Ruimte
Hypersonisch Reizen Herzien met de Ram‑Rotor Detonatie‑motor (RRDE)
De Derde Generatie van Vliegtuigvoortstuwing
Sinds de eerste vlucht van de gebroeders Wright is het centrale concept van gemotoriseerd vliegen het comprimeren van lucht om voortstuwing te genereren. Dit werd voor het eerst gedaan met steeds grotere propellers in vliegtuigen uit de Eerste en Tweede Wereldoorlog.
De volgende stap was de straalmotor, met het eerste straal aangedreven vliegtuig, de Heinkel He 178, gelanceerd in 1939. In een straalmotor comprimeren bewegende delen de lucht en injecteren brandstof om een krachtige verbranding te creëren, die vervolgens naar de turbine en de straalmond wordt geleid om voortstuwing te produceren.
Bron: Wikipedia
Later werd dit verbeterd met de ramjet, waarbij de beweging van het vliegtuig de luchtcompressie veroorzaakt, waardoor nog hogere snelheden mogelijk zijn. Boven een bepaalde snelheid zouden de bewegende delen in een turbostraalmotor simpelweg te snel gaan en breken. Het eerste vliegtuig dat een ramjet gebruikte was de Leduc 0.10 in 1949.
Bron: Tech Brief
Er bestaat een verbeterde versie van de ramjet, de scramjet (supersonische ramjet). Deze motor hoeft de binnenkomende lucht niet te vertragen voor verbranding, maar behoudt een supersonische luchtstroom en behaalt een hogere brandstofefficiëntie.
Scramjets werden al in 1958 geconceptualiseerd, maar pas in 2001 getest in NASA’s X‑43A. Drie jaar later bereikte het experimentele vliegtuig snelheden van Mach 6,8 (5 217 mph of 8 396 km/h) en Mach 9,6 (7 366 mph of 11 854 km/h).
Dit was indrukwekkend, maar de straaltechnologie bereikt in zekere mate haar grenzen, net zoals de propeller uit het begin van de 20ste eeuw niet verder kon gaan dan een bepaalde snelheid.
Dit is de reden waarom wetenschappers en ingenieurs nu naar een geheel ander concept kijken: roterende detonatiemotoren.
Roterende Detonatiemotoren
Vanuit thermodynamisch oogpunt zijn detonaties efficiënter dan de meer gangbare deflagratie (klassieke verbranding). Theoretisch zouden ze dus kunnen worden gebruikt om brandstof efficiënter te verbranden en/of hogere vliegsnelheden te bereiken.
Natuurlijk zijn explosies veel moeilijker te benutten voor daadwerkelijke voortstuwing in een vliegtuigmotor zonder … halverwege de vlucht te exploderen.
In een roterende detonatiemotor wordt dit bereikt door detonatiewellen continu rond een ringvormige verbrandingskamer te laten voortbewegen. Omdat de detonatie met een hoge frequentie plaatsvindt, ontstaat er een bijna continue stuwkracht.
Zo’n motor werd voor het eerst met succes getest door NASA in 2020.
Dit type motor wordt verwacht tot 25 % efficiënter te zijn dan “normale” op verbranding gebaseerde straalmotoren. Ze hebben bovendien geen grote compressor vóór de verbrandingskamer nodig, wat enorme gewichtsbesparingen oplevert en de algehele efficiëntie van het vliegtuig waarschijnlijk verder zal verhogen.
Deze motoren zijn pas recent mogelijk geworden dankzij geavanceerde materialen. De belangrijkste beperkende factor was het vermogen van materialen om extreme temperaturen, een eindeloze stroom schokgolven en een zuurstofrijke stroming gelijktijdig te weerstaan.
Een Detonatie‑Ramjet?
Een ernstig nadeel van roterende detonatiemotoren is dat ze veel minder efficiënt werken bij atmosferische drukken. Net als ramjets en scramjets moeten ze idealiter eerst tot supersonische of hypersonische snelheid worden voortgestuwd voordat ze geactiveerd kunnen worden.
