Nabojnomlazni motor

Pogon letelica

Za postizanje ove ravnoteže neophodan je sistem pogona, motor

Vrste

1. Vazduhoplovni motor 1.1 Motori sa unutrašnjim sagorevanjem: 1.1.1 Klipni motor 1.1.2 Linijski klipni motor 1.1.3 Radijalni klipni motor 1.1.4 Rotacioni klipni motor 1.1.5 V klipni motor 1.1.6 Bokser klipni motor 1.1.6 Vankelov motor 1.2 Pogon bez procesa sagorevanja: 1.2.1 Ljudski pogon aviona 1.2.2 Elektromotor 1.3 Reaktivni motori: 1.3.1 Mlazni motori: 1.3.1.1 Elisnomlazni motor 1.3.1.2 Turboelisni motor 1.3.1.3 Turbomlazni motor 1.3.1.4 Dvoprotočni turbomlazni motor 1.3.1.5 Pulsirajući mlazni motor 1.3.1.6 Nabojnomlazni motor 1.3.1.7 Nadzvučni nabojnomlazni motor 1.3.1.8 Motokompresorski reaktivni motor 1.3.2 Raketni motori 1.3.2.1 Raketni motor sa hemijskim gorivom 1.3.2.2 Jonski motor

Portal:Vazduhoplovstvo

Nabojnomlazni motor

Nabojnomlazni motor (engl. Ramjet) je vrsta mlaznog motora, u kojem nema pokretnih delova. Motor je u stvari oblikovana cev, sa čijom promenom poprečnih preseka se transformiše dinamički u statički pritisak vazduha. Optimizacija zakonitosti promene poprečnih preseka „cevi“, vezana je za postavljeni kriterijum ispunjenja uslova potrebnog statičkog pritiska za efikasno sagorevanje. Na osnovu isključivog uslova, da je za rad ovoga motora neophodan dinamički pritisak vazduha na njegovom ulaznom preseku, isti ne može raditi u statičkim uslovima, niti se može sam pokrenuti iz stanja mirovanja. Njegov nadefikasniji rad je pri velikim nadzvučnim brzinama leta, ekvivalenta u Mahovom broju oko M = 3, a uspešno funkcioniše i do M = 6.
Posebno je pogodan za aplikacije koje zahtevaju male i jednostavne pogone na velikim brzinama leta, kao što su rakete, posebno za protivoklopnu borbu. U nekim specijalnim i izolovanim slučajevima koriste se i za pogon posebnih brzih aviona.

Po termodinamičkom ciklusu, svrstava se u istu kategoriju sa Pulsirajućim mlaznim motorom i ako je ovaj isprekidanog principa rada, a nabojno mlazni je kontinualnog.

Istorija razvoja i primene

Informacije, o svima postignutim rezultatima na istraživanju i razvoju nabojnomlaznih motora, su u literaturi precizno datirane i pokazuju da je taj motor predmet velikog interesovanja u svetu. Interesovanje je bilo intenzivno prisutno još početkom 20. veka, a tokom perioda od 1930. do 1950. godine, bilo je posebno fokusirano za podršku specifičnih vojnih aplikacija. Kao i kod većine dostignuća, sve što je bilo dokazano pre 50 godina, pokazalo se u današnje vreme da se može uraditi bolje i lakše. Hronologija i kvalitet postignutih rezultata je:

• 1913.– Rene Lorin, patentirao je princip nabojnomlaznog motora
• 1928.– Albert Fono, patentirao je nadzvučni nabojnomlazni motor
• 1936.– Rene Leduc, ostvario je potisak sa nabojnomlaznim motorom, najverovatnije u aerotunelu
• 1941.– Nabojnomlazni motor od 1 500 kw, postavljen je i ispitan na kamionu.
• 1942.– Nabojnomlazni motor od 15 000 kw, postavljen je i ispitan na avionu Dornije Do 217.
• 1946.– SAD, počinje sa ispitivanjen nabojnomlaznih motora u letu na avionu P-51 Mustang.
• 1947.– Mali nabojnomlazni motori su ugrađeni na helikopter i let je uspeo (ugrađeni su na rotoru na kraku od ose vratila)
• 1948.– F-80, poleteo je sa nabojnomlaznim motorom.
• 1949.– Razvijen je prvi nabojnomlazni motor specijalno namenjen za pogon aviona.
• 1951.– Ks-7 postiže brzine ekvivalenta M=3,95, na visini od 17 000 m i 2,54 na 29 000 m.
• 1952.– Ostvaren je pogon velikog helikoptera sa nabojnomlaznim motorom.
• 1953.– Pogon rakete sa brzinom leta ekvivalenta od M=2.
• 1956.– Počelo se sa ispitivanjem kombinacije nabojnomlaznog motora i turbine.
• 1957.– Sa kombinacijom turbine i nabojnomlaznog motora postignut je Mahov broj od 2,19.
• 1959.– Raketa BOMARC postala je operativna.
• 1966.– Kombinacija pogona turbine i nabojnomlaznog motora SR-71, promovisano sa M=3,2, ulazi u operativnu upotrebu.
• 1980.– ASALM postiže M=5,5, na 12 200 m.

Rene Lorin

Nabojnomlazni motor je pronašao 1913. godine, francuski pronalazač Rene Lorin, koji ga je i patentirao. Pokušaji da se izgradi prototip nije uspeo zbog ne posedovanja adekvatnih materijala.

Albert Fono

Mađarski pronalazač Alberta Fono, 1915. godine, osmislio je rešenje za povećanje dometa artiljerije, napravio je projektil sa nabojnomlaznim motorom, a funkcija topa da mu bude lanser. Ostvario je veliki domet, sa relativno malom putnom brzinom. Na taj način je sa lakim topom omogućeno da teška granata ima veliki domet. Fono je podneo svoj pronalazak austrougarskoj vojsci, ali mu je predlog odbijen. Nakon Prvog svetskog rata, Fono je obnovio istraživanje i u maju 1928. godine i opisao je „vazduhoplovni mlazni motor“, kao pogon za supersonični avion, na velikim visinama leta. Projekat je patentirao u Nemačkoj. Sa dodatnim istraživanjem usavršio je rešenje, što je i patentirao i za podzvučne brzine. Patent je konačno prihvaćen u 1932. godini (nakon četiri godine ispitivanja, nemački patent
br 554.906, 1932-11-02).

Gorgon IV

Motor „Gorgon IV“, postavljen je na krilu P-61 Black Vidov u pripremi za ispitivanje u letu.

Za američku mornaricu razvijano je više raketa vazduh-vazduh, pod nazivom „Gorgon SAD rakete“, koristeći različite pogonske mehanizme, uključujući i nabojnomlazni motor. Nabojnomlazni motor Gorgon IVs, ispitan je 1948. i 1949. godine, u mornaričkom opitnom centru. Nabojnomlazni motor, projektovan je na univerzitetu Južne Kalifornije i proizveden u avio-industriji. Motor je bio dugačak 7 metara, prečnika i 508 mm, a integrisan je ispod rakete (vidi sliku).

Fric Zvicki

Eminentni švajcarski astrofizičar Fric Zvicki, direktor je istraživanja u „Aerodžetu“, sa posedovanjem više patenata u domenu mlaznih motora. SAD patent 5121670 je za „ovan“ (nosač) akceleratora i SAD patent 4722261 je za teleskopski „ovan“ topa. Mornarica SAD ne dozvoljava Fric Zvickiju da javno razgovara o svome pronalasku, SAD patent 2.461.797, za podvodni nabojnomlazni motor. To je „ovan“ aviona koji radi u mediju tečnosti. Objavljeno u „Tajmsu“, 11. jula 1955. i „Hronika“ Fric Zvickijev rad i u „Šanse Švajcarske“ i „Podvodni nabojnomlazni motor“, 14. mart 1949.

