Sistemi di accensione a potenza pulsata a nanosecondi per una combustione supersonica affidabile

Feb 18, 2024

introduzione

L'attenzione e gli sforzi per la ricerca e lo sviluppo di velivoli ipersonici, che possono volare a velocità diverse volte superiori a quelle del suono, sono aumentati in modo significativo negli ultimi anni. Una rappresentazione immaginaria del pedigree del mondo reale (L'SR-72 senza pilota del programma di sviluppo avanzato di Lockheed Martin annunciato nel 2017 ) ha avuto un ruolo significativo anche nel blockbuster estivo da oltre un miliardo di dollari del 2022 Top Gun: Maverick. I motori progettati per il volo ipersonico hanno applicazioni rivoluzionarie nella sicurezza nazionale come armi ipersoniche avanzate, nell’esplorazione spaziale come stadi riutilizzabili per l’accesso all’orbita terrestre bassa e nell’aviazione commerciale come metodi veloci a lungo raggio per il trasporto aereo di passeggeri in tutto il mondo.

Una delle sfide principali per il volo ipersonico sono gli spegnimenti. Lo spegnimento della fiamma è la perdita di propulsione dovuta allo spegnimento della fiamma nel combustore del motore, che può verificarsi per molte ragioni, tra cui la carenza di carburante, l'altitudine eccessiva, forti precipitazioni o temperature ambiente incredibilmente basse. I primi motori a reazione erano soggetti a spegnersi a causa di disturbi del flusso d'aria in ingresso o di movimenti improvvisi della leva di spinta, con conseguenti rapporti aria-carburante errati nella camera di combustione. I motori moderni sono più robusti e sono spesso controllati digitalmente, consentendo un controllo significativamente più efficace di tutti i parametri del motore per prevenire spegnimenti e persino avviare un riavvio automatico se si verifica uno spegnimento.

Tuttavia, nell'ipersonico, le sfide della riaccensione sono aumentate a causa della velocità incredibilmente elevata dell'aria che scorre attraverso il combustore, volando ad altitudini più elevate, e della ridotta resistenza dell'aria necessaria per raggiungere la massima velocità.

Più andiamo veloci, più difficile sarà accendersi

SecondoNASA , una volta che si è verificato uno spegnimento, è fondamentale riaccendere il motore il più rapidamente possibile. Tuttavia, le condizioni che hanno causato lo spegnimento sono le stesse condizioni che renderanno difficile la riaccensione. Il primo passo è scendere a quote più basse, più favorevoli alla riilluminazione. Questo può essere un problema a seconda della missione. Per tentare la riaccensione, i nuclei di accensione, sacche di flusso ad alta energia e radicali liberi, vengono introdotti nella camera di combustione accendendo l'accenditore del motore. Il nocciolo si sviluppa in un fronte di fiamma e alla fine raggiunge la stabilizzazione o l'estinzione della fiamma, a seconda dello stato iniziale del nocciolo e dell'evoluzione del flusso turbolento. Il forte flusso turbolento, combinato con l'affidabilità di far scaricare la scintilla di accensione, rendono difficile la riaccensione del motore.

Questi problemi di riaccensione sono ulteriormente aggravati nei motori avanzati come gli scramjet. Uno scramjet (ramjet a combustione supersonica) è una variante di un motore a reazione a respirazione d'aria ramjet, in cui la combustione avviene in un flusso d'aria supersonico. Il flusso d'aria viene compresso dinamicamente attraverso un sistema di aspirazione che non richiede elementi rotanti, e il carburante e l'ossidante vengono bruciati in condizioni di velocità supersonica nel combustore. Tuttavia, a velocità così elevate, i processi di miscelazione e combustione non possono facilmente rientrare nella lunghezza del combustore perché il tempo di residenza totale disponibile per la combustione dei reagenti è tipicamente una frazione di millisecondo con un flusso supersonico. Il combustibile, che viene iniettato nel combustore attraverso una porta separata, deve essere miscelato a livello molecolare con l'ossigeno presente nel flusso d'aria ingerito affinché avvengano le reazioni chimiche di combustione. È quindi necessario concedere un tempo di residenza sufficiente affinché le strutture turbolente su larga scala negli strati di taglio crescano e si riversino in vortici più piccoli che innescano la miscelazione su microscala tra i reagenti. L'attenuazione di questo tasso di crescita avviene a velocità supersoniche a causa degli effetti di comprimibilità che rallentano la miscelazione richiesta. Alla fine, il carburante e l'ossidante bruciano mescolandosi in una sequenza chimica.

In breve, la sfida della combustione supersonica negli scramjet è difficile quanto accendere un fiammifero in un ciclone.