talos ramjet

General Principles

Untuk memahami bagaimana asupan udara Ramjet bekerja kita harus memeriksa fisika yang terlibat. Dengan kata lain, kita harus berpikir tentang bagaimana alam semesta di sekitar kita bekerja.

Ketika sesuatu yang menyebabkan kebisingan, seperti membanting pintu atau petasan muncul, hal itu menyebabkan gelombang tekanan untuk bergerak melalui udara, Ketika gelombang ini mencapai kami telinga kami menerjemahkan tekanan yang tiba-tiba berubah menjadi suara yang kita dengar.

Gelombang tekanan udara benar-benar hanya molekul menabrak terhadap satu sama lain. Biasanya hanya molekul bergerak secara acak, bergerak dengan cara ini dan itu. Ketika muncul petasan ini melepaskan gas tekanan tinggi yang buru-buru keluar, mendorong terhadap molekul udara. Molekul-molekul ini pada gilirannya bergerak keluar dan bertabrakan dengan orang lain, mendorong mereka bersama-sama untuk bertemu lebih banyak molekul udara. Pikirkan sekelompok bola berbaris di meja biliar. Bola pemogokan yang pertama, menyebabkan itu bergerak dan menyerang kedua. Ketika hal itu terjadi energi gerak ditransfer ke bola kedua dan bola pertama berhenti. Demikian pula, pemogokan bola kedua ketiga, transfer energi untuk itu, dan berhenti. Dengan cara ini energi yang berpindah dari satu bola untuk yang lain, dan energi ini "gelombang" mengalir ke bawah garis bola dari awal sampai akhir. Meskipun jarak dari awal sampai akhir bola dapat menjadi besar, tidak ada bola individu bergerak sangat jauh.

Ini adalah bagaimana gelombang tekanan bergerak melalui udara, lewat dari molekul ke molekul. Gelombang hanya banyak molekul yang tidak lagi bergerak secara acak, tapi semuanya bergerak ke arah yang sama pada waktu yang sama sampai mereka bertabrakan dengan molekul udara lain dan lulus energi untuk itu. Setelah melewati gelombang molekul udara kembali ke menabrak secara acak satu sama lain.

Gelombang tekanan melalui udara dengan kecepatan suara. Ini adalah kecepatan yang tercepat gelombang tekanan dapat bergerak melalui udara. Namun, bukan kecepatan tercepat bahwa sesuatu dapat melakukan perjalanan melalui udara - supersonik rudal bergerak lebih cepat daripada kecepatan suara. Apa yang terjadi pada molekul udara saat ini terjadi adalah penting.

Sebagai sebuah objek bergerak melalui udara itu mendorong ke samping udara di jalurnya. Udara yang bergerak membentuk gelombang tekanan yang bergerak keluar pada kecepatan suara. Dalam gambar di bawah tanda panah berlabel "Kecepatan suara" mewakili suara jarak perjalanan selama waktu penerbangan dari rudal.
Kecepatan suara

Rudal di sebelah kiri bergerak pada setengah kecepatan suara (Mach 0,5). Gelombang tekanan yang diciptakan ketika bergerak melalui atmosfer bergerak dua kali lebih cepat rudal dan menghilang di segala penjuru. Dalam semua kasus ras gelombang tekanan di depan rudal. Setiap setengah lingkaran menunjukkan seberapa jauh gelombang suara telah bepergian sejak rudal melewati posisi bernomor. Perhatikan bahwa jarak antara gelombang pendek di depan rudal daripada pergi ke sisi rudal - ombak yang dikompresi di depan rudal. Namun, mereka tidak tumpang tindih untuk menghasilkan gelombang kejut.

Pada gambar tengah rudal bergerak pada kecepatan suara. Memperluas gelombang tekanan luar dengan kecepatan suara tetapi mereka tidak bisa bergerak maju dari rudal. Pada ujung terdepan rudal semua gelombang yang dikompresi sehingga mereka saling tumpang tindih, tetapi mereka biasanya menghilang di tempat lain sehingga gelombang kejut tidak disebarkan.

