SciTechDaily

ניקולס

מהפכה ב-10 מאך: מטוסי היפרסוניים הנתמכים על ידי נאס"א מוכנים לשנות מסעות בחלל

זהו תיאור של אמן של רכב מחקר Hyper-X תחת כוח scramjet בטיסה חופשית לאחר היפרדות מהרקטת המאיץ שלו. מחקר חדש על סילונים היפרסוניים עשוי לשנות את המסע בחלל על ידי הפיכת מנועי סקראמג'ט לאמינים ויעילים יותר, מה שיוביל לחלליות דמויות מטוסים. קרדיט: נאס"א

מחקר במנהרת הרוח מגלה שניתן לשלוט בזרימת מנוע סילון היפרסוני בצורה אופטית

חוקרים מאוניברסיטת וירג'יניה בוחנים את הפוטנציאל של מטוסים היפרסוניים למסע בחלל, תוך שימוש בחידושים בטכניקות בקרת מנוע וחישה. העבודה, בתמיכת נאס"אשואפת לשפר את ביצועי ה-scramjet באמצעות מערכות בקרה אדפטיביות וחיישנים אופטיים, שעלולים להוביל לכלי רכב בטוחים ויעילים יותר עם גישה לחלל שמתפקדים כמו מטוסים.

העתיד של מסע בחלל: מטוסי היפרסוני

מה אם עתיד מסע החלל היה נראה פחות כמו ספינת הכוכבים מבוססת הרקטות של Space-X ויותר כמו ה-Hyper-X של נאס"א", מטוס הסילון ההיפרסוני שלפני 20 שנה השנה, טס מהר יותר מכל מטוס אחר לפני או מאז. ?

בשנת 2004, בדיקות האב-טיפוס הבלתי מאוישות האחרונות של נאס"א היו אבן דרך בעידן האחרון של פיתוח סילונים – הקפיצה ממטוסי ramjet ל-scramjets מהירים ויעילים יותר. הבדיקה האחרונה, בנובמבר אותה שנה, קבעה מהירות שיא עולמית שרק רקטה הייתה יכולה להשיג בעבר: מאך 10. המהירות שווה פי 10 ממהירות הקול.

נאס"א אספה הרבה נתונים שימושיים מהבדיקות, וכך גם חיל האוויר שש שנים מאוחר יותר במבחנים דומים על ה-X-51 Waverider, לפני שאבות הטיפוס נכנסו לאוקיינוס.

למרות שההוכחה היפרסונית של הרעיון הצליחה, הטכנולוגיה הייתה רחוקה מלהיות מבצעית. האתגר היה להשיג שליטה במנוע, מכיוון שהטכנולוגיה התבססה על גישות חיישנים בנות עשרות שנים.

נאס

מטוס השיגור B-52B של נאס"א משייט לטווח ניסוי מעל האוקיינוס ​​השקט נושא את רכב ה-X-43A השלישי והאחרון, המחובר לטיל פגסוס, ב-16 בנובמבר 2004. קרדיט: נאס"א / קרלה תומאס

פריצות דרך בבקרת מנוע היפרסוני

החודש, לעומת זאת, הביא מעט תקווה ליורשים פוטנציאליים לסדרת X-plane.

כחלק ממחקר חדש במימון נאס"א, חוקרים מבית הספר להנדסה ומדע יישומי של אוניברסיטת וירג'יניה פרסמו נתונים בגיליון יוני של כתב העת מדע וטכנולוגיה של תעופה וחלל שהראה לראשונה שזרימת אוויר במנועי סילון בעירה על-קולית ניתנת לשליטה באמצעות חיישן אופטי. הממצא עשוי להוביל לייצוב יעיל יותר של מטוסי סילון היפרסוניים.

בנוסף, החוקרים השיגו שליטה אדפטיבית במנוע סקראמג'ט, המייצגת עוד התחלה להנעה היפרסונית. מערכות בקרת מנוע אדפטיבית מגיבות לשינויים בדינמיקה כדי לשמור על הביצועים הכוללים של המערכת אופטימלית.

"אחד מהעדיפויות הלאומיות שלנו בתחום התעופה והחלל מאז שנות ה-60 היה בניית מטוסים חד-שלביים למסלול שטסים לחלל מהמראה אופקי כמו מטוס מסורתי ונוחתים על הקרקע כמו מטוס מסורתי", אמר פרופסור כריסטופר גוין, מנהל של UVA Aerospace Research Laboratory, שם התקיים המחקר.

"כרגע, המלאכה המתקדמת ביותר היא SpaceX חללית. יש לו שני שלבים, עם שיגור ונחיתה אנכיים. אבל כדי לייעל את הבטיחות, הנוחות והשימוש החוזר, קהילת התעופה והחלל תרצה לבנות משהו יותר כמו 737."

