Aldebaran bulletin

Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie.
Vydavatel: AGA & Štefánikova hvězdárna v Praze
Číslo 21 (vyšlo 24. května, ročník 2 (2004)
© Copyright Aldebaran Group for Astrophysics
Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno.
ISSN: 1214-1674,
Email: bulletin@aldebaran.cz

Hledej

Scramjet – nadzvukový náporový motor

Marek Jasanský

27. března 2004 NASA uskutečnila první úspěšný let letounem X–43A poháněným tzv. nadzvukovým spalovacím náporovým motorem (SCRAMJET – Supersonic Combustion RAMJET, nazdvukový spalovací náporový motor). Letoun brzy dosáhl rychlosti 8 000 km/h a stal se tak nejrychlejším letadlem využívajícím vzdušný kyslík. Let trval pouhých 11 sekund a X–43A za tu dobu urazil 24 km.

Scramjet

Letadlo X–43A. Obrázek je dílem
počítačového grafika, nejde o fotografii.

Scramjet je obdobou běžných proudových motorů, na rozdíl od nich však může pohánět letadlo rychlostí až Mach 15. Pojďme se podívat, proč obyčejné proudové motory nemohou této rychlosti dosáhnout a jak je scramjet zkonstruován.

Nevýhody proudových motorů

Stěny i jiné části proudového motoru vytvářejí při pohybu vzduchem rázové vlny. Tyto vlny brání správnému promíchávání paliva se stlačeným vzduchem. Palivo se pak nemůže řádně vznítit. Při rychlosti Mach 5 je v motoru paliva tolik, že se nevznítí vůbec. Proudový motor navíc ke stlačení vzduchu používá kompresor, který spotřebovává část výkonu.

Ramjet (náporový motor) - motor, který využívá ke vhánění vzduchu vlastního pohybu motoru (ram = vhánět). Vzduch se stlačuje v difuzéru a přidává se k němu palivo, které spolu se vzduchem hoří ve spalovací komoře. Rozšířenou tryskou (jet = tryska) odcházejí zplodiny ven. Na vývoji motoru se pracuje již 30 let.

Scramjet (Supersonic Combustion RAMJET) - nadzvuková varianta motoru RAMJET. Teprve při hypernadzvukových rychlostech začíná být náporový motor prakticky využitelný a lze s ním dosáhnou rychlosti až Mach 15. Jako palivo se používá vodík.

Laminární proudění - při laminárním proudění mohou téct různé části kapaliny různou rychlostí, ale nedochází při tom k tvorbě vírů. Vrstvy kapaliny s různou rychlostí po sobě jakoby "kloužou".

Turbulentní proudění - je-li spád rychlosti napříč prouděním vyšší než určitá mez, dojde v důsledku tření vrstev k chaotické tvorbě vírů, které jsou unášeny proudem. Laminární proudění se mění v tzv. turbulentní proudění, při kterém se sousední vrstvy mísí.

Mach - jednotka rychlosti letu, udává kolikrát je rychlost tělesa vyšší než rychlost zvuku. Pojmenována byla na počest rakouského fyzika Ernesta Macha (1838-1916), který v 19. století studoval dynamiku plynů.

Nadzvukový náporový motor

Jak jsem již zmínil v úvodu, scramjet je obdobou proudového motoru. Jde o trubici, v jejíž přední části je difuzér (škrtidlo). Vzduch vtéká do trubice velkou rychlostí a průchodem kolem škrtidla se stlačuje a zahřívá. Palivo (vodík) se po vstříknutí do komory vzněcuje samo, podobně jako u Dieselova motoru. Spaliny pak unikají zadní tryskou a tlačí letadlo vpřed. Oproti motorům v běžných nadzvukových letadlech tedy scramjety nemají kompresor. Scramjet však funguje pouze při velkých rychlostech. Například experimentální letadlo X–43A muselo být do vzduchu vyneseno letadlem B–52 a pak ještě nosnou raketou Pegasus urychleno tak, aby náporový motor začal fungovat.

Ramjet

Ramjet - náporový motor. Výstupní rychlost spalin je vyšší než
vstupní rychlost vzduchu. Kompresor není třeba.

Scramjet

Scramjet - nadzvukový náporový motor. Spalování probíhá
za nadzvukové rychlosti.

Ačkoliv je princip, na kterém scramjet funguje, jednoduchý, velmi obtížné je navrhnout vhodný tvar trubice motoru a škrtidla. Nelze již použít jednoduché Bernoulliho rovnice a základní zákony termodynamiky, které platí jen pro laminární proudění při podzvukových rychlostech. Rovnice používané pro popis chování letadla při nadzvukových rychlostech často nejdou řešit analyticky. Schémata pro numerické řešení rovnic dávají velmi přesné výsledky pouze pro rychlosti Mach 1 až Mach 2. Při vyšších rychlostech jsou již výpočty mnohem náročnější a méně přesné, navíc nelze výsledky experimentálně ověřit v aerodynamických tunelech, neboť v těch lze dosáhnout rychlosti proudění vzduchu nejvýše Mach 3.

Scramjet - raketa

Letadlo X43–A s nosnou raketou Pegasus zavěšené pod křídlem Boeingu B–52.

Scramjet - let

Celkový pohled na Boing B–52, raketu Pegasus a scramjet.

A kdy se budeme moci proletět letadlem poháněným náporovým motorem? Vědci se samozřejmě snaží, aby to bylo co nejdříve. Nicméně, jak sami vidíte na obrázku, dnešní letoum X–43A je spíše modelem než dopravním prostředkem. Na to, aby cesta z Prahy do Tokia trvala méně než dvě hodiny, si tedy musíme ještě počkat.

Odkazy

Valid HTML 5 Valid CSS!

Aldebaran Homepage