Набојномлазни мотор

Погон летелица
Ravnoteza u letu 4.gif
За постизање ове равнотеже неопходан је систем погона,
Врсте
1. Ваздухопловни мотор
1.1 Мотори са унутрашњим сагоревањем:
1.1.1 Клипни мотор
1.1.2 Линијски клипни мотор
1.1.3 Радијални клипни мотор
1.1.4 Ротациони клипни мотор
1.1.5 V клипни мотор
1.1.6 Боксер клипни мотор
1.1.6 Ванкелов мотор
1.2 Погон без процеса сагоревања:
1.2.1 Људски погон авиона
1.2.2 Електро мотор
1.3 Реактивни мотори:
1.3.1 Млазни мотори:
1.3.1.1 Елисномлазни мотор
1.3.1.2 Турбоелисни мотор
1.3.1.3 Турбомлазни мотор
1.3.1.4 Двопроточни турбомлазни мотор
1.3.1.5 Пулсирајући млазни мотор
1.3.1.6 Набојномлазни мотор
1.3.1.7 Надзвучни набојномлазни мотор
1.3.1.8 Мотокомпресорски реактивни мотор
1.3.2 Ракетни мотори
1.3.2.1 Ракетни мотор са хемијским горивом
1.3.2.2 Јонски мотор

Набојномлазни мотор (енгл. Ramjet) је врста млазног мотора, у којем нема покретних делова. Обезбеђује једноставан, лаган погонски систем за велике и надзвучне брзине лета. Мотор је у ствари обликована цев, са чијом променом попречних пресека се трансформише динамички у статички притисак ваздуха. Оптимизација законитости промене попречних пресека „цеви“, везана је за постављени критеријум испуњења услова потребног статичког притиска за ефикасно сагоревање. На основу искључивог услова, да је за рад овога мотора неопходан динамички притисак ваздуха на његовом улазном пресеку, исти не може радити у статичким условима, нити се може сам покренути из стања мировања. Његов најефикаснији рад је при великим надзвучним брзинама лета, еквивалента у Маховом броју око М = 3, а успешно функционише и до М = 6. Посебно је погодан за примену за мале и једноставне погоне на великим брзинама лета, као што су ракете, посебно за противоклопну борбу. У неким специјалним и изолованим случајевима користе се и за погон посебних брзих авиона.

По термодинамичком циклусу, сврстава се у исту категорију са Пулсирајућим млазним мотором и ако је овај испрекиданог принципа рада, а набојно млазни је континуалног.

Историја развоја и примене

Информације, о свима постигнутим резултатима на истраживању и развоју набојномлазних мотора, су у литератури прецизно датиране и показују да је тај мотор предмет великог интересовања у свету. Интересовање је било интензивно присутно још почетком двадесетог века, а током периода од 1930. до 1950. године, било је посебно фокусирано за подршку специфичних војних апликација. Као и код већине достигнућа, све што је било доказано пре 50 година, показало се у садашњим условима да се може урадити боље и лакше. Хронологија и квалитет постигнутих резултата је:

  • 1913.– Рене Лорин, патентирао је принцип набојномлазног мотора
  • 1928.– Алберт Фоно, патентирао је надзвучни набојномлазни мотор
  • 1936.– Рене Ледуц, остварио је потисак са набојномлазним мотором, највероватније у аеротунелу
  • 1941.– Набојномлазни мотор од 1.500 kw, постављен је и испитан на камиону.
  • 1942.– Набојномлазни мотор од 15.000 kw, постављен је и испитан на авиону Дорниер До 217.
  • 1946.– САД, почиње са испитивањен набојномлазних мотора у лету на авиону П-51 мустанг.
  • 1947.– Мали набојномлазни мотори су уграђени на хеликоптер и лет је успео (уграђени су на ротору на краку од осе вратила)
  • 1948.– F-80, полетео је са набојномлазним мотором.
  • 1949.– Развијен је први набојномлазни мотор специјално намењен за погон авиона.
  • 1951.– Кс-7 постиже брзине еквивалента М=3,95, на висини од 17.000 m и 2,54 на 29.000 m.
  • 1952.– Остварен је погон великог хеликоптера са набојномлазним мотором.
  • 1953.– Погон ракете са брзином лета еквивалента од М=2.
  • 1956.– Почело се са испитивањем комбинације набојномлазног мотора и турбине.
  • 1957.– Са комбинацијом турбине и набојномлазног мотора постигнут је Махов број од 2,19.
  • 1959.– Ракета БОМАРЦ постала је оперативна.
  • 1966.– Комбинација погона са турбомлазним и набојномлазним мотором, СР-71 је постигао Махов број М = 3,2,  уведен је у оперативну употребу.
  • 1980.– АСАЛМ постиже М=5,5, на 12.200 m.