Di tangan kanan gambar rudal bergerak lebih cepat daripada kecepatan suara. Gelombang tekanan tidak bisa bergerak secepat rudal. Akibatnya semua gelombang bergabung untuk menciptakan tekanan tinggi kerucut "shock wave" yang berasal dari hidung rudal, bergerak keluar melalui udara dengan kecepatan suara, seperti terbangun dari sebuah kapal yang bergerak melalui air. Ketika gelombang kejut ini mencapai telinga kita kita mendengar sebuah "sonic boom."

Sederhana Ramjets

Supersonik inilah gelombang kejut yang penting bagi asupan udara Ramjet berfungsi, dan itu adalah penyebab sakit kepala utama dalam desain yang akan bekerja ramjets diandalkan. Penting untuk diingat bahwa molekul udara dalam gelombang ini bergerak dengan kecepatan suara, dan tidak lebih cepat.

Asupan udara yang paling sederhana desain adalah hanya sebuah tabung kosong dengan pembukaan bundar - pipa. Seperti pipa bergerak melalui udara pada kecepatan supersonik tepi mendorong pembukaan molekul udara keluar dari jalan, membentuk gelombang kejut. Di tepi luar pipa gelombang bergerak dari luar persis seperti itu tidak di sekitar hidung peluru supersonik. Namun, pada bagian dalam tabung gelombang kejut dari seluruh pembukaan berkumpul di dalam tabung, seperti ditunjukkan oleh garis putus-putus. Molekul udara bergerak menjauh dari tepi bagian dalam pembukaan lari ke molekul lain bergerak ke dalam dan gelombang tekanan tak bisa berjalan lebih jauh. Tekanan membangun di belakang gelombang kejut, menekan udara di dalam tabung dan memperlambat laju yang mengalir melalui tabung.
Normal shock depan

Lewat udara melalui tabung yang lebih lambat daripada kecepatan melewati tabung udara sekitarnya. Sebagai akibatnya, udara memasuki pembukaan lebih cepat daripada udara dapat melewati tabung dan melarikan diri di belakang. Molekul udara menumpuk di dalam tabung, dan karena semakin banyak yang dijejalkan dalam tekanan di dalam tabung meningkat. Ketika tekanan meningkat akan mencoba untuk mendorong udara keluar melalui bagian depan tabung. Kesetimbangan tercapai antara inrushing tekanan udara dan tekanan udara di dalam tabung, dan gelombang kejut supersonik pada inlet yang dibentuk kembali menjadi lebih atau kurang flat di seberang teluk pembukaan. Bahkan, tepi gelombang kejut ini biasanya tegak lurus terhadap permukaan tabung, sehingga disebut sebagai "normal" gelombang kejut (normal berarti tegak lurus).

Sekarang kita perlu memikirkan kembali gerakan relatif rudal dan suasana. Ini adalah rudal yang bergerak lebih cepat daripada kecepatan suara, dan udara berdiri diam. Namun, konsep relativitas memungkinkan kita untuk berpikir tentang situasi seolah-olah rudal itu berdiri diam dan udara sedang terburu-buru oleh pada kecepatan supersonik. Bahkan, inilah yang terjadi di terowongan angin berkecepatan tinggi di mana udara ditiup melalui terowongan dan rudal yang melesat tetap di tempatnya. Untuk diskusi tentang bagaimana mesin Ramjet bekerja itu sangat berguna untuk memikirkan bagaimana udara bergerak melalui rudal, seolah-olah rudal tidak bergerak dan udara.

