Uzay
Ram‑Rotor Patlama Motoru (RRDE) ile Hipersonik Seyahati Yeniden Düşünmek
Securities.io sitesini Google'daki tercih ettiğiniz kaynaklara ekleyin
Uçak İtme Sisteminin Üçüncü Nesli
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.
Wright kardeşlerin ilk uçuşundan bu yana, mekanize uçuşun temel kavramı havayı sıkıştırarak itme üretmek olmuştur. Bu, I. ve II. Dünya Savaşları’ndaki uçaklarda giderek daha büyük pervanelerle ilk kez gerçekleştirildi.
Kaynak: Wikipedia
Bir sonraki adım jet motoruydu; ilk jet motorlu uçak, 1939’da fırlatılan Heinkel He 178 idi. Bir jet motorunda, hareketli parçalar havayı sıkıştırır ve yakıt enjekte eder, güçlü bir yanma etkisi oluşturur; bu da ardından türbîne ve jet memesine yönlendirilerek itme üretir.
This was later improved with the ramjet, where the plane’s movement creates the air compression, allowing for even higher speed. Past a certain speed, the moving parts in a turbojet would just move too fast and break. The first plane to use a ramjet was the Leduc 0.10 in 1949.
Kaynak: Tech Brief
An improved version of the ramjet exists, called a scramjet (supersonic ramjet). This engine does not need to slow the incoming air for combustion, instead maintaining supersonic airflow and achieving higher fuel efficiency.
Scramjet’ler 1958’e kadar geriye giden bir kavram olarak ortaya atıldı ancak ancak 2001’de NASA’nın X-43A’sında test edildi. Üç yıl sonra, deneysel uçak Mach 6.8 (5.217 mph veya 8.396 km/h) ve Mach 9.6 (7.366 mph veya 11.854 km/h) hızlarına ulaştı.
This was impressive, but jet technology is reaching its limits to some extent, the same way that the early 20th-century propeller could not go beyond a certain speed.
Bu etkileyiciydi, ancak jet teknolojisi bir ölçüde sınırlarına yaklaşıyor; tıpkı erken 20th-yüzyıl pervanesinin belirli bir hızı aşamaması gibi.
This is why scientists and engineers are now looking at an entirely different concept: rotating detonation engines.
Dönen Patlama Motorları
Termodinamik açıdan bakıldığında, patlamalar daha yaygın olarak bilinen deflagrasyondan (klasik yanma) daha verimlidir. Dolayısıyla teorik olarak, yakıtı daha verimli yakmak ve/veya daha yüksek uçuş hızlarına ulaşmak için kullanılabilirler.
Elbette, patlamaları bir uçak motorunda gerçek itmeye dönüştürmek çok daha zordur; ortada uçuş sırasında … patlamadan.
Bir dönen patlama motorunda, bu, halka şeklindeki yanma odasında sürekli olarak dolaşan patlama dalgaları oluşturularak sağlanır. Patlama yüksek bir frekansta gerçekleştiği için neredeyse sürekli bir itme üretilir.
Kaynak: Air Force Research Laboratory
Such an engine was 2020’de NASA tarafından ilk kez başarıyla test edildi.
This sort of engine is expected to be up to 25% more efficient than “normal” combustion‑based jet engines. They also do not need the large compressor upstream of the combustor which saves immense amounts of weight, which is likely to boost further the overall efficiency of the plane.
Bu tür motorların, “normal” yanma‑temelli jet motorlarından %25’e kadar daha verimli olması bekleniyor. Ayrıca yanma odasının önündeki büyük kompresöre ihtiyaç duymadıkları için muazzam miktarda ağırlık tasarrufu sağlar; bu da uçağın genel verimliliğini daha da artırabilir.
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.
Patlama Ramjet’i?
Dönen patlama motorlarının ciddi bir dezavantajı, atmosferik basınçlarda çok daha düşük verimle çalışmalarıdır. Bu yüzden ramjet ve scramjet’lere benzer şekilde, etkinleştirilmelerinden önce süpersonik ya da hipersonik hıza ulaşmaları idealdir.