Рене Лорин

Набојномлазни мотор је пронашао 1913. године, француски проналазач Рене Лорин, који га је и патентирао. Покушаји да се изгради прототип није успео због неразвијене технологије одговарајућих материјала.

Набојно млазни мотор
Алберта Фона, 1915. године.
Оригинални цртеж поднет за патент.
 

Алберт Фоно

Мађарски проналазач Алберта Фоно, 1915. године, осмислио је решење за повећање домета артиљерије, направио је пројектил са набојномлазним мотором, а функција топа да му буде лансер. Остварио је велики домет, са релативно малом путном брзином. На тај начин је лаким топом омогућено да тешка граната има велики домет. Фоно је поднео свој проналазак аустроугарској војсци, али му је предлог одбијен. Након Првог светског рата, Фоно је обновио истраживање и у мају 1928. године, дефинисао је решење као „ваздухопловни млазни мотор“ за погон надзвучних авиона, на великим висинама лета. Пројекат је патентирао у Немачкој. Са додатним истраживањем усавршио је решење, што је и патентирао и за подзвучне брзине. Патент је коначно прихваћен 1932. године (након четири године испитивања, немачки патент бр 554.906, 1932-11-02).

Горгон IV

Мотор „Горгон IV“, постављен је
на крилу П-61 Блацк Видов у
припреми за испитивање у лету.
 

За америчку морнарицу развијано је више ракета ваздух-ваздух, под називом „Горгон САД ракете“, користећи различите погонске механизме, укључујући и набојномлазни мотор. Набојномлазни мотор Горгон IV, испитан је 1948. и 1949. године, у морнаричком опитном центру. Набојномлазни мотор, пројектован је на универзитету Јужне Калифорније и произведен у авио-индустрији. Мотор је био дугачак 7 метара, пречника и 508 mm, а интегрисан је испод ракете (види слику).

Фриц Звицки

Еминентни швајцарски астрофизичар Фриц Звицки, директор истраживања у „Аероџету“, са поседовањем више патената у домену млазних мотора. Патент 5121670 у америци је за погон акцелератора и патент 4722261 за телескопски погон топа. Морнарица САД није дозволила Фриц Звицкију да јавно разговара о своим проналасцима. Патент 2,461,797 у америци, је за подводни набојномлазни мотор. То је мотор који ради у медију течности. Објављено у „Тајмсу“, 11. јула 1955. и у „Хронику“. Фриц Звицкијев је објавио рад „Подводни набојномлазни мотор“, 14. март 1949. године, у Шансама Швајцарске.

