تکنولوژی
چین موتور جدید رم-روتور دتونیشن برای بهبود پرواز هایپرسونیک ایجاد می‌کند
محققان در چین موتور جدیدی برای پروازهایپرسونیک طراحی کردند که موتور رمجت را با موتور دتونیشن چرخشی ترکیب می‌کند. این طراحی که «موتور دتونیشن رم-روتور» نام دارد، برای ارائه thrust پیوسته، عملکرد در سرعت‌های آغازین پایین و بهبود کارایی کلی ایجاد شده است. این موتور از فشارهای شوک برای فشرده‌سازی سوخت و هوا استفاده می‌کند و به ثبات فشار و thrust در شرایط عملی کمک می‌کند. آزمایشات نشان داده است که این موتور می‌تواند سرعت‌های تا ماخ 4.2 را تحمل کند و دماهای احتراق نزدیک به 2100 کلوین را تجربه کند. این نوآوری راه را برای پیشرفت‌های بیشتر در حوزه پروازهایپرسونیک و نیروپیش‌برش هوافضا هموار می‌کند.
محققان در چین مفهوم جدیدی از یک موتور هایپرسونیک ارائه کرده‌اند که موتور رمجت را با یک موتور دتونیشن چرخشی ترکیب می‌کند. تیمی در دانشگاه تسینگ‌هوآ در پکن طراحی جدیدی به نام موتور دتونیشن رم-روتور (RRDE) با ترکیب موتور دتونیشن و کمپرسور روتور برپایه رمجت‌ها و با الهام از موتورهای چرخشی ایجاد کرده‌اند. این طراحی به منظور ارائه thrust پیوسته، عملکرد در سرعت‌های آغازین پایین‌تر و بهبود کارایی کلی طراحی شده است. به گفته محققان، این رویکرد می‌تواند کارایی پروازهای هایپرسونیک را بهبود بخشد و امکان سفر سریعتر را بالقوه عملی کند.
مطالعه جدید طراحی RRDE را که برای بهبود نیروی پیش‌برش از طریق چرخه‌های مؤثر دتونیشن در نظر گرفته شده است، بررسی می‌کند. دتونیشن یا احتراق سریع فشار را با فشرده‌سازی سوخت و هوا با موج شوک افزایش می‌دهد و سپس مقدار زیادی حرارت آزاد می‌کند. هرچند که مزایای فشار وعده داده شده توسط موتورهای دتونیشن مانند موتور پالس-دتونیشن و موتور چرخشی دتونیشن وجود دارد، اما ایجاد thrust و فشار مستمر در شرایط عملی چالش‌برانگیز است. بر اساس تحقیقات قبلی، دانشمندان موتور RRDE را پیشنهاد کرده‌اند که از تیغه‌های چرخان برای فشرده‌سازی، اشتعال و گسترش گازها در یک توالی استفاده می‌کند. با الهام از مفهوم کمپرسور رم-روتور، RRDE برای مدیریت امواج شوک طراحی شده است و thrust را با حفظ چرخه‌های فشار ایده‌آل بهبود می‌بخشد. تحقیق جدید ساختار RRDE را معرفی و عملکرد آن را تحلیل می‌کند و پتانسیل آن را از طریق شبیه‌سازی‌ها نشان می‌دهد، که راه را برای پیشرفت‌های بیشتر در پروازهای هایپرسونیک و نیروپیش‌برش هوافضا هموار می‌کند.
RRDE برای رسیدن به امواج دتونیشن پیوسته و عملکرد پایدار موتور طراحی شده است، با هدف دستیابی به فشار بالا و کارایی. ساختار اصلی آن شامل یک چرخنده با تیغه‌هایی در یک الگوی مارپیچ در داخل یک محفظه ثابت است. هنگامی که سوخت و هوا از میان کانال‌های بین این تیغه‌ها عبور می‌کنند، فشرده، مشعل می‌شود و گسترش می‌یابد، همه در یک واحد فشرده. به گفته تیم، طراحی امواج شوک مخرب را به حداقل می‌رساند و عملکرد را بهبود می‌دهد. RRDE انطباق‌پذیر است زیرا می‌تواند در سرعت‌های مختلف با تغییر سرعت روتور کار کند. در مقایسه با موتورهای دتونیشن کنونی، RRDE یک انتخاب نیروی پیش‌برش مطمئن‌تر و کارآمدتر ارائه می‌دهد و مسائلی از جمله سرعت‌های آغازین پایین در موتورهای دتونیشن مایل و thrust ناپیوسته در موتورهای پالس دتونیشن را برطرف می‌کند.
نتایج آزمایش نشان داد که RRDE شامل فشردگی، احتراق و گسترش در یک روتور است، با استفاده از یک موج دتونیشن ثابت نسبت به روتور برای بهبود فشار و کارایی. RRDE در سرعت‌های مختلف با کوتاه کردن مسیر احتراق کار می‌کند. سرعت ورودی نسبی (V0)، سرعت ورودی مطلق، و نسبت سوخت به هوا (ϕ) سه عامل اصلی تعیین کننده عملکرد آن هستند. تیم تاکید می‌کند که مطالعه نشان می‌دهد اگرچه سرعت مطلق ورودی بالاتر thrust و افزایش فشار را کاهش می‌دهد، ولی سرعت V0 هر دو را افزایش می‌دهد. نسبت سوخت نیز بر کارایی تاثیر می‌گذارد و کارایی بالا در یک طیف ایده‌آل به دست می‌آید.
شبیه‌سازی‌های عددی توانایی RRDE در تثبیت موج دتونیشن و تطبیق با تغییر تنظیمات ورودی را تایید می‌کند. آزمایش‌هایی که با استفاده از ترکیب سوخت هوای هیدروژنی انجام شد، پتانسیل RRDE برای نیروی پیش‌برش مؤثر را نشان داد و افزایش فشاری تا 1.6 تولید کرد.
آزمایش‌ها همچنین عملکرد پایدار را تضمین کردند و سرعت‌های ورود تا ماخ 4.2 - 4.2 برابر سرعت صوت - و دماهای گازهای احتراق نزدیک به 2100 کلوین (1827 درجه سانتیگراد یا 3320 درجه فارنهایت) را به دست آوردند. محققان می‌گویند که هنوز چالش‌های مهندسی، مانند حفظ ثبات دتونیشن در سرعت‌های پایین‌تر، محافظت از تیغه‌ها در برابر گرما و مقاومت روتور در سرعت‌های بالا وجود دارد. تحقیقات آینده بر روی مواد جدید و تکنیک‌های خنک‌کننده برای پیشرفت در طراحی و کارایی RRDE تمرکز خواهد داشت.
جزئیات تحقیقات تیم در مجله "Science Direct" منتشر شده است.
