Αναθεώρηση του Υπεραεροδυναμικού Ταξιδιού με τον Κινητήρα Ραμ‑Ροτόρ Έκρηξης (RRDE)

Η Τρίτη Γενιά Πρόωσης Αεροσκαφών

Από την πρώτη πτήση των αδελφών Ράιτ, η κεντρική ιδέα της μηχανοποιημένης πτήσης ήταν η συμπίεση του αέρα για την παραγωγή πρόωσης. Αυτό έγινε αρχικά με τα όλο και μεγαλύτερα ελικόπτερα στα αεροπλάνα του Α’ και του Β’ Παγκοσμίου Πολέμου.

Το επόμενο βήμα ήταν η κινητήρας αεριοπροώθησης, με το πρώτο αεροπλάνο που τροφοδοτήθηκε από αεριοπρόωση, το Heinkel He 178, που εκτοξεύθηκε το 1939. Σε έναν κινητήρα αεριοπροώθησης, τα κινούμενα μέρη συμπιέζουν τον αέρα και εισάγουν καύσιμο για να δημιουργήσουν ένα ισχυρό φαινόμενο καύσης, το οποίο κατευθύνεται στη στροφή και στο ακροφύσιο του αεριοπροωθητή για την παραγωγή πρόωσης.

Αυτό βελτιώθηκε αργότερα με το ραμτζετ, όπου η κίνηση του αεροπλάνου δημιουργεί τη συμπίεση του αέρα, επιτρέποντας ακόμη μεγαλύτερες ταχύτητες. Πέρα από μια ορισμένη ταχύτητα, τα κινούμενα μέρη ενός τζετ κινητήρα θα κινούνταν πολύ γρήγορα και θα σπάσανε. Το πρώτο αεροπλάνο που χρησιμοποίησε ραμτζετ ήταν το Leduc 0.10 το 1949.

Υπάρχει μια βελτιωμένη έκδοση του ραμτζετ, που ονομάζεται σκραμτζετ (υπέρ‑ηχητικό ραμτζετ). Αυτός ο κινητήρας δεν χρειάζεται να επιβραδύνει τον εισερχόμενο αέρα για την καύση, αλλά διατηρεί υπερ‑ηχηρή ροή αέρα και επιτυγχάνει υψηλότερη απόδοση καυσίμου.

Τα σκραμτζετ είχαν θεωρηθεί ήδη το 1958, αλλά δοκιμάστηκαν μόνο το 2001 στο X-43A της NASA. Τρία χρόνια αργότερα, το πειραματικό αεροπλάνο έφτασε σε ταχύτητες Mach 6.8 (5.217 μίλια/ώρα ή 8.396 km/h) και Mach 9.6 (7.366 μίλια/ώρα ή 11.854 km/h).

Αυτό ήταν εντυπωσιακό, αλλά η τεχνολογία των τζετ φτάνει σε όρια σε κάποιο βαθμό, όπως και τα πρώτα ελικόπτερα του αρχιτελικού 20^ου-αίωνα δεν μπορούσαν να ξεπεράσουν μια ορισμένη ταχύτητα.

Γι’ αυτό οι επιστήμονες και οι μηχανικοί τώρα εξετάζουν μια εντελώς διαφορετική έννοια: κινητήρες περιστροφικής έκρηξης.

Κινητήρες Περιστροφικής Έκρηξης

Από θερμοδυναμική άποψη, οι εκρήξεις είναι πιο αποδοτικές από την πιο κοινή γνωστή αποσβέση (κλασική καύση). Έτσι, θεωρητικά, θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για πιο αποδοτική καύση καυσίμου και/ή για επίτευξη υψηλότερων ταχυτήτων πτήσης.

Φυσικά, οι εκρήξεις είναι πολύ πιο δύσκολο να αξιοποιηθούν σε πραγματική πρόωση σε κινητήρα αεροσκάφους χωρίς … να εκραγούν κατά τη διάρκεια της πτήσης.

Σε έναν κινητήρα περιστροφικής έκρηξης, αυτό επιτυγχάνεται δημιουργώντας κύματα έκρηξης που προωθούνται συνεχώς γύρω από ένα δακτυλιοειδές θάλαμο καύσης. Καθώς η έκρηξη συμβαίνει με υψηλή συχνότητα, δημιουργείται σχεδόν συνεχής ώθηση.

Τέτοιος κινητήρας επιτυχώς δοκιμάστηκε για πρώτη φορά από τη NASA το 2020.