Sovjetski Savez

U Sovjetskom Savezu, teorija nadzvučnog nabojnomlaznog motora predstavljena je 1928. godine, od strane Borisa S. Steškina. Prvi motor GIRD-04, projektovan je, proizveden i ispitan u aprilu 1933. godine. U cilju simuliranja supersoničnog leta, korišćen je komprimovan vazduh na 200 atmosfera, a bio je podstaknut sa vodonikom. Zatim je ispitana integracija nabojnomlaznog motora GIRD-08 za potrebe artiljerije. Možda je to prvi slučaj da je projektil, sa pogonom mlaznog motora, „probio“ brzinu zvuka. Zatim je nabojnomlazni motor ispitan 1939. godine na dvostepenoj raketi R-3. Iste godine, u avgustu razvijen je prvi nabojnomlazni motor DM-1, kao pomoćni motor u vazduhoplovstvu. Prvi avion na svetu, leteo je u Sovjetskom Savezu, decembra 1939. godine, sa dva nabojnomlazna motora DM-2. Motori su bili integrisani na avionu Polikarpov I-15. Urađen je projekat za avion „Samoljet D“, sa nabojnomlaznim motorom 1941. godine, ali nikada nije proizveden. Tokom Drugog svetskog rata, dva DM-4 motora su integrisana na lovački avion Jak-7PVRD. U 1940. godini, projektovan je eksperimentalni avion Kostikov-302, sa raketom sa tečnim gorivom za poletanje i ubrzanje, i sa nabojnomlaznim motorom za osnovni let. Taj projekat je otkazan u 1944. godini. Mstislav Vsevolodovič je predložio 1947. godine, orbitalni bombarder velikog doleta sa nabojnomlaznim motorom. Započeo je 1954. godine, razvoj trisoničnog nabojnomlaznog motora za pogon krstareće rakete, Buria. Ovaj projekat se takmičio sa R-7, koju je razvio Sergej Koroljev, i bio je otkazan u 1957. godine.

Nemačka

Helmut Valter je 1936. godine razvio nabojnomlazni motor na prirodni gas. Teorijski rad je izveden u BMW i u firmi Junkers. U 1941. godini je Eugen Sanger predložio nabojnomlazni motor sa veoma visokim temperaturama u komorama za sagorevanje. Izgradio je veliku nabojnomlaznu cev, dužine od 500 mm i prečnika
od 1 000 mm. Sprovedena su ispitivanja sagorevanja na kamionu, a letna ispitivanja na avionu Dornije Do 17Z, sa brzinama do 200 m/s. Kasnije, zbog ratnih uslova, nastala je nestašica goriva u Nemačkoj, pa su ispitivanja nastavljena sa „briketima“ od presovane ugljene prašine, što nije dalo rezultate zbog sporog sagorevanja.

Francuska

U Francuskoj je bio zapažen rad Rene Leduca. Njegov projekat, Leduk 0,10 bio je jedan od prvih realizovanih aviona sa pogonom sa nabojnomlaznim motorom, koji je uspešno leteo 1949. godine.

Avion Nord 1500 Grifon II, dostigao je brzinu ekvivalenta Mahovom broju 2,19, 1958. godine.

Leduk 0,22	Nord 1500 Grifon II

Konstrukcija

Nabojnomlazni motor je projektovan oko svoga usisnika. Objekat se kreće velikom brzinom kroz vazduh, na osnovu velikog dinamičkog pritiska stvara visoki ukupni pritisak na svome čeonom i mali na zadnjem delu. Nabojnomlazni motor koristi ovu visoku razliku pritiska i kroz cev podešava pogodan odnos dinamičkog i statičkog za optimalno sagorevanje. U tok vazduha ubacuje se gorivo pomoću mlaznica i stvara se smeša gasa. Koja zapaljena brzo sagoreva sa oslobađanjem velike količine toplote. Pritisak sagorelih gasova naglo raste i stvara se velika razlika, u odnosu na atmosferski izvan mlaznice. Na osnovu te velike razlike pritiska i raspodele promene poprečnih preseka mlaznice, duž njene ose, gas se ubrzava na brzinu zvuka. Ovo ubrzanje gasa, koji ističe, daje nabojnomlaznom motoru potisak unapred, koji se koristi za pogon letelica.

