Romfart
Tenker nytt om hypersonisk reise med Ram‑Rotor Detonasjonsmotor (RRDE)
Legg til Securities.io blant dine foretrukne kilder på Google
Den tredje generasjonen av flypropulsjon
Since the Wright brothers’ first flight, the central concept of mechanized flying has been compressing air to generate propulsion. This was first done with the ever-larger propellers in WWI and WW2 planes.
Det neste steget var jetmotoren, med det første jetdrevne flyet, Heinkel He 178, som ble lansert i 1939. I en jetmotor komprimerer bevegelige deler luften og injiserer drivstoff for å skape en kraftig forbrenningseffekt, som deretter ledes til turbinen og jetdyse for å generere fremdrift.
Kilde: Wikipedia
Dette ble senere forbedret med ramjetten, hvor flyets bevegelse skaper luftkomprimering, noe som tillater enda høyere hastighet. Over en viss hastighet vil de bevegelige delene i en turbojet bevege seg for raskt og gå i stykker. Det første flyet som brukte en ramjet var Leduc 0.10 i 1949.
Kilde: Tech Brief
En forbedret versjon av ramjetten finnes, kalt en scramjet (supersonisk ramjet). Denne motoren trenger ikke å bremse den innkommende luften for forbrenning, men opprettholder supersonisk luftstrøm og oppnår høyere drivstoffeffektivitet.
Scramjets ble konseptualisert allerede i 1958, men ble først testet i 2001 i NASAs X-43A. Tre år senere oppnådde det eksperimentelle flyet hastigheter 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 nærmer seg sine grenser til en viss grad, på samme måte som de tidlige propellene fra 20th-året ikke kunne gå utover en viss hastighet.
Dette er grunnen til at forskere og ingeniører nå ser på et helt annet konsept: roterende detonasjonsmotorer.
Roterende detonasjonsmotorer
From a thermodynamic point of view, detonations are more efficient than the more commonly known deflagration (classic combustion). So, theoretically, they could be used to burn fuel more efficiently and/or achieve higher flight speeds.
Selvfølgelig er eksplosjoner mye vanskeligere å utnytte til faktisk fremdrift i en flymotor uten … å eksplodere midt i flyvingen.
I en roterende detonasjonsmotor oppnås dette ved å skape detonasjonsbølger som propagere kontinuerlig rundt et ringformet forbrenningskammer. Når detonasjonen skjer med høy frekvens, skaper dette en nesten kontinuerlig skyvekraft.
En slik motor ble testet med suksess for første gang av NASA i 2020.
Denne typen motor forventes å være opptil 25 % mer effektiv enn «normale» forbrenningsbaserte jetmotorer. De trenger heller ikke den store kompressoren foran forbrenningskammeret, noe som sparer enorme mengder vekt, og som sannsynligvis vil øke den samlede effektiviteten til flyet ytterligere.
These sorts of engines have only recently become possible thanks to advanced materials. The main limiting factor was the ability of the materials to withstand extreme temperatures, an endless stream of shockwaves, and oxygen‑rich flow simultaneously.
En detonasjons‑ramjet?
A serious drawback of rotating detonation engines is that they work much less efficiently at atmospheric pressures. So similar to ramjets and scramjets, they ideally need to be propelled to supersonic or hypersonic speed first before activation.
Now, an even more advanced concept is emerging, the ram‑rotor detonation engine. It was developed by Chinese scientists working at the School of Aerospace Engineering, in Tsinghua University, Beijing. They published their work in the Chinese Journal of Aeronautics, under the title “Primary Investigation on Ram‑Rotor Detonation Engine”.
Ram‑Rotor Detonasjonsmotor (RRDE)
The key idea of a RRDE is to stabilize the detonation within a high‑speed rotor. The flow channel compresses the air‑fuel mixture to the ideal conditions for detonation, whatever the intake speed.
Detonasjonbølgen holdes på plass ved å balansere de relative hastighetene til inntaksluftstrømmen og de ekspanderende gassene og sjokkbølgene som forlater eksosen.
Gjennom denne prosessen forblir detonasjonsbølgen stillestående i forhold til bladene.
RRDE‑fordeler
Fleksibilitet
Because the engine can modulate the compression of the air, it acts more like a classical turbojet than a ramjet, which requires the speed of the airplane to perform the air compression.
Dette betyr at RRDE kan operere ved alle hastigheter, og kan fungere som en frittstående motor. I så fall må RRDE matches med passende inntaks‑ og eksoskomponenter, som justerbare diffusorer, styre‑vifter og dyser, for å utvide sitt stabile driftsområde og scenarier.
Potentially, it could be used in combination with turbojet as well, similar to how most ramjet and scramjet designs are made today.
Hypersoniske flymotorer
By definition, detonation waves travel quicker than the speed of sound, often much quicker. The RRDE is expected to generate stable detonation waves that can reach a Mach number of 4 to 6 relative to the incoming flow.
