Testmöglichkeit an ANU gemacht.

Zuerst wurde der erfolgreiche Flugtest des Scramjets durch Russland 1991 durchgeführt. Es war axisymmetric wasserstoffangetriebener Doppelweise-Scramjet, der vom Hauptinstitut für Flugmotoren (CIAM), Moskau gegen Ende der 1970er Jahre entwickelt ist. Der Scramjet ight war own Gefangener - tragen oben auf der SA-5 Boden-Luftrakete, die ein Experiment ight Unterstützungseinheit eingeschlossen hat, die als das "Fliegende Hyperschalllaboratorium" (HFL), "Kholod" bekannt ist.

Dann von 1992 bis 1998 wurden zusätzliche 6 Flugtests des axisymmetric schnelllaufenden Scramjet-Demonstranten durch CIAM zusammen mit Frankreich und dann mit NASA, die USA geführt. Maximale Fluggeschwindigkeit, die größer ist als Mach 6.4, wurde erreicht, und die Scramjet-Operation während 77 Sekunden wurde demonstriert. Diese Flugversuchsserien haben auch Einblick in autonome Hyperschallflugsteuerungen gewährt.

Untersuchungen des Hyperschallflugs haben im Laufe der letzten wenigen Jahrzehnte weitergegangen. Zurzeit haben das US-Militär und NASA eine "Nationale Hypersonics Strategie" formuliert, um eine Reihe von Optionen für den Hyperschallflug zu untersuchen.

Verschiedene amerikanische Organisationen haben Hyperschallflug als ein gemeinsames Ziel akzeptiert. Die amerikanische Armee wünscht Hyperschallraketen, die bewegliche Raketenabschussvorrichtungen schnell angreifen können. NASA glaubt, dass hypersonics helfen konnte, wirtschaftliche, wiederverwendbare Boosterraketen zu entwickeln. Die Luftwaffe interessiert sich für eine Reihe von Hyperschallsystemen von luftgestarteten Marschflugkörpern bis Augenhöhlenspaceplanes, dass der Dienst glaubt, konnte eine wahre "Raumfahrtkraft verursachen."

Das Problem wird durch die Ausgabe der vorher Verschlusssache und durch die teilweise Veröffentlichung kompliziert, wo Ansprüche erhoben werden, aber spezifische Teile eines Experimentes werden heimlich behalten. Zusätzlich experimentelle Schwierigkeiten nachzuprüfen, dass Überschallverbrennen wirklich vorgekommen ist, oder dass wirklicher Nettostoß bösartig erzeugt wurde, dass mindestens vier Konsortien legitime Ansprüche auf "firsts", mit mehreren Nationen und an jedem Konsortium beteiligten Einrichtungen haben.

Am 15. Juni 2007, amerikanische Defense Advanced Research Project Agency (DARPA) und die australische Verteidigungswissenschafts- und Technologieorganisation (DSTO), hat einen erfolgreichen Scramjet-Flug am Mach 10 Verwenden-Raketentriebwerke bekannt gegeben, um das Testfahrzeug zu Hyperschallgeschwindigkeiten an der Woomera Rakete-Reihe im Zentralen Australien zu erhöhen.

Kein Scramjet ist gerast Fahrzeug ist noch außerhalb eines experimentellen Programms erzeugt worden.

Designgrundsätze

Scramjet-Motoren sind ein Typ des Düsenantriebs, und verlassen sich auf das Verbrennen des Brennstoffs und eines Oxydationsmittels, um Stoß zu erzeugen. Ähnlich herkömmlichen Düsenantrieben tragen Scramjet-angetriebene Flugzeuge den Brennstoff an Bord, und erhalten das Oxydationsmittel durch die Nahrungsaufnahme von atmosphärischem Sauerstoff (verglichen mit Raketen, die sowohl Brennstoff als auch einen Oxidieren-Agenten tragen). Diese Voraussetzung beschränkt Scramjets auf den atmosphärischen Subaugenhöhlenflug, wo der Sauerstoff-Inhalt der Luft genügend ist, um Verbrennen aufrechtzuerhalten.

Kernprinzipien

Scramjets werden entworfen, um im Hyperschallflugregime, außer der Reichweite von Turbojets, und zusammen mit Staustrahltriebwerken zu funktionieren, die Lücke zwischen der hohen Leistungsfähigkeit von Turbojets und der hohen Geschwindigkeit von Raketentriebwerken zu schließen. Mit Sitz in Turbomachinery Motoren, während hoch effizient, mit Unterschallgeschwindigkeiten, werden immer mehr ineffizient mit transonic Geschwindigkeiten, weil die in Turbojets gefundenen Kompressor-Anhänger verlangen, dass Unterschallgeschwindigkeiten funktionieren. Während der Fluss von transonic bis niedrige Überschallgeschwindigkeiten zu diesen Bedingungen verlangsamt werden kann, tuend, so mit Überschallgeschwindigkeiten läuft auf eine enorme Zunahme in der Temperatur und einen Verlust im Gesamtdruck des Flusses hinaus. Um das Mach 3-4 ist turbomachinery nicht mehr nützliche und mit dem Widder artige Kompression wird die bevorzugte Methode.

