Avaruus
Hypersonisen matkustamisen uudelleenarviointi Ram‑Rotor‑detonointimoottorin (RRDE) avulla
Lisää Securities.io suosikkilähteisiisi Google-palvelussa
Uusia lentokoneiden työntövoimaratkaisuja
Lentokoneiden moottorit ovat kehittyneet huomattavasti Wrightin veljesten ensimmäisestä lennosta. Eri moottorityypit tuottavat työntövoimaa eri tavoin.
Potkuri kiihdyttää ilmaa taaksepäin, jolloin koneeseen kohdistuu eteenpäin suuntautuva voima. Toimintaa ei voi kuvata pelkästään ilman tiivistämiseksi.
Lähde: Wikipedia
Heinkel He 178 teki ensimmäisen lentonsa suihkumoottorilla vuonna 1939. Se oli kokeellinen kone, ei tuolloin käyttöön otettu matkustajakone.
Tavallisessa kaasuturbiinimoottorissa kompressori puristaa ilmaa, palotilassa poltetaan polttoainetta ja turbiini ottaa osan energiasta kompressorin pyörittämiseen. Suutin ja mahdollinen puhallin tuottavat työntövoimaa kiihdyttämällä virtausta.
Lähde: Tech Brief
Patoputkimoottorissa eli ramjetissa eteenpäin suuntautuva liike auttaa puristamaan sisään tulevaa ilmaa ilman tavanomaista pyörivää kompressoria. Se tarvitsee siksi aluksi muuta kiihdytystä. Suurten nopeuksien haasteet liittyvät muun muassa virtaukseen ja kuumenemiseen, eivät vain turbiinin osien liian nopeaan pyörimiseen.
Scramjet on patoputkimoottori, jonka palotilassa virtaus pysyy yliäänisenä. Sen hyöty suurilla lentonopeuksilla riippuu suunnittelusta ja käyttöolosuhteista.
NASAn X-43A:n vuoden 2001 lentoyritys epäonnistui kantoraketin ongelman vuoksi. Onnistuneilla lennoilla vuonna 2004 saavutettiin noin Mach 6,8 ja Mach 9,6.
Eri moottorityypeillä on omat käyttöalueensa. Myös1900-luvun alunpotkurikoneiden suorituskykyä rajoittivat aerodynamiikka ja käytettävissä oleva tekniikka.
Siksi tutkitaan myös vaihtoehtoisia palamisprosesseja, kuten pyörivää detonaatiota.
Pyörivään detonaatioon perustuvat moottorit
Detonaatioon perustuva palaminen voi teoriassa tarjota termodynaamisia etuja tavalliseen deflagraatioon verrattuna. Koko moottorin hyöty riippuu kuitenkin myös painehäviöistä, jäähdytyksestä ja muista osajärjestelmistä.
Haasteena on hallita voimakkaita paineaaltoja ja saada niistä tasaista, käyttökelpoista työntövoimaa.
Pyörivässä detonaatiomoottorissa yksi tai useampi detonaatioaalto kiertää rengasmaisessa palotilassa. Tiheästi toistuva prosessi voi tuottaa lähes jatkuvaa työntövoimaa.
Tällaisia moottoreita on kehitetty ja testattu useissa tutkimusohjelmissa. Vuoden 2020 vetypohjainen koe liittyi UCF:n ja Yhdysvaltain ilmavoimien tutkimukseen, eikä sitä pidä nimetä NASAn kaikkien aikojen ensimmäiseksi detonaatiomoottorikokeeksi.
Joissakin konsepteissa tavoitellaan huomattavia hyötysuhdeparannuksia. Yleinen 25 prosentin etu kaikkiin suihkumoottoreihin nähden ei kuitenkaan ole osoitettu. Ilmaa käyttävä ratkaisu voi edelleen tarvita kompressorin, kun taas rakettimoottorin hapetin tuodaan mukana.
