NASA -ingenjör Laura O'Connor inspekterar en supersonisk ramjet (scramjet) motormodell vid Langley Research Center i Hampton, Virginia. © Corbis Som alla som någonsin har magen floppade av ett högdyk kan berätta för dig, när du träffar en vätska utan att ge den tid att komma ur vägen, det tenderar att slå tillbaka. Dykare slår fysiken genom att ta ett mer strömlinjeformat steg, och snabbare bilar och flygplan gör det genom att ha mer aerodynamiska former. Men det kommer en punkt, nära ljudspärren, där effektivisering inte är tillräcklig - en hastighet med vilken själva luften som håller ditt plan högt börjar hamra dig med till synes oöverstigligt drag, tandrasande turbulens och brutala chockvågor. Verkligen, många trodde att denna ljudbarriär var obrytlig tills, den 14 oktober 1947, Chuck Yeagers raketdrivna Bell X-1 visade att de hade fel.
Men tänk om du kunde vända all den hopfyllda luften till din fördel? Tänk om, i stället för att köra igenom den med propeller eller bränna igenom den med raketer, du kan packa den i ett specialformat rör, pumpa upp det med en explosion och avfyra det ett munstycke med supersoniska hastigheter, alla utan större rörliga delar? Du skulle ha en mycket speciell typ av jetmotor, ett "flygande spis" som passar för att skära genom himlen i tusentals miles i timmen. Du skulle ha en ramjet .
Men ramjets uppenbara enkelhet är vilseledande; det krävs banbrytande flygteknik, moderna material och precisionstillverkning för att dra av en - vilket delvis förklarar varför en idé nästan lika gammal som motorflyg upprepade gånger togs upp och kastades åt sidan i decennier innan den uppnådde begränsad framgång under kalla kriget.
Till skillnad från dess huvudsakliga hastighetstävling, raketen, som bränner bränsle med hjälp av inbyggda oxidationsmedel som ammoniumnitrat, kaliumklorat eller ammoniumklorat, ramjets andas luft. Således, medan raketer kan fungera i rymdens nästan vakuum, ramjets måste flyga genom atmosfären. De måste göra det i mycket höga hastigheter, också-runt Mach 2.5-3.0, eller tre gånger ljudets hastighet - eftersom ramjets fungerar genom att utnyttja ramtryck, den naturliga luftkompressionen som orsakas av ett flygplans höga hastighet. Med andra ord, ramjets gör allierade till själva chockvågorna och kompressionskrafterna som en gång motsatte sig höghastighetsflyg; de går bokstavligen med flödet [källor:Encyclopaedia Britannica; NASA].
Ramjets är mer effektiva över långa avstånd än raketer men har en betydande nackdel:De är värdelösa vid låga hastigheter. Följaktligen, de förlitar sig på förstärkningsraketer eller andra fordon för att få dem i fart. Fristående ramjetflygplan använder vanligtvis hybridmotorer [källa:NASA].
Om den förklaringen flög förbi dig i supersonisk hastighet, det är förmodligen för att vi hoppade över en massa coola och intressanta saker. Låt oss titta på hur jetmotorer har utvecklats för att producera detta moderna underverk.
Innehåll
En kameraman med höghastighetskamera filmar förstärkningsflamman från en ramjet I-40-motor vid Lewis Flight Propulsion Laboratory i Cleveland. (Labbet blev senare känt som John Glenn Research Center.) © Corbis Jets körs på kontrollerade explosioner. Det låter konstigt tills du inser att de flesta bilmotorer gör, också:Dra in luft, komprimera det, blanda det med bränsle, tänd det och knacka! Du har skjutit en kolv. Men medan bensin- och dieselmotorer involverar cykliska eller intermittent förbränning , strålar medför kontinuerlig förbränning, där bränsle och luft blandas och brinner utan avbrott. Hur som helst, att bränna mer gummi betyder att man gnisslar mer gas, och det betyder att man suger in mer syre för att få blandningen rätt. Uppsugna bilar gör detta med superladdare; i jetmotorer, det är mer komplicerat [källa:Encyclopaedia Britannica].