Nabojnomlazni motor, često nazivaju „leteći čunak“, kao vrlo jednostavan uređaj u obliku cevi promenljivog preseka, duž njene ose. Obuhvata dovod vazduha kroz uvodnik (usisnik) vazduha, komoru sagorijevanja i mlaznicu. Nema pokretnih delova izuzev sponjnih agregata, kao što su pumpe goriva, pomoću kojih se gorivo ubacuje pod pritiskom, kroz brizgaljke u komoru sagorevanja.

Šema principa rada nabojnomlaznog motora.

• Nabojnomlazni motor se početno kreće sa velikom brzinom uz pomoć dodatnog pogona.
• Ovo kretanje, izaziva veliki ukupni pritisak (dinamički + statički), na ulazu u usisnik. Sa promenom zakonitosti protoka vazduha kroz cev usisnika, isti se sabija i sa takvim se napaja komora sagorijevanja.
• Gorivo je raspršeno sa brizgaljkama i ubacuje se u komoru i meša sa vazduhom. Pali se sa iskrom.
• Produkti sagorevanja u komori su vreli gasovi, koji se ubrzavaju kroz mlaznicu do brzine zvuka, što obezbeđuje potisak.
• Kada nabojnomlazni motor postigne ovaj kontinualni termodinamički ciklus, više mu nije potreban pomoćni pogon, dovoljan mu je vlastiti potisak.

Usisnik

Princip rada nabojnomlaznog motora zasniva se na iskorišćenju veoma visokog dinamičkog pritiska vazduha, ispred usisnika. Nakon efikasnog unosa vazduha, pritisak se podesi sa promenom zakonitosti protoka, duž ose usisnika. Vazduh tako podešenog pritiska koristi se za podršku sagorevanja i za ekspanziju u mlaznici. Usisnik usporava vazduh na brzine ekvivalenta Mahovom broju od 0.3, na ulazu u komoru sagorijevanja, čime se povećava pritisak i temperatura istog. Ovu funkciju usisnika nabojnomlaznog motora, kod turbomlaznog motora, izvršava kompresor.

Potrebna početna brzina, za uspostavljanje kontinualnog termodinamičkog ciklusa nabojnomlaznog motora iznosi, izraženo preko ekvivalenta Mahovog broja, oko M=0.8, dok je pri nižim brzinama rad nestabilan, pa čak i nemoguć.

Nabojnomlazni motor sa usisnikom promenljive geometrije.

Veći raspon Mahovih brojeva, nije moguće pokriti sa usisnikom fiksne geometrije, bez obzira na izbor promene zakonitosti poprečnih preseka, duž njegove ose. Za brzine, koje odgovaraju Mahovom broju od 0.8 do 1,8, moguće je kompromisno pokriti sa usisnikom fiksne geometrije (kao i kod svih aviona sa mlaznim motorom).

Za Mahove brojeve preko 1,8, koristi se uvodnik sa promenljivom geometrijom. Promenljiva geometrija (izmena zakonitosti raspodele preseka) ostvaruje se najčešće sa pokretnim uloškom. Koji sa svojim uzdužnim kretanjem automatski podešava raspodelu poprečnih preseka, saglasno optimalno uslovima za trenutni Mahov broj.

Većina nabojnomlaznih motora rade na visokim nadzvučnim brzinama leta i koriste promenljivu geometriju usisnika, sa kojima se podešavaju udarni talasi u funkciji Mahovog broja, tako da se sprečavaju normalni udarni talasi, a sa time se značajno smanjuju gubici usisavanja vazduha. U slučaju gubitaka morao bi se nadoknaditi protok vazduha sa povećanjem poprečnog preseka celog motora.

Karakteristike toka strujanja vazduha, u procesu usisavanja, za tri nivoa podzvučnih brzina.