מנהרת הרוח של מקס צ'רן

הדוקטורנט מקס צ'רן בוחן מקרוב את מערך מנהרת הרוח שבו חוקרים מאוניברסיטת וירג'יניה להנדסה ולמדעים יישומי הוכיחו ששליטה במנוע סקראמג'ט דו-מצבי אפשרי באמצעות חיישן אופטי. קרדיט: Wende Whitman, UVA Engineering

גוין והחוקרת המשותפת שלו, קלואי דדיק, פרופסור חבר להנדסת UVA, מאמינים שחיישנים אופטיים יכולים להיות חלק גדול ממשוואת הבקרה.

"זה נראה לנו הגיוני שאם מטוס פועל במהירויות היפרסוניות של מאך 5 ומעלה, אולי עדיף להטמיע חיישנים שעובדים קרוב יותר למהירות האור מאשר למהירות הקול", אמר גוין.

חברים נוספים בצוות היו הדוקטורנט מקס צ'רן, ששימש כמחבר הראשון של העיתון, וכן הסטודנט לתואר שני לשעבר אנדרו וואנצ'ק, הדוקטורנטית לורי אלקוביץ והמדען הבכיר של UVA רוברט רוקוול. העבודה נתמכה על ידי מענק ULI של נאס"א בראשות אוניברסיטת פרדו.

שיפור ביצועי מנוע Scramjet

נאס"א ביקשה מזה זמן רב למנוע משהו שיכול להתרחש במנועי סקראמג'ט הנקרא "התנעה". המונח מציין שינוי פתאומי בזרימת האוויר. השם נובע ממתקן בדיקה מיוחד הנקרא מנהרת רוח על-קולית, כאשר "התחלה" פירושה שהרוח הגיעה לתנאים העל-קוליים הרצויים.

ל-UVA מספר מנהרות רוח על-קוליות, כולל מתקן הבעירה העל-קולי של UVA, שיכול לדמות תנאי מנוע לרכב היפרסוני הנוסע במהירות פי חמישה ממהירות הקול.

"אנחנו יכולים להפעיל תנאי בדיקה במשך שעות, מה שמאפשר לנו להתנסות בחיישני זרימה חדשים וגישות בקרה על גיאומטריית מנוע מציאותית", אמר דדיק.

גוין הסביר כי "סקראמג'ט", קיצור של מטוסי בעירה על-קולית, מבוססים על טכנולוגיית Ramjet שהייתה בשימוש נפוץ במשך שנים.

תמונת דינמיקת נוזל חישובית מתוך מבחני Hyper-X המקוריים

תמונה זו של דינמיקת נוזלים חישובית מבדיקות Hyper-X המקוריות מציגה את המנוע הפועל ב-7 מאך. קרדיט: נאס"א

Ramjets בעצם "ראם" אוויר לתוך המנוע תוך שימוש בתנועה קדימה של המטוס כדי ליצור את הטמפרטורות והלחצים הדרושים לשריפת דלק. הם פועלים בטווח של כ-3 מאך עד 6 מאך. ככל שהכניסה בקדמת כלי השיט מצטמצם, מהירות האוויר הפנימית מואטת למהירויות תת-קוליות במנוע בעירה רמ'ט. המטוס עצמו, לעומת זאת, לא.

עם זאת, Scramjets הם קצת שונים. למרות שהם גם "נושמים אוויר" ויש להם אותה הגדרה בסיסית, הם צריכים לשמור על זרימת אוויר סופר-מהירה זו דרך המנוע כדי להגיע למהירויות היפרסוניות.

"אם משהו קורה בתוך המנוע ההיפרסוני, ולפתע נוצרים תנאים תת-קוליים, זו חוסר התחלה", אמר גוין. "הדחף יקטן לפתע, וייתכן שבשלב זה יהיה קשה להפעיל מחדש את הכניסה."

בדיקת מנוע Scramjet דו-מצבי

נכון לעכשיו, כמו מטוסי ramjet, מנועי סקראמג'ט זקוקים להגברה כדי להביא אותם למהירות שבה הם יכולים לצרוך מספיק חמצן כדי לפעול. זה עשוי לכלול נסיעה המחוברת לחלק התחתון של מטוס נושאת וכן הגברת רקטה.

החידוש האחרון הוא מבער scramjet דו-מצבי, שהיה סוג המנוע שבדק הפרויקט בהובלת UVA. המנוע הכפול מתניע במצב ramjet במספרי מאך נמוכים יותר, ואז עובר לקבלת זרימת אוויר על-קולית מלאה בתא הבעירה במהירויות העולות על 5 מאך.

מניעת התנעה בזמן שהמנוע מבצע את המעבר הזה היא קריטית.

כריסטופר גוין וקלואי דדיק

כריסטופר גוין, פרופסור ומנהל המעבדה למחקר אווירי וחלל של UVA, וקלואי דדיק, פרופסור חבר. קרדיט: Wende Whitman, UVA Engineering

רוח נכנסת מקיימת אינטראקציה עם קירות הכניסה בצורה של סדרה של גלי הלם המכונה "רכבת הלם". באופן מסורתי, הקצה המוביל של אותם גלים, שעלולים להיות הרסניים לשלמות המטוס, נשלט על ידי חיישני לחץ. המכונה יכולה להתאים, למשל, על ידי שינוי מיקומו של רכבת ההלם.

אבל המקום בו שוכן הקצה המוביל של רכבת ההלם יכול להשתנות במהירות אם הפרעות טיסה ישנו את הדינמיקה באוויר. רכבת ההלם יכולה ללחוץ על הכניסה, וליצור את התנאים להתנעה.

אז, "אם אתה חש במהירות הקול, ובכל זאת תהליכי המנוע נעים מהר יותר ממהירות הקול, אין לך הרבה זמן תגובה", אמר גוין.

הוא ומשתפי הפעולה שלו תהו אם ניתן לחזות ביטול התנעה ממתין על ידי התבוננות במאפיינים של להבת המנוע במקום זאת.

חשים את הספקטרום של להבה

הצוות החליט להשתמש בחיישן ספקטרוסקופיה של פליטה אופטית עבור המשוב הדרוש כדי לשלוט בקצה המוביל של רכבת ההלם.

כבר לא מוגבל למידע המתקבל בדפנות המנוע, כמו חיישני לחץ, החיישן האופטי יכול לזהות שינויים עדינים הן בתוך המנוע והן בתוך נתיב הזרימה. הכלי מנתח את כמות האור הנפלט ממקור – במקרה זה, הגזים המגיבים בתוך הבעירה scramjet – כמו גם גורמים אחרים, כגון מיקום הלהבה ותכולת הספקטרלית.

"האור הנפלט מהלהבה בתוך המנוע נובע מרפיון מולקולרי מִין שמתרגשים במהלך תהליכי בעירה", הסביר אלקוביץ, אחד מהדוקטורנטים. "מינים שונים פולטים אור באנרגיות שונות, או בצבעים שונים, ומציעים מידע חדש על מצב המנוע שאינו נתפס על ידי חיישני לחץ."

לורי אלקוביץ ומקס צ'רן

תלמידי הדוקטורנטים הנוכחיים של UVA הנדסת מכונות וחלל לורי אלקוביץ ומקס צ'רן היו בין החברים המשפיעים בצוות. קרדיט: Wende Whitman, UVA Engineering

הדגמת מנהרת הרוח של הצוות הראתה שבקרת המנוע יכולה להיות גם חיזוי וגם מסתגלת, תוך מעבר חלק בין תפקוד סקראמג'ט ל-ramjet.

מבחן מנהרת הרוח, למעשה, היה ההוכחה הראשונה בעולם לכך שניתן להשיג שליטה אדפטיבית בסוגים אלו של מנועים דו-פונקציונליים באמצעות חיישנים אופטיים.

"היינו נרגשים מאוד להדגים את התפקיד שחיישנים אופטיים עשויים למלא בשליטה על כלי רכב היפרסוניים עתידיים", אמר המחבר הראשון צ'רן. "אנחנו ממשיכים לבחון תצורות חיישנים בזמן שאנחנו עובדים לקראת אב טיפוס שמייעל את נפח ומשקל החבילה עבור סביבות טיסה."

בונים לקראת העתיד

אמנם נותרה עוד הרבה עבודה לעשות, אבל חיישנים אופטיים עשויים להיות מרכיב בעתיד שגוין מאמין שיתממש בחייו: נסיעה כמו מטוס לחלל ובחזרה.

Scramjets עם מצב כפול עדיין ידרשו דחיפה כלשהי כדי להביא את המטוס לפחות ל-Mach 4. אבל תהיה הבטיחות הנוספת של אי הסתמכות בלעדית על טכנולוגיית רקטות, הדורשת נשיאת דלק דליק מאוד לצד כמויות גדולות של כימיקלים מחמצן לבעירה של הדלק.

המשקל המופחת הזה יאפשר יותר מקום לנוסעים ולמטען.

מטוס הכל באחד כזה, שיגלוש חזרה לכדור הארץ כמו מעבורות החלל פעם, עשוי אפילו לספק את השילוב האידיאלי של עלות-יעילות, בטיחות ושימוש חוזר.

"אני חושב שזה אפשרי, כן," אמר גוין. "בעוד שתעשיית החלל המסחרית הצליחה להוזיל עלויות באמצעות שימוש חוזר, הם עדיין לא תפסו את הפעולות דמויות המטוס. הממצאים שלנו עשויים להתבסס על ההיסטוריה המפורסמת של Hyper-X ולהפוך את הגישה לחלל שלו לבטוחה יותר מהטכנולוגיה הנוכחית מבוססת רקטות."

ניקולס