스크 램 제트 엔진은 전형적인 제트 엔진의 압축기와 터빈을 버리고 마하 5보다 큰 속도를 얻을 수있는 초음속-혼합 엔진입니다!
몇 달 전, 인도의 DRDO (Defense Research and Development Organization)는 초음속 속도 비행을위한 무인 Scramjet 데모 항공기의 처녀 비행 테스트를 성공적으로 수행 한 것에 대한 소식을 전했습니다. 예, 한 입입니다. 시연 항공기는 공식적으로‘Hypersonic Technology Pestistor Vehicle (HSTDV)’이라고 불렀습니다. 항공기는 Mach 6보다 큰 속도를 달성하도록 설계되었습니다.이를 원근법으로 삼기 위해 승객 항공기는 Mach 1보다 크게 속도로 이동합니다.
Scramjet 기술을 사용하여 Mach 6 이상의 속도가 달성됩니다. Scramjet 기술은 개발하기가 매우 어렵고 인도 이전에는 다른 3 개국 (미국, 러시아 및 중국)만이 그러한 기술을 개발하는 데 성공했습니다.
Scramjet 엔진으로 구동되는 차량은 Mach 12 이상의 속도를 달성하기 위해 제안되었습니다. (사진 크레디트 :Marc Ward/ Shutterstock)
제트 엔진은 무엇입니까?
Scramjet 엔진을 자세히 살펴보기 전에 일반적으로 제트 엔진을 다루겠습니다. 제트 엔진은 제트 추진을 통해 추력 (또는 움직임)을 생성하는 연소 엔진입니다. 이 엔진은 제트 비행기, 전투기, 미사일 및 드론과 같은 고속 상황에서는 응용 프로그램을 찾습니다. 제트 엔진은 또한 고속 자동차 및 발전소에 사용하도록 수정됩니다. 기본 제트 엔진은 전통적인 가스 터빈과 동일한 원칙에 따라 작동합니다.
기본 제트 엔진은 팬, 압축기, 연소실 및 터빈으로 구성됩니다. (사진 크레딧 :Stanislav-Z/ Shutterstock)
제트 엔진은 전면의 압축기와 연소실과 터빈으로 구성됩니다. 압축기와 터빈은 동일한 샤프트에 장착됩니다. 압축기 앞의 팬이 대기에서 공기 중에 짜증납니다.
샤프트에서 고속으로 회전하는 다중 블레이드로 구성된 압축기는 들어오는 공기를 압축합니다. 이 압축의 결과로 공기의 압력과 온도가 증가하고 속도가 떨어집니다. 연소 챔버에서는 압축 공기에 연료가 뿌려지고 스파크 플러그의 스파크는 혼합물을 점화합니다.
그런 다음 혼합물은 자발적으로 팽창하여 제트를 만듭니다. 노즐에서 폭발하려는 제트에서 생성 된 반응력은 평면/비히클을 앞으로 움직이는 데 필요한 추력을 제공합니다. 생성되는 추력의 양은 흡입구 공기의 속도와 비교하여 출구 제트의 속도에 따라 다릅니다. 출구 제트의 속도가 클수록 생성 된 스러스트의 양이 커집니다.
엔진을 종료하기 전에 제트는 터빈 블레이드를 통과합니다. 터빈 블레이드의 출구 제트에 의해 부여 된 움직임은 샤프트에 의해 압축기로 전달됩니다.
(사진 크레디트 :nasa.gov)
전통적인 제트 엔진의 단점
기존 제트 엔진의 주요 단점은 통합 한 이동 부품의 수입니다. 이 목록에는 다단계 압축기 및 터빈 로터뿐만 아니라 점화 플러그, 냉각 시스템, 애프터 버너, 연료 제어 장치, 프라임 무버 등과 같은 기타 기계적 구성 요소가 포함되어 있습니다.이 구성 요소는 전체 엔진에 많은 무게를 추가하여 전체 차량을 더욱 무거워합니다. 엔지니어링 복잡성과 엔진 고장 또는 셧다운으로 이어질 수있는 요소의 수는 너무 많은 부품으로 크게 증가합니다.
압축기는 기존 제트 엔진에서 들어오는 공기를 하위 소닉 속도로 줄입니다. 따라서 출구 제트 속도가 하위 소닉 수준하에 남아 있기 때문에 제한된 양의 추력이 생성 될 수 있습니다.
더욱이, 초음속 속도로 지구의 한 곳에서 다른 곳으로 여행하려는 꿈은 일반 제트 엔진으로 달성 할 수 없습니다. 대부분의 제트 엔진은 마하 3의 속도로 날아갈 수 있지만 대부분의 제트 엔진, 즉 마하 1 미만의 속도 만 달성 할 수 있습니다.
.이곳은 Ramjets와 Scramjet 엔진이 시작되는 곳입니다.
Ramjet 및 Scramjet 엔진은 무엇입니까?
Ramjet 및 Scramjet 엔진은 일반 제트 엔진에서 로터리 압축기와 터빈을 버리는 제트 엔진 변형입니다. 두 모델은 자연스럽게 공기의 램핑에 의존하여 추력을 생성합니다. Ramjets 및 Scramjets의 기본 작동 원리는 들어오는 초음파 (마하 5보다 큰 속도) 또는 초음속 공기의 압력 에너지로 변환하는 것과 관련이 있습니다.
초음속 속도로 흐르는 공기는 동적 압력이 매우 높습니다. 동적 압력을 속도 압력이라고도하며 공식적으로 부피 단위당 운동 에너지로 정의됩니다. Bernoulli의 방정식에서 용어로 기억할 수 있습니다 (P + ½ ρ v2 + ρ g h =상수, 여기서 '½ ρ v2'라는 용어는 동적 압력입니다).