Staustrahltriebwerke verwerten Hochleistungseigenschaften von Luft, um Luft durch eine Einlassschnauze in den combustor wörtlich 'zu rammen'. An transonic und Überschallfluggeschwindigkeiten ist die Luft stromaufwärts der Schnauze nicht im Stande, sich aus dem Weg schnell genug zu bewegen, und wird innerhalb der Schnauze zusammengepresst, bevor sie in den combustor ausgegossen wird. Das Verbrennen in einem Staustrahltriebwerk findet an Unterschallgeschwindigkeiten statt, die Turbojets ähnlich sind, aber die Verbrennungsprodukte werden dann durch eine konvergent - Schnauze zu Überschallgeschwindigkeiten beschleunigt. Da sie keine mechanischen Mittel der Kompression haben, können Staustrahltriebwerke nicht von einem Stillstand anfangen, und erreichen allgemein genügend Kompression bis zum Überschallflug nicht. Der Mangel an kompliziertem turbomachinery erlaubt Staustrahltriebwerken, sich mit dem Temperaturanstieg zu befassen, der mit der Verlangsamung eines Überschallflusses zu Unterschallgeschwindigkeiten vereinigt ist, aber das geht nur bis jetzt: an Nah-Hyperschallgeschwindigkeiten entmutigen der Temperaturanstieg und die Wirkungslosigkeit Verlangsamung des Flusses zum in Staustrahlern gefundenen Umfang.

Scramjet-Motoren funktionieren auf denselben Grundsätzen wie Staustrahltriebwerke, aber verlangsamen den Fluss zu Unterschallgeschwindigkeiten nicht. Eher ist ein Scramjet combustor Überschall-: Die kleine Bucht verlangsamt den Fluss zu einer niedrigeren Machzahl für das Verbrennen, nach dem es zu einer noch höheren Machzahl durch die Schnauze beschleunigt wird. Durch das Begrenzen des Betrags der Verlangsamung werden Temperaturen innerhalb des Motors an einem erträglichen Niveau, sowohl von einem Material als auch von combustive Einstellung behalten. Trotzdem verlangt aktuelle Scramjet-Technologie den Gebrauch von energiereichen Brennstoffen und aktiven kühl werdenden Schemas, gestützte Operation, häufig mit Wasserstoff und verbessernden kühl werdenden Techniken aufrechtzuerhalten.

Theorie

Alle Scramjet-Motoren haben eine Aufnahme, die die eingehende Luft, Kraftstoffinjektoren, einen Verbrennungsraum und eine auseinander gehende Stoß-Schnauze zusammenpresst. Manchmal schließen Motoren auch ein Gebiet ein, das als ein Flamme-Halter handelt, obwohl die hohen Stagnationstemperaturen bedeuten, dass ein Gebiet von eingestellten Wellen, aber nicht ein getrennter Motorteil, wie gesehen, in Turbinenmotoren verwendet werden kann. Andere Motoren verwenden pyrophoric Kraftstoffzusätze wie silane, um solche Probleme zu vermeiden. Ein isolator zwischen der kleinen Bucht und dem Verbrennungsraum wird häufig eingeschlossen, um die Gleichartigkeit des Flusses im combustor zu verbessern und die Betriebsreihe des Motors zu erweitern.

Ein Scramjet ist an ein Staustrahltriebwerk erinnernd. In einem typischen Staustrahltriebwerk wird der Überschallzustrom des Motors an der kleinen Bucht zu Unterschallgeschwindigkeiten verlangsamt und dann durch eine Schnauze zu Überschallgeschwindigkeiten wiederbeschleunigt, um Stoß zu erzeugen. Diese Verlangsamung, die durch einen normalen Stoß erzeugt wird, schafft einen Gesamtdruckverlust, der den oberen Betriebspunkt eines Staustrahlers beschränkt.

Für einen Scramjet ist die kinetische Energie von freestream Luft, die in den Scramjet-Motor eingeht, vergleichbar mit der Energie groß, die durch die Reaktion des Sauerstoff-Inhalts der Luft mit einem Brennstoff veröffentlicht ist (sagen Sie Wasserstoff). So ist die Hitze, die vom Verbrennen am Mach 25 veröffentlicht ist, ungefähr 10 % des ganzen enthalpy der Arbeitsflüssigkeit. Abhängig vom Brennstoff wird die kinetische Energie der Luft und der potenziellen Verbrennen-Hitzeausgabe um das Mach 8 gleich sein. So ist das Design eines Scramjet-Motors so viel über die Minderung der Schinderei wie Maximierung des Stoßes.

Diese hohe Geschwindigkeit macht die Kontrolle des Flusses innerhalb des Verbrennungsraums schwieriger. Da der Fluss Überschall-ist, pflanzt sich kein abwärts gelegener Einfluss innerhalb des freestream des Verbrennungsraums fort. So das Drosseln des Eingangs zur Stoß-Schnauze ist nicht eine verwendbare Kontrolltechnik. Tatsächlich muss sich ein Block von Benzin, das in den Verbrennungsraum eingeht, mit dem Brennstoff vermischen und ausreichende Zeit für die Einleitung und Reaktion haben, die ganze Zeit Überschall-durch den Verbrennungsraum reisend, bevor das verbrannte Benzin durch die Stoß-Schnauze ausgebreitet wird. Das legt strenge Voraussetzungen an den Druck und die Temperatur des Flusses und verlangt, dass die Kraftstoffeinspritzung und sich vermischend äußerst effizient ist. Verwendbarer dynamischer Druck liegt in der Reihe, wo

