موتور انفجار پالس

PDE نوعی سیستم پیشرانه است که از امواج انفجاری برای احتراق مخلوط سوخت و اکسید کننده استفاده می کند. موتور، پالس یا ضربان دارد زیرا مخلوط در محفظه احتراق باید بین هر موج انفجار و موج بعدی تجدید شود. از لحاظ تئوری، یک PDE می تواند از مادون سرعت صوت تا یک سرعت پرواز مافوق صوت تقریباً 5 ماخی عمل کند. یک طراحی PDE ایده آل می تواند بازده ترمودینامیکی بالاتری نسبت به سایر طرح ها مانند توربوجت و توربوفن داشته باشد زیرا موج انفجار به سرعت مخلوط را فشرده کرده و گرما را در حجم ثابت اضافه می کند.

در نتیجه، اجزای متحرکی مانند قرقره کمپرسور لزوماً در موتور مورد نیاز نیستند، که این می تواند وزن و هزینه کلی را به میزان قابل توجهی کاهش دهد. PDE ها از سال 1940 برای پیشرانه در نظر گرفته شده اند. مسائل کلیدی برای توسعه بیشتر شامل مخلوط کردن سریع و کارآمد سوخت و اکسید کننده، جلوگیری از احتراق خود به خود و ادغام با ورودی و نازل است.تا به امروز، هیچ PDE عملیاتی تولید نشده است، اما چندین موتور آزمایشی ساخته شده است و یکی با موفقیت در هواپیمای نمایشی با سرعت کم که در پروازهای مداوم با PDE در سال 2008 پرواز می کرد، ادغام شد.

عملکرد اصلی PDE مشابه موتور پالس جت است. در جت پالس، هوا با سوخت مخلوط شده و مخلوطی قابل اشتعال ایجاد می کند که سپس در یک محفظه باز مشتعل می شود. احتراق حاصله فشار مخلوط را تا حدود 100 اتمسفر (10 مگاپاسکال) افزایش می دهد، که سپس از طریق یک نازل برای رانش منبسط می شود.

برای اطمینان از خروج مخلوط به عقب و در نتیجه هل دادن هواپیما به جلو، از یک سری کرکره برای بستن جلوی موتور استفاده می شود. تنظیم دقیق ورودی باعث می شود کرکره ها در زمان مناسب بسته شوند تا هوا مجبور شود در یک جهت فقط از میان موتور حرکت کند. برخی از طرح های جت پالس از یک حفره رزونانس تنظیم شده برای ارائه عمل سوپاپ از طریق جریان هوا در سیستم استفاده کردند. این طرح ها معمولاً شبیه یک لوله U شکل هستند که از دو طرف باز می شوند.

در هر یک از سیستم ها، جت پالس در طول فرآیند احتراق دچار مشکل می شود. همان طور که سوخت می سوزد و منبسط می شود و نیروی محرک ایجاد می کند، هر گونه شارژ باقی مانده را نیز از نازل به عقب می راند. در بسیاری از موارد برخی از شارژها قبل از سوزاندن پرتاب می شوند، که همین باعث شد شعله مشهور در بمب پرواز V-1 و دیگر جت های پالس دیده شود. حتی در داخل موتور، حجم مخلوط به طور مداوم در حال تغییر است که به طور ناکارآمد سوخت را به انرژی قابل استفاده تبدیل می کند.

همه موتورهای معمولی جت و بیشتر موتورهای موشک بر اثر سوختن سوخت، یعنی سوختن سریع اما زیر صوتی سوخت، عمل می کنند. موتور انفجار پالس مفهومی است که در حال حاضر در حال توسعه برای ایجاد موتور جت است که بر روی انفجار مافوق صوت سوخت کار می کند. از آن جا که احتراق به سرعت انجام می شود، بار (مخلوط سوخت و هوا) در طول این فرایند زمان گسترش ندارد، بنابراین احتراق تحت حجم تقریباً ثابت اتفاق می افتد. احتراق با حجم ثابت کارآمدتر از طرح های چرخه باز مانند توربین های گازی است، که این منجر به راندمان بیشتر سوخت می شود.

از آن جا که فرآیند احتراق بسیار سریع است، تنظیم کرکره های مکانیکی با عملکرد مورد نیاز دشوار است. در عوض، PDE ها عموماً از یک سری شیر برای زمان بندی دقیق این فرآیند استفاده می کنند. در برخی از طرح های PDE از جنرال الکتریک، کرکره ها با استفاده از زمان بندی دقیق و با استفاده از اختلاف فشار بین مناطق مختلف موتور برای اطمینان از بیرون راندن "شلیک" به عقب حذف می شوند.