Совјетски Савез

У Совјетском Савезу, теорија надзвучног набојномлазног мотора представљена је 1928. године, од стране Бориса С. Стешкина. Први мотор ГИРД-04, пројектован је, произведен и испитан у априлу 1933. године. У циљу симулирања суперсоничног лета, коришћен је компримован ваздух на 200 атмосфера, а био је подстакнут са водоником. Затим је испитана интеграција набојномлазног мотора ГИРД-08 за потребе артиљерије. Можда је то први случај да је пројектил, са погоном млазног мотора, „пробио“ брзину звука. Затим је набојномлазни мотор испитан 1939. године на двостепеној ракети Р-3. Исте године, у августу развијен је први набојномлазни мотор ДМ-1, као помоћни мотор у ваздухопловству. Први авион на свету, летео је у СССР-у, децембра 1939. године, са два набојномлазна мотора ДМ-2. Мотори су били интегрисани на авиону Поликарпов И-15. Урађен је пројекат за авион „Самољет Д“, са набојномлазним мотором 1941. године, али никада није произведен. Током Другог светског рата, два ДМ-4 мотора су интегрисана на ловачки авион Јак-7ПВРД. У 1940. години, пројектован је експериментални авион Костиков-302, са ракетом са течним горивом за полетање и убрзање, и са набојномлазним мотором за основни лет. Тај пројекат је отказан у 1944. години. Митислав Всеволодович је предложио 1947. године, орбитални бомбардер великог долета са набојномлазним мотором. Започео је, 1954. године, развој назвучног набојномлазног мотора за погон крстареће ракете, Буриа. Овај пројекат се такмичио са Р-7, коју је развио Сергеј Корољев, и био је отказан 1957. године.

Немачка

Хелмут Валтер је 1936. године развио набојномлазни мотор на природни гас. Теоријски рад је изведен у BMW и у фирми Јункерс. У 1941. години је Еуген Сангер предложио набојномлазни мотор са веома високим температурама у коморама за сагоревање. Изградио је велику набојномлазну цев, дужине од 500 mm и пречника од 1.000 mm. Спроведена су испитивања сагоревања на камиону, а летна испитивања на авиону Дорниер До 17З, са брзинама до 200 m/s. Касније, због ратних услова, настала је несташица горива у Немачкој, па су испитивања настављена са „брикетима“ од пресоване угљене прашине, што није дало резултате због спорог сагоревања.

Француска

У Француској је био запажен рад Рене Ледуца. Његов пројекат, Ледук 0,10 био је један од првих реализованих авиона са погоном са набојномлазним мотором, који је успешно летео 1949. године.

Авион Норд 1500 Грифон II, достигао је брзину еквивалента Маховом броју 2,19, 1958. године.

Ледук 0,22
Норд 1500 Грифон II

Принцип рада

Набојномлазни мотор се креће великом брзином кроз ваздух, на основу постигнутог великог динамичког притиска снажно расте и укупни на чеоном, а мали је на његовом задњем делу. Услед ове значајне разлике притиска (улаз/излаз), кроз цев се успоставља струјање, које се подешава тим нивоом разлике притисака и успоставља се оптимално сагоревање. У струју ваздуха убацује се гориво помоћу млазница и ствара се смеша гаса. Која запаљена брзо сагорева са ослобађањем велике количине топлоте. Притисак сагорелих гасова нагло расте и ствара се велика разлика, у односу на атмосферски, изван млазнице. На основу те велике разлике притиска и расподеле промене попречних пресека млазнице, дуж њене осе, гас се убрзава на брзину звука. Ово убрзање гаса, који истиче, повећава његову количину кретања у набојномлазном мотору, то јест ствара силу потиска супротног смера струјања ваздуха/гаса, што погони летелицу.

Шема принципа рада набојномлазног мотора за подзвучне брзине.
  • Набојномлазни мотор се почетно креће са великом брзином уз помоћ додатног погона.
  • Ово кретање, изазива велики укупни притисак (динамички + статички), на улазу у усисник. Са променом законитости протока ваздуха кроз цев усисника, исти се сабија и са таквим се напаја комора сагоревања.
  • Гориво се распрши бризгаљкама, убацује у комору сагоревања и меша са ваздухом. Пали се са искром.
  • Продукти сагоревања у комори су врели гасови, који струје и убрзавају се кроз млазницу.
  • Када набојномлазни мотор постигне овај континуални термодинамички циклус, више му није потребан помоћни погон, довољан му је динамички притисак услед брзог кретања летелице – носача.

 Термодинамички принцип

Vista-xmag.pngЗа више информација видети чланак Брајтонов циклус.

Термодинамички принцип је Брајтонов циклус, који описује процес у гасној турбини, турбомлазном мотору, набојно млазном мотору, мотору са унутрашњим сагоревањем и у гасним турбинама са споњним сагоревањем.

