Rymden
Ompröva hypersonisk resa med Ram‑Rotor detonationsmotor (RRDE)
Lägg till Securities.io bland dina föredragna källor på Google
Den tredje generationen av flygplansdrift
Sedan bröderna Wrights första flygning har den centrala idén för mekaniserat flyg varit att komprimera luft för att skapa framdrift. Detta gjordes först med de allt större propellrarna i flygplan under första och andra världskriget.
Nästa steg var jetmotorn, med det första jetdrivna flygplanet, Heinkel He 178, som lanserades 1939. I en jetmotor komprimerar rörliga delar luften och injicerar bränsle för att skapa en kraftfull förbränningseffekt, som sedan leds till turbinen och jetmunstycket för att skapa framdrift.
Källa: Wikipedia
Detta förbättrades senare med ramjeten, där flygplanets rörelse skapar luftkompressionen, vilket möjliggör ännu högre hastighet. Vid en viss hastighet skulle de rörliga delarna i en turbojet bara röra sig för snabbt och gå sönder. Det första planet som använde en ramjet var Leduc 0.10 år 1949.
Källa: Tech Brief
En förbättrad version av ramjeten finns, kallad scramjet (supersonisk ramjet). Denna motor behöver inte sakta ner den inkommande luften för förbränning, utan upprätthåller supersoniskt luftflöde och uppnår högre bränsleeffektivitet.
Scramjets konceptualiserades redan 1958 men testades först 2001 i NASA:s X-43A. Tre år senare nådde det experimentella planet hastigheter på Mach 6,8 (5 217 mph eller 8 396 km/h) och Mach 9,6 (7 366 mph eller 11 854 km/h).
Det var imponerande, men jettekniken når sina gränser till viss del, på samma sätt som den tidiga 20th-århundradets propeller inte kunde gå förbi en viss hastighet.
Det är därför forskare och ingenjörer nu tittar på ett helt annat koncept: roterande detonationsmotorer.
Roterande detonationsmotorer
Ur ett termodynamiskt perspektiv är detoneringar mer effektiva än den mer välkända deflagration (klassisk förbränning). Således kan de teoretiskt användas för att bränna bränsle mer effektivt och/eller uppnå högre flyghastigheter.
Naturligtvis är explosioner mycket svårare att omvandla till faktisk framdrift i en flygplansmotor utan att … explodera mitt under flygningen.
I en roterande detonationsmotor uppnås detta genom att skapa detonationsvågor som fortplantar sig kontinuerligt runt en ringformad förbränningskammare. Eftersom detoneringen sker med hög frekvens skapas en nästan kontinuerlig drivkraft.
Such an engine was testad framgångsrikt för första gången av NASA 2020.
Denna typ av motor förväntas vara upp till 25 % mer effektiv än “normala” förbränningsbaserade jetmotorer. De behöver inte heller den stora kompressorn före förbränningskammaren, vilket sparar enorma mängder vikt och sannolikt ytterligare ökar flygplanets totala effektivitet.
Denna typ av motor har bara nyligen blivit möjlig tack vare avancerade material. Den främsta begränsande faktorn var materialens förmåga att tåla extrema temperaturer, en oändlig ström av chockvågor och syre‑rik flöde samtidigt.
En detonations‑ramjet?
En allvarlig nackdel med roterande detonationsmotorer är att de fungerar mycket mindre effektivt vid atmosfärstryck. Så, likt ramjetar och scramjetar, måste de idealiskt först accelereras till supersonisk eller hypersonisk hastighet innan de kan aktiveras.
Nu dyker ett ännu mer avancerat koncept upp, ram‑rotor detonationsmotorn. Den utvecklades av kinesiska forskare vid School of Aerospace Engineering på Tsinghua University i Peking. De publicerade sitt arbete i Chinese Journal of Aeronautics, under titeln “Primary Investigation on Ram‑Rotor Detonation Engine“.
Ram‑Rotor detonationsmotor (RRDE)
Huvudidén med en RRDE är att stabilisera detoneringen inom en högvarvig rotor. Flödeskanalen komprimerar luft‑bränsleblandningen till de ideala förhållandena för detonering, oavsett intags hastighet.
Detonationsvågen hålls på plats genom att balansera de relativa hastigheterna hos intagsluftflödet och de expanderande gaserna samt chockvågorna som lämnar avgasen.
Genom denna process förblir detonationsvågen stationär i förhållande till bladen.
RRDE-fördelar
Flexibilitet
Eftersom motorn kan modulera luftens kompression fungerar den mer som en klassisk turbojet än en ramjet, som kräver flygplanets hastighet för att utföra luftkompressionen.
Detta innebär att RRDE kan fungera vid alla hastigheter och kan fungera som en fristående motor. I så fall måste RRDE matchas med lämpliga intags‑ och avgasdelar, såsom justerbara diffusers, styrflikar och munstycken, för att utöka dess stabila driftsområde och scenarier.
Möjligtvis kan den även användas i kombination med turbojet, likt hur de flesta ramjet‑ och scramjet‑designer görs idag.
Hypersoniska flygplansmotorer
Per definition färdas detonationsvågor snabbare än ljudets hastighet, ofta mycket snabbare. RRDE förväntas generera stabila detonationsvågor som kan nå ett Mach‑tal på 4 till 6 i förhållande till det inkommande flödet.