Αναμένεται ότι αυτό το είδος κινητήρα θα είναι έως και 25 % πιο αποδοτικό από τις «κανονικές» κινητήρες αεριοπροώθησης βασισμένες σε καύση. Επίσης, δεν χρειάζεται τον μεγάλο συμπιεστή πριν από τον θάλαμο καύσης, κάτι που εξοικονομεί τεράστιες ποσότητες βάρους, πιθανώς ενισχύοντας περαιτέρω τη συνολική απόδοση του αεροσκάφους.

Τέτοιοι κινητήρες έχουν γίνει δυνατόι πρόσφατα χάρη στα προηγμένα υλικά. Ο κύριος περιοριστικός παράγοντας ήταν η ικανότητα των υλικών να αντέχουν ακραίες θερμοκρασίες, ένα ατελείωτο ρεύμα κρουστικών κυμάτων και οξυγόνου‑πλούσια ροή ταυτόχρονα.

Ένα Ραμτζετ Έκρηξης;

Ένα σοβαρό μειονέκτημα των κινητήρων περιστροφικής έκρηξης είναι ότι λειτουργούν πολύ λιγότερο αποδοτικά σε ατμοσφαιρικές πιέσεις. Έτσι, παρόμοια με τα ραμτζετ και σκραμτζετ, χρειάζεται ιδανικά να επιταχυνθούν σε υπερηχητικές ή υπεραεροδυναμικές ταχύτητες πριν από την ενεργοποίηση.

Τώρα, εμφανίζεται μια ακόμη πιο προχωρημένη έννοια, ο κινητήρας ραμ‑ροτόρ έκρηξης. Αναπτύχθηκε από Κινέζους επιστήμονες της Σχολής Αεροδιαστημικής Μηχανικής, στο Πανεπιστήμιο Tsinghua, Πεκίνο. Δημοσίευσαν την εργασία τους στο Chinese Journal of Aeronautics, με τίτλο “Primary Investigation on Ram‑Rotor Detonation Engine“.

Κινητήρας Ραμ‑Ροτόρ Έκρηξης (RRDE)

Η βασική ιδέα ενός RRDE είναι η σταθεροποίηση της έκρηξης μέσα σε έναν υψηλής ταχύτητας ρότορα. Το κανάλι ροής συμπιέζει το μίγμα αέρα‑καυσίμου στις ιδανικές συνθήκες για έκρηξη, ανεξάρτητα από την ταχύτητα εισαγωγής.

Το κύμα έκρηξης διατηρείται στη θέση του εξισορροπώντας τις σχετικές ταχύτητες της εισροής αέρα και των διαστέλλων αερίων και κρουστικών κυμάτων που εξέρχονται από την εξαγωγή.

Μέσω αυτής της διαδικασίας, το κύμα έκρηξης παραμένει σταθερό σε σχέση με τα πτερύγια.

Πλεονεκτήματα RRDE

Ευελιξία

Επειδή ο κινητήρας μπορεί να ρυθμίσει τη συμπίεση του αέρα, λειτουργεί περισσότερο σαν κλασικός τζετ κινητήρας παρά σαν ραμτζετ, ο οποίος απαιτεί την ταχύτητα του αεροσκάφους για τη συμπίεση του αέρα.

Αυτό σημαίνει ότι το RRDE μπορεί να λειτουργήσει σε όλες τις ταχύτητες και να λειτουργήσει ως αυτόνομος κινητήρας. Σε αυτήν την περίπτωση, το RRDE θα χρειαστεί να συνδυαστεί με κατάλληλα εξαρτήματα εισαγωγής και εξαγωγής, όπως ρυθμιζόμενα διασκορπιστές, οδηγούς πτερυγίων και ακροφύσια, ώστε να επεκτείνει το σταθερό εύρος λειτουργίας και τα σενάρια.

Πιθανώς, θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί σε συνδυασμό με τζετ κινητήρα, παρόμοια με το πώς σχεδιάζονται σήμερα τα περισσότερα ραμτζετ και σκραμτζετ.

Κινητήρες Υπεραεροδυναμικών Αεροσκαφών

Κατά ορισμό, τα κύματα έκρηξης ταξιδεύουν ταχύτερα από την ταχύτητα του ήχου, συχνά πολύ πιο γρήγορα. Το RRDE αναμένεται να παράγει σταθερά κύματα έκρηξης που μπορούν να φτάσουν αριθμό Mach 4 έως 6 σε σχέση με τη ροή εισόδου.

