Benutzer:Raketeningenieur/Impuls-Detonationsmotor
Impulsdetonationsmotor" -
Ein Puls-Detonationsmotor (PDE) ist eine Art von Antriebssystem, das Detonationswellen zur Verbrennung des Brennstoff- und Oxidationsmittelgemisches verwendet. Der Motor ist gepulst, weil das Gemisch zwischen jeder Detonationswelle und der nächsten in der Brennkammer erneuert werden muss. Theoretisch kann ein PDE von Unterschall bis zu einer Hyperschall-Fluggeschwindigkeit von etwa Mach 5 arbeiten. Eine ideale PDE-Konstruktion kann einen höheren thermodynamischen Wirkungsgrad haben als andere Konstruktionen wie Turbojets und Turbofans, da eine Detonationswelle das Gemisch schnell komprimiert und Wärme bei konstantem Volumen zuführt. Bewegliche Teile wie Verdichterspulen sind im Motor nicht unbedingt erforderlich, was das Gesamtgewicht und die Kosten erheblich reduzieren könnte. PDEs werden seit 1940 für den Antrieb in Betracht gezogen. Zu den Schlüsselfragen für die weitere Entwicklung gehören die schnelle und effiziente Mischung von Brennstoff und Oxidationsmittel, die Vermeidung von Selbstzündung und die Integration mit einem Einlass und einer Düse.
Bis heute wurde noch kein praktisches PDE in die Produktion gebracht, aber es wurden mehrere Prüfstandsmotoren gebaut, und einer wurde erfolgreich in ein Langsamflug-Demonstrationsflugzeug integriert, das 2008 einen Dauerflug mit PDE-Antrieb durchführte. Im Juni 2008 stellte die Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) den Blackswift vor, der mit dieser Technologie Geschwindigkeiten von bis zu Mach 6 erreichen sollte[4], das Projekt wurde jedoch kurz darauf, im Oktober 2008, abgebrochen.
Inhalt
1
Konzept
1.1
Impuls-Jets
1.2
PDEs
2
Erster PDE-Motorflug
3
Populäre Kultur
4
Siehe auch
5
Referenzen
6
Externe Links
Konzept
Impuls-Jets
Hauptartikel: Pulsejet
Die grundlegende Funktionsweise der PDE ist ähnlich der des Pulsstrahltriebwerks. Im Pulsstrahl wird Luft mit Kraftstoff gemischt, um ein entflammbares Gemisch zu erzeugen, das dann in einer offenen Kammer gezündet wird. Durch die resultierende Verbrennung wird der Druck des Gemisches auf etwa 100 Atmosphären (10 MPa) stark erhöht,[5] das sich dann durch eine Düse für den Schub ausdehnt.
Um sicherzustellen, dass das Gemisch nach hinten austritt und damit das Flugzeug nach vorne schiebt, werden eine Reihe von Klappen verwendet, um die Vorderseite des Triebwerks abzuschließen. Eine sorgfältige Abstimmung des Einlasses stellt sicher, dass sich die Klappen zum richtigen Zeitpunkt schließen, um die Luft zu zwingen, nur in eine Richtung durch das Triebwerk zu strömen. Bei einigen Pulsstrahlkonstruktionen wurde ein abgestimmter Resonanzraum verwendet, um die Ventilwirkung durch den Luftstrom im System zu gewährleisten. Diese Konstruktionen sehen normalerweise wie ein U-förmiges Rohr aus, das an beiden Enden offen ist.
In beiden Systemen hat der Pulsstrahl Probleme während des Verbrennungsprozesses. Wenn der Treibstoff verbrennt und sich ausdehnt, um Schub zu erzeugen, drückt er auch die verbleibende unverbrannte Ladung nach hinten, aus der Düse heraus. In vielen Fällen wird ein Teil der Ladung vor dem Verbrennen ausgestoßen, was die berühmte Flammenspur verursacht, die man bei der fliegenden V-1-Bombe und anderen Pulsstrahlen sieht. Selbst im Inneren des Motors ändert sich das Volumen des Gemisches ständig, was den Treibstoff nicht effizient in nutzbare Energie umwandelt.
PDEs
Alle normalen Düsentriebwerke und die meisten Raketenmotoren arbeiten mit der Verpuffung von Treibstoff, d.h. der schnellen, aber Unterschall-Verbrennung von Treibstoff. Das Impulsdetonationstriebwerk ist ein Konzept, das derzeit aktiv entwickelt wird, um ein Düsentriebwerk zu schaffen, das mit Überschalldetonation von Treibstoff arbeitet. Da die Verbrennung so schnell erfolgt, hat die Ladung (Treibstoff/Luft-Gemisch) keine Zeit, sich während dieses Vorgangs auszudehnen, so dass sie unter nahezu konstantem Volumen stattfindet. Die Verbrennung mit konstantem Volumen ist effizienter als bei offenen Kreisläufen wie bei Gasturbinen, was zu einer höheren Treibstoffeffizienz führt.
Da der Verbrennungsvorgang so schnell abläuft, sind mechanische Klappen mit der erforderlichen Leistung nur schwer zu arrangieren. Stattdessen verwenden PDEs im Allgemeinen eine Reihe von Ventilen, um den Prozess sorgfältig zu timen. Bei einigen PDE-Konstruktionen von General Electric werden die Klappen durch sorgfältige Zeitsteuerung eliminiert, wobei die Druckunterschiede zwischen den verschiedenen Bereichen des Motors genutzt werden, um sicherzustellen, dass der "Schuss" nach hinten ausgestoßen wird. [Zitat erforderlich].
Ein weiterer, in der Praxis noch nicht nachgewiesener Nebeneffekt ist die Zykluszeit. Ein traditioneller Pulsejet erreicht aufgrund der Zykluszeit der mechanischen Verschlüsse höchstens 250 Impulse pro Sekunde, aber das Ziel der PDE ist es, Tausende von Impulsen pro Sekunde zu erzeugen, und zwar so schnell, dass sie aus technischer Sicht im Wesentlichen kontinuierlich ist. Dies sollte dazu beitragen, das ansonsten stark schwingende Pulse-Jet-Triebwerk zu glätten - viele kleine Pulse erzeugen weniger Volumen als eine geringere Anzahl größerer Pulse für den gleichen Nettoschub. Leider sind Detonationen um ein Vielfaches lauter als Verpuffungen.
Die Hauptschwierigkeit bei einem Puls-Detonationstriebwerk besteht darin, die Detonation zu starten. Es ist zwar möglich, eine Detonation direkt mit einem großen Funken zu starten, aber der Energieaufwand ist sehr groß und für ein Triebwerk nicht praktikabel. Die typische Lösung besteht darin, einen Deflagrations-zu-Detonations-Übergang (DDT) zu verwenden, d.h. eine hochenergetische Deflagration zu starten und sie durch eine Röhre bis zu dem Punkt beschleunigen zu lassen, an dem sie schnell genug wird, um zu einer Detonation zu werden. [Zitat erforderlich] Alter
mit Ventilen stoßen auf die gleichen schwer lösbaren Verschleißprobleme, die bei ihren Pulse-Jet-Äquivalenten auftreten. Ventillose Konstruktionen beruhen typischerweise auf Anomalien im Luftstrom, um eine Einwegströmung zu gewährleisten, und sind in einem regulären DDT sehr schwer zu erreichen.
Die NASA unterhält ein Forschungsprogramm über das PDE, das auf zivile Hochgeschwindigkeits-Transportsysteme (etwa Mach 5) ausgerichtet ist. [Zitat erforderlich] Die meisten PDE-Forschungsarbeiten sind jedoch militärischer Natur, da das Triebwerk zur Entwicklung einer neuen Generation von Hochgeschwindigkeits-Fernaufklärungsflugzeugen mit großer Reichweite verwendet werden könnte, die hoch genug fliegen würden, um außerhalb der Reichweite aller derzeitigen Flugabwehrsysteme zu liegen, und gleichzeitig eine wesentlich größere Reichweite als die SR-71 bieten würden, für deren Betrieb eine massive Tanker-Unterstützungsflotte erforderlich war.
Während sich die meisten Forschungsarbeiten auf das Hochgeschwindigkeitsregime beziehen, scheinen neuere Konstruktionen mit viel höheren Impulsraten in der Größenordnung von Hunderttausenden selbst bei Unterschallgeschwindigkeiten gut zu funktionieren. Während traditionelle Motorkonstruktionen immer Kompromisse enthalten, die sie auf einen "besten Geschwindigkeitsbereich" beschränken, scheint die PDE sie bei allen Geschwindigkeiten zu übertreffen. Sowohl Pratt & Whitney als auch General Electric haben jetzt aktive PDE-Forschungsprogramme in dem Versuch, die Konstruktionen zu kommerzialisieren.[Zitat erforderlich]
Die Hauptschwierigkeiten bei Impulsdetonationsmotoren bestehen darin, DDT zu erreichen, ohne dass ein Rohr benötigt wird, das lang genug ist, um es unpraktisch zu machen und das Flugzeug zu schleppen (das Hinzufügen eines U-Bogens in das Rohr löscht die Detonationswelle), den Lärm zu reduzieren (oft als wie ein Presslufthammer klingend beschrieben) und die durch den Betrieb des Motors verursachten starken Vibrationen zu dämpfen.
Erster PDE-getriebener Flug[Quelle bearbeiten]
Flugbild der gepulsten und stark modifizierten Rutan Long-EZ vom 31. Januar 2008.
Der erste bekannte Flug eines Flugzeugs, das von einem Impulsdetonationsmotor angetrieben wird, fand am 31. Januar 2008 im Luft- und Raumfahrthafen von Mojave statt.[6] Das Projekt wurde vom Air Force Research Laboratory und von Innovative Scientific Solutions, Inc. entwickelt. Das für den Flug ausgewählte Flugzeug war eine stark modifizierte Scaled Composites Long-EZ mit dem Namen Borealis[7] Das Triebwerk bestand aus vier Röhren, die Impulsdetonationen mit einer Frequenz von 80 Hz erzeugten und bis zu 200 Pfund Schub (890 Newton) erzeugten. In den letzten Jahren wurden von den Triebwerksentwicklern viele Treibstoffe in Betracht gezogen und getestet, aber für diesen Flug wurde ein veredeltes Oktan verwendet. Ein kleines Raketensystem wurde verwendet, um den Start der Long-EZ zu erleichtern, aber die PDE arbeitete 10 Sekunden lang mit eigener Kraft in einer Höhe von ungefähr 100 Fuß (30 m). Offensichtlich fand dieser Flug bei niedriger Geschwindigkeit statt, während der Reiz des PDE-Triebwerkskonzepts eher bei hohen Geschwindigkeiten liegt, aber die Demonstration zeigte, dass ein PDE in einen Flugzeugrahmen integriert werden kann, ohne strukturelle Probleme durch die Detonationswellen von 195-200 dB zu bekommen. Für die modifizierte Long-EZ sind keine weiteren Flüge geplant, aber der Erfolg wird wahrscheinlich mehr Mittel für die PDE-Forschung aufbringen. Das Flugzeug selbst wurde zur Ausstellung in das Nationalmuseum der US-Luftwaffe gebracht[8].
Populäre Kultur[Quelle bearbeiten]
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Finden Sie Quellen: "Pulse detonation engine" - Nachrichten - Zeitungen - Bücher - Wissenschaftler - JSTOR (August 2015) (Erfahren Sie, wie und wann Sie diese Vorlagennachricht entfernen können)
In dem Science-Fiction-Roman Aelita (1923) reisen zwei Russen in einer Puls-Detonationsrakete zum Mars und verwenden dabei "ein feines Pulver von ungewöhnlicher Sprengkraft" (S. 19).
Der sowjetische Roman Das Geheimnis der zwei Ozeane von Grigorij Adamow aus dem Jahr 1939 dreht sich um ein U-Boot mit einem Detonationsmotor (neben anderen Spitzentechnologien). Der Brennstoff ist ein Wasserstoff/Sauerstoff-Gemisch, das durch Wasserelektrolyse hergestellt wird. An einem Punkt wird das U-Boot durch Deaktivierung der Druckindikatoren sabotiert, was zu einer Ansammlung des explosiven Gemisches führt.
X-COM: Das UFO-Verteidigungs-Videospiel zeigt ein fiktives Jagdflugzeug, "Interceptor", das laut Spielbeschreibung von zwei Impulsdetonationsmotoren angetrieben wird.
In der Drama-Fernsehserie JAG wird in der neunten Folge der Staffel "The One That Got Away" (Originalausstrahlung am 17. Oktober 2003) die Aurora gezeigt - in der Serie handelt es sich um ein supergeheimes Hyperschallflugzeug, das von der CIA entwickelt wird und einen Puls-Detonationsmotor verwendet.
In dem Film Stealth (2005) verwenden die fortschrittlichen Kampfflugzeuge Pulsdetonationstriebwerke mit Scramjet-Boostern.
Das PDE wurde in einer Reihe von modernen Romanen wie Dan Browns Thriller Deception Point (auf der zweiten Seite des Buches heißt es, dass alle Technologien in der Geschichte nicht fiktional sind und existieren, wenn auch ohne Bezugnahme auf irgendwelche Quellen) und Victor Komans Science-Fiction-Polemik Kings of the High Frontier (Könige der Hochgrenze) als Handlungspunkt verwendet.
Übersetzt mit Raketeninghieneur