Dette kan gjøre RRDE‑utstyrte fly i stand til hypersonisk flyvning over Mach 5+ (3 836 mph / 6 174 km/t), med betydelig høyere effektivitet enn andre detonasjonsmotorer.
Higher efficiency would not only reduce fuel costs but also allow for a longer range with the same fuel. Or a higher carrying capacity for the same range as less heavy fuel needs to be carried.
Fra teori til praksis
So far, the RRDE exists only as a design and has proven itself only in theoretical and simulated lab tests.
Det er altså fortsatt en ganske lang vei før en praktisk prototype, og enda en lengre vei mot kommersielle, masseproduserte RRDE‑motorer.
This will imply solving real‑world problems that might not have been taken into account in the simulation. For example, it has taken a long time to sustain a detonation wave in a static ring channel for rotating detonation engines. Keeping the detonation wave stable in a high‑speed rotor will be even more difficult.
Challenges in engineering and metallurgy will also be expected, as the material used will need to be ultra‑efficient.
Rotorbladene må være lette nok til å spinne raskt og effektivt, men sterke nok til å håndtere hypersoniske inntaksluftstrømmer … samt konstante eksplosive detonasjoner mellom bladene.
Rotasjonsdetonasjonsmotor‑selskap
So far, most of the research done on this new type of engine has been done by public research institutes, mostly space and military agencies, including NASA, the US Air Force, the Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA), Russian Energomash, etc.
There is however one private company that has demonstrated its ability to build a rotating detonation engine back in 2023: General Electric (GE.TO ).
GE Prisdiagram
General Electric Aerospace er resultatet av oppsplittingen av GE‑konglomeratet i 3 deler i 2024: GE Aerospace (GE ), GE HealthCare (GEHC ), og GE Vernova (energi) (GEV ).
Dette ble gjort for å fokusere selskapet på kjernekompetansen, etter flere tiår med finansialisering som til slutt viste seg å være netto negativ.
Selskapet er en sentral leverandør til luftfartsindustrien, med rundt 3 milliarder mennesker som reiser med GE Aerospace‑teknologi hvert år, og rundt 900 000 mennesker som flyr i GE‑drevne fly til enhver tid (3 av 4 kommersielle flyvninger). Dette er bygget på en rekke motorer for alle flystørrelser og -applikasjoner.
Kilde: GE Aerospace
På lang sikt forventes dette motorutvalget å bli erstattet av en ny generasjon med høyere drivstoffeffektivitet, oppnådd gjennom langsiktige FoU‑innsats. Dette kan ligge i området 10‑15 % drivstoffeffektivitetsforbedring for sivile fly og opptil 25 % for militære fly.
Kilde: GE Aerospace
I tillegg til motorer tilbyr selskapet også silisiumkarbid‑teknologi for elektriske kraftsystemer, og avionikk (flyelektronikk og datamaskiner).
Selskapet har lenge vært en leder innen flypropulsjonssystemer. Langt mesteparten av aktiviteten drives av den sivile sektoren ($23,9 mrd inntekter i 2023), etterfulgt av forsvarssegmentet ($9 mrd).
70 % av selskapets inntekter kommer fra tjenester, spesielt motorvedlikehold og reparasjon, noe som gir en svært stabil inntekt.
Kilde: GE Aerospace
Selskapet investerer i fremtidig teknologi for å beholde sin edge, spesielt 3D‑utskrift med GE Additive, den eneste OEM (Original Equipment Manufacturer) innen metall‑additiv produksjon med en fullstendig ende‑til‑ende‑løsning.
Kilde: GE Aerospace
GEs roterende detonasjonsmotor
As discussed before, GE also achieved the world‑first hypersonic dual‑mode ramjet (DMRJ) rig test with rotating detonation combustion (RDC) in a supersonic flow stream.
This was made possible thanks to GE’s mastery of high‑temperature ceramic matrix composites (CMCs), silicon carbide power electronics, additive technologies, and advanced thermal management.
«De betydelige resultatene vi har oppnådd så langt gir oss tillit til at vi beveger oss i riktig retning.
Teamet har beveget seg svært raskt; det tok bare 12 måneder fra start til slutt for DMRJ‑demonstrasjonen med RDC. Teamet er på rett vei med målet om å demonstrere en full DMRJ med RDC i skala neste år.
Hypersoniske motorer som denne kan først bli brukt i avanserte militære applikasjoner, fra kampfly til missiler. Men den vil sannsynligvis også finne vei inn i sivile hypersoniske fly en dag, og GEs tilstedeværelse i begge markedene bør bidra til å utnytte denne fremvoksende teknologien.
Alt i alt, etter en lang periode som et retningsløst konglomerat med fokus på finansingeniørkunst, ser det ut til at GE er tilbake på sporet for å gjenopprette seg som et sentrum for amerikansk ingeniørkunst og produksjon, i en tid hvor re‑industrialisering og re‑shoring er sterke trender.