:

wo

:q ist der dynamische Druck des Benzins

:ρ (rho) ist die Dichte des Benzins

:v ist die Geschwindigkeit des Benzins

Um die Verbrennen-Rate der Kraftstoffkonstante zu behalten, müssen der Druck und die Temperatur im Motor auch unveränderlich sein. Das ist problematisch, weil die Luftstrom-Regelsysteme, die das erleichtern würden, in einer Scramjet-Boosterrakete wegen der großen Geschwindigkeits- und beteiligten Höhe-Reihe nicht physisch möglich sind, bedeutend, dass sie an einer zu seiner Geschwindigkeit spezifischen Höhe reisen muss. Weil Luftdichte an höheren Höhen abnimmt, muss ein Scramjet an einer spezifischen Rate klettern, weil es sich beschleunigt, um einen unveränderlichen Luftdruck an der Aufnahme aufrechtzuerhalten. Dieses optimale Profil des Aufstiegs/Abstiegs wird einen "unveränderlichen dynamischen Druck-Pfad" genannt. Es wird gedacht, dass Scramjets bis zu einer Höhe 75 km durchführbar sein könnten.

Kraftstoffeinspritzung und Management sind auch potenziell kompliziert. Eine Möglichkeit würde darin bestehen, dass der Brennstoff zu 100 Bar durch eine Turbopumpe unter Druck gesetzt wird, die durch den Rumpf geheizt ist, durch die Turbine gesandt hat und sich zu höheren Geschwindigkeiten beschleunigt hat als die Luft durch eine Schnauze. Die Luft und der Kraftstoffstrom werden in einem Kamm wie Struktur durchquert, die eine große Schnittstelle erzeugt. Turbulenz wegen der höheren Geschwindigkeit des Brennstoffs führt zum zusätzlichen Mischen. Komplizierte Brennstoffe wie Leuchtpetroleum brauchen einen langen Motor, um Verbrennen zu vollenden.

Die minimale Machzahl, an der ein Scramjet funktionieren kann, wird durch die Tatsache beschränkt, dass der komprimierte Fluss heiß genug sein muss, um den Brennstoff zu verbrennen, und Druck hoch genug zu haben, dass die Reaktion, vor der Luft beendet werden, den Rücken des Motors herauszieht. Zusätzlich, um einen Scramjet genannt zu werden, muss der komprimierte Fluss noch nach dem Verbrennen Überschall-sein. Hier müssen zwei Grenzen beobachtet werden: Erstens seitdem wenn ein Überschallfluss zusammengepresst wird, verlangsamt er sich, das Niveau der Kompression muss (oder die anfängliche Geschwindigkeit hoch genug) niedrig genug sein, um das Benzin unter dem Mach 1 nicht zu verlangsamen. Wenn das Benzin innerhalb eines Scramjets unter dem Mach 1 geht, wird der Motor "ersticken", zum Unterschallfluss im Verbrennungsraum wechselnd. Diese Wirkung ist unter Experimentatoren auf Scramjets weithin bekannt, da die durch das Ersticken verursachten Wellen leicht erkennbar sind. Zusätzlich können die plötzliche Zunahme im Druck und Temperatur im Motor zu einer Beschleunigung des Verbrennens führen, zum explodierenden Verbrennungsraum führend.

Zweitens veranlasst die Heizung des Benzins durch das Verbrennen die Geschwindigkeit des Tons im Benzin zuzunehmen (und die Machzahl, um abzunehmen), wenn auch das Benzin noch mit derselben Geschwindigkeit reist. Das Zwingen der Geschwindigkeit des Luftstroms im Verbrennungsraum unter dem Mach 1 wird auf diese Weise "das Thermalersticken" genannt. Es ist klar, dass ein reiner Scramjet an Machzahlen 6-8 funktionieren kann, aber in der niedrigeren Grenze hängt es von der Definition eines Scramjets ab. Sicher gibt es Designs, wo ein Staustrahltriebwerk in einen Scramjet über das Mach 3-6 Reihe (Doppelweise-Scramjets) umgestaltet. In dieser Reihe jedoch erhält der Motor noch bedeutenden Stoß vom Unterschallverbrennen des "Staustrahltriebwerk"-Typs.

Die hohen Kosten der Flugprüfung und die Nichtverfügbarkeit von Boden-Möglichkeiten haben Scramjet-Entwicklung gehindert. Ein großer Betrag der experimentellen Arbeit an Scramjets ist in kälteerzeugenden Möglichkeiten übernommen, direkt worden - verbinden Tests oder Brenner, von denen jeder einen Aspekt der Motoroperation vortäuscht. Weiter, verdorbene Möglichkeiten, hat Lagerung Möglichkeiten, Kreisbogen-Möglichkeiten und die verschiedenen Typen von Stoß-Tunnels geheizt jeder hat Beschränkungen, die vollkommene Simulation der Scramjet-Operation verhindert haben. Der Flugtest von HyShot hat die Relevanz 1:1 Simulation von Bedingungen im T4 und den HEG-Stoß-Tunnels gezeigt, trotz, kalte Modelle und eine kurze Testzeit zu haben. Die Tests der NASA-CIAM haben ähnliche Überprüfung für den C-16 von CIAM V/K Möglichkeit zur Verfügung gestellt, und, wie man erwartet, stellt das Hyper-X-Projekt ähnliche Überprüfung für den Langley AHSTF, CHSTF und HTT zur Verfügung.

