Rumfart
Genovervejelse af hypersonisk rejse med Ram‑Rotor Detonationsmotor (RRDE)
Den tredje generation af flyvemaskinens fremdrift
Siden Wright‑brødrenes første flyvning har det centrale koncept for mekaniseret flyvning været at komprimere luft for at skabe fremdrift. Dette blev først gjort med de stadigt større propeller i fly fra Første Verdenskrig og Anden Verdenskrig.
Det næste skridt var jetmotoren, med det første jetdrevne fly, Heinkel He 178, lanceret i 1939. I en jetmotor komprimerer bevægelige dele luften og injicerer brændstof for at skabe en kraftig forbrændingseffekt, som derefter ledes til turbinen og jetdyse for at skabe fremdrift.
Kilde: Wikipedia
Dette blev senere forbedret med ramjetten, hvor flyets bevægelse skaber luftkompression, hvilket muliggør endnu højere hastighed. Over en vis hastighed vil de bevægelige dele i en turbojet blot bevæge sig for hurtigt og gå i stykker. Det første fly, der brugte en ramjet, var Leduc 0.10 i 1949.
Kilde: Tech Brief
En forbedret version af ramjetten findes, kaldet en scramjet (supersonisk ramjet). Denne motor behøver ikke at bremse den indkommende luft for forbrænding, men opretholder i stedet supersonisk luftstrøm og opnår højere brændstofeffektivitet.
Scramjets blev konceptualiseret allerede i 1958, men blev først testet i 2001 i NASA’s X-43A. Tre år senere nåede det eksperimentelle fly hastigheder på Mach 6,8 (5.217 mph eller 8.396 km/t) og Mach 9,6 (7.366 mph eller 11.854 km/t).
Dette var imponerende, men jetteknologien når sine grænser til en vis grad, på samme måde som den tidlige 20th-århundredes propeller ikke kunne gå ud over en bestemt hastighed.
Derfor ser forskere og ingeniører nu på et helt andet koncept: roterende detonationsmotorer.
Roterende Detonationsmotorer
Set fra et termodynamisk synspunkt er detonations mere effektive end den mere kendte deflagration (klassisk forbrænding). Således kunne de teoretisk set bruges til at brænde brændstof mere effektivt og/eller opnå højere flyvehastigheder.
Selvfølgelig er eksplosioner meget sværere at omsætte til reel fremdrift i en flymotor uden … at eksplodere midt i flyvningen.
I en roterende detonationsmotor opnås dette ved at skabe detonationsbølger, der løbende bevæger sig rundt om et ringformet forbrændingskammer. Da detonationen foregår med høj frekvens, skaber den næsten kontinuerlig skyvekraft.
En sådan motor blev testet med succes for første gang af NASA i 2020.
Denne type motor forventes at være op til 25 % mere effektiv end “normale” forbrændingsbaserede jetmotorer. De har heller ikke brug for den store kompressor foran forbrænderen, hvilket sparer enorme mængder vægt og sandsynligvis yderligere øger flyets samlede effektivitet.
Denne slags motorer har kun for nylig været mulige takket være avancerede materialer. Den primære begrænsende faktor var materialernes evne til at modstå ekstreme temperaturer, en uendelig strøm af chokbølger og samtidig iltrig strøm.
En Detonationsramjet?
En alvorlig ulempe ved roterende detonationsmotorer er, at de fungerer langt mindre effektivt ved atmosfæriske tryk. Så ligesom ramjets og scramjets skal de ideelt set først accelereres til supersonisk eller hypersonisk hastighed, før de kan aktiveres.
Nu dukker et endnu mere avanceret koncept op, ram-rotor detonationsmotoren. Den blev udviklet af kinesiske forskere ved School of Aerospace Engineering på Tsinghua University i Beijing. De offentliggjorde deres arbejde i Chinese Journal of Aeronautics under titlen “Primary Investigation on Ram-Rotor Detonation Engine“.
Ram‑Rotor Detonationsmotor (RRDE)
Hovedideen med en RRDE er at stabilisere detonationen inden i en højhastighedsrotor. Strømningskanalen komprimerer luft‑brændstofblandingen til de ideelle betingelser for detonation, uanset indtags hastighed.
Detonationsbølgen holdes på plads ved at balancere de relative hastigheder af indtagsluftstrømmen og de udvidende gasser og chokbølger, der forlader udstødningen.
Gennem denne proces forbliver detonationsbølgen stationær i forhold til bladene.
RRDE Fordele
Fleksibilitet
Da motoren kan modulere luftens kompression, fungerer den mere som en klassisk turbojet end en ramjet, som kræver flyets hastighed for at udføre luftkompressionen.
Det betyder, at RRDE kan operere ved alle hastigheder og kan fungere som en selvstændig motor. I så fald skal RRDE matches med passende indtags- og udstødningskomponenter, såsom justerbare diffusere, guidevinger og dyser, for at udvide dets stabile driftsområde og anvendelsesscenarier.
Potentielt kunne den også anvendes i kombination med en turbojet, på samme måde som de fleste ramjet- og scramjet‑designs er lavet i dag.
Hypersoniske Flymotorer
Per definition bevæger detonationsbølger sig hurtigere end lydens hastighed, ofte meget hurtigere. RRDE forventes at generere stabile detonationsbølger, der kan nå en Mach‑nummer på 4 til 6 i forhold til den indkommende strøm.