Nu ontstaat er een nog geavanceerder concept, de ram‑rotor detonatiemotor. Deze werd ontwikkeld door Chinese wetenschappers van de School of Aerospace Engineering aan de Tsinghua‑universiteit in Peking. Ze publiceerden hun werk in het Chinese Journal of Aeronautics, onder de titel “Primary Investigation on Ram‑Rotor Detonation Engine”.
Ram‑Rotor Detonatie‑motor (RRDE)
Het kernidee van een RRDE is de detonatie te stabiliseren binnen een hogesnelheidsrotor. Het stroomkanaal comprimeert het lucht‑brandstofmengsel tot de ideale omstandigheden voor detonatie, ongeacht de inlaatsnelheid.
De detonatiewelle wordt op zijn plaats gehouden door de relatieve snelheden van de inlaatstroom en de uitzettende gassen en schokgolven die de uitlaat verlaten, in evenwicht te brengen.
Door dit proces blijft de detonatiewelle stationair ten opzichte van de bladen.
RRDE Voordelen
Flexibiliteit
Omdat de motor de compressie van de lucht kan moduleren, gedraagt hij zich meer als een klassieke turbostraalmotor dan als een ramjet, die de snelheid van het vliegtuig nodig heeft om de luchtcompressie te bewerkstelligen.
Dit betekent dat de RRDE bij alle snelheden kan opereren en kan functioneren als een zelfstandige motor. In dat geval moet de RRDE worden gekoppeld aan geschikte inlaat‑ en uitlaatsystemen, zoals verstelbare diffusers, geleidingsvinnen en nozzles, om het stabiele werkingsbereik en de toepassingsscenario’s uit te breiden.
Mogelijk kan hij ook in combinatie met een turbostraalmotor worden gebruikt, vergelijkbaar met hoe de meeste ramjet‑ en scramjet‑ontwerpen tegenwoordig worden gerealiseerd.
Hypersonische Vliegtuigmotoren
Per definitie reizen detonatiewellen sneller dan de geluidssnelheid, vaak veel sneller. Van de RRDE wordt verwacht stabiele detonatiewellen te genereren die een Mach‑getal van 4 tot 6 kunnen bereiken ten opzichte van de inkomende stroming.
Dit zou RRDE‑uitgeruste vliegtuigen in staat kunnen stellen hypersonisch te vliegen boven Mach 5+ (3 836 mph / 6 174 km/h), met aanzienlijk hogere efficiëntie dan andere detonatiemotoren.
Hogere efficiëntie zou niet alleen de brandstofkosten verlagen, maar ook een groter bereik mogelijk maken met dezelfde brandstof. Of een hoger draagvermogen voor hetzelfde bereik, omdat er minder zware brandstof hoeft te worden meegenomen.
Van Theorie naar Praktijk
Tot nu toe bestaat de RRDE alleen als ontwerp en heeft hij zich alleen in theoretische en gesimuleerde laboratoriumtests bewezen.
Er ligt dus nog een lange weg te gaan voordat er een praktisch prototype bestaat, en een nog langere weg naar commerciële, massaproductie‑RRDE’s.
Dit betekent dat er echte wereldproblemen moeten worden opgelost die mogelijk niet in de simulatie waren meegenomen. Bijvoorbeeld, het heeft lang geduurd om een detonatiewelle in een statisch ringkanaal van roterende detonatiemotoren vol te houden. Het stabiel houden van de detonatiewelle in een hogesnelheidsrotor zal nog moeilijker zijn.
Uitdagingen op het gebied van engineering en metallurgie worden eveneens verwacht, aangezien het gebruikte materiaal ultrahoge efficiëntie moet bieden.
De rotorbladen moeten licht genoeg zijn om snel en efficiënt te draaien, maar sterk genoeg om hypersonische inlaatluchtstromen aan te kunnen … evenals constante explosieve detonaties tussen de bladen.