Detta skulle kunna göra RRDE‑utrustade flygplan kapabla till hypersonisk flygning över Mach 5+ (3 836 mph / 6 174 km/h), med avsevärt högre effektivitet än andra detonationsmotorer.
Högre effektivitet skulle inte bara minska bränslekostnaderna utan också möjliggöra längre räckvidd med samma bränsle. Eller en högre bärförmåga för samma räckvidd eftersom mindre tungt bränsle behöver transporteras.
Från teori till praktik
Hittills existerar RRDE endast som en design och har bara bevisat sig i teoretiska och simulerade laboratorietester.
Det är alltså fortfarande en lång väg kvar innan en praktisk prototyp, och en ännu längre bana mot kommersiella, massproducerade RRDE‑motorer.
Detta innebär att lösa verkliga problem som kanske inte har beaktats i simuleringen. Till exempel har det tagit lång tid att upprätthålla en detonationsvåg i en statisk ringkanal för roterande detonationsmotorer. Att hålla detonationsvågen stabil i en högvarvig rotor blir ännu svårare.
Utmaningar inom ingenjörskonst och metallurgi förväntas också, eftersom materialet som används måste vara extremt effektivt.
Rotorbladen måste vara tillräckligt lätta för att snurra snabbt och effektivt, men tillräckligt starka för att hantera hypersoniska intagsluftflöden … samt ständiga explosiva detoneringar mellan bladen.
Företaget Rotating Explosion Engine
Hittills har det mesta av forskningen kring denna nya motortyp utförts av offentliga forskningsinstitut, främst rymd- och militära myndigheter, inklusive NASA, US Air Force, Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA), ryska Energomash med mera.
Det finns dock ett privat företag som har demonstrerat sin förmåga att bygga en roterande detonationsmotor redan 2023: General Electric (GE.TO ).
GE Prisdiagram
General Electric Aerospace är resultatet av uppdelningen av GE‑konglomeratet i 3 delar år 2024: GE Aerospace (GE ), GE HealthCare (GEHC ), och GE Vernova (energi) (GEV ).
Detta gjordes för att omfokusera företaget på kärnkompetensen, efter flera decennier av finansialisering som i slutändan visat sig vara negativ.
Företaget är en central leverantör till den aeronautiska industrin, med omkring 3 miljarder människor som reser med GE Aerospace‑teknik per år, och omkring 900 000 personer som flyger i GE‑drivna flygplan när som helst (3 av 4 kommersiella flyg). Detta bygger på en serie motorer för alla flygplansstorlekar och tillämpningar.
Källa: GE Aerospace
På lång sikt förväntas denna motorserie ersättas av en ny generation med högre bränsleeffektivitet, uppnådd genom långsiktiga FoU‑insatser. Detta kan ligga i intervallet 10‑15 % bränsleeffektivitetshöjning för civila flygplan och upp till 25 % för militära flygplan.
Källa: GE Aerospace
Förutom motorer erbjuder företaget även kiselkarbidteknik för elektriska kraftsystem och avionik (flygelektronik och datorer).
Företaget har länge varit en ledare inom flygplansdrivsystem. På långt avstånd drivs dess verksamhet av den civila sektorn ($23,9 Mrd intäkter 2023), följt av försvarssegmentet ($9 Mrd).
70 % av företagets intäkter kommer från tjänster, särskilt motorunderhåll och reparation, vilket gör det till en mycket stabil inkomst.
Källa: GE Aerospace
Företaget satsar på framtida teknik för att behålla sin fördel, särskilt 3D‑utskrift med GE Additive, den enda OEM (Original Equipment Manufacturer) inom metalladditiv tillverkning med en komplett helhetslösning.
Källa: GE Aerospace
GEs roterande detonationsmotor
Som tidigare nämnts har GE också uppnått världens första hypersoniska dual‑mode ramjet (DMRJ)‑test med roterande detonationsförbränning (RDC) i ett supersoniskt flöde.
Detta möjliggjordes tack vare GEs expertis inom högtemperatur‑keramiska matrixkompositer (CMCs), kiselkarbid‑kraft‑elektronik, additiv teknik och avancerad termisk hantering.
“De betydande resultat vi hittills har uppnått ger oss förtroende för att vi rör oss i rätt riktning.
Teamet har gått mycket snabbt, det tog bara 12 månader från start till färdigställande för DMRJ‑demonstrationen med RDC. Teamet är på rätt spår med sitt mål att demonstrera en fullständig DMRJ med RDC i skala nästa år.”
Hypersoniska motorer som denna kan först användas i avancerade militära tillämpningar, från stridsflygplan till missiler. Men de kommer sannolikt också att göra sitt inträde i civila hypersoniska flygplan någon dag, och GEs närvaro på båda marknaderna bör hjälpa till att kapitalisera på denna framväxande teknik.
Sammanfattningsvis, efter en lång period som ett mållöst konglomerat med fokus på finansiell ingenjörskonst, verkar det som att GE är tillbaka på rätt spår för att återupprätta sig som ett centrum för amerikansk ingenjörskonst och tillverkning, i en tid då re‑industrialisation och återlokalisering är starka trender.