Dette kunne gøre RRDE‑udstyrede fly i stand til hypersonisk flyvning over Mach 5+ (3.836 mph / 6.174 km/t) med betydeligt højere effektivitet end andre detonationsmotorer.
Højere effektivitet ville ikke kun reducere brændstofomkostningerne, men også muliggøre længere rækkevidde med samme brændstof. Eller en større bæreevne for samme rækkevidde, da der behøves mindre tungt brændstof.
Fra Teori Til Praksis
Indtil videre eksisterer RRDE kun som et design og har kun bevist sig selv i teoretiske og simulerede laboratorietests.
Der er derfor stadig en ret lang vej før en praktisk prototype, og endnu en længere vej mod kommercielle, masseproducerede RRDE‑motorer.
Dette vil indebære at løse virkelige problemer, som måske ikke er blevet taget i betragtning i simuleringen. For eksempel har det taget lang tid at opretholde en detonationsbølge i en statisk ringkanal for roterende detonationsmotorer. At holde detonationsbølgen stabil i en højhastighedsrotor vil være endnu sværere.
Udfordringer inden for ingeniørkunst og metallurgi vil også blive forventet, da det anvendte materiale skal være ultra‑effektivt.
Rotorbladene skal være lette nok til at rotere hurtigt og effektivt, men stærke nok til at håndtere hypersoniske indtagsluftstrømme … samt konstante eksplosive detonations mellem bladene.
Roterende Eksplosionsmotorvirksomhed
Indtil videre er størstedelen af forskningen på denne nye type motor udført af offentlige forskningsinstitutter, primært rum- og militæragenturer, herunder NASA, US Air Force, Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA), russisk Energomash osv.
Der er dog én privat virksomhed, der har demonstreret sin evne til at bygge en roterende detonationsmotor tilbage i 2023: General Electric.
GE Aerospace
(GE )
General Electric Aerospace er resultatet af opdelingen af GE‑konglomeratet i 3 dele i 2024: GE Aerospace, GE HealthCare (GEHC ), og GE Vernova (energi) (GEV ).
Dette blev gjort for at fokusere virksomheden på kernekompetencer efter flere årtier med finansialisering, som i sidste ende har vist sig at være netto negativ.
Virksomheden er en central leverandør til den aeronautiske industri, med omkring 3 milliarder mennesker, der rejser med GE Aerospace‑teknologi hvert år, og omkring 900.000 mennesker, der flyver i GE‑drevne fly på ethvert tidspunkt (3 ud af 4 kommercielle flyvninger). Dette er bygget på en række motorer til alle flystørrelser og -applikationer.
Kilde: GE Aerospace
På lang sigt forventes dette udvalg af motorer at blive erstattet af en ny generation med højere brændstofeffektivitet, opnået gennem langsigtede F&U‑indsatser. Dette kan ligge i området 10‑15 % brændstofeffektivitetsforbedring for civile fly og op til 25 % for militære fly.
Kilde: GE Aerospace
Udover motorer tilbyder virksomheden også siliciumkarbid‑teknologi til elektriske elsystemer og avionik (flyelektronik og -computere).
Virksomheden har længe været en førende inden for flypropulsionssystemer. Langt størstedelen af dens aktivitet drives af den civile sektor ($23,9 mia omsætning i 2023), efterfulgt af forsvarssegmentet ($9 mia).
70 % af virksomhedens omsætning stammer fra tjenester, især motorvedligeholdelse og -reparation, hvilket gør den til en meget stabil indtægt.
Kilde: GE Aerospace
Virksomheden investerer i fremtidig teknologi for at bevare sin førerposition, især 3D‑printning med GE Additive, den eneste OEM (Original Equipment Manufacturer) inden for metaladditiv fremstilling med en fuld end‑to‑end‑løsning.
Kilde: GE Aerospace
GE’s roterende detonationsmotor
Som tidligere diskuteret har GE også opnået den verdensførste hypersoniske dual‑mode ramjet (DMRJ) rig‑test med roterende detonationsforbrænding (RDC) i en supersonisk strøm.
Dette blev gjort muligt takket være GEs ekspertise inden for højtemperatur keramiske matrixkompositter (CMCs), siliciumkarbid‑elektronik, additive teknologier og avanceret termisk styring.
“De betydelige resultater, vi har opnået indtil nu, giver os tillid til, at vi bevæger os i den rigtige retning.
Teamet har arbejdet meget hurtigt; det tog kun 12 måneder fra start til slut for DMRJ‑demonstrationen med RDC. Teamet er på rette vej med sit mål om at demonstrere en fuld DMRJ med RDC i skala næste år.”
Hypersoniske motorer som denne kan først blive brugt i avancerede militære anvendelser, fra kampfly til missiler. Men den vil sandsynligvis også finde vej ind i civile hypersoniske fly en dag, og GEs tilstedeværelse i begge markeder bør hjælpe med at udnytte denne nye teknologi.
Alt i alt, efter en lang periode som et retningsløst konglomerat med fokus på finansiel engineering, ser det ud til, at GE er tilbage på sporet for at genoprette sig selv som et centrum for amerikansk ingeniørkunst og fremstilling, på et tidspunkt hvor re‑industrialisation og re‑shoring er stærke tendenser.