Rotating Explosion Engine Bedrijf
Tot nu toe is het grootste deel van het onderzoek naar dit nieuwe type motor uitgevoerd door openbare onderzoeksinstituten, voornamelijk ruimte‑ en militaire agentschappen, waaronder NASA, de Amerikaanse luchtmacht, de Japanse ruimtevaartorganisatie JAXA, het Russische Energomash, enzovoort.
Er is echter één particulier bedrijf dat in 2023 aantoonde dat het een roterende detonatiemotor kon bouwen: General Electric.
GE Aerospace
(GE )
General Electric Aerospace is het resultaat van de opsplitsing van het GE‑conglomeraat in drie delen in 2024: GE Aerospace, GE HealthCare (GEHC ), en GE Vernova (energie) (GEV ).
Dit werd gedaan om het bedrijf te heroriënteren op de kerncompetenties, na meerdere decennia van financialisering die uiteindelijk een netto negatieve impact hadden.
Het bedrijf is een centrale leverancier voor de luchtvaartindustrie, met ongeveer 3 miljard mensen die jaarlijks reizen met GE Aerospace‑technologie, en ongeveer 900 000 mensen die op elk moment vliegen in door GE aangedreven vliegtuigen (3 van de 4 commerciële vluchten). Dit is opgebouwd uit een reeks motoren voor alle vliegtuiggroottes en -toepassingen.
Bron: GE Aerospace
Op de lange termijn wordt verwacht dat dit assortiment motoren wordt vervangen door een nieuwe generatie met hogere brandstofefficiëntie, bereikt door langdurige R&D‑inspanningen. Dit zou een verbetering van 10‑15 % in brandstofefficiëntie voor civiele vliegtuigen kunnen opleveren en tot 25 % voor militaire vliegtuigen.
Bron: GE Aerospace
Naast motoren biedt het bedrijf ook siliciumcarbide‑technologie voor elektrische energiesystemen en avionica (vliegtuigelektronica en computers).
Het bedrijf is al lange tijd een leider op het gebied van voortstuwingssystemen voor vliegtuigen. Verreweg de grootste activiteit komt van de civiele sector ($23,9 mrd omzet in 2023), gevolgd door de defensiesector ($9 mrd).
70 % van de omzet van het bedrijf komt uit diensten, met name motoronderhoud en -reparatie, waardoor het een zeer stabiele inkomstenstroom heeft.
Bron: GE Aerospace
Het bedrijf investeert in toekomstige technologieën om zijn voorsprong te behouden, met name 3D‑printen via GE Additive, de enige OEM (Original Equipment Manufacturer) in metaal‑additieve productie met een volledige end‑to‑end‑oplossing.
Bron: GE Aerospace
GE’s Rotating Detonation Engine
Zoals eerder besproken heeft GE ook de wereldprimeur hypersonische dual‑mode ramjet (DMRJ) test met roterende detonatie‑verbranding (RDC) in een supersonische stroom bereikt.
Dit werd mogelijk gemaakt dankzij GE’s expertise in hoogtemperatuur‑keramische matrix‑composieten (CMCs), siliciumcarbide‑elektronica, additive‑technologieën en geavanceerd thermisch beheer.
“De significante resultaten die we tot nu toe hebben behaald, geven ons vertrouwen dat we de juiste kant op gaan.
Het team heeft zeer snel gewerkt; het duurde slechts 12 maanden van start tot finish voor de DMRJ‑test met RDC. Het team ligt op schema om volgend jaar een volledige DMRJ met RDC op schaal te demonstreren.”
Hypersonische motoren zoals deze zouden eerst kunnen worden ingezet in geavanceerde militaire toepassingen, van gevechtsvliegtuigen tot raketten. Maar ze zullen waarschijnlijk ook op een dag hun weg vinden naar civiele hypersonische vliegtuigen, en de aanwezigheid van GE in beide markten zou moeten helpen om van deze opkomende technologie te profiteren.
Al met al, na een lange periode als een richtingsloos conglomeraat dat zich richtte op financial engineering, lijkt het erop dat GE weer op koers is om zich opnieuw te vestigen als een centrum van Amerikaans engineering en productie, op een moment dat re‑industrializatie en reshoring sterke trends zijn.