Materiaalit, ruiskutus, palamisen vakaus ja lämmönhallinta ovat keskeisiä haasteita. Moottoreita on tutkittu pitkään, eikä niiden mahdollistuminen johdu vain yhdestä uudesta materiaalista.
Detonaatio ja patoputkimoottori
Pyörivä detonaatio ei itsessään edellytä, että lentokone liikkuu yliääninopeudella. Käynnistys- ja painevaatimukset riippuvat siitä, onko kyse raketista, kaasuturbiinista vai ilmaa käyttävästä patoputkiratkaisusta.
Tsinghuan yliopiston tutkijat esittivät toisenlaisen konseptin, Ram-Rotor Detonation Enginen eli RRDE:n. Teoreettinen ja numeerinen työ julkaistiin Chinese Journal of Aeronautics -lehdessä otsikolla ”Alustava tutkimus Ram-Rotor-detonaatiomoottorista”.
Ram-Rotor-detonaatiomoottori eli RRDE
RRDE:ssä nopea roottori muokkaa ja puristaa virtausta. Tavoitteena on ylläpitää detonaatiolle sopivia olosuhteita ja laajentaa toiminta-aluetta.
Suunnittelussa virtaus ja roottorin liike sovitetaan yhteen niin, että detonaatioaalto voi pysyä vakaana roottorin koordinaatistossa.
Aalto olisi siis paikallaan suhteessa lapoihin, vaikka roottori liikkuu.
RRDE:n edut
Joustavuus
Roottori tarjoaa keinon puristaa virtausta myös muuten kuin pelkän lentonopeuden avulla. Tämä erottaa konseptin tavanomaisesta ramjetista.
Analyysi käsittelee mahdollista laajaa käyttöaluetta, mutta toimintaa kaikilla nopeuksilla ei ole osoitettu valmiissa moottorissa. Ilmanotto, ohjaussiivet, diffuusorit ja suutin on sovitettava kokonaisuuteen.
Konseptia voitaisiin tutkia myös yhdistetyn moottorijärjestelmän osana. Yhdistelmän käytännön toteutus vaatii erillistä kehitystä.
Mahdollisuus hypersoniseen lentoon
Detonaatioaalto etenee yli äänennopeudella suhteessa palamattomaan seokseen. Tutkimuksessa tarkastellut suhteelliset Mach-luvut eivät ole suoraan lentokoneen nopeuksia.
Hypersoninen lento tarkoittaa tavallisesti yli Mach 5:n nopeutta. Detonaation nopeudesta ei voi yksin päätellä, että RRDE-kone saavuttaisi tämän tai olisi muita moottoreita tehokkaampi.
Jos kokonaisjärjestelmän hyötysuhde paranisi, sama polttoainemäärä voisi riittää pidemmälle tai mahdollistaa suuremman hyötykuorman. Tällainen hyöty on vielä osoitettava.
Teoriasta käytäntöön
Julkaistu RRDE-työ perustui teoreettiseen analyysiin ja numeerisiin simulaatioihin. Se ei ollut toimivan lentomoottorin laboratoriokoe.
Käytännön prototyyppiin ja mahdolliseen sarjatuotantoon liittyy siksi paljon lisätyötä.
Simulaation oletukset on testattava kokeellisesti. Detonaatioaallon vakauden säilyttäminen roottorin kanavissa on yksi tärkeistä kysymyksistä.
Myös rakenteiden lujuus, materiaalit, jäähdytys ja valmistettavuus vaativat ratkaisuja.
Lapojen on kestettävä pyörimisestä, kuumuudesta ja paineiskuista aiheutuvat kuormat. Niihin tuleva paikallinen virtaus ja lentokoneen nopeus eivät ole sama asia.
Detonaatiomoottoreita kehittäviä toimijoita
Tutkimusta tekevät yliopistot, julkiset tutkimuslaitokset ja yritykset. Mukana on avaruus- ja puolustustoimijoita, mutta kehitystä ei ole rajattu yhteen organisaatioon.
