Warum erzeugt ein Ramjet einen Netto-Vorwärtsschub?

Jede (nicht technische) Erklärung von Ramjets, die ich gesehen habe, spricht also darüber, wie der Einlass die einströmende Luft vor der Verbrennung verlangsamt und unter Druck setzt, nimmt dann aber die Tatsache als selbstverständlich hin, dass das Verbrennen von Kraftstoff einen Nettoschub erzeugen sollte. Warum? Warum erzeugen die durch Verbrennung (durch hinzugefügte Gase und Wärme) entstehenden expandierenden Gase keine ebenso große Kraft in Vorwärts- wie in Rückwärtsrichtung?

Bildquelle: Wikiwand Ramjet

Der Schlüssel zu dieser Idee besteht darin, eine Vorwärtsgeschwindigkeit zu erreichen, viel davon, weit mehr als bei kommerziellen Flugzeugen. Ramjets können nicht selbst starten, aber sobald sie gestartet sind, normalerweise mit Raketen, beginnen sie einen Zyklus, bei dem sie vorne Luft ansaugen und die Vorwärtsbewegung des Fahrzeugs nutzen, um diese Luft zu komprimieren, und dann Kraftstoff hinzufügen, um Wärme und Druck zu erzeugen, was resultiert bei einer höheren Abgasdrehzahl als der Ansaugdrehzahl.

Das Düsendesign am Heck des Fahrzeugs trägt dazu bei, dass sich der Luftstrom auf effiziente Weise durch das Fahrzeug bewegt, ähnlich wie die Abgasdüsen von Raketentriebwerken.

Ramjets funktionieren am besten bei einem Geschwindigkeitsbereich von etwa Mach 3 (3.675 km/h). Dieser Triebwerkstyp kann bis zu Geschwindigkeiten von Mach 6 (7.350 km/h) betrieben werden, darüber hinaus benötigt man ein Scramjet-Design .

Um Ihren Kommentar zu beantworten, die Idee ist, dass der Luftstrom, sobald Sie die Geschwindigkeit erreicht haben , anstatt ihn mit statischen Bedingungen zu vergleichen, auf natürliche Weise geneigt und sowohl durch Verstopfungen an der Vorderseite als auch durch das Düsendesign am Heck gefördert wird, um durch das Fahrzeug zu strömen.

Ramjets stehen vor dem gleichen Problem wie Concorde, eine Rampe oder ein Diffusor muss verwendet werden, um die einströmende Überschallluft innerhalb der Brennkammer auf Unterschallgeschwindigkeit zu verlangsamen.

Wenn Sie sich das obige Diagramm ansehen, wirkt dieses Gerät auch, um zumindest teilweise zu verhindern, dass Gase mit relativ niedrigem Druck zum Einlass zurückkehren, wo die Luftgeschwindigkeit viel höher ist. Wenn Sie also das Gas in der Brennkammer verlangsamt haben, tritt es viel wahrscheinlicher durch die Düse aus, als sich gegen den Überschallluftstrom zu bewegen, der sich am Hals des Einlasses befindet.

Die hintere Düse wurde entwickelt, um die Effizienz der austretenden Gase zu verbessern. Bei einem Staustrahl, der mit Unterschallgeschwindigkeit arbeitet, wird sein Abgasstrom durch eine konvergierende Düse beschleunigt. Für eine Überschallflug-Machzahl wird die Beschleunigung durch eine konvergent-divergente (De Lavel) Düse unterstützt.

Sein Betrieb beruht auf den unterschiedlichen Eigenschaften von Gasen, die mit Unterschall- und Überschallgeschwindigkeit strömen. Die Geschwindigkeit eines Unterschallgasstroms nimmt zu, wenn sich das ihn führende Rohr verengt, da der Massendurchsatz konstant ist. In einer Unterschallströmung ist das Gas komprimierbar und Schall breitet sich durch es aus. Am "Hals", wo die Querschnittsfläche ihr Minimum hat, wird die Gasgeschwindigkeit lokal Schall (Mach-Zahl = 1,0), ein Zustand, der als gedrosselter Fluss bezeichnet wird. Wenn die Querschnittsfläche der Düse zunimmt, beginnt sich das Gas auszudehnen, und die Gasströmung steigt auf Überschallgeschwindigkeiten an, bei denen sich eine Schallwelle nicht [meine Betonung ] rückwärts durch das Gas ausbreitet, gesehen im Bezugsrahmen der Düse ( Machzahl > 1,0).

Bildquelle und obiger Auszug aus Convergent-Divergent Nozzles :

Ich bin mir sicher, dass Sie das bereits wissen, also entschuldigen Sie das, aber für diejenigen, die es nicht tun, war die früheste Staustrahl-ähnliche Idee der Impulsstrahl, die V1-Rakete, die Einlassklappen hatte, wie Ventile, die das Entweichen der Luft von vorne stoppten . Ihre Energiesysteme wurden für den intermittierenden Betrieb entwickelt, im Gegensatz zu dem kontinuierlich arbeitenden Staustrahl, nach dem Sie fragen.

Die einströmende Luft verlangsamt und verdichtet sich aufgrund ihrer Geschwindigkeit relativ zum Motor und der Form des Einlasses. Um es zu verlangsamen, muss eine Kraft auf die Luft ausgeübt werden. Diese Kraft kommt teilweise von der Einlass-Hardware und teilweise von der Hochdruckluft in der Verbrennungskammer. Es ist diese einströmende Luft, die in erster Linie den Druck in der Brennkammer erzeugt, daher ist die Kraft der einströmenden und sich verlangsamenden Luft im Einlass immer mit der Kraft des Drucks in der Brennkammer ausgeglichen, wenn sie sich in einem stationären Zustand befindet. Das bedeutet auch, dass ein Staustrahlflugzeug nicht aus dem Stand starten kann, sondern auf andere Weise auf Geschwindigkeit gebracht werden muss.

Im Gegensatz zu einem Zylindermotor erfolgt die Verbrennung in einem Strahltriebwerk bei konstantem Druck, aber das Volumen des Verbrennungsgases nimmt stark zu. Es ist diese Volumenzunahme, die für den Netto-Vorwärtsschub sorgt.

Das Hochdruckgas in der Verbrennungskammer übt auch eine Kraft auf das aus dem Auspuff strömende Gas aus. Hier gibt es keine einströmende Luft, also wirkt diese Kraft, um das heiße Gas aus der Rückseite des Motors zu beschleunigen. Das verdichtete Abgas dehnt sich dann in der Expansionsdüse aus, wodurch es noch mehr beschleunigt wird. (Die Aufgabe der Expansionsdüse besteht darin, die Abgase in einen nach hinten gerichteten Strahl zu fokussieren. Je schneller sich der Auspuff nach hinten bewegt, desto mehr drückt die Reaktionskraft den Motor nach vorne.)

Während die Drücke über dem Einlass und über dem Auslass mehr oder weniger symmetrisch sind, sind es die Volumina nicht und ebenso wenig die Größen und Oberflächen der Kanäle und Düsen. Die im Einlass langsamer werdende Luft übt eine Widerstandskraft auf den Motor aus, und das sich aus der Abgasdüse ausdehnende Abgas übt eine Vorwärtsschubkraft auf den Motor aus. Da Kraft = Druck × Fläche ist, ist die Vorwärtskraft auf die größere Oberfläche der Abgasdüse viel größer als die Widerstandskraft am Einlass, sodass das Ergebnis ein Nettoschub ist. Ein weiteres Ergebnis ist, dass die heiße Luft (die ein größeres Volumen hat, aber immer noch fast die gleiche Masse hat) viel schneller aus dem Motor herausbeschleunigt wird, als sich die Ansaugluft bewegt. Dadurch wird sichergestellt, dass das Momentum erhalten bleibt.

Wenn Sie versuchen würden, einen Staustrahl rückwärts zu fahren, würde es nicht funktionieren. Sie würden eine große Menge Luft durch den großen Auspuffkanal komprimieren (vorausgesetzt, der Auspuff würde effektiv als Staukompressor funktionieren, was wahrscheinlich nicht der Fall ist). Dann müsste das größere Volumen der erwärmten Luft durch den schmaleren Einlasskanal passen, was nicht passen würde. Der Druck im Brennraum und der nach vorne gerichtete Auspuff würden steigen, bis die Stoßwelle (die normalerweise im Inneren des Motors auftritt) aus dem Motor davor gedrückt wird und der größte Teil der Luft um den Motor herum gedrückt wird. An diesem Punkt haben Sie einen "Motor" mit einem kleinen Abgasstrahl und einem sehr großen Luftwiderstand, der keinen Nettoschub erzeugen würde. Tatsächlich würde es weniger Gesamtwiderstand erzeugen, wenn die Verbrennung gestoppt würde, da eine größere (dichtere) Luftmasse durch den Einlass passen würde und somit weniger Luft um den Motor herum gedrückt werden müsste. Daher sind die Volumenzunahme und die Düsen- / Kanalgrößen, die den Gasvolumina entsprechen, für die Funktion eines Staustrahltriebwerks unerlässlich.

Übrigens funktioniert eine ähnliche Analyse für normale Strahltriebwerke. Dort haben Sie einen Kompressor und eine Turbine auf einer einzigen Welle. Kompressoren und Turbinen sind im Grunde dasselbe. Wenn Sie die gesamte Baugruppe in die entgegengesetzte Richtung drehen, würde die Turbine als Kompressor und der Kompressor als Turbine arbeiten, wobei die Gase in die umgekehrte Richtung strömen. Der Grund, warum sich die gesamte Baugruppe in Vorwärtsrichtung dreht, ist wiederum, dass die Turbine größer ist und das größere Volumen der Abgase nutzt.

Eine andere Möglichkeit, Ihre Frage zu formulieren, könnte sein, wie Sie bestimmen können, wie viel Luft durch den Motor strömt und nicht um ihn herum.

SuperSonic gestartet

Bei normalem Staustrahlbetrieb ist dies eigentlich ziemlich einfach zu berechnen. Wir können den Volumenstrom mit der Dichte multiplizieren:

Wo$\dot m$ist der Massenstrom,$\rho$ist Dichte,$V$ist Geschwindigkeit,$A$ist die Querschnittsfläche und tiefgestellt$_1$zeigt an, dass sich diese Mengen am Einlass befinden.

Wenn der Staustrahl gestartet wird, tritt die einströmende Luft mit Geschwindigkeit in den Einlass ein, das heißt, sie hat keine Chance, sich zu verlangsamen, sodass alle Mengen am Einlass ($_1$) sind die gleichen wie der Freestream ($_0$):

Wo$V_0$die Freistromgeschwindigkeit ist und gleich der Fahrzeuggeschwindigkeit ist, und$\rho_0$ist nur die Dichte der atmosphärischen Luft.

Nun stellt sich die Frage, warum die Verbrennung dies nicht ändert. Schauen wir uns also an, was stromabwärts passiert.

Der Einlass beginnt mit unserer Konvergenz, bei Überschallströmungen verlangsamt sich dies und erhöht den Druck. Irgendwann erreicht es eine engste Stelle und dehnt sich dann wieder aus. Irgendwo in dieser Erweiterung gibt es eine Schockwelle. Hier geht die Strömung plötzlich von Überschall zu Unterschall über. Dadurch steigt der Druck sprunghaft an, aber die nutzbare Energie sinkt. Der Strömungskanal dehnt sich weiter aus, aber jetzt, da die Strömung Unterschall ist, erhöht dies auch den Druck und verringert die Geschwindigkeit. Dann erwärmt der Brenner die Luft. Wir kommen gleich darauf zurück. Weiter stromabwärts haben wir die konvergierende divergierende Düse. Während des konvergierenden Abschnitts beschleunigt die Luft wieder bis auf genau die Schallgeschwindigkeit. Dann beschleunigt es auf der divergierenden Seite weiter, bis entweder eine Stoßwelle entsteht oder es (idealerweise) am Ende der Düse austritt.

Was passiert nun, wenn wir mehr Kraftstoff einfüllen? Wird es stromaufwärts drängen? oder nur stromabwärts?

Die Antwort ist, dass es in beide Richtungen drängen wird. Druck und Temperatur im Brenner steigen. Auf der stromabwärtigen Seite kämpfen die erhöhte Temperatur und der erhöhte Druck gegen eine Verringerung bzw. Erhöhung des Massenstroms durch die Düse. Die Effekte heben sich jedoch auf und der Massenstrom bleibt gleich. Aber es hat einen höheren Druck, der einen erhöhten Schub ermöglicht.

Auf der stromaufwärtigen Seite treibt der erhöhte Druck die Stoßwelle weiter stromaufwärts, was zu einer stärkeren Unterschallausdehnung und einer geringeren Überschallausdehnung führt. Diese Änderungen bewirken beide eine Erhöhung des stromabwärtigen Drucks und somit kann sich die Stoßwelle stromaufwärts bewegen, bis der erhöhte Brennerdruck erreicht ist.

Aber was, wenn wir weiter Wärme hinzufügen? Wenn sich die Schockwelle weiter stromaufwärts bewegt, wird sie schließlich diese engste Stelle erreichen. Wenn es sich nun weiter stromaufwärts bewegt, ergibt es weniger Überschallkompression und mehr Unterschallkompression. Diese beiden Effekte würden den stromabwärtigen Druck eher senken als erhöhen, sodass das Bewegen der Stoßwelle den Druckanstieg nicht mehr ausgleichen kann, sodass die Stoßwelle heftig nach vorne aus der Vorderseite des Einlasses geschoben wird. Dies wird als Unstart bezeichnet .

Was also verhindert, dass sich der erhöhte Brennerdruck nach oben zum Einlass ausbreitet und den Durchfluss verringert, ist die Stoßwelle im Expansionsbereich vor dem Brenner.