Vorgekühltes Düsentriebwerk - Precooled jet engine

Das vorgekühlte Strahltriebwerk ist ein Konzept, das den Einsatz von Strahltriebwerken mit Turbomaschinen im Gegensatz zu Staustrahltriebwerken bei hohen Geschwindigkeiten ermöglicht. Die Vorkühlung stellt einen Teil oder die gesamte Leistungsverschlechterung des Motorkompressors wieder her (indem ein rotierender Strömungsabriss/Drosselung/reduzierter Durchfluss verhindert wird) sowie die des gesamten Gasgenerators (indem ein erheblicher Temperaturanstieg der Brennkammer innerhalb einer festgelegten Turbinentemperaturgrenze aufrechterhalten wird). die sonst den Flug mit hohen Stautemperaturen verhindern würden.

Für höhere Vorkühlung Fluggeschwindigkeiten ein Merkmal kann kryogenen Brennstoff -cooled Wärmetauscher , bevor die Luft in den Verdichter gelangt. Nach Wärmegewinn und Verdampfung im Wärmetauscher verbrennt der Brennstoff (zB H 2 ) in der Brennkammer . Die Vorkühlung unter Verwendung eines Wärmetauschers wurde im Flug nicht verwendet, es wird jedoch vorhergesagt, dass sie bei Geschwindigkeiten bis zu Mach 5,5 einen signifikant hohen Schub und eine hohe Effizienz hat. Vorgekühltem Düsentriebwerk Zyklen wurden von Robert P. Carmichael analysiert 1955. vorgekühltem Motoren vermeiden die Notwendigkeit für einen Luftkühler , weil, im Gegensatz zu Flüssigluftzyklusmotoren (LACE), vorgekühlt Motoren die Luft kühlen , ohne verflüssigende es.

Für niedrigere Fluggeschwindigkeiten kann die Vorkühlung mit Masseneinspritzung erfolgen, bekannt als WIPCC (Water Injection Precompressor Cooling). "Operation Skyburner", die mit einer McDonnell Douglas F-4 Phantom II und der Mikoyan Ye-266 ( Mig 25 ) einen Geschwindigkeitsweltrekord aufstellte . Beide verwendeten ein Wasser-/Alkoholspray, um die Luft vor dem Kompressor zu kühlen.

Die Vorkühlung (sowie die Wassereinspritzung in die Brennkammer) wird bei niedrigsten Fluggeschwindigkeiten, dh beim Start, verwendet, um den Schub bei hohen Umgebungstemperaturen zu erhöhen.

Vor- und Nachteile der Verwendung von Vorkühler-Wärmetauschern

Ein Hauptvorteil der Vorkühlung ist (wie durch das ideale Gasgesetz vorhergesagt ) für ein gegebenes Gesamtdruckverhältnis eine signifikante Reduzierung der Kompressorfördertemperatur (T3), die das Erreichen der T3-Grenze auf eine höhere Machzahl verzögert. Folglich können Meeresspiegelbedingungen (korrigierter Durchfluss) nach dem Vorkühler über einen sehr weiten Fluggeschwindigkeitsbereich aufrechterhalten werden, wodurch der Nettoschub auch bei hohen Geschwindigkeiten maximiert wird. Der Kompressor und die Rohrleitungen nach dem Einlass unterliegen viel niedrigeren und konstanteren Temperaturen und können daher aus Leichtmetalllegierungen bestehen. Dadurch wird das Gewicht des Triebwerks reduziert, was das Schub-/Gewichtsverhältnis weiter verbessert.

Wasserstoff ist ein geeigneter Brennstoff, da er bei tiefen kryogenen Temperaturen flüssig ist und über seinen nutzbaren Bereich eine sehr hohe spezifische Gesamtwärmekapazität einschließlich der latenten Verdampfungswärme hat, die höher als die von Wasser ist.

Die geringe Dichte von flüssigem Wasserstoff hat jedoch negative Auswirkungen auf den Rest des Fahrzeugs, und das Fahrzeug wird physikalisch sehr groß, obwohl das Gewicht auf dem Fahrwerk und die Tragflächenbelastung gering bleiben können.

Wasserstoff verursacht in vielen Materialien eine strukturelle Schwächung, die als Wasserstoffversprödung bekannt ist .

Das Gewicht des Vorkühlers erhöht das Gewicht des Motors, wodurch das Verhältnis von Schub zu Gewicht verringert wird .

Das Leiten der Ansaugluft durch den Vorkühler erhöht den Einlasswiderstand, wodurch der Nettoschub des Triebwerks und damit das Verhältnis von Schub zu Gewicht verringert wird.

Je nach Kühlbedarf kann trotz der hohen Wärmekapazität mehr Wasserstoff zum Kühlen der Luft benötigt werden, als mit der gekühlten Luft verbrannt werden kann. In einigen Fällen kann ein Teil des überschüssigen Wasserstoffs in einem Staustrahl mit ungekühlter Luft verbrannt werden, um diese Ineffizienz zu verringern.

Im Gegensatz zu einem LACE-Motor muss bei einem vorgekühlten Motor der Sauerstoff nicht verflüssigt werden, sodass die Kühlmenge reduziert wird, da keine Sauerstoffschmelze abgedeckt werden muss und ein geringerer Gesamttemperaturabfall erforderlich ist. Dies reduziert wiederum die Menge an Wasserstoff, die als Kühlkörper verwendet wird, aber nicht verbrannt werden kann. Außerdem wird kein Kondensator benötigt, was eine Gewichtsersparnis bedeutet.

Geschichte der Vorkühlung mit Wärmetauschern

Robert P. Carmichael entwickelte 1955 mehrere Motorzyklen, bei denen flüssiger Wasserstoff verwendet wurde, um die Einlassluft des Motors vor der Verwendung als Kraftstoff vorzukühlen.

Das Interesse an vorgekühlten Triebwerken erwachte 1982 in Großbritannien, als Alan Bond ein vorgekühltes, luftatmendes Raketentriebwerk entwickelte, das er SATAN nannte. Die Idee wurde im Rahmen des HOTOL SSTO- Raumflugzeugprojekts entwickelt und wurde zum Rolls-Royce RB545. 1989, nachdem das HOTOL-Projekt eingestellt wurde, gründeten einige der RB545- Ingenieure eine Firma, Reaction Engines Ltd, um die Idee zum SABRE-Triebwerk und dem dazugehörigen Skylon- Raumflugzeug weiterzuentwickeln .

1987 veröffentlichte N Tanatsugu "Analytical Study of Space Plane Powered by Air-Turbo Ramjet with Intake Air Cooler". Teil der japanischen ISAS- Studie (jetzt JAXA ) über einen Air-Turbo-Ramjet (ATR, später ATREX nach dem Hinzufügen eines Expander-Zyklus), der die erste Stufe eines TSTO- Raumflugzeugs antreiben soll . ATREX wurde durch die Studien Preecooled Turbojet (PCTJ) und Hypersonic Turbojet abgelöst. Ein mit flüssigem Stickstoff vorgekühlter Wasserstoffverbrennungstestmotor wurde im September 2010 mit Mach 2 auf dem Taiki Aerospace Research Field geflogen .

Siehe auch

Verweise

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