Αυτό θα μπορούσε να επιτρέψει στα αεροπλάνα εξοπλισμένα με RRDE να είναι ικανοί για υπεραεροδυναμική πτήση πάνω από Mach 5+ (3.836 μίλια/ώρα / 6.174 km/h), με σημαντικά υψηλότερη απόδοση από άλλους κινητήρες έκρηξης.

Η υψηλότερη απόδοση δεν θα μειώσει μόνο το κόστος καυσίμου, αλλά θα επιτρέψει και μεγαλύτερη εμβέλεια με το ίδιο καύσιμο. Ή μεγαλύτερη φορτομεγαλία για την ίδια εμβέλεια, καθώς απαιτείται λιγότερο βαρύ καύσιμο να μεταφερθεί.

Από τη Θεωρία στην Πρακτική

Μέχρι στιγμής, το RRDE υπάρχει μόνο ως σχεδίαση και έχει αποδείξει τον εαυτό του μόνο σε θεωρητικές και προσομοιωμένες εργαστηριακές δοκιμές.

Έτσι, υπάρχει ακόμη ένας αρκετά μακρύς δρόμος πριν από ένα πρακτικό πρωτότυπο, και ακόμη μεγαλύτερος δρόμος προς εμπορικά, μαζικά παραγόμενα RRDE.

Αυτό θα σημαίνει την επίλυση προβλημάτων του πραγματικού κόσμου που ίσως δεν είχαν ληφθεί υπόψη στη προσομοίωση. Για παράδειγμα, χρειάστηκε πολύς χρόνος για τη διατήρηση ενός κύματος έκρηξης σε στατικό δακτυλιοειδές κανάλι για κινητήρες περιστροφικής έκρηξης. Η διατήρηση του κύματος έκρηξης σταθερού σε υψηλής ταχύτητας ρότορα θα είναι ακόμη πιο δύσκολη.

Αναμένονται επίσης προκλήσεις στην μηχανική και τη μεταλλουργία, καθώς το υλικό που θα χρησιμοποιηθεί θα πρέπει να είναι εξαιρετικά αποδοτικό.

Τα πτερύγια του ρότορα θα πρέπει να είναι αρκετά ελαφριά ώστε να περιστρέφονται γρήγορα και αποδοτικά, αλλά και αρκετά ανθεκτικά για να αντέχουν υπεραεροδυναμικές ροές εισαγωγής αέρα … καθώς και συνεχείς εκρηκτικές εκρήξεις μεταξύ των πτερυγίων.

Εταιρεία Κινητήρων Περιστροφικής Έκρηξης

Μέχρι στιγμής, η πλειονότητα της έρευνας για αυτόν τον νέο τύπο κινητήρα έχει διεξαχθεί από δημόσια ερευνητικά ιδρύματα, κυρίως διαστημικές και στρατιωτικές υπηρεσίες, όπως η NASA, η Αεροπορική Δύναμη των ΗΠΑ, η Ιαπωνική Υπηρεσία Διαστημικής Εξερεύνησης (JAXA), η ρωσική Energomash κ.ά.

Υπάρχει όμως μια ιδιωτική εταιρεία που έδειξε την ικανότητά της να κατασκευάσει έναν κινητήρα περιστροφικής έκρηξης το 2023: η General Electric (GE.TO ).

General Electric Aerospace είναι το αποτέλεσμα του διαχωρισμού του συγκροτήματος GE σε 3 μέρη το 2024: GE Aerospace (GE ), GE HealthCare (GEHC ), και GE Vernova (ενέργεια) (GEV ).

Αυτό έγινε για να επαναπροσανατολιστεί η εταιρεία στην κύρια ικανότητά της, μετά από αρκετές δεκαετίες χρηματοοικονομικής εξειδίκευσης που τελικά αποδείχθηκε καθαρά αρνητική.

Η εταιρεία είναι κεντρικός προμηθευτής της αεροναυπηγικής βιομηχανίας, με περίπου 3 δισεκατομμύρια ανθρώπους που ταξιδεύουν ετησίως χρησιμοποιώντας την τεχνολογία GE Aerospace, και περίπου 900.000 άτομα που πετούν σε αεροσκάφη με κινητήρες GE τη δεδομένη στιγμή (3 από τα 4 εμπορικά πτήση). Αυτό βασίζεται σε μια σειρά κινητήρων για όλα τα μεγέθη και τις εφαρμογές αεροσκαφών.