Rechenbetonte flüssige Dynamik hat nur kürzlich eine Position erreicht, angemessene Berechnung im Beheben von Scramjet-Operationsproblemen zu machen. Das Grenzschicht-Modellieren, das unruhige Mischen, der zweiphasige Fluss, die Fluss-Trennung und die Wiederalgen aerothermodynamics setzen fort, Probleme auf der Schneide von CFD zu sein. Zusätzlich stellt das Modellieren des kinetisch beschränkten Verbrennens mit sehr schnell reagierenden Arten wie Wasserstoff strenge Anforderungen an Rechenmittel.

Reaktionsschemas sind reduzierte Reaktionsschemas des numerisch steifen Verlangens.

Viel Scramjet-Experimentieren bleibt klassifiziert. Mehrere Gruppen einschließlich der US-Marine mit dem ABHAUEN Motor zwischen 1968-1974, und das Hyper-X Programm mit dem X-43A haben erfolgreiche Demonstrationen der Scramjet-Technologie gefordert. Seitdem diese Ergebnisse offen nicht veröffentlicht worden sind, bleiben sie unnachgeprüft, und eine Konstruktionsmethode von Scramjet-Motoren besteht noch nicht.

Die Endanwendung eines Scramjet-Motors wird wahrscheinlich in Verbindung mit Motoren sein, die außerhalb der Betriebsreihe des Scramjets funktionieren können.

Doppelweise-Scramjets verbinden Unterschallverbrennen mit dem Überschallverbrennen für die Operation mit niedrigeren Geschwindigkeiten, und Motoren des Rakete-basierten vereinigten Zyklus (RBCC) ergänzen einen Antrieb einer traditionellen Rakete mit einem Scramjet, zusätzliches zum Scramjet-Fluss hinzuzufügendes Oxydationsmittel berücksichtigend. RBCCs bieten eine Möglichkeit an, eine Betriebsreihe eines Scramjets zu höheren Geschwindigkeiten oder niedrigerer Aufnahme dynamischer Druck zu erweitern, als sonst möglich sein würde.

Vorteile und Nachteile von Scramjets

Vorteile

Muss

1. Sauerstoff nicht tragen
2. Keine rotierenden Teile machen es leichter, zu verfertigen
3. Hat einen höheren spezifischen Impuls (Änderung im Schwung pro Einheit von Treibgas) als ein herkömmlicher Motor; konnte zwischen 1000 und 4000 Sekunden zur Verfügung stellen, während eine Rakete nur 600 Sekunden oder weniger zur Verfügung stellt
4. Höhere Geschwindigkeit konnte preiswerteren Zugang zum Weltraum in der Zukunft bedeuten

Das spezielle Abkühlen und die Materialien

Verschieden von einer Rakete, die schnell größtenteils vertikal durch die Atmosphäre oder einen Turbojet oder das Staustrahltriebwerk geht, das mit viel niedrigeren Geschwindigkeiten fliegt, fliegt ein airbreathing Hyperschallfahrzeug optimal eine "niedergedrückte Schussbahn", innerhalb der Atmosphäre mit Hyperschallgeschwindigkeiten bleibend. Weil Scramjets nur mittelmäßige Verhältnisse des Stoßes zum Gewicht haben, würde Beschleunigung beschränkt. Deshalb würde die Zeit mit der Atmosphäre mit der Hyperschallgeschwindigkeit, vielleicht 15-30 Minuten beträchtlich sein. Ähnlich einem wiederhereingehenden Raumfahrzeug würde Wärmedämmung eine furchterregende Aufgabe sein. Die Zeit mit der Atmosphäre würde größer sein als das für eine typische Raumkapsel, aber weniger als diese von Raumfähre.

Neue Materialien bieten gute Isolierung bei der hohen Temperatur an, aber sie opfern häufig sich im Prozess. Deshalb planen Studien häufig auf dem "aktiven Abkühlen", wo Kühlmittel, das überall in der Fahrzeughaut zirkuliert, es davon abhält sich aufzulösen. Häufig ist das Kühlmittel der Brennstoff selbst auf die ziemlich gleiche Weise, wie moderne Raketen ihren eigenen Brennstoff und Oxydationsmittel als Kühlmittel für ihre Motoren verwenden. Alle Kühlsysteme fügen Gewicht und Kompliziertheit zu einem Start-System hinzu. Das Abkühlen von Scramjets kann auf diese Weise auf größere Leistungsfähigkeit hinauslaufen, weil Hitze zum Brennstoff vor dem Zugang in den Motor hinzugefügt wird, aber laufen Sie auf vergrößerte Kompliziertheit und Gewicht hinaus, das schließlich irgendwelche Leistungszunahmen überwiegen konnte.

Fahrzeugleistung

Die Leistung eines Start-Systems ist kompliziert und hängt außerordentlich von seinem Gewicht ab. Normalerweise wird Handwerk entworfen, um Reihe , Augenhöhlenradius oder Nutzlast-Massenbruchteil für einen gegebenen Motor und Brennstoff zu maximieren. Das läuft auf Umtausche zwischen der Leistungsfähigkeit des Motors (Take-Off-Kraftstoffgewicht) und der Kompliziertheit des Motors hinaus (Take-Off trockenes Gewicht), der durch den folgenden ausgedrückt werden kann:

:

Wo:

• ist der leere Massenbruchteil, und vertritt das Gewicht des Oberbaus, Fassungsvermögens des Tanks und Motors.
• ist der Kraftstoffmassenbruchteil, und vertritt das Gewicht des Brennstoffs, oxidiser und irgendwelcher anderen Materialien, die während des Starts verbraucht werden.
• ist anfängliches Massenverhältnis, und ist das Gegenteil des Nutzlast-Massenbruchteils. Das vertritt, wie viel Nutzlast das Fahrzeug an einen Bestimmungsort liefern kann.