Komora sagorevanja

Pošto iza stabilizatora plamena nema nikakvih osetljivih delova na visoke temperature, iste nisu ograničene, kao kod turbinskih motora. Komora sagorevanja nabojnomlaznog motora može bezbedno da radi sa stehiometrijskim gorivom, pomešananim sa vazduhom, što podrazumeva na izlazu komore ustaljenu temperaturu reda veličine od oko 2 400⁰ K, za kerozin. Normalno komora sagorevanja mora biti u stanju da funkcioniše u širokom spektru podešavanja jačine plamena, za ceo opseg brzina i visina leta. Mora biti bezbedan let i u toku manevra, to jest velikog skretanja i propinjanja letelice. Stabilizator plamena se sastoji od većeg broja konusnih delova koji zadržavaju plamen u komori, da ga ne izbaci dinamički pritisak iz komore i na taj način se poboljšava stabilno mešanje vazduha i goriva i proces sagorevanja. Komora za sagorijevanje je cilindričnog oblika sa brizgaljkama za gorivo. Kroz nju, brzina vazduha treba biti niska, a strujanje vrtložno, za uslove pravilnog sagorijevanja.

Mlaznica

Iza komore sagorevanja je mlaznica, koja je konvergentno-divergentnog tipa (prvo se sužava, a potom proširuje), po zakonitosti Lavalov mlaznika. Cilj je da se poveća brzina izlaznih gasova i ostvari veći potisak.

Za rad nabojnomlaznog motora, na podzvučnim brzinama leta, izduvni tok je ubrzan kroz konvergirajuću mlaznicu. Za nadzvučni let, ubrzanje izduvnog toka, postiže se preko konvergentno-divergentne mlaznice.

Glavni članak: Aerotuneli

Karakteristike i upravljanje

Nabojnomlazni motor „Bristolu Tor“, pogonio je raketu.

Nabojnomlazni motor, koji je pokrenut na brzinu od 100 km/h, nije imao dobre rezultate u dobijanju potiska. Ispostavilo se da je ispod brzine, koja odgovara Mahovom broju 0,5, mali potisak nabojnomlaznog motora i isti je veoma neefikasan, zbog malog dinamičkog pritiska ispred usisnika. Sa većom uspostavljenom početnom brzinom, nabojnomlazni motor uspostavlja stabilan samostalan rad. U slučaju da letelica ima veći otpor, za njenu veću brzinu povećava se količina toplote izdumnih gasova, pa i njihova temperatura. Taj proces povećanja mora biti regulisan, da bi se sačuvao integritet motora. Mora se sa automatskom kontrolom smanjiti dotok goriva, da se ne bi prekoračila temperatura, koju mogu podneti mlaznica i lokalni delovi letelice. Sa time se reguliše brzina leta, odnosno Mahov broj, pa i usisavanje vazduha do potrebnog i dopuštenog nivoa.

Zbog stehiometrijskih temperatura sagorevanja, efikasnost je obično dobra na velikim brzinama, koje odgovaraju Mahovom broju između 2 i 3, dok je pri malim brzinama relativno mala kompresija. Znači da je nabojnomlazni motor, efikasan na većim brzinama od turbomlaznog, pa čak i od raketnog.

Teoretski maksimalni specifični impuls, što je mera efikasnosti goriva, za nabojnomlazni motor sa vodonikom, proračunski iznosi oko 4 000 sekundi, ali ovi motori, u većini slučajeva koriste kerozin (ili slično gorivo), za koje je oko 2 300 sekundi. Stariji nabojnomlazni motori, za koje postoje podaci, postizali su maksimalni specifični impuls blizu 1 800 sekundi. Ovo je veoma nisko u odnosu na turbomlazne motore, ali veoma visoko u odnosu na raketne.

Glavni članak: Mlazni motor

Vrste

Nabojnomlazni motori mogu se deliti prema tipu goriva, tečnog ili čvrstog i „buster“ (kratkotrajni pomoćni raketni pogon).

