Impulsdetonationsmotor - Pulse detonation engine

Ein Pulsdetonationsmotor ( PDE ) ist eine Art von Antriebssystem , dass Verwendungen Detonationswellen zum Verbrennen des Brennstoffs und Oxidationsmittel - Gemisches. Der Motor wird gepulst, weil das Gemisch im Brennraum zwischen jeder Detonationswelle und der nächsten erneuert werden muss . Theoretisch kann eine PDE von Unterschall bis zu einer Hyperschall- Fluggeschwindigkeit von ungefähr Mach 5 betrieben werden. Ein ideales PDE-Design kann einen thermodynamischen Wirkungsgrad haben, der höher ist als bei anderen Designs wie Turbojets und Turbofans, da eine Detonationswelle das Gemisch schnell komprimiert und Wärme bei konstantem Volumen hinzufügt . Folglich sind bewegliche Teile wie Kompressorspulen im Motor nicht unbedingt erforderlich, was das Gesamtgewicht und die Kosten erheblich reduzieren könnte. PDEs werden seit 1940 für den Antrieb in Betracht gezogen. Zu den Schlüsselthemen für die weitere Entwicklung gehören das schnelle und effiziente Mischen von Kraftstoff und Oxidationsmittel, die Verhinderung von Selbstzündung und die Integration mit einem Einlass und einer Düse.

Bis heute wurde noch keine praxistaugliche PDE in Produktion genommen, jedoch wurden mehrere Prüfstandstriebwerke gebaut und eines wurde erfolgreich in ein langsames Demonstrationsflugzeug integriert, das 2008 im Dauerflug mit PDE-Antrieb flog. Im Juni 2008 wurden die Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) stellte Blackswift vor , das mit dieser Technologie Geschwindigkeiten von bis zu Mach 6 erreichen sollte. Das Projekt wurde jedoch kurz darauf, im Oktober 2008, abgebrochen.

Konzept

Pulsdüsen

Hauptartikel: Pulsejet

Die Grundfunktion der PDE ähnelt der des Pulsstrahltriebwerks . Im Pulse Jet wird Luft mit Kraftstoff vermischt, um ein brennbares Gemisch zu erzeugen, das dann in einer offenen Kammer gezündet wird. Die resultierende Verbrennung erhöht den Druck des Gemischs stark auf ungefähr 100 Atmosphären (10 MPa), das sich dann durch eine Düse für Schub ausdehnt.

Damit das Gemisch nach hinten austritt und das Flugzeug nach vorne drückt, wird das Triebwerk mit einer Reihe von Klappen vorn verschlossen. Eine sorgfältige Abstimmung des Einlasses stellt sicher, dass sich die Klappen zum richtigen Zeitpunkt schließen, um die Luft zu zwingen, nur in eine Richtung durch den Motor zu strömen. Einige Impulsstrahlkonstruktionen verwendeten einen abgestimmten Resonanzhohlraum, um die Ventilwirkung durch den Luftstrom im System bereitzustellen. Diese Designs sehen normalerweise wie ein U-förmiges Rohr aus, das an beiden Enden offen ist.

In beiden Systemen hat der Pulsstrahl während des Verbrennungsprozesses Probleme. Während der Kraftstoff verbrennt und sich ausdehnt, um Schub zu erzeugen, schiebt er auch jede verbleibende unverbrannte Ladung nach hinten aus der Düse. In vielen Fällen wird ein Teil der Ladung ausgestoßen, bevor sie brennt, was die berühmte Flammenspur verursacht, die bei der fliegenden Bombe V-1 und anderen Impulsjets zu sehen ist. Schon im Inneren des Motors ändert sich das Volumen des Gemischs ständig, wodurch Kraftstoff ineffizient in nutzbare Energie umgewandelt wird.

PDE

Alle regulären Düsentriebwerke und die meisten Raketenmotoren arbeiten nach dem Abbrand des Brennstoffes, das die schnelle aber Unterschall Verbrennung von Kraftstoff . Der Pulsdetonationsmotor ist ein Konzept zur Zeit in der aktiven Entwicklung ein Düsentriebwerk zu schaffen , die auf dem Überschall arbeitet Detonation von Kraftstoff. Da die Verbrennung so schnell abläuft, hat die Ladung (Kraftstoff-Luft-Gemisch) während dieses Vorgangs keine Zeit, sich auszudehnen, so dass sie unter nahezu konstantem Volumen stattfindet . Die Verbrennung mit konstantem Volumen ist effizienter als Konstruktionen mit offenem Kreislauf wie Gasturbinen , was zu einer höheren Kraftstoffeffizienz führt .