Det första operativa jetflygplanet zoomade in i strider nära slutet av andra världskriget med turbojet motorer, en enkel men genial design baserad på Brayton (eller Joule ) Cykel :När planet flyger, luftströmmar genom ett intag till a diffusor , en kammare som bromsar luftflödet och hämmar chockvågor. Den passerar sedan genom en serie bladade skivor:snurrning rotorer , som tvingar luften bakåt, och stillastående statorer , som styr luftflödet. Tillsammans, de fungerar som en kompressor som pumpar upp trycket i jetens förbränningskammare. Där, bränsle blandas med tryckluft och antänds, sprängningstemperaturer i intervallet 1800-2800 F (980-1540 C) eller högre [källor:Encyclopaedia Britannica; Krueger; Spakovszky].
Trycket stiger med temperaturen, så denna explosion skapar mycket kraft utan att göra annat än att söka en snabb utgång. När avgaserna skjuter genom det bakre munstycket genererar det dragkraft för att flytta flygplanet. På väg till detta munstycke, avgaserna skjuter också genom en turbin som är ansluten till rotorerna med en momentaxel. När turbinen snurrar, den överför energi till kompressorbladen framför, slutföra cykeln.
I flygplan med turboprops eller helikoptrar med turboskaft motorer, turbinerna överför också kraft till en propeller eller helikopterrotor via en serie växlar.
Turbojets packar mycket kraft men kämpar i låga hastigheter. Följaktligen, under 1960- och 1970 -talen, låg supersoniska flygplan började trenden mot turbofan som de flesta privata jetplan och kommersiella flygplan fortfarande använder. En turbofan är motorns turducken - i huvudsak en turbojet inlindad i en större kåpa med en stor fläkt slagad på framsidan. Fläkten drar in mer luft, som motorn sedan delar upp i två strömmar:En del luft rör sig genom det kapslade turbojet, medan resten flyter genom det tomma utrymmet runt det. De två strömmarna återförenas när omdirigerad kallare luft blandas med turbojets avgaser och saktar ner den, skapa en större, långsammare dragström som är effektivare vid låga hastigheter [källor:Encyclopaedia Britannica; Krueger].
Under tiden, vid den tidpunkt då turbofan kom till sin rätt, forskning om ramjetflygplan slog äntligen framåt. Det hade varit en lång väg.
EfterbrännareVissa turbojets och turbofan är kopplade till efterbrännare , som släpper ut mer energi genom att injicera bränsle i avgaserna efter att det har passerat turbinen och tänds igen. Denna process, också känd som värma upp , är ineffektiv men kan öka turbofan -dragkraften med så mycket som 50 procent [källor:Encyclopaedia Britannica; Pratt &Whitney]. Efterbrännare kommer till nytta under start eller vid ogynnsamma, låghastighets- eller lågtrycksförhållanden. De finns mestadels i supersoniska stridsflygplan, även om Concorde SST använde dem också vid start [källor:Encyclopaedia Britannica; NASA; Pratt &Whitney].
Den som sa att du måste gå innan du kan springa träffade aldrig fransmannen René Lorin. Han såg möjligheterna med ramtrycksdrivning redan 1913, när piloter fortfarande flög glorifierade trädrakar. Medveten om designens värdelöshet vid subsoniska hastigheter, han konstruerade istället en ramjet-assisterad flygbomb. Den franska militären vinkade bort honom. Ungerska ingenjören Albert Fono, en annan ramjet -pionjär, följde en liknande idé 1915 och fick ett jämförbart mottagande från den österrikisk-ungerska armén [källor:Gyorgy; Heiser och Pratt; Wolko].
Ramjets designer fick en kort mode mellan världskrig. Sovjetiska ingenjörer gjorde tidiga framsteg i raketbaserade ramjets (se nästa avsnitt), men intresset brann ut före 1940. Den tyska ockupationen avbröt den franske ingenjören René Leducs tidiga arbete, men hans uthållighet och sekretess lönade sig den 21 april, 1949, när hans Lorin-inspirerade 010-modell gjorde sin första flygning med ett ramjetflygplan. Högt uppe på ett Languedoc 161 -flygplan, den flög i 12 minuter och nådde 450 mph (724 kph) vid halv effekt [källor:Siddiqi; Avdelning; Wolko; Yust et al.].