Şimdi, daha da gelişmiş bir kavram ortaya çıkıyor: ram‑rotor patlama motoru. Bu, Pekin’deki Tsinghua Üniversitesi Havacılık Mühendisliği Okulu’nda çalışan Çinli bilim insanları tarafından geliştirildi. Çalışmalarını Çin Havacılık Dergisi’nde “Ram‑Rotor Patlama Motoru Üzerine İlk Araştırma” başlığıyla yayınladılar.
Ram‑Rotor Patlama Motoru (RRDE)
RRDE’nin temel fikri, patlamayı yüksek hızlı bir rotor içinde stabilize etmektir. Akış kanalı, giriş hızı ne olursa olsun, hava‑yakıt karışımını patlama için ideal koşullara sıkıştırır.
Kaynak: Chinese Journal of Aeronautics
The detonation wave is held in place by balancing the relative velocities of intake airflow and the expanding gases and shockwaves leaving the exhaust.
Patlama dalgası, giriş akışının hızı ile egzozdan çıkan genişleyen gazların ve şok dalgalarının göreceli hızlarını dengeleyerek yerinde tutulur.
Through this process, the detonation wave keeps stationary relative to the blades.
Bu süreç sayesinde, patlama dalgası kanatlara göre sabit kalır.
Kaynak: Chinese Journal of Aeronautics
RRDE Avantajları
Esneklik
Motor havanın sıkıştırmasını modüle edebildiği için, havayı sıkıştırmak için uçağın hızına ihtiyaç duyan ramjet’ten ziyade klasik bir turbojet gibi davranır.
Bu, RRDE’nin tüm hızlarda çalışabileceği ve bağımsız bir motor olarak işlev görebileceği anlamına gelir. Bu durumda, RRDE’nin stabil çalışma aralığını ve senaryolarını genişletmek için ayarlanabilir difüzörler, kılavuz kanatçıklar ve memeler gibi uygun giriş ve egzoz bileşenleriyle eşleştirilmesi gerekir.
Potansiyel olarak, bugün çoğu ramjet ve scramjet tasarımının yapıldığı gibi turbojet ile birlikte de kullanılabilir.
Hipersonik Uçak Motorları
Tanım gereği, patlama dalgaları ses hızından daha hızlı, genellikle çok daha hızlı hareket eder. RRDE’nin, gelen akışa göre Mach 4 ila 6 arasında bir Mach sayısına ulaşabilen stabil patlama dalgaları üretmesi bekleniyor.
Bu, RRDE donanımlı uçakların Mach 5+ (3.836 mph / 6.174 km/h) üzerinde hipersonik uçuş yapabilmesini sağlayabilir; bu da diğer patlama motorlarından çok daha yüksek verimlilik anlamına gelir.
Daha yüksek verimlilik sadece yakıt maliyetlerini azaltmakla kalmaz, aynı yakıtla daha uzun menzil sağlar. Ya da aynı menzil için daha hafif yakıt taşınması gerektiğinden daha yüksek taşıma kapasitesi sunar.
Teoriden Pratiğe
Şu ana kadar, RRDE sadece bir tasarım olarak var ve yalnızca teorik ve simüle laboratuvar testlerinde kendini kanıtladı.
Dolayısıyla pratik bir prototip ortaya çıkmadan önce hâlâ uzun bir yol var ve ticari, seri üretim RRDE’lere giden yol daha da uzun.
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.
Bu, simülasyonda dikkate alınmamış olabilecek gerçek dünya sorunlarının çözülmesini gerektirecek. Örneğin, dönen patlama motorları için statik bir halka kanalda patlama dalgasını sürdürmek uzun zaman aldı. Yüksek hızlı bir rotor içinde patlama dalgasını stabil tutmak ise daha da zor olacaktır.
Challenges in engineering and metallurgy will also be expected, as the material used will need to be ultra‑efficient.
Rotor kanatları, hızlı ve verimli bir şekilde dönecek kadar hafif, ancak hipersonik giriş akışlarını … ve kanatlar arasındaki sürekli patlayıcı detonasyonları kaldıracak kadar güçlü olmalıdır.
Dönen Patlama Motoru Şirketi
Şu ana kadar, bu yeni motor tipine ilişkin araştırmaların çoğu, NASA, ABD Hava Kuvvetleri, Japonya Uzay Araştırma Ajansı (JAXA), Rus Energomash gibi kamu araştırma enstitüleri, çoğunlukla uzay ve askeri ajanslar tarafından yürütülmüştür.
Bununla birlikte, bir özel şirket 2023’te bir dönen patlama motoru inşa etme yeteneğini gösterdi: General Electric (GE.TO ).
GE Fiyat Grafiği
General Electric Aerospace, 2024: GE’nin üç parçaya bölünmesinin sonucudur; GE Aerospace (GE ), GE HealthCare (GEHC ) ve GE Vernova (enerji) (GEV ).
Bu, şirketi temel yetkinliğine yeniden odaklamak için yapıldı; nihayetinde net bir negatif sonuç veren birkaç on yıl süren finansallaştırmanın ardından.
Şirket, havacılık endüstrisinin merkezi bir tedarikçisidir; yılda yaklaşık 3 milyar kişi GE Aerospace teknolojisiyle seyahat eder ve her an (ticari uçuşların 4’te 3’ü) GE güçlü uçaklarda yaklaşık 900.000 kişi uçar. Bu, tüm uçak boyutları ve uygulamaları için bir dizi motor üzerine inşa edilmiştir.
Kaynak: GE Aerospace
Uzun vadede, bu motor serisinin daha yüksek yakıt verimliliğine sahip yeni bir nesil ile değiştirilmesi bekleniyor; bu, uzun vadeli Ar‑Ge çalışmalarıyla elde edilecek. Bu, sivil uçaklar için %10‑15, askeri uçaklar için ise %25’e kadar yakıt verimliliği artışı anlamına gelebilir.
Kaynak: GE Aerospace
Motorların yanı sıra, şirket elektrik güç sistemleri ve aviyonik (uçak elektroniği ve bilgisayarları) için silikon karbür teknolojisi de sunmaktadır.
Şirket uzun süredir uçak itme sistemlerinde lider konumda. Faaliyetlerinin büyük kısmı sivil sektörden ($23,9 milyar gelir 2023) gelmekte, ardından savunma segmenti ($9 milyar) gelmektedir.
Şirket gelirlerinin %70’i, özellikle motor bakım ve onarım hizmetlerinden elde edilmekte, bu da çok istikrarlı bir gelir sağlamaktadır.
Kaynak: GE Aerospace
Şirket, rekabet avantajını korumak için gelecekteki teknolojilere yatırım yapmaktadır; özellikle GE Additive ile 3D baskı, tam uçtan uca çözüm sunan metal eklemeli imalatta tek OEM’dir.
Kaynak: GE Aerospace
GE’nin Dönen Patlama Motoru
Daha önce tartışıldığı gibi, GE ayrıca dönen patlama yanması (RDC) ile süpersonik akışta dünya‑ilk hipersonik çift‑modlu ramjet (DMRJ) test tezgahını gerçekleştirdi.
Bu, GE’nin yüksek sıcaklık seramik matris kompozitleri (CMCs), silikon karbür güç elektroniği, eklemeli teknolojiler ve gelişmiş termal yönetim konusundaki uzmanlığı sayesinde mümkün oldu.
“Şu ana kadar elde ettiğimiz önemli sonuçlar, doğru yönde ilerlediğimize dair bize güven veriyor.
Ekip çok hızlı ilerledi; DMRJ ile RDC gösterimi başlangıçtan bitişe sadece 12 ay sürdü. Ekip, önümüzdeki yıl ölçekli bir tam DMRJ ile RDC’yi göstermek hedefi doğrultusunda ilerliyor.”
Hipersonik motorlar gibi bu tür motorlar ilk olarak gelişmiş askeri uygulamalarda, savaş uçaklarından füzelere kadar kullanılabilir. Ancak bir gün sivil hipersonik uçaklara da girmesi muhtemeldir ve GE’nin her iki pazardaki varlığı, bu ortaya çıkan teknolojiden faydalanmasına yardımcı olacaktır.
Genel olarak, uzun bir süre yönsüz bir konglomera ve finansal mühendisliğe odaklanmanın ardından, GE’nin yeniden Amerikan mühendislik ve üretim merkezi olarak kendini yeniden konumlandırmaya başladığı görülüyor; bu, yeniden sanayileşme ve yeniden üretimin güçlü trendler olduğu bir dönemde.