Yksi yritysesimerkki on GE Aerospace, joka ilmoitti vuonna 2023 pyörivää detonaatiopalamista käyttävän hypersonisen kaksoistoimisen patoputkimoottorin koepenkistä. Kanadalainen talletustodistus tarjoaa erillisen tavan seurata osaketta: (GE.TO ).
GE Hintakaavio
GE Aerospace (GE ) jäi jäljelle konsernin vaiheittaisen jakautumisen jälkeen. GE HealthCare (GEHC ) irtautui vuonna 2023 ja GE Vernova (GEV ) huhtikuussa 2024.
Järjestelyn tavoitteena oli keskittää erilliset yhtiöt omiin toimialoihinsa. Sen pitkän aikavälin vaikutuksia on arvioitava erikseen.
GE Aerospace on merkittävä lentokonemoottorien ja niihin liittyvien palvelujen toimittaja. Yhtiön esittämät matkustaja- ja lentomäärät kuvaavat sen ja yhteistyöohjelmien teknologian laajaa käyttöä, eivät itsessään tulevaa kasvua.
Lähde: GE Aerospace
Yhtiö kehittää uusia moottoriteknologioita polttoaineenkulutuksen pienentämiseksi. Eri siviili- ja puolustusohjelmien prosenttitavoitteet koskevat tiettyjä vertailukohtia, eivät yleistä parannusta jokaiseen käytössä olevaan moottoriin.
Lähde: GE Aerospace
Moottorien lisäksi toimintaan kuuluu sähköjärjestelmiä, piikarbiditeknologiaa ja ilmailuelektroniikkaa.
Vuoden 2024 sijoittajamateriaaleissa vuoden 2023 kaupallisten moottorien ja palvelujen liikevaihdoksi ilmoitettiin noin 23,9 miljardia dollaria ja puolustus- ja propulsiosegmentin liikevaihdoksi noin 9 miljardia.
Palvelut, kuten huolto ja korjaus, muodostavat suuren osan liiketoiminnasta. Toistuva kysyntä ei kuitenkaan tee liikevaihdosta tai tuloksesta riskitöntä.
Lähde: GE Aerospace
Yhtiö on hyödyntänyt myös metallien lisäävää valmistusta GE Additiven kautta. Tässä on kyse valmistusteknologiasta, ei todisteesta siitä, että yritys olisi ainoa alan kokonaisratkaisujen toimittaja.
Lähde: GE Aerospace
GE:n pyörivä detonointimoottori
GE ilmoitti vuonna 2023 toteuttaneensa hypersonisen kaksoistoimisen patoputkimoottorin koepenkkikokeen, jossa pyörivä detonaatio tapahtui yliäänisessä virtauksessa. Yhtiö kuvasi tätä ensimmäiseksi tällaiseksi yhdistelmäksi; kyse ei ollut valmiin lentokoneen lennosta.
Kehityksessä hyödynnettiin muun muassa korkean lämpötilan materiaaleja, lisäävää valmistusta ja lämmönhallintaa.
GE Aerospacen Mark Rettig kertoi vuoden 2023 tiedotteessa tulosten vahvistaneen ryhmän luottamusta kehityssuuntaan.
Hänen mukaansa demonstraation rakentaminen kesti noin 12 kuukautta ja seuraavaksi tavoiteltiin täysimittaista koetta. Tiedotteessa esitetty tavoite ei vielä osoittanut sen myöhempää toteutumista.
Mark Rettig — GE Aerospacen Edison Works -liiketoiminnan ja teknologian kehitysjohtaja
Varhaisia käyttökohteita voisi löytyä puolustuksesta. Siviilikäyttö edellyttäisi lisäksi taloudellisuuden, turvallisuuden, melun ja hyväksynnän ratkaisemista.
GE Aerospacen erikoistuminen voi tukea sen kehitystyötä. RRDE-konseptin tai detonaatiopalamisen eteneminen ei silti takaa yhtiölle kaupallista menestystä.