Udara di depan gelombang kejut normal di depan tabung bergerak lebih cepat dari kecepatan suara, relatif terhadap tabung, dan udara di dalam tabung bergerak lebih lambat. Akibatnya, udara masuk tabung di bagian depan lebih cepat daripada yang dapat meloloskan diri dari tabung di belakang. Seperti tumpukan udara di tabung tekanan naik. Menurut aturan fisika, ketika tekanan naik, dan udara tidak dapat berkembang, suhu udara juga meningkat. Karena dinding bagian dalam tabung mencegah perluasan luar udara di dalam tabung, dan udara di depan bergegas mencegah melarikan diri seperti itu, yang panas tekanan tinggi gas hanya dapat melarikan diri dari belakang tempat mereka berkembang cepat dan kembali ke suhu dan tekanan udara sekitarnya.

Ketika melarikan diri gas panas di bagian belakang tabung mereka dipercepat sebagai penurunan tekanan. Anda melihat hal yang sama ketika air lolos melalui ujung selang taman Anda. Semakin tinggi tekanan air di dalam selang air semakin cepat mengalir dari selang. Semakin tinggi tekanan di dalam tabung Ramjet, semakin cepat gas melarikan diri di belakang. Karena gas dipanaskan seperti yang dikompresi ke dalam tabung, tekanan semakin meningkat dan mereka melarikan diri dari belakang lebih cepat. Jika gas ini melarikan diri dengan kecepatan lebih tinggi daripada kecepatan aliran udara di sekitar bagian luar tabung (lebih cepat daripada tabung bergerak melalui udara) akan ada dorongan ke depan jaring pada tabung. Bahkan dalam tabung hampa sederhana yang bergerak lebih cepat daripada kecepatan suara ada sedikit dorongan yang cenderung mendorong tabung maju melalui udara. Ini disebut efek Meredith, setelah FW Meredith yang pertama kali mengajukan ide pada tahun 1936. Tabung semakin cepat bergerak, semakin banyak udara masuk ke depan, menyebabkan suhu dan tekanan untuk naik di dalam tabung, menyebabkan gas untuk melarikan diri pada kecepatan yang lebih tinggi di bagian belakang, sehingga menghasilkan daya dorong yang lebih besar.

Curiga ini terdengar seperti skema gerak abadi, dan hal-hal seperti tidak mungkin. Pipa berlubang tidak lepas landas dan terbang melalui udara pada kecepatan supersonik, ajaib mendorong diri mereka sendiri, karena hambatan dari bergerak melalui udara sangat melebihi daya dorong yang dihasilkan oleh gas dipanaskan. Sebagai benda bergerak lebih cepat melalui udara hambatan (tahanan terhadap gerakan melalui udara) meningkat. Kita mengalami efek ini secara langsung ketika kita tetap tangan kami ke luar jendela mobil yang bergerak. Semakin cepat mobil bergerak semakin besar gaya pada tangan kita sebagai bergegas udara di sekitarnya. Jika kita ingin tabung untuk bekerja sebagai mesin kita perlu meningkatkan dorong sehingga melebihi hambatan.

Hal ini dilakukan dengan memanaskan udara di dalam tabung bahkan lebih dengan membakar bahan bakar di dalamnya. Bahan bakar disemprotkan ke Airstream dekat bagian depan tabung dan menyulut dekat belakang. Ketika membakar bahan bakar panas pembakaran sangat meningkatkan tekanan di dalam tabung, meningkatkan dorongan sebagai gas dipanaskan melarikan diri di belakang.

Namun, jika tabung hanya duduk diam ketika kita menyalakan bahan bakar gas yang terbakar meniup kedua ujungnya dan tabung tidak pergi ke mana-mana. Untuk mendapatkan mesin Ramjet bekerja kita harus meniup udara ke dalam intake pada kecepatan yang sangat tinggi, menyebabkan tekanan di dalam tabung meningkat. Hal ini biasanya dilakukan dengan menggunakan mesin jet lain atau motor roket untuk mempercepat pesawat atau rudal untuk kecepatan di mana Ramjet akan bekerja.

Ketika membakar bahan bakar, menyebabkan gas untuk memanaskan dan memperluas, tekanan dari udara masuk bagian depan tabung mencegah ledakan dan bergerak maju ke depan. Karena tidak ada yang mencegah gas-gas dari melarikan diri di bagian belakang, ini adalah tempat pembakaran gas panas pergi. Tekanan dari pembakaran campuran udara-bahan bakar mendorong pada dinding-dinding dan pada tabung gas di depan tabung, tetapi tidak ada untuk mendorong di bagian belakang tabung. Hasilnya adalah dorongan ke depan.

Dengan beberapa modifikasi pipa menjadi Ramjet. Mengurangi diameter inlet relatif terhadap ujung belakang tabung menyediakan permukaan untuk tekanan di dalam tabung untuk bertindak atas, menghasilkan dorongan ke depan. Jika Anda menyemprotkan bahan bakar ke udara yang masuk dan kemudian memicu suhu tinggi-tinggi dan tekanan tinggi yang dihasilkan. Pada akhir pembuangan mesin membatasi sebuah nossel mengalir keluar dari mesin. Hal ini memperlambat aliran udara melalui mesin, meningkatkan lebih lanjut tekanan operasi, memungkinkan lebih banyak bahan bakar untuk dibakar. Daerah terbuka nossel cocok untuk daerah asupan untuk mendapatkan kondisi operasi optimal di dalam mesin. Nossel menyebabkan pembakaran gas yang melarikan diri itu akan dipercepat hingga kecepatan tinggi. Ini adalah Meredith Efek pada steroid.
Awal Ramjet

The Ramjet bekerja dengan percepatan udara yang melewatinya. Untuk setiap aksi ada reaksi, dan sebagai gas panas berkecepatan tinggi melarikan diri melalui mesin nossel didorong ke depan. Di dalam tabung keadaan tunak diperoleh di mana tekanan di ruang pembakaran diimbangi oleh tekanan udara yang mengalir ke mesin di belakang shock depan normal. Sebagai mesin ingests bergerak maju itu lebih banyak udara, menjaga hal-hal terjadi. Seperti berjalan lebih cepat dibutuhkan dalam jumlah yang lebih besar dari udara, dan itu berarti knalpot lebih banyak udara, menghasilkan daya dorong yang lebih besar. Semakin cepat berjalan, semakin cepat ia pergi. Aliran bahan bakar dikendalikan untuk mencapai kecepatan yang diinginkan.

Pada kecepatan sekitar 80 persen dari kecepatan suara dorong yang dihasilkan oleh mesin Ramjet hanya sama dengan tarik melalui udara (hal ini tergantung pada seberapa efisien rudal itu). Pada kecepatan tinggi dorong yang dihasilkan oleh mesin melebihi hambatan dan mendorong mesin itu sendiri ke depan.

Ada batas praktis untuk kecepatan mesin Ramjet sederhana. Jika tekanan di dalam tabung meningkat terlalu jauh shock depan normal ditiup keluar dari tabung udara terkompresi memungkinkan untuk tumpah di sekitar tabung. Hal ini akan mengurangi jumlah udara yang melewati tabung, menyebabkan dorongan untuk turun. Sebagai konsekuensi Ramjet jenis ini adalah terbatas pada kecepatan tertinggi hanya sekitar Mach 1,2, tidak secepat turbojet bisa pergi. Untuk kecepatan yang lebih tinggi di udara Ramjet asupan harus memiliki mekanisme yang lebih efisien untuk menekan udara yang masuk.

Ramjets efisiensi tinggi

Ramjets bekerja dengan kecepatan relatif rendah menelan udara dan mengeluarkan udara pada kecepatan yang lebih tinggi. Perbedaan dalam hal kecepatan menghasilkan dorongan ke depan. Bahan bakar yang terbakar menciptakan tekanan yang lebih tinggi di dalam mesin, knalpot menyebabkan kecepatan yang lebih tinggi. Tapi tekanan dari mesin tergantung sepenuhnya pada seberapa banyak udara mengalir melewatinya. Tidak peduli seberapa panas membakar campuran udara-bahan bakar ini, dan seberapa tinggi tekanan, jika tidak banyak udara mengalir ke bagian depan mesin dorongan tidak banyak diproduksi. Jadi trik untuk meningkatkan efisiensi adalah untuk meningkatkan aliran udara melalui mesin. Dalam cara ini adalah ayam-dan-masalah telur. Untuk mendapatkan lebih banyak udara rudal harus pergi lebih cepat, dan untuk pergi lebih cepat itu harus mengambil lebih banyak udara.

Menambahkan lebih banyak bahan bakar ke udara dalam jumlah yang lebih besar menyebabkan mesin panas yang akan dihasilkan, dan meningkatkan suhu pembakaran campuran udara-bahan bakar. Lebih panas menyebabkan peningkatan tekanan, dan ini menghasilkan kecepatan yang lebih tinggi gas buang. Jadi bahan bakar terbakar lebih meningkatkan kecepatan gas buang, menyebabkan rudal untuk pergi lebih cepat. Namun, ada batas untuk berapa banyak bahan bakar dapat dibakar. Jika campuran udara-bahan bakar terlalu kaya (terlalu banyak bahan bakar) tidak akan terbakar. Jadi perlu untuk menyesuaikan aliran bahan bakar dengan jumlah udara yang melewati mesin untuk mendapatkan kecepatan maksimum pembakaran berkelanjutan. Menambahkan lebih banyak bahan bakar akan meningkatkan daya dorong, tapi sekali lagi dorong maksimum dibatasi oleh jumlah udara.

Cara untuk mengatasi masalah ini adalah untuk meningkatkan tekanan udara di rudal (tekanan yang lebih tinggi = lebih banyak udara). Hal ini meningkatkan efisiensi pembakaran dan memungkinkan lebih besar jumlah bahan bakar untuk dikonsumsi. Limit tabung terbuka sederhana mesin tiba saat tekanan di dalam tabung melebihi tekanan udara yang mengalir ke dalam inlet. Beberapa sarana yang dibutuhkan untuk meningkatkan tekanan pada bagian depan rudal.

Langkah pertama dalam mencapai tujuan ini adalah penambahan penghalang dalam pembukaan tabung. Hal ini memberikan lebih banyak struktur untuk tekanan tinggi di dalam tabung gas untuk mendorong pada, jadi agak meningkatkan daya dorong. Tetapi asupan memblokir pembukaan akan mengurangi jumlah udara yang mengalir masuk, bukan? Tidak, tidak, jika dilakukan dengan benar.

Halangan disebut innerbody. Hal ini menunjuk pada kedua ujungnya dan tebal di tengah dan sesuai di dalam tabung asupan. Lewat udara ke dalam tabung harus mengalir di sekitar innerbody, dan daerah sekitarnya kurang dari luas asupan pembukaan. Akibatnya udara dikompresi ketika mengalir di sekitar dan mencapai tekanan maksimum di tenggorokan sempit antara asupan innerbody dan tabung. Jumlah yang sama udara mengalir ke mesin, tapi ia ditinggikan tekanan yang lebih tinggi. Hal ini meningkatkan tekanan gas pembakaran yang harus mendorong melawan, menyebabkan tekanan secara keseluruhan di dalam tabung meningkat. Tekanan internal yang lebih tinggi berarti lebih besar jumlah udara dalam mesin, sehingga lebih banyak bahan bakar dapat dibakar. Hasilnya tekanan masih lebih tinggi, peningkatan kecepatan gas buang, dan dorongan yang lebih besar.

Ingat "normal" shockwave yang terbentuk di dalam mulut tabung? Itu adalah faktor yang membatasi aliran udara ke mesin tabung sederhana. Aliran udara ke mesin dibatasi oleh wilayah shock depan. Kelebihan udara menyingkirkan dan mengalir di sekitar bagian luar mesin. Ini membatasi jumlah udara yang mengalir ke tabung terbuka sederhana, dan yang membatasi jumlah dorong yang dapat dihasilkan. Menambahkan innerbody di dalam tabung tidak berubah yang terbatas, meskipun tidak memungkinkan pembakaran lebih efisien dan menyebabkan rudal untuk mempercepat lebih cepat. Untuk mendapatkan rudal untuk pergi lebih cepat itu perlu untuk mengubah cara gelombang kejut supersonik formulir di bagian depan rudal.
Advanced Ramjet

Solusinya sederhana - innerbody menggerakkan maju sampai ujung kerucut memanjang keluar dari tabung masuk. Supersonik gelombang kejut yang kemudian membentuk di ujung kerucut di depan pembukaan. Ini adalah gelombang kejut berbentuk kerucut dan memiliki luas permukaan jauh lebih besar daripada gelombang kejut normal sederhana. Supersonik yang berbentuk kerucut shock depan untuk memungkinkan lebih banyak udara masuk ke dalam pembukaan daripada planar sederhana shock depan. Udara di belakang depan ini bergerak lebih lambat dari udara masuk ke depan, sehingga tekanan meningkat. Selain itu, karena berbentuk kerucut innerbody udara ini diperas ke dalam volume yang lebih kecil sebelum memasuki asupan pembukaan, penekanan udara lebih jauh dan meningkatkan jumlah udara pada pembukaan. Lain bentuk gelombang kejut normal terhadap permukaan dan udara innerbody intake. Di depan shock normal udara yang precompressed melambat untuk kecepatan subsonik ketika memasuki intake. Jenis mesin ini disebut sebagai aliran subsonik Ramjet karena udara mengalir melalui mesin kurang dari kecepatan suara.

Banyak ide-ide yang berbeda diusulkan dan diuji dalam percobaan untuk menentukan bentuk innerbody optimal. Sudut kerucut shock depan tergantung pada kecepatan rudal. Hal ini menyebabkan posisi optimal shock depan untuk berubah dengan kecepatan, mempengaruhi efisiensi dari mesin. Posisi kerucut asupan mempengaruhi posisi shock depan supersonik. Untuk variabel kecepatan operasi itu perlu untuk memindahkan kerucut innerbody ke depan dan ke belakang untuk menjaga shock depan dalam posisi optimal relatif terhadap asupan pembukaan, tetapi posisi tengah innerbody harus tetap konstan untuk mencapai kompresi maksimum di dalam mesin. Pengaturan rumit untuk memindahkan kerucut innerbody diuji, tetapi ini meningkatkan berat mesin dan mengurangi ruang yang tersedia untuk bagian penting lainnya. Pada akhirnya diputuskan untuk mengoperasikan rudal Talos pada kecepatan konstan untuk memungkinkan innerbody bentuk yang tetap.

Desain optimal meminta gelombang kejut berbentuk kerucut untuk mempengaruhi langsung pada tepi terkemuka inlet udara di mana ia akan bertemu dengan yang "normal" shock depan innerbody tegak lurus terhadap permukaan. Sulit untuk mempertahankan "kritis" kondisi. Dimungkinkan juga untuk menjalankan mesin dalam sebuah "superkritis" dengan kondisi shock normal jauh ke depan intake udara, tetapi ini disebut tekanan internal yang lebih rendah, lebih ramping campuran udara-bahan bakar dan daya yang rendah. Talos dioperasikan dalam "subkritis" kondisi dengan tekanan internal yang lebih tinggi untuk mempromosikan pembakaran lebih efisien. Dalam keadaan ini tekanan internal yang tinggi menyebabkan guncangan normal depan untuk maju ke depan dari bibir topi runcing untuk bergabung dengan gelombang kejut supersonik. Ketika ia melewati gelombang kejut normal udara melambat untuk kecepatan subsonik dan meningkatkan tekanan lagi. Mesin itu diberikan dengan jumlah maksimum udara yang dapat mengalir ke intake, dan setiap kelebihan tumpah keluar di topi runcing.