Ein Scramjet vergrößert die Masse des Motors über eine Rakete, und vermindert die Masse des Brennstoffs. Es kann schwierig sein zu entscheiden, ob das auf einen vergrößerten hinauslaufen wird (der eine vergrößerte Nutzlast sein würde, die an einen Bestimmungsort für ein unveränderliches Fahrzeugtake-Off-Gewicht geliefert ist). Die Logik hinter Anstrengungen, einen Scramjet steuernd, ist (zum Beispiel), dass die Verminderung des Brennstoffs die Gesamtmasse um 30 % vermindert, während das vergrößerte Motorgewicht 10 % zum Fahrzeug Gesamtmasse hinzufügt. Leider ist die Unklarheit in der Berechnung jeder Masse oder Leistungsfähigkeitsänderungen in einem Fahrzeug so groß, dass ein bisschen verschiedene Annahmen für die Motorleistungsfähigkeit oder Masse ebenso gute Argumente dafür zur Verfügung stellen können oder gegen den Scramjet Fahrzeuge angetrieben hat.

Zusätzlich muss die Schinderei der neuen Konfiguration betrachtet werden. Die Schinderei der Gesamtkonfiguration kann als die Summe der Fahrzeugschinderei und der Motorinstallationsschinderei betrachtet werden. Die Installationsschinderei ergibt sich traditionell aus den Pylonen und dem verbundenen Fluss wegen des Motorstrahles, und ist eine Funktion der Kehle-Einstellung. So wird es häufig als geschrieben:

Wo:

• ist der Verlust-Koeffizient
• ist der Stoß des Motors

Für einen in den aerodynamischen Körper stark integrierten Motor kann es günstiger sein als der Unterschied in der Schinderei von einer bekannten Grundkonfiguration zu denken.

Die gesamte Motorleistungsfähigkeit kann als ein Wert zwischen 0 und 1 in Bezug auf den spezifischen Impuls des Motors vertreten werden:

:Wo:

• ist die Beschleunigung wegen des Ernstes am Boden-Niveau
• ist die Fahrzeuggeschwindigkeit
• ist der spezifische Impuls
• ist Kraftstoffhitze der Reaktion

Spezifischer Impuls wird häufig als die Einheit der Leistungsfähigkeit für Raketen seitdem im Fall von der Rakete verwendet, es gibt eine direkte Beziehung zwischen dem spezifischen Impuls, dem spezifischen Kraftstoffverbrauch und der Auspuffgeschwindigkeit. Diese direkte Beziehung ist nicht allgemein für airbreathing Motoren da, und so wird spezifischer Impuls in der Literatur weniger verwendet. Bemerken Sie, dass für einen airbreathing Motor beide und eine Funktion der Geschwindigkeit sind.

Der spezifische Impuls eines Raketentriebwerks ist der Geschwindigkeit unabhängig, und allgemeine Werte sind zwischen 200 und 600 Sekunden (450s für Raumfähre Hauptmotoren). Der spezifische Impuls eines Scramjets ändert sich mit der Geschwindigkeit, mit höheren Geschwindigkeiten abnehmend, in ungefähr den 1200er Jahren anfangend, obwohl sich Werte in der Literatur ändern.

Für den einfachen Fall eines einzelnen Bühne-Fahrzeugs kann der Kraftstoffmassenbruchteil als ausgedrückt werden:

:

Wo das für die einzelne Bühne-Übertragung ausgedrückt werden kann, um als zu umkreisen:

:

oder für das Niveau atmosphärischer Flug vom Luftstart (Raketenflug):

:

Wo die Reihe ist, und die Berechnung in der Form der Reihe-Formel von Breguet ausgedrückt werden kann:

::Wo:

• ist der Liftkoeffizient
• ist der Schinderei-Koeffizient

Diese äußerst einfache Formulierung, die zu den Zwecken der Diskussion verwendet ist, nimmt an:

• Einzelnes Bühne-Fahrzeug
• Kein aerodynamisches Heben für den transatmospheric Heber

Jedoch sind sie allgemein für alle Motoren wahr.

Anfängliche Antrieb-Voraussetzungen

Ein Scramjet kann effizienten Stoß, wenn nicht erhöht, zur hohen Geschwindigkeit, um das Mach 5 nicht erzeugen, obwohl abhängig vom Design es als ein Staustrahltriebwerk mit niedrigen Geschwindigkeiten handeln konnte. Ein horizontales Take-Off-Flugzeug würde herkömmlichen turbofan oder Raketentriebwerke brauchen, um sich, genug groß zu entfernen, um ein schweres Handwerk zu bewegen. Auch erforderlich würde Brennstoff für jene Motoren, plus die ganze motorverbundene steigende Struktur und Regelsysteme sein. Motoren von Turbofan sind schwer und können über das Mach 2-3 nicht leicht zu weit gehen, so wäre eine andere Antrieb-Methode erforderlich, um Scramjet-Maschinengeschwindigkeit zu erreichen. Das konnte Staustrahltriebwerke oder Raketen sein. Diejenigen würden auch ihre eigene getrennte Kraftstoffversorgung, Struktur und Systeme brauchen. Viele Vorschläge verlangen stattdessen nach einer ersten Stufe von droppable festen Rakete-Boosterraketen, die außerordentlich das Design vereinfacht.

Prüfung von Schwierigkeiten

Verschieden vom Strahl oder den Raketenantrieb-Systemmöglichkeiten, die auf dem Boden geprüft werden können, Scramjet-Designs prüfend, verwenden äußerst teure Hyperschalltesträume oder teure Boosterraketen, von denen beide zu hohen Instrumentierungskosten führen. Tests mit gestarteten Testfahrzeugen enden sehr normalerweise mit der Zerstörung des Testartikels und der Instrumentierung.

Vorteile und Nachteile für Augenhöhlenfahrzeuge

Treibgas

Ein Vorteil eines Hyperschallairbreathing (normalerweise Scramjet) Fahrzeug wie der X-30 vermeidet oder reduziert mindestens das Bedürfnis danach, Oxydationsmittel zu tragen. Zum Beispiel hält Raumfähre Außenzisterne 616,432 Kg flüssiger Sauerstoff (Flüssigsauerstoff) und 103,000 Kg flüssiger Wasserstoff (LH2), während sie ein leeres Gewicht von 30,000 Kg hat. Der orbiter Bruttogewinn ist 109,000 Kg mit einer maximalen Nutzlast von ungefähr 25,000 Kg und den Zusammenbau von der Abschussrampe zu bekommen, Pendelbus verwendet zwei sehr starke feste Rakete-Boosterraketen mit einem Gewicht von 590,000 Kg jeder. Wenn der Sauerstoff beseitigt werden konnte, konnte das Fahrzeug am Abschuss leichter sein und vielleicht mehr Nutzlast tragen. Das würde ein Vorteil sein, aber die Hauptmotivation im Verfolgen von airbreathing Hyperschallfahrzeugen würde Kosten reduzieren sollen.

Andererseits verbringen Scramjets mehr Zeit in der Atmosphäre und verlangen, dass sich mehr Wasserstoffbrennstoff mit aerodynamischer Schinderei befasst. Wohingegen flüssiger Sauerstoff ganz eine dichte Flüssigkeit ist, hat flüssiger Wasserstoff viel niedrigere Dichte und nimmt viel mehr Volumen auf. Das bedeutet, dass das Fahrzeug mit diesem Brennstoff viel größer wird und noch mehr Schinderei gibt.

Verhältnis des Stoßes zum Gewicht

Ein Problem ist, dass Scramjet-Motoren vorausgesagt werden, um außergewöhnlich schlechtes Verhältnis des Stoßes zum Gewicht, wenn installiert, in einer Boosterrakete, von ungefähr 2 zu haben. Eine Rakete hat den Vorteil, dass seine Motoren sehr hohe Verhältnisse des Stoß-Gewichts (~100:1) haben, während sich die Zisterne, um den flüssigen Sauerstoff zu halten, einem Verhältnis des Fassungsvermögens des Tanks von ~100:1 auch nähert. So kann eine Rakete einen sehr hohen Massenbruchteil erreichen, der Leistung verbessert. Über die Unähnlichkeit bedeutet das geplante Verhältnis des Stoßes/Gewichts von Scramjet-Motoren von ungefähr 2, dass sehr viel größerer Prozentsatz der Take-Off-Masse Motor ist (das Ignorieren, das dieser Bruchteil irgendwie durch einen Faktor von ungefähr vier wegen des Mangels an oxidiser an Bord vergrößert). Außerdem vermeidet der niedrigere Stoß des Fahrzeugs das Bedürfnis nach dem teuren, umfangreichen, und Misserfolg anfällige hohe Leistung turbopumps gefunden in herkömmlichen Flüssigkeitsangetriebenen Raketentriebwerken nicht notwendigerweise, da die meisten Scramjet-Designs scheinen, von Augenhöhlengeschwindigkeiten bei der airbreathing Weise unfähig zu sein, und folglich Extraraketentriebwerke erforderlich sind.

Bedürfnis nach dem zusätzlichen Antrieb, um Bahn zu erreichen

Scramjets könnten im Stande sein, sich von ungefähr dem Mach 5-7 zu ungefähr irgendwo zwischen der Hälfte der Augenhöhlen-Geschwindigkeits- und Augenhöhlengeschwindigkeit zu beschleunigen (X-30 Forschung hat darauf hingewiesen, dass Mach 17 die Grenze im Vergleich zu einer Augenhöhlengeschwindigkeit des Machs 25 sein könnte, und andere Studien die obere Geschwindigkeitsbegrenzung für einen reinen Scramjet-Motor zwischen dem Mach 10 und 25 stellen, je nachdem die Annahmen gemacht haben). Allgemein ein anderes Antrieb-System (sehr normalerweise wird Rakete vorgeschlagen) wird erwartet, für die Endbeschleunigung in die Bahn erforderlich zu sein. Da das Delta-V gemäßigt ist und der Nutzlast-Bruchteil von Scramjets hoch, niedrigere Leistungsraketen wie Festkörper, hypergolics, oder angetriebene Boosterraketen der einfachen Flüssigkeit annehmbar sein könnten.

Wiedereintritt

Die hitzebeständige Unterseite des Scramjets verdoppelt sich potenziell als sein Wiedereintritt-System, wenn eine einzelne Bühne, um Fahrzeug mit dem Nichtablativ zu umkreisen, das nichtaktive Abkühlen vergegenwärtigt wird. Wenn eine Ablativabschirmung auf dem Motor verwendet wird, wird es wahrscheinlich nach dem Aufstieg nicht verwendbar sein, um zu umkreisen. Wenn das aktive Abkühlen verwendet wird, wird der Verlust des ganzen Brennstoffs während der Brandwunde, um zu umkreisen, auch den Verlust des ganzen Abkühlens für das Thermalschutzsystem bedeuten.

Kosten

Das Reduzieren des Betrags des Brennstoffs und Oxydationsmittels verbessert Kosten nicht notwendigerweise, weil Rakete-Treibgase verhältnismäßig sehr preiswert sind. Tatsächlich, wie man erwarten kann, enden die Einheitskosten des Fahrzeugs viel höher, da Raumfahrthardware-Kosten ungefähr zwei Größenordnungen höher sind als flüssiger Sauerstoff, Brennstoff und Fassungsvermögen des Tanks, und Scramjet-Hardware scheint, viel schwerer zu sein, als Raketen für jede gegebene Nutzlast. Und doch, wenn Scramjets Mehrwegfahrzeuge ermöglichen, konnte das ein Kostenvorteil theoretisch sein. Ob das Ausrüstungsthema den äußersten Bedingungen eines Scramjets wiederverwendet werden kann, genug oft ist unklar; der ganze gewehte Scramjet prüft nur überleben seit kurzen Perioden und sind nie entworfen worden, um einen Flug bis heute zu überleben.

Die schließlichen Kosten solch eines Fahrzeugs sind das Thema der intensiven Debatte seitdem sogar die besten Schätzungen stimmen nicht überein, ob ein Scramjet-Fahrzeug vorteilhaft sein würde. Es ist wahrscheinlich, dass ein Scramjet-Fahrzeug mehr Last würde heben müssen als eine Rakete des gleichen Take-Off-Gewichts, um ebenso als effizient gekostet zu werden (wenn der Scramjet ein Nichtmehrwegfahrzeug ist).

Probleme

Raumboosterraketen können oder können nicht einen Nutzen ziehen eine Scramjet-Bühne zu haben. Eine Scramjet-Bühne einer Boosterrakete stellt theoretisch einen spezifischen Impuls von 1000 bis 4000 s zur Verfügung, wohingegen eine Rakete weniger als 450 s während in der Atmosphäre zur Verfügung stellt, potenziell viel preiswerteren Zugang zum Raum erlaubend. Ein spezifischer Impuls eines Scramjets nimmt schnell mit der Geschwindigkeit jedoch ab, und das Fahrzeug würde unter einem relativ niedrigen Heben leiden, um Verhältnis zu schleppen.

Der installierte Stoß, um Verhältnis von Scramjets zu beschweren, vergleicht sich sehr ungünstig mit 50-100 eines typischen Raketentriebwerks. Das wird für in Scramjets teilweise ersetzt, weil das Gewicht des Fahrzeugs durch das aerodynamische Heben aber nicht die reine Rakete-Macht getragen würde (das Geben von reduzierten 'Ernst-Verlusten'), aber Scramjets würden viel länger nehmen, um zu kommen, um erwartet zu umkreisen, Stoß zu senken, der außerordentlich den Vorteil ausgleicht. Das Take-Off-Gewicht eines Scramjet-Fahrzeugs wird über diese einer Rakete wegen des Mangels an oxidiser an Bord bedeutsam reduziert, aber hat durch die Strukturvoraussetzungen der größeren und schwereren Motoren zugenommen.

Ob dieses Fahrzeug wiederverwendbar sein würde oder nicht noch ein Thema der Debatte und Forschung ist.

Anwendungen

Ein Flugzeug mit diesem Typ des Düsenantriebs konnte die Zeit drastisch reduzieren, die es bringt, um von einem Platz bis einen anderen zu reisen, potenziell jeden Platz auf die Erde innerhalb eines 90-minutigen Flugs stellend. Jedoch gibt es Fragen darüber, ob solch ein Fahrzeug genug Brennstoff tragen konnte, um nützliche Länge-Reisen zu machen, und es Probleme mit Schallbooms gibt.

Scramjet-Fahrzeug ist für eine einzelne Bühne vorgeschlagen worden, um Fahrzeug anzubinden, wo ein Mach 12 spinnender Augenhöhlenhaltestrick eine Nutzlast von einem Fahrzeug um 100 km aufnehmen und ihn tragen würde, um zu umkreisen.

Fortschritt in den 2000er Jahren

In den 2000er Jahren wurden bedeutende Fortschritte in der Entwicklung der Hyperschalltechnologie besonders im Feld von Scramjet-Motoren gemacht.

US-Anstrengungen sind wahrscheinlich das beste gefördert, und die Hyper-X Mannschaft hat behauptet, dass der erste Flug eines Stoß erzeugenden Scramjets Fahrzeug mit vollen aerodynamischen manövrierenden Oberflächen 2004 mit dem X-43A angetrieben hat. Jedoch war die erste Gruppe, um einen Scramjet zu demonstrieren, der in einem atmosphärischen Test arbeitet, ein Projekt von einer gemeinsamen britischen und australischen Mannschaft von der Verteidigungsgesellschaft des Vereinigten Königreichs QinetiQ und die Universität von Queensland.

HyShot planen demonstriertes Scramjet-Verbrennen am 30. Juli 2002. Der Scramjet-Motor hat effektiv gearbeitet und hat Überschallverbrennen in der Handlung demonstriert. Jedoch wurde der Motor nicht entworfen, um Stoß zur Verfügung zu stellen, um ein Handwerk anzutreiben. Es wurde mehr oder weniger als ein Technologiedemonstrant entworfen.

Am Freitag, dem 15. Juni 2007 hat amerikanische Defense Advanced Research Project Agency (DARPA), in der Zusammenarbeit mit der australischen Verteidigungswissenschafts- und Technologieorganisation (DSTO), einen erfolgreichen Scramjet-Flug am Mach 10 Verwenden-Raketentriebwerke bekannt gegeben, um das Testfahrzeug zu Hyperschallgeschwindigkeiten zu erhöhen.

Eine Reihe des Scramjet-Boden-Tests wurde an NASA Langley Arc-Heated Scramjet Test Facility (AHSTF) am vorgetäuschten Mach 8 Flugbedingungen vollendet. Diese Experimente wurden verwendet, um Flug 2 von HiFIRE zu unterstützen.

Am 22. Mai 2009 hat Woomera den ersten erfolgreichen Probeflug eines Hyperschallflugzeuges in HIFire veranstaltet. Der Start war einer von 10 geplanten Probeflügen. Die Reihen von bis zu 10 geplanten Hyperschallflugexperimenten sind ein Teil eines gemeinsamen Forschungsprogramms zwischen der Verteidigungswissenschafts- und Technologieorganisation und der US-Luftwaffe, die als das Internationale Hyperschallflugforschungsexperimentieren (HIFiRE) benannt ist. HIFiRE untersucht hypersonics Technologie (die Studie des Flugs, der fünfmal die Geschwindigkeit des Tons überschreitet) und seine Anwendung auf fortgeschrittene Scramjet-angetriebene Raumboosterraketen — das Ziel ist, den neuen Scramjet-Demonstranten von Boeing X-51 zu unterstützen, während auch das Gebäude einer starken Basis des Flugs Daten für die Raumstart-Entwicklung der schnellen Reaktion und Hyperschallwaffen "des schnellen Schlags" prüft.

Am 22. und 23. März 2010 haben australische und amerikanische Verteidigungswissenschaftler erfolgreich eine (HIFiRE) Hyperschallrakete geprüft. Es hat eine atmosphärische Geschwindigkeit von "mehr als 5,000 Kilometern pro Stunde" nach dem Entfernen von der Woomera-Testreihe im Landesinnere das Südliche Australien erreicht.

Am 27. Mai 2010 sind NASA und die USA-Luftwaffe erfolgreich der X-51A Waverider seit etwa 200 Sekunden am Mach 5 geflogen, eine neue Weltrekordhyperschalleigengeschwindigkeit setzend. Der Waverider ist autonom vor der verlierenden Beschleunigung aus einem unbekannten Grund und dem Zerstören von sich, wie geplant, geflogen. Der Test wurde einen Erfolg erklärt. Der X-51A wurde an Bord eines B-52 getragen, hat sich zum Mach 4.5 über eine feste Rakete-Boosterrakete beschleunigt, und hat dann den Scramjet-Motor von Pratt & Whitney Rocketdyne entzündet, um Mach 5 an 70,000 Fuß zu erreichen. Jedoch wurde ein zweiter Flug am 13. Juni 2011 vorzeitig beendet, als der Motor angezündet kurz auf Äthylen, aber gescheitert hat, zu seinem primären JP7 Brennstoff zu wechseln, scheiternd, Vollmacht zu erreichen.

Am 16. November 2010 haben australische Wissenschaftler erfolgreich demonstriert, dass der Hochleistungsfluss in einem natürlich nichtbrennenden Scramjet-Motor mit einer pulsierten Laserquelle entzündet werden kann.

Siehe auch

• Einstufig, um zu umkreisen
• Flüssiger Luftzyklus-Motor
• Vorabgekühlter Düsenantrieb
• Liste von erscheinenden Technologien
• Atmosphärischer Wiedereintritt
• Der Doppeldecker von Busemann
• Pulsdetonationsmotor
• Shcramjet

Referenzen

• Billig, FS "HAUEN Überschallverbrennen-Staustrahltriebwerk-Rakete", AIAA Papier 93-2329, 1993 AB-A.
• Ingenito A. und Bruno C "Physik und Regime im Überschallverbrennen", AIAA Zeitschrift, Band 48, Nummer 3, 2010.
• "Auf der Spur des Scramjets" - das Laboratorium. Abc-Wissenschaft Online. Am 17. Oktober 2002
• "Revolutionärer Düsenantrieb hat" BBC-Nachrichten geprüft. bbc.co.uk am 25. März 2006
• Französische russische Unterstützungs-SCRAMJET-Tests.
• Hyperschallscramjet-Kugel Flys im Raketentest. SpaceDaily am 4. September 2001
• Website von NASA für den Nationalen Hypersonics-Plan
• X-43A NASA
• Hyshot Zentrum für Hypersonics, Universität von Queensland, Australien
• http://news.yahoo.com/s/nm/20070615/tc_nm/australia_jet_dc;_ylt=AjD55nNEoWlZGJ2UcFk9PrHQn6gB

Links

• "Australische Wissenschaftler über, die Brechung durch zu machen".
• Die Brechung durch. - space.com
• "Revolutionärer Düsenantrieb geprüft"
• Scramjet combustor Entwicklungs-PDF Datei
• "Aerojet hat neues Mach 7 plus Mehrweghyperschallfahrzeugpläne"