Och, ett tag, det var det. Trots Leducs framgångar, brist på medel upphörde officiellt stöd för hans forskning 1957 [källor:Siddiqi; Avdelning; Wolko; Yust et al.]. Ramjet började likna en uppfinning utan tillämpning. Under tiden, Andra världskriget hade inlett den första generationen operativa turbojets:den brittiska Gloster Meteor, tyska Messerschmitt Me 262 och amerikanska Lockheed F-80 Shooting Star [källor:Encyclopaedia Britannica; Encyclopaedia Britannica; Encyclopaedia Britannica; USAFs Nationalmuseum; van Pelt].
När kriget tog slut och det kalla kriget värmde upp, det blev klart att turbojets och turbofans presenterade mer praktiska subsoniska och lågsupersoniska lösningar än ramjets. Därefter, de flesta amerikanska och sovjetiska arbeten i ramjets fokuserade på att bygga interkontinentala missiler. 1950, Amerikanska ingenjören William H. Avery och Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory producerade Talos, den amerikanska flottans första ramjet -missil. Framtida generationer skulle förfina och effektivisera designen, introducerar hybrid ramrockets kan uppnå höga supersoniska hastigheter (Mach 3-5) (se nästa avsnitt) [källor:Hoffman; Kossiakoff; Avdelning].
Trots spännande design som Hiller XHOE-1 Hornet-helikopter, den föreslagna bombflygningsavlytaren Republic XF-103 och den kortlivade Lockheed D-21B obemannade spaningsdronan, ramjet -flygplan tappade fram till 1964 års debut av Lockheed SR-71 Blackbird . Det snabbast bemannade flygplanet fram till dess pension 1989, Mach 3+ Blackbird använde också en hybridmotor, kallas ibland för a turboramjet [källor:National Museum of the USAF; Smithsonian; Avdelning].
Vi kommer att dyka in i SR-71 och andra ramjet-hybrider och undertyper i nästa avsnitt.
Rudi Ramjet?I slutet av andra världskriget, Tyskland hade påbörjat forskning om många jetbåtar, inklusive en raketassisterad ramjet, Fw 252 "Super Lorin, "och den ramjetdrivna antipodala bombplanen Sänger-Bredt. Mest känt, de byggde framgångsrikt V-1 Buzz Bomb, en ångkatapult-lanserad, pulsstråldriven styrd bomb. En pulsstråle är inte en ramjet, men de delar egenskaper gemensamt, inklusive enkelhet och ett minimum av rörliga delar [källor:Encyclopaedia Britannica; Encyclopaedia Britannica; Encyclopaedia Britannica; USAFs Nationalmuseum; van Pelt].
Lockheed SR-71A Blackbird spaningsflygplan förbereder för flygning. Blackbird parkerad vid Steven F. Udvar-Hazy Center flög en gång från Los Angeles till Washington, D.C., om en timme, fyra minuter och 20 sekunder. © George Hall/Corbis Om ramjets är så jobbiga, varför bry sig då? Väl, vid tryck och temperaturer som genereras vid Mach 2.5+, de flesta jetmotorer blir enormt opraktiska - och helt meningslösa. Även om du kunde få en att fungera, att göra det skulle kombinera farorna med att köra en väderkvarn i en orkan med det meningslösa att dra en vågmaskin till Oahu North Shore.
Ramjets tar de grundläggande principerna för andra jetplan och vrider dem upp till 11, allt utan större rörliga delar. Luft kommer in i en ramjets diffusor med supersoniska hastigheter, attackera den med chockvågor som hjälper till att bygga ramtryck. En diamantformad mittkropp i inloppet pressar ytterligare luften och sänker den till subsoniska hastigheter för att mer effektivt blandas med bränsle och förbränning. Förbränning sker i en öppen kammare som liknar en gigantisk efterbrännare, där flytande bränsle injiceras eller fast bränsle avlägsnas från kammarens sidor [källor:Ashgriz; Encyclopaedia Britannica; SPG; Avdelning].