Циклус је добио име по америчком инжењеру Џорџу Брајтону (ен. George Brayton) (1830–1892.), који је патентирао клипни мотор са унутрашњим сагоревањем, заснованом на овом циклусу.

Брајтонов циклус 5.svg
Шема принципа Брајтоновог циклуса.
  • p - притисак
  • V - запремина
  • T - температура
  • s - ентропија
  • q - топлота
Брајтонов модел мотора, састоји се из три процесна сегмента:
  • компресија улазног ваздуха,
  • мешање гаса у комори и
  • експанзија.
→ Одговара набојномлазном мотору:
  • разлика притиска на улазу и илазу мотора,
  • комора за мешање и сагоревање
  • млазница.
Графичка илустрација Брајтоновог циклуса је приказана са дешавањима у између обележене четири граничне тачке (1-2, 2-3, 3-4 и 4-1) и представљају познате термодинамичке процесе:
  • 1 - 2 компресија (dq=0; dp>0, dv<0),
  • 2 - 3 изобара, довођење топлоте (dp=0, dq>0, dv>0),
  • 3 - 4 изентропа, експанзија (dp<0, dq=0, dv>0),
  • 4 - 1 изобара, одвођење топлоте (dp=0, dq<0, dv<0).
Затворен простор између назначених кривих представља рад [ J ]

Конструкција

Набојномлазни мотор је пројектован око свога усисника. Често га називају „летећи чунак“, као врло једноставан уређај у облику цеви променљивог пресека, дуж њене осе. Обухвата довод ваздуха кроз уводник (усисник) ваздуха, комору сагоријевања и млазницу. Нема покретних делова изузев споњних агрегата, као што су пумпе горива, помоћу којих се гориво убацује под притиском, кроз бризгаљке у комору сагоревања.

На доњем компјутерском цртежу је типична шема набојномлазног мотора, где је пресеком приказана његова унутрашњост. На предњем делу мотора, гледа с леве стране, је улаз, кроз који долази спољни ваздух. На излазу, ваздух/гас је на много вишем притиску од спољних атмосферских услова. Гориво се убризгава бризгачима и направљена смеша сагорева, крећући се у смеру улаз – излаз. Добијени пламен се стабилизује у мотору стабилизатором – прстенастом решетком (на цртежу приказаном у црвеној боји). Овај део је веома сличан сагоревању у турбомлазном мотору. Издувни гасови струје великом брзином кроз млазницу, која је обликована тако да убрза проток, повећа количину кретања гаса, односно произведе потисак.

Пројектанти оптимизирају пројекат набојномлазног мотора међусобно усклађујући његове малобројне наведене делове, по критеријуму најефикаснијег термодинамичког укупног процеса.

NASA компјутерски цртеж набојномлазног мотора са деловима

Усисник

Принцип рада набојномлазног мотора заснива се на искоришћењу веома високог динамичког притиска ваздуха, испред усисника. Након ефикасног уноса ваздуха, притисак се подеси са променом законитости протока, дуж осе усисника. Ваздух тако подешеног притиска користи се за подршку сагоревања и за експанзију у млазници. Усисник успорава ваздух на брзине еквивалента Маховом броју од 0.3, на улазу у комору сагоријевања, чиме се повећава притисак и температура истог. Ову функцију усисника набојномлазног мотора, код турбомлазног мотора, извршава компресор.

Набојномлазни мотор са усисником
променљиве геометрије.
 

Потребна почетна брзина, за успостављање континуалног термодинамичког циклуса набојномлазног мотора износи, изражено преко еквивалента Маховог броја, око М=0.8, док је при нижим брзинама рад нестабилан, па чак и немогућ.

Набојномлазни мотори, предвиђени само за подзвучне летелице, имају једноставан уводник – отвор (као на шеми, слика горе). Они који погоне летелице са назвучним брзинама у каналу усисника имају конус за успоравање ваздушног струјања (види слику доле, поглавље „Конструкција“).

Већина набојномлазних мотора раде на високим надзвучним брзинама лета и користе променљиву геометрију усисника (аксијално померљив конус), чиме се подешава количина ваздуха уз минималне губитке на повећање отпора у функцији промене Маховог броја. У случају толерисања тих губитака морао би се надокнадити потисак што изазива невоље са повећањем габарита, тежине, цене итд.