Da der Verbrennungsprozess so schnell ist, ist es schwierig, mechanische Verschlüsse mit der erforderlichen Leistung anzuordnen. Stattdessen verwenden PDEs im Allgemeinen eine Reihe von Ventilen, um den Prozess sorgfältig zu planen. Bei einigen PDE-Konstruktionen von General Electric werden die Klappen durch sorgfältiges Timing eliminiert, wobei die Druckunterschiede zwischen den verschiedenen Bereichen des Motors genutzt werden, um sicherzustellen, dass der "Schuss" nach hinten ausgestoßen wird.

Ein weiterer, in der Praxis noch nicht nachgewiesener Nebeneffekt ist die Zykluszeit. Ein herkömmlicher Pulsjet erreicht aufgrund der Zykluszeit der mechanischen Shutter etwa 250 Pulse pro Sekunde, aber das Ziel der PDE sind Tausende von Pulsen pro Sekunde, so schnell, dass sie aus technischer Sicht im Grunde kontinuierlich ist. Dies sollte dazu beitragen, das ansonsten stark vibrierende Pulsstrahltriebwerk zu glätten – viele kleine Pulse erzeugen weniger Volumen als eine kleinere Anzahl größerer Pulse für den gleichen Nettoschub. Detonationen sind leider um ein Vielfaches lauter als Deflagrationen.

Die größte Schwierigkeit bei einem Impuls-Detonations-Motor besteht darin, die Detonation zu starten. Während es möglich ist, eine Detonation direkt mit einem großen Funken zu starten, ist der Energieeintrag sehr groß und für einen Motor nicht praktikabel. Die typische Lösung besteht darin, einen Deflagration-to-Detonation-Übergang (DDT) zu verwenden, d. h. eine Deflagration mit hoher Energie zu starten und sie durch eine Röhre bis zu dem Punkt beschleunigen zu lassen, an dem sie schnell genug wird, um zu einer Detonation zu werden. Alternativ kann die Detonation im Kreis geschickt werden und Ventile sorgen dafür, dass nur die höchste Spitzenleistung in den Auspuff gelangen kann. Auch das Impulskompressionsdetonationssystem kann verwendet werden, um das Initiierungsproblem zu lösen.

Dieser Vorgang ist aufgrund des Widerstands, auf den die fortschreitende Wellenfront stößt (ähnlich dem Wellenwiderstand ), weitaus komplizierter als es sich anhört . DDTs treten viel leichter auf, wenn sich Hindernisse in der Röhre befinden. Die am weitesten verbreitete ist die " Schchelkin-Spirale ", die die nützlichsten Wirbel mit dem geringsten Widerstand gegen das sich bewegende Kraftstoff-Luft-Abgas-Gemisch erzeugen soll. Die Wirbel führen dazu, dass sich die Flamme in mehrere Fronten aufspaltet, von denen einige rückwärts gehen und mit anderen Fronten kollidieren und dann zu Fronten vor ihnen beschleunigen.

Das Verhalten ist schwer zu modellieren und vorherzusagen, und die Forschung ist im Gange. Wie bei herkömmlichen Pulsejets gibt es zwei Hauptausführungen: mit und ohne Ventil. Bei Konstruktionen mit Ventilen treten dieselben schwer zu behebenden Verschleißprobleme auf wie bei ihren Pulsstrahl-Äquivalenten. Ventillose Konstruktionen beruhen in der Regel auf Anomalien im Luftstrom, um eine Einwegströmung zu gewährleisten, und sind bei einem normalen DDT sehr schwer zu erreichen.

Die NASA unterhält ein Forschungsprogramm zur PDE, das auf zivile Hochgeschwindigkeits- Transportsysteme von etwa Mach 5 abzielt . Die meisten PDE-Forschungen sind jedoch militärischer Natur, da das Triebwerk verwendet werden könnte, um eine neue Generation von Hochgeschwindigkeits-Langstrecken- Aufklärungsflugzeugen zu entwickeln , die hoch genug fliegen würden, um außerhalb der Reichweite jeder aktuellen Flugabwehr zu sein, während sie gleichzeitig Reichweite erheblich größer als die der SR-71 , die eine riesige Tanker-Unterstützungsflotte für den Einsatz erforderte.

Während sich die meisten Forschungen auf den Hochgeschwindigkeitsbereich beziehen, scheinen neuere Designs mit viel höheren Pulsfrequenzen von Hunderttausenden sogar bei Unterschallgeschwindigkeiten gut zu funktionieren. Während herkömmliche Motorkonstruktionen immer Kompromisse beinhalten, die sie auf einen "besten Geschwindigkeitsbereich" beschränken, scheint die PDE sie bei allen Geschwindigkeiten zu übertreffen. Sowohl Pratt & Whitney als auch General Electric haben jetzt aktive PDE-Forschungsprogramme, um die Designs zu kommerzialisieren.

Die Hauptschwierigkeiten bei Impulsdetonationstriebwerken bestehen darin, DDT zu erreichen, ohne dass ein Rohr benötigt wird, das lang genug ist, um es unpraktisch zu machen und dem Flugzeug einen Widerstand aufzuerlegen (das Hinzufügen einer U-Biegung in das Rohr löscht die Detonationswelle); Reduzierung des Geräuschs (oft als das Geräusch eines Presslufthammers beschrieben); und Dämpfen der starken Vibration, die durch den Betrieb des Motors verursacht wird.

Erster PDE-Motorflug

Flugbild der durch gepulste Detonation angetriebenen und stark modifizierten Rutan Long-EZ am 31. Januar 2008.

Am 31. Januar 2008 fand im Mojave Air & Space Port der erste bekannte Flug eines Flugzeugs mit Pulsdetonationstriebwerk statt . Das Projekt wurde vom Air Force Research Laboratory und Innovative Scientific Solutions, Inc. entwickelt . Das für den Flug ausgewählte Flugzeug war eine stark modifizierte Scaled Composites Long-EZ mit dem Namen Borealis . Das Triebwerk bestand aus vier Röhren, die Impulsdetonationen mit einer Frequenz von 80 Hz erzeugten und bis zu 200 Pfund Schub (890 Newton) erzeugten. Viele Treibstoffe wurden in den letzten Jahren von den Triebwerksentwicklern erwogen und getestet, aber für diesen Flug wurde eine verfeinerte Oktanzahl verwendet. Ein kleines Raketensystem wurde verwendet, um das Abheben der Long-EZ zu erleichtern, aber die PDE arbeitete 10 Sekunden lang aus eigener Kraft in einer Höhe von ungefähr 30 m. Der Flug fand bei niedriger Geschwindigkeit statt, während die Attraktivität des PDE-Triebwerkskonzepts eher bei hohen Geschwindigkeiten liegt, aber die Demonstration zeigte, dass eine PDE in einen Flugzeugrahmen integriert werden kann, ohne strukturelle Probleme durch die 195-200 dB Detonationswellen zu bekommen. Für die modifizierte Long-EZ sind keine Flüge mehr geplant, aber der Erfolg dürfte mehr Mittel für die PDE-Forschung ankurbeln. Das Flugzeug selbst wurde zur Ausstellung in das National Museum der United States Air Force gebracht .

In der Raketentechnik

Wenn sowohl Treibstoff als auch Oxidationsmittel im Fahrzeug mitgeführt werden, ist ein Pulsdetonationsmotor unabhängig von der Atmosphäre und kann in der Raumfahrt eingesetzt werden . Im Juli 2021 testete JAXA erfolgreich ein Impulsdetonationsraketentriebwerk im Weltraum.

Popkultur

  • In dem Science-Fiction-Roman Aelita (1923) reisen zwei Russen in einer Pulsdetonationsrakete mit "einem feinen Pulver von ungewöhnlicher Sprengkraft" zum Mars (S. 19).
  • Der sowjetische Roman Das Geheimnis der zwei Ozeane von 1939 von Grigory Adamov dreht sich um ein U-Boot, das einen Detonationsmotor verwendet (neben anderen hochmodernen Technologien). Der Brennstoff ist ein Wasserstoff-Sauerstoff-Gemisch, das durch Wasserelektrolyse hergestellt wird. An einem Punkt wird das U-Boot sabotiert, indem die Druckanzeigen deaktiviert werden, wodurch sich das explosive Gemisch ansammelt.
  • Das Videospiel X-COM: UFO Defense enthält das fiktive Kampfflugzeug "Interceptor", das laut Ingame-Beschreibung von Doppelimpuls-Detonationsmotoren angetrieben wird.
  • In der Drama-Fernsehserie JAG zeigt die Episode der neunten Staffel "The One That Got Away" (ursprüngliches Sendedatum 17. Oktober 2003) die Aurora - die in der Show ein supergeheimes Hyperschallflugzeug ist , das von der CIA entwickelt wird und einen Puls verwendet - Detonationsmotor.
  • In dem Film Stealth (2005) verwenden die fortschrittlichen Jäger Puls-Detonations-Triebwerke mit Scramjet- Boostern.
  • Die PDE wurde in einer Reihe moderner Romane als Story Point verwendet, wie zum Beispiel in Dan Browns Thriller Deception Point (die zweite Seite des Buches besagt, dass alle Technologien in der Geschichte nicht fiktiv sind und existieren, wenn auch ohne Verweis auf Quellen ) und Victor Komans Science - Fiction - Roman Kings of the High Frontier .

Siehe auch

Verweise

Externe Links