Ramjets hastighetsbegränsningar inspirerade gradvis till hybridmotorer som kunde flyga med lägre hastigheter och accelerera till supersoniska hastigheter. Det mest kända exemplet, SR-71 Blackbird, använde en turbojet-ramjet hybrid kallad, på lämpligt sätt, a turboramjet . Sådana motorer fungerar som en efterbränd turbojet till långt förbi Mach 1, varefter kanaler går förbi turbojet och omdirigerar det komprimerade luftflödet till efterbrännaren, att få motorn att bete sig som en ramjet [källa:Ward].
Missildesigner, under tiden, gradvis tog bort boosters genom att flytta dem inuti själva ramjet, skapande ramrockets , aka integrerade raketramjets . Under raketacceleration, pluggar förseglar tillfälligt ramjets insugnings- och bränsleinsprutare. När raketerna är förbrukade och ramjet är i fart, dessa dyker upp, och de tomma raketerna fungerar som förbränningskammare [källa:Ward].
Ser fram emot, att korsa Mach 5 -linjen till hypersoniska hastigheter kommer sannolikt att innebära scramjets (supersonisk förbränningsramjets) . Till skillnad från andra ramjets, scramjets behöver inte sänka luften till subsoniska hastigheter i sina förbränningskammare. För att dra av tändningen och expansionen på 0,001 sekunder innan tryckluften skjuter ut avgaserna, scramjets använder vanligtvis vätebränsle, som har en hög specifik impuls (förändring i momentum per drivmedels massa), tänds över ett brett spektrum av bränsle/luftförhållanden och släpper ut en enorm energiutbrott vid förbränning [källor:Bauer; Encyclopaedia Britannica; NASA].
Scramjets förblev teoretisk före de senaste decennierna, och arbetet förblir mestadels experimentellt. I november 2004, NASA är åtta år, 230 miljoner dollar Hyper-X-programmet producerade en scramjet som nådde Mach 9.6 på sin sista flygning. Vissa analytiker tror att tekniken kan nå Mach 15-24, men flygresor med hypersonisk hastighet innebär att övervinna krafter till skillnad från dem som möts av även de snabbaste överljudsfartygen. Kortfattat, vi har en lång väg att gå innan vi kan pendla från New York till Los Angeles på 12 minuter [källor:Bauer; DARPA; Fletcher; NASA].
Interstellar RamjetEtt stort hinder för raketdrivna rymdfärder är det exponentiella förhållandet mellan acceleration och bränsle. Ju snabbare du går, ju mer bränsle du behöver; ju mer bränsle du bär, ju mer massa du lägger till, ju mer extra bränsle du behöver för att övervinna det [källor:Long; NASA].
Med detta i åtanke, fysiker har föreslagit andra lösningar, inklusive allt från solsegel till exploderande utkastade kärnbomber. År 1960, fysikern Robert Bussard föreslog en interstellar ramjet som skulle samla laddade partiklar i rymden via ett elektromagnetiskt fält, konvergera dem, skapa en fusionsreaktion och använd energin för framdrivning [källor:Lång; NASA].
Läs mer
Jag är ofta förtrollad av historier om stora innovationer som inte lyckades hitta en applikation när de först uppfanns. När du skriver denna artikel, till exempel, Jag blev upprepade gånger påmind om lasern, som en gång kallades en lösning som letade efter ett problem.
Åh, vilken skillnad några decennier gör.
Å andra sidan, ibland gör konstiga uppfinningar miljoner. Andra gånger uppfinner vi saker för ett ändamål som visar sig ha oförutsedda tillämpningar. Bland dess många bidrag, det amerikanska rymdprogrammet uppfann den ribbade baddräkten och bytte blöjor för alltid. I dag, materialforskare upptäcker egenskaper som vi ännu inte har hittat användningsområden för. Med tur, de kommer att klara sig bättre än Lorin.