 

Карактеристике тока струјања ваздуха, у процесу усисавања, за три нивоа подзвучних брзина.

Комора сагоревања

Код набојномлазног мотора иза стабилизатора пламена нема никаквих осетљивих делова на високе температуре, те исте нису ограничене, као код турбинских мотора. Комора сагоревања може безбедно да ради са стехиометријским горивом, помешананим ваздухом, што подразумева на излазу коморе устаљену температуру реда величине од око 2.4000 К, када се користи керозин. Комора сагоревања мора бити у стању да функционише у широком спектру подешавања јачине пламена, за цео опсег брзина и висина лета летелица. Мора бити безбедан лет и у току маневра, то јест великог скретања и пропињања летелице. Стабилизатор пламена је плочаста решетка, која шири и задржава пламен у комори, да га не избаци динамички притисак кроз млазницу. На тај начин се побољшава стабилно мешање ваздуха и горива и процес сагоревања. Комора за сагоревање је цилиндричног облика са бризгаљкама за гориво. Кроз њу, брзина ваздуха треба бити ниска, а струјање вртложно, за услове правилног сагоревања. Усисник успорава и сабија ваздух пре него што пређе у комору.

Притисак и проток горива у бризгаљкама мора бити довољно висок, тако да је дотицање горива повољно за однос са количином пристиглог ваздуха за одржавање пламена. Проток горива не би требало да пређе стехиометријски опсег и да смеша буде презасићена (богата) или превише сиромашна смеша, тако да иста не може да се упали. Бризгаљке горива морају идеално дозирати гориво, које се може добро мешати са ваздухом, који протиче кроз мотор. То је значајно за одржавање стабилности пламена. У тој фукцији се користи и стабилизатор пламена, који успорава проток и ствара рециркулациони регион како би пламен захватио целину простора коморе.

Млазница

Vista-xmag.pngЗа више информација видети чланак Аеротунели.

Vista-xmag.pngЗа више информација видети чланак Лавалов млазник.

Иза коморе сагоревања је млазница, која је конвергентно-дивергентног типа (прво се сужава, а потом проширује), по законитости Лавалов млазника. Циљ је да се повећа брзина излазних гасова и оствари већи потисак.

За рад набојномлазног мотора, на подзвучним брзинама лета, издувни ток је убрзан кроз конвергирајућу млазницу. За надзвучни лет, убрзање издувног тока, постиже се преко конвергентно-дивергентне млазнице.

Млазница је релативно једноставан уређај. То је специјално обликована цев кроз коју протичу врели гасови. Међутим, математичко моделирање рада млазнице захтева потребно знање из области струјања и пажљив прилаз оптимизацији тога решења. Млазнице могу бити различито обликоване, у зависности од мисије летелице. Често су једноставне фиксне геометрије конвергентне промене попречног пресека. Могу бити и променљиве геометрије, последица чега је већа тежина, цена и комликација, а добитак је да се адаптира за обезбеђење ефикасног рада мотора на ширем опсегу режима лета и протока ваздуха, за разлику од решења са једноставном млазницом са фиксном геометријом.

Карактеристике и управљање

Vista-xmag.pngЗа више информација видети чланак Млазни мотор.

Набојномлазни мотор Бристолу тор
био је погон пројектила
 

Набојномлазни мотор, који је покренут на брзину од 100 km/h, није имао добре резултате у добијању потиска. Испоставило се да му је, испод брзине, која одговара Маховом броју 0,5, мали потисак, те је исти веома неефикасан због малог динамичког притиска испред усисника. Са већом успостављеном почетном брзином, набојномлазни мотор успоставља стабилан самосталан рад. У случају да летелица има већи отпор, за њену већу брзину повећава се количина топлоте издумних гасова, па и њихова температура. Тај процес повећања мора бити регулисан, да би се сачувао интегритет мотора. Мора се аутоматском контролом смањити доток горива, да се не би прекорачила температура, коју могу поднети млазница и локални делови летелице. Са тиме се регулише брзина лета, односно Махов број, па и усисавање ваздуха до потребног и допуштеног нивоа.