Μακροπρόθεσμα, αυτή η σειρά κινητήρων αναμένεται να αντικατασταθεί από μια νέα γενιά με υψηλότερη απόδοση καυσίμου, επιτευχθεί μέσω μακροπρόθεσμων προσπαθειών Ε&Α. Αυτό θα μπορούσε να είναι βελτίωση της απόδοσης καυσίμου κατά 10‑15 % για πολιτικά αεροσκάφη και έως 25 % για στρατιωτικά αεροσκάφη.

Εκτός από κινητήρες, η εταιρεία προσφέρει επίσης τεχνολογία πυριτίου πυριτίου για ηλεκτρικά συστήματα ενέργειας και αεροπορικά ηλεκτρονικά (ηλεκτρονικά αεροσκαφών και υπολογιστές).

Η εταιρεία είναι εδώ και πολύ καιρό ηγέτης στα συστήματα πρόωσης αεροσκαφών. Κατά πολύ η δραστηριότητά της καθοδηγείται από τον πολιτικό τομέα (έσοδα 23,9 δισεκατομμύρια δολάρια το 2023), ακολουθούμενη από τον τομέα άμυνας (9 δισεκατομμύρια δολάρια).

Το 70 % των εσόδων της εταιρείας προέρχεται από υπηρεσίες, ιδιαίτερα συντήρηση και επισκευή κινητήρων, καθιστώντας το πολύ σταθερό εισόδημα.

Η εταιρεία επενδύει σε τεχνολογίες του μέλλοντος για να διατηρήσει το πλεονέκτημά της, ιδιαίτερα στην τρισδιάστατη εκτύπωση με τη GE Additive, τον μοναδικό OEM (Κατασκευαστής Πρωτότυπου Εξοπλισμού) στην κατασκευή μετάλλων με προσθετική τεχνολογία με πλήρη λύση από την αρχή μέχρι το τέλος.

Ο Περιστροφικός Κινητήρας Έκρηξης της GE

Όπως συζητήθηκε προηγουμένως, η GE πέτυχε επίσης το πρώτο παγκόσμιο δοκιμαστικό σύστημα υπεραεροδυναμικού διπλού‑λειτουργικού ραμτζετ (DMRJ) με περιστροφική καύση έκρηξης (RDC) σε υπερηχηρή ροή.

Αυτό ήταν δυνατό χάρη στην κυριαρχία της GE στα υψηλής θερμοκρασίας κεραμικά σύνθετα (CMCs), στην ηλεκτρονική ισχύ πυριτίου πυριτίου, στις προσθετικές τεχνολογίες και στη προχωρημένη διαχείριση θερμότητας.

“Τα σημαντικά αποτελέσματα που έχουμε μέχρι σήμερα μας δίνουν εμπιστοσύνη ότι προχωράμε στη σωστή κατεύθυνση.

Η ομάδα προχώρησε πολύ γρήγορα, χρειάστηκαν μόλις 12 μήνες από την αρχή μέχρι το τέλος για την επίδειξη του DMRJ με RDC. Η ομάδα βρίσκεται στο σωστό δρόμο με τον στόχο της να επιδείξει ένα πλήρες DMRJ με RDC σε κλίμακα τον επόμενο χρόνο.

Mark Rettig – Vice President & General Manager, Edison Works Business & Technology Development, GE Aerospace

Οι υπεραεροδυναμικοί κινητήρες όπως αυτός μπορεί να χρησιμοποιηθούν πρώτα σε προηγμένες στρατιωτικές εφαρμογές, από μαχητικά αεροπλάνα έως πύραυλους. Ωστόσο, είναι πιθανό να ενσωματωθούν και σε πολιτικά υπεραεροδυναμικά αεροπλάνα στο μέλλον, και η παρουσία της GE και στις δύο αγορές θα βοηθήσει στην αξιοποίηση αυτής της αναδυόμενης τεχνολογίας.

Γενικά, μετά από μια μακρά περίοδο ως ακατεύθυντο συγκρότημα και εστίαση στη χρηματοοικονομική μηχανική, φαίνεται ότι η GE βρίσκεται ξανά στο σωστό δρόμο για να επαναβεβαιώσει τον εαυτό της ως κέντρο αμερικανικής μηχανικής και κατασκευής, σε μια εποχή όπου η επανεξέλιξη της βιομηχανίας και η επαναφορά παραγωγής στη χώρα είναι ισχυρές τάσεις.