그러나, 서브닉 속도에서 흐르는 공기의 동적 압력은 사용 가능한 추력을 생성하기에 충분하지 않다. 또한 항공기가 정지되면 주변의 공기의 동적 압력은 훨씬 낮아서 추력을 생성하는 데 사용될 수 없습니다.
따라서 Ramjets와 Scramjets는 비행기가 특정 속도를 얻을 때까지 초기 이륙에 대한 지원이 필요합니다. 두 유형 모두 주변 공기가 Mach 3에서 시작하여 초음속 속도로 흐르는 경우에만 효율적으로 작동합니다.
Ramjets와 Scramjets는 로터리 압축기와 터빈을 사용하여 추력을 생성하지 않고 대신에 공기의 자연스러운 램핑에 의존합니다. (사진 크레딧 :greytrafalgar/wikimedia commons)
이제 두 제트 엔진의 구성과 관련하여 전면에있는 일반 제트 엔진의 압축기는 디퓨저로 대체되는 반면 엔진의 다른 쪽 끝에는 추진 (수렴 다이버 릿) 노즐이 점유됩니다.
디퓨저는 유체의 속도 (수신 공기, 우리의 경우)의 속도를 줄이고 압력과 온도를 높이는 데 사용되는 장치입니다. 반면에 노즐은 압력을 줄이고 유체 (배기 제트)의 속도를 증가시키는 데 사용됩니다. Ramjet 및 Scramjet 엔진에는 압축기가 없기 때문에 터빈의 필요도 제거됩니다.
초음속 속도로 공기가 움직이면 확산기를 통과 할 때 동적 압력이 정적 압력으로 변환됩니다. 공기 흐름의 속도는 감소하는 반면 압력과 온도는 증가합니다. 이 증가 된 온도와 압력이 혼합물 연소에 도움이됩니다.
나머지 작업 절차는 일반 제트 엔진과 동일하게 유지됩니다. 연소 챔버 내부에서 공기는 연료 및 스파크 플러그가 혼합되어 혼합물을 발화하는 데 도움이되며, 추진 노즐은 배기 스트림을 가속화하여 추력을 생성합니다.
ramjets vs scramjets
Ramjet에서, 들어오는 공기는 디퓨저에 의해 하위 소닉 레벨 이하로 느려집니다. 비스듬한 충격파를 사용하여 흐름을 늦추고 최종 정상 충격파를 사용하여 하위 소닉 속도 아래로 가져옵니다. 생성 된 추력의 양은 배기 제트의 속도, 제트 엔진과 유사한 Ramjets의 속도에 따라 달라지기 때문에 생성 된 추력의 양은 연소 챔버에서 공기의 하위 소닉 흐름에 의해 제한됩니다.
.추력 생산량을 높이려면 들어오는 공기가 아음속 속도 아래로 속도를 늦추지 않아야합니다. 스크램 제트 엔진은 바로 그 일을합니다. Scramjet 엔진은 Ramjet 엔진으로의 업그레이드 일뿐입니다. 실제로 Scramjet은‘초음속 연소 Ramjet 엔진’을 나타냅니다.
스크램 제트에서 들어오는 공기 흐름은 아드닉 레벨로 느려지지 않으며 초음속 속도를 유지합니다. 이것은 점차 점차 분기되는 디퓨저에 의해 달성됩니다. 스크 램젯의 연소실은 또한 초음속 속도로 작동하도록 수정되며, Ramjets의 연소실은 하위 소닉 속도로만 작동합니다.
추진 노즐은 또한 배기 제트를 더 높은 마하 수로 가속하도록 수정됩니다. 따라서, 스크 램젯에 의해 생성 된 추력은 램 제트보다 많다. 따라서 스크램 제트는 램 제트보다 더 빠른 속도로 날 수 있습니다.
스크램 제트는 또한 매우 효율적인 제트 엔진과 고속 로켓 엔진 사이의 간격을 연결하므로 중요합니다.
스크램 제트는 연료를 운반하고 섭취 한 대기 산소를 산화제로 사용하는 반면 로켓은 연료와 산화제를 모두 운반합니다. 스크램 제트는 산화제를 운반하지 않기 때문에 대기 비행으로 제한되어 우주 여행에 사용할 수 없습니다… 아직.
결론
Scramjet 기술을 사용하면 10 배 이상의 속도 로 날아갈 수 있습니다. 소리의 속도이지만 여전히 진행중인 작업입니다. 이미 언급했듯이 4 개국 만 스크램 제트 기술을 개발하는 데 성공했습니다. 최초의 스크램 제트 엔진 구동 차량은 1991 년 11 월에 비행기를 타고 러시아가 개발했습니다. Scramjet 기술의 첫 시연 이후 약 27 년이 지났지 만 대규모로 우리를 계속 피하고 있습니다.
주요 문제는 Scramjets가 마하 5 이상의 속도에서 유용한 추력 만 생성하기 때문에 추가 발사 차량이 비행을 시작할 필요가 있다는 것입니다. 공기 마찰과 충격파로 생성 된 열량은 또 다른 관심사입니다. 추력 대량 비율이 좋지 않으면 한계가 가속화를 제한하며, 비행기는 특정 페이로드를 운반하려면 상당히 커야합니다. 무엇보다도 Scramjet 기술은 제조 및 테스트에 매우 비쌉니다. 대부분의 테스트는 테스트 차량의 완전한 소멸로 끝납니다.
따라서 Scramjet 기술은 흥미롭고 유용한 것처럼 보일 수 있지만 적어도 10-15 년 동안 보지 못할 것입니다.