Због стехиометријских температура сагоревања, ефикасност је обично добра на великим брзинама, које одговарају Маховом броју између 2 и 3, док је при малим брзинама релативно мала компресија. Значи да је набојномлазни мотор, ефикасан на већим брзинама од турбомлазног, па чак и од ракетног.

Теоретски максимални специфични импулс, што је мера ефикасности горива, за набојномлазни мотор са водоником, прорачунски износи око 4.000 секунди, али ови мотори, у већини случајева користе керозин (или слично гориво), за које је око 2.300 секунди. Старији набојномлазни мотори, за које постоје подаци, постизали су максимални специфични импулс близу 1.800 секунди. Ово је веома ниско у односу на турбомлазне моторе, али веома високо у односу на ракетне.

Врсте

Набојномлазни мотори могу се делити према типу горива, течног или чврстог и „бустер“ (краткотрајни помоћни ракетни погон).

У течно гориво за набојномлазне моторе, припада и угљоводоник, који се обично убризгава у комору сагоревања испред стабилизатора пламена који стабилизује пламен услед сагоревања смеше горива и компримованог ваздухом из уводника. Средство за снабдевање горива под притиском за комору сагоревања, компликовано је и скупо. Аероспецијалов пројекат је такав, где је гориво присиљено да истиче на бризгаљке, из надуване еластичне „мешине“. У почетку, „мешина“ пуна горива належе дуж унутрашњих зидова, једног дела цилиндричне боце, чији други део је под компримованим ваздухом, а ови делови имају за међусобну границу покретни клип. Када се бризгаљке горива отворе, исто истиче под притиском комприваног ваздуха. Простор са ваздухом се постепено шири а „мешина“, са горивом, се скупља. Ово решење је јефтиније и једноставније, од компликованих пумпи и њиховог посебног погона. Посебно је погодно за моторе који се једнократно користе, за погон ракета.

Набојномлазни мотор не генерише статички потисак и треба му „бустер“ за постизање довољно велике почетне брзине, за ефикасан рад система усисника. Први набојномлазни мотор, за погон пројектила користили су спољни „бустер“. Решење је било обично интегрисано чврсто гориво на ракети, било је степенасто, где је „бустер“ монтиран одмах иза набојномлазног мотора. Додатни степен са „бустером“ повећава укупну дужину система, док „бустер“, као обмотач повећава укупни пречник. Већи пречник генерише и већи отпор целог система.

Потисак

Набојномлазни мотори служе за погон подзвучних и надзвучних летелица. Због рационалности су мотори, који се користе само у подзвучном лету, једноставнији, немају успоривач ваздуха у усиснику већ обичан отвор (слика горе, поглавље „принцип рада“). Међутим, набојномлазни мотори који погоне летелице и у надзвучном лету имају конус за подешавање расподеле ударних таласа, што одузима кинечку енергију ваздушном струјању, успори проток ваздуха на погодну брзину за оптимално сагоревање у комори. На доњој слици је то илустровано жуте линије су ударни таласи. Почетни су са већом косином, што значи и највећа брзина, а свака њихова рефлексија смањује им косину и на крају је нормални ударни талас иза кога је подзвучно струјање у комори сагоревања.

Модел за дефинисање једначине потиска набојномлазног мотора
 

Приближна општа једначина за нето потисак набојномлазног мотора је резултат промене количине кретања гаса који кроз њега струји:

 

 

 

 

 

Где су:
  • – проток масе ваздуха кроз усисник,
  • – проток масе гаса кроз млазницу,
  • – брзина улазног ваздуха ( брзина лета),
  • – брзина излазног гаса кроз млазницу,
  • – укупни притисак на улазу у мотор,
  • – укупни притисак на излазу из млазнице и
  • – површина попречног пресека грла млазнице.

Види још

  • Млазни мотор
  • Надзвучни набојномлазни мотор
  • Пулсирајући млазни мотор
  • Хамфријев циклус

Извори