یکی دیگر از عوارض جانبی، که هنوز در استفاده عملی نشان داده نشده است، زمان چرخه است. یک پالس جت سنتی به دلیل زمان چرخه کرکره های مکانیکی، با سرعت 250 پالس در ثانیه به حداکثر می رسد، اما هدف PDE هزاران پالس در ثانیه است، آن قدر سریع که اساساً از نظر مهندسی پیوسته محسوب می شود. این امر می تواند موتور پالس جت با ارتعاش بالا را هموار و کم لرزش کند - پالس های کوچکِ زیاد، حجم کمتری در مقایسه با یک تعداد کمتر از پالس های بزرگ تر برای یک رانش خالص یکسان، ایجاد می کند. متأسفانه، انفجارهای شدید چندین برابر بلندتر از انفجارهای کند هستند.

مشکل اصلی در موتور انفجار پالس، شروع کردن به انفجار است. در حالی که می توان یک انفجار را مستقیماً با یک جرقه بزرگ شروع کرد، مقدار انرژی ورودی بسیار زیاد است و برای یک موتور کاربردی نیست. راه حل معمول استفاده از انتقال انفجار کند به انفجار شدید است - یعنی شروع یک انفجار با انرژی بالا، و از آن بخواهید یک لوله را تا حدی سریع کند که بتواند منفجر شود. متناوباً انفجار می تواند به دور یک دایره ارسال شود و دریچه ها، اطمینان حاصل می کنند که تنها بالاترین قدرت قله می تواند به اگزوز نشت کند. همچنین از سیستم انفجار فشرده سازی پالس می توان برای حل مشکل شروع استفاده کرد.

این فرایند به دلیل مقاومت در حال پیشروی در مقابل موج (شبیه به کشش موج) بسیار پیچیده تر از آن چیزی است که به نظر می رسد. اگر موانعی در لوله وجود داشته باشد، DDT بسیار راحت تر رخ می دهد. بیشترین استفاده "مارپیچ شلکین" است که برای ایجاد مفیدترین گردابی با کمترین مقاومت در برابر مخلوط سوخت/هوا/اگزوز متحرک طراحی شده است. گردابها منجر به جدا شدن شعله به چند جبهه می شوند، برخی از آنها به عقب برمی گردند و با جبهه های دیگر برخورد می کنند و سپس به جبهه های جلوتر از خود سرعت می دهند.

مدل سازی و پیش بینی رفتار دشوار است و تحقیقات در حال انجام است. همانند پالس جت های معمولی، دو نوع طرح اصلی وجود دارد: سوپاپ دار و بدون سوپاپ. طرح هایی که دارای سوپاپ هستند با همان مشکلات پوششی که در معادل پالس جت آنها برطرف می شود، برطرف می شوند. طرح های بدون سوپاپ معمولاً بر ناهنجاریهای جریان هوا تکیه می کنند تا جریان یک طرفه را تضمین کنند و در DDT معمولی دستیابی به آنها بسیار دشوار است.

ناسا یک برنامه تحقیقاتی در مورد PDE دارد که هدف آن سیستم های حمل و نقل غیرنظامی با سرعت بالا، حدود 5 ماخ است. با این حال بیشتر تحقیقات PDE جنبه نظامی دارد، زیرا می توان از موتور برای توسعه نسل جدیدی از هواپیماهای جاسوسی با سرعت بالا و دوربرد که به اندازه کافی پرواز می کنند و از محدوده هرگونه دفاع هوایی فعلی خارج هستند، در حالی که بردی به نحو قابل ملاحظه بیشتر از SR-71 را ارائه می دهند که برای استفاده در ناوگان عظیم پشتیبانی تانکر به آن نیاز است، استفاده کرد.

در حالی که بیشتر تحقیقات در مورد رژیم با سرعت بالا است، به نظر می رسد طرح های جدیدتر با نرخ تپش بسیار بالاتر در حد صدها هزار تپش حتی در سرعت های زیر صوت، نیز به خوبی کار می کنند. در حالی که طراحی موتورهای سنتی همیشه شامل مواردی است که آنها را در محدوده "بهترین سرعت" محدود می کند، به نظر می رسد که PDE در تمام سرعت ها از آنها بهتر عمل می کند. هر دو Pratt & Whitney و General Electric در حال حاضر برنامه های تحقیقاتی PDE فعال در تلاش برای تجاری سازی طرح ها دارند.

مشکلات اصلی در موتورهای انفجار پالس عبارتند از: دستیابی به DDT بدون نیاز به لوله ای است که به اندازه کافی طولانی و غیرقابل اجرا باشدکه باعث ایجاد کشش در هواپیما شود (افزودن خم U به داخل لوله، موج انفجار را خاموش می کند)؛ کاهش سر و صدا (که اغلب به صورت صدایی شبیه به چکش توصیف می شود)؛ و میرایی ارتعاش شدید ناشی از عملکرد موتور.