U tečno gorivo za nabojnomlazne motore, pripada i ugljovodonik, koji se obično ubrizgava u komoru sagorevanja ispred stabilizatora plamena koji stabilizuje plamen usled sagorevanja smeše goriva i komprimovanog vazduhom iz uvodnika. Sredstvo za snabdevanje goriva pod pritiskom za komoru sagorevanja, komplikovano je i skupo. Aerospecijalov projekat je takav, gde je gorivo prisiljeno da ističe na brizgaljke, iz naduvane elastične „mešine“. U početku, „mešina“ puna goriva naleže duž unutrašnjih zidova, jednog dela cilindrične boce, čiji drugi deo je pod komprimovanim vazduhom, a ovi delovi imaju za međusobnu granicu pokretni klip. Kada se brizgaljke goriva otvore, isto ističe pod pritiskom komprivanog vazduha. Prostor sa vazduhom se postepeno širi a „mešina“, sa gorivom, se skuplja. Ovo rešenje je jeftinije i jednostavnije, od komplikovanih pumpi i njihovog posebnog pogona. Posebno je pogodno za motore koji se jednokratno koriste, za pogon raketa.

Nabojnomlazni motor ne generiše statički potisak i treba mu „buster“ za postizanje dovoljno velike početne brzine, za efikasan rad sistema usisnika. Prvi nabojnomlazni motor, za pogon projektila koristili su spoljni „buster“. Rešenje je bilo obično integrisano čvrsto gorivo na raketi, bilo je stepenasto, gde je „buster“ montiran odmah iza nabojnomlaznog motora. Dodatni stepen sa „busterom“ povećava ukupnu dužinu sistema, dok „buster“, kao obmotač povećava ukupni prečnik. Veći prečnik generiše i veći otpor celog sistema.

Potisak

Nabojnomlazni motori služe za pogon podzvučnih i nadzvučnih letelica. Zbog racionalnosti su motori, koji se koriste samo u podzvučnom letu, jednostavniji, nemaju usporivač vazduha u usisniku već običan otvor. Međutim, nabojnomlazni motori koji pogone letelice i u nadzvučnom letu imaju konus za podešavanje raspodele udarnih talasa, što oduzima kinečku energiju vazdušnom strujanju, uspori protok vazduha na pogodnu brzinu za optimalno sagorevanje u komori. Na donjoj slici je to ilustrovano žute linije su udarni talasi. Početni su sa većom kosinom, što znači i najveća brzina, a svaka njihova refleksija smanjuje im kosinu i na kraju je normalni udarni talas iza koga je podzvučno strujanje u komori sagorevanja.

Model za definisanje jednačine potiska nabojnomlaznog motora.

Približna opšta jednačina za neto potisak nabojnomlaznog motora je rezultat promene količine kretanja gasa koji kroz njega struji:

$F={\dot {m}}_{e}\cdot V_{e}-{\dot {m}}_{0}\cdot V_{0}+(p_{e}-p_{0})\cdot A_{e}$

$;\quad \iff \quad$

Gde su: ${\dot {m}}_{0}$ – protok mase vazduha kroz usisnik, ${\dot {m}}_{e}$ – protok mase gasa kroz mlaznicu, $\ V_{0}$ – brzina ulaznog vazduha ( brzina leta), $\ V_{e}$ – brzina izlaznog gasa kroz mlaznicu, $\ p_{0}$ – ukupni pritisak na ulazu u motor, $\ p_{e}$ – ukupni pritisak na izlazu iz mlaznice i $\ A_{e}$ – površina poprečnog preseka grla mlaznice.

Vidi još

• Mlazni motor
• Pulsirajući mlazni motor
• Raketni motor
• Hamfrijev ciklus

Neke rakete i avioni koje koriste nabojno-mlazni motor

Avioni

• Leduc eksperimentalni avioni
• Lockheed D-21
• Lockheed X-7
• Nord 1500 Griffon
• Republic XF-103
• SR-71 Blackbird (Turbomlazni motori, sa funkcijom nabojno-mlaznih pri većim brzinama)

Rakete

• