Home Uncategorized Vindtunnelstudie visar att flödet i en hypersonisk jetmotor kan styras optiskt

Vindtunnelstudie visar att flödet i en hypersonisk jetmotor kan styras optiskt

by admin
Doktoranden Max Chern tittar närmare på vindtunneluppställningen där forskare från University of Virginia School of Engineering and Applied Science visade att det är möjligt att styra en scramjetmotor med dubbla lägen med en optisk sensor. Foto: Wende Whitman, UVA Engineering

Tänk om framtidens rymdresor skulle se mindre ut som Space-X:s raketbaserade Starship och mer som NASA:s ”Hyper-X”, det hypersoniska jetplanet som för 20 år sedan i år flög snabbare än något annat flygplan före eller efter?

År 2004 var NASA:s sista obemannade prototyptester med X-43A en milstolpe i den senaste eran av jetflygplansutveckling – språnget från ramjet till snabbare och effektivare scramjet. Vid det sista testet i november samma år uppnåddes en världsrekordhastighet som bara en raket hade kunnat uppnå tidigare: Mach 10. Hastigheten motsvarar 10 gånger ljudets hastighet.

NASA samlade in mycket användbar data från testerna, och det gjorde även flygvapnet sex år senare i liknande tester med X-51 Waverider, innan prototyperna störtade i havet.

Även om hypersonisk proof of concept var framgångsrik var tekniken långt ifrån operativ. Utmaningen var att uppnå motorkontroll, eftersom tekniken baserades på decennier gamla sensormetoder.

Den här månaden gav dock lite hopp för potentiella efterträdare till X-plane-serien.

Som en del av en ny studie publicerade forskare från University of Virginia School of Engineering and Applied Science data i juninumret av tidskriften Aerospace Science and Technology som för första gången visar att luftflödet i jetmotorer med supersonisk förbränning kan styras av en optisk sensor. Upptäckten kan leda till effektivare stabilisering av hypersoniska jetflygplan.

Dessutom lyckades forskarna åstadkomma adaptiv styrning av en scramjetmotor, vilket är ytterligare en nyhet för hypersonisk framdrivning. Adaptiva motorstyrsystem reagerar på förändringar i dynamiken för att hålla systemets totala prestanda optimal.

”En av våra nationella prioriteringar inom flyg- och rymdindustrin sedan 1960-talet har varit att bygga flygplan som kan ta sig till omloppsbana i ett enda steg, som flyger ut i rymden med horisontell start som ett traditionellt flygplan och landar på marken som ett traditionellt flygplan”, säger professor Christopher Goyne, chef för UVA Aerospace Research Laboratory, där forskningen ägde rum.

”För närvarande är den mest avancerade farkosten SpaceX Starship. Den har två steg med vertikal uppskjutning och landning. Men för att optimera säkerheten, bekvämligheten och återanvändbarheten skulle rymdindustrin vilja bygga något som mer liknar en 737:a.”

Goyne och hans medforskare Chloe Dedic, docent i ingenjörsvetenskap vid UVA, tror att optiska sensorer skulle kunna vara en viktig del av kontrollekvationen.

”Det verkade logiskt för oss att om ett flygplan arbetar i hypersoniska hastigheter på Mach 5 och högre, att det kan vara att föredra att bädda in sensorer som arbetar närmare ljusets hastighet än ljudets hastighet”, säger Goyne.

Ytterligare medlemmar i teamet var doktoranden Max Chern, som är artikelns försteförfattare, samt den tidigare doktoranden Andrew Wanchek, doktoranden Laurie Elkowitz och Robert Rockwell, senior forskare vid UVA.

Stoppa ”avstart” för att behålla kontrollen

NASA har länge försökt förhindra något som kan inträffa i scramjetmotorer och som kallas ”unstart”. Termen indikerar en plötslig förändring i luftflödet. Namnet kommer från en specialiserad testanläggning som kallas supersonisk vindtunnel, där en ”start” innebär att vinden har nått de önskade supersoniska förhållandena.

UVA har flera supersoniska vindtunnlar, inklusive UVA Supersonic Combustion Facility, som kan simulera motorförhållanden för ett hypersoniskt fordon som färdas med fem gånger ljudets hastighet.

”Vi kan köra testförhållanden i timmar, vilket gör att vi kan experimentera med nya flödessensorer och kontrollmetoder på en realistisk motorgeometri”, säger Dedic.

Goyne förklarade att ”scramjets”, som är en förkortning för supersoniska förbränningsramjets, bygger på ramjetteknik som har varit i allmänt bruk i flera år.

Ramjets ”rammar” i huvudsak luft in i motorn med hjälp av flygplanets framåtrörelse för att generera de temperaturer och tryck som krävs för att bränna bränsle. De arbetar i ett intervall på cirka Mach 3 till Mach 6. När inloppet i främre delen av farkosten smalnar av sänks den interna lufthastigheten till underljudshastigheter i en ramjetförbränningsmotor. Det gör dock inte själva planet.

Scramjets är dock lite annorlunda. Även om de också är ”luftandande” och har samma grundläggande uppbyggnad, måste de upprätthålla det supersnabba luftflödet genom motorn för att nå hypersoniska hastigheter.

”Om något händer i en hypersonisk motor och subsoniska förhållanden plötsligt skapas, blir det en avstart”, säger Goyne. ”Dragkraften minskar plötsligt och det kan vara svårt att starta om inloppet.”

NASA:s B-52B-flygplan på väg till ett testområde över Stilla havet med den tredje och sista X-43A-farkosten, fäst vid en Pegasus-raket, den 16 november 2004. Kredit: NASA

NASA:s B-52B-flygplan på väg till ett testområde över Stilla havet med den tredje och sista X-43A-farkosten, fäst vid en Pegasus-raket, den 16 november 2004. Kredit: NASA

Test av en scramjetmotor med dubbla lägen

För närvarande behöver scramjetmotorer, precis som ramjetmotorer, ett steg uppåt för att komma upp i en hastighet där de kan ta in tillräckligt med syre för att fungera. Det kan handla om en åktur som fästs på undersidan av ett bärbart flygplan eller en raketförstärkning.

Den senaste innovationen är en scramjetbrännkammare med dubbla lägen, vilket var den typ av motor som det UVA-ledda projektet testade. Den dubbla motorn startar i ramjetläge vid lägre Mach-tal och växlar sedan till att ta emot fullt överljudsluftflöde i förbränningskammaren vid hastigheter som överstiger Mach 5.

Att förhindra avstart när motorn gör den övergången är avgörande.

Inkommande vind interagerar med inloppsväggarna i form av en serie chockvågor som kallas ”chock train”. Traditionellt har den främre kanten av dessa vågor, som kan vara destruktiva för flygplanets integritet, kontrollerats av trycksensorer. Maskinen kan justeras, till exempel genom att flytta chockvågornas position.

Men var stötvågornas framkant befinner sig kan ändras snabbt om flygstörningar förändrar dynamiken i luften. Stöttåget kan sätta tryck i inloppet, vilket skapar förutsättningar för avstart.

”Om du känner av ljudhastigheten, men motorprocesserna rör sig snabbare än ljudhastigheten, har du inte så mycket responstid”, säger Goyne.

Han och hans medarbetare undrade om man kunde förutse en kommande avstart genom att istället observera egenskaper hos motorns låga.

Avkänning av en flammes spektrum

Teamet bestämde sig för att använda en sensor för optisk emissionsspektroskopi för den återkoppling som behövs för att styra stötstångens framkant.

Den optiska sensorn är inte längre begränsad till information som erhålls vid motorns väggar, som trycksensorer är, utan kan identifiera subtila förändringar både inuti motorn och i flödesvägen. Verktyget analyserar mängden ljus som avges av en källa – i det här fallet de reagerande gaserna i scramjetbrännkammaren – samt andra faktorer, som flammans placering och spektrala innehåll.

”Det ljus som avges av lågan i motorn beror på att molekylära arter som exciteras under förbränningsprocesser slappnar av”, förklarar Elkowitz, en av doktoranderna. ”Olika arter avger ljus med olika energi eller färg, vilket ger ny information om motorns tillstånd som inte fångas upp av trycksensorer.”

Teamets demonstration i vindtunneln visade att motorstyrningen kan vara både förutsägbar och adaptiv, med en smidig övergång mellan scramjet- och ramjetfunktion.

Vindtunneltestet var i själva verket världens första bevis på att adaptiv styrning i den här typen av motorer med dubbla funktioner kan åstadkommas med optiska sensorer.

”Vi var mycket glada över att kunna visa vilken roll optiska sensorer kan spela i styrningen av framtida hypersoniska farkoster”, säger Chern, som är försteförfattare. ”Vi fortsätter att testa sensorkonfigurationer medan vi arbetar mot en prototyp som optimerar paketvolym och vikt för flygmiljöer.”

Bygga mot framtiden

Även om mycket mer arbete återstår att göra kan optiska sensorer vara en del av den framtid som Goyne tror kommer att förverkligas under hans livstid: flygplansliknande resor till rymden och tillbaka.

Dual-mode scramjets skulle fortfarande kräva någon form av boost för att få upp flygplanet till minst Mach 4. Men det skulle vara extra säkert att inte enbart förlita sig på raketteknik, som kräver att mycket brandfarligt bränsle transporteras tillsammans med stora mängder kemiska oxidationsmedel för att förbränna bränslet.

Den minskade vikten skulle ge mer utrymme för passagerare och nyttolast.

Ett sådant allt-i-ett-flygplan, som skulle glida tillbaka till jorden på samma sätt som rymdfärjorna en gång gjorde, skulle till och med kunna erbjuda den perfekta kombinationen av kostnadseffektivitet, säkerhet och återanvändbarhet.

”Jag tror att det är möjligt, ja”, säger Goyne. ”Även om den kommersiella rymdindustrin har kunnat sänka kostnaderna genom viss återanvändbarhet, har de ännu inte lyckats med flygplansliknande operationer. Våra resultat skulle potentiellt kunna bygga vidare på Hyper-X:s historia och göra dess tillgång till rymden säkrare än dagens raketbaserade teknik.”

För mer information: Max Y. Chern et al, Control of a dual-mode scramjet flow path utilizing optical emission spectroscopy, Aerospace Science and Technology (2024). DOI: 10.1016/j.ast.2024.109144

You may also like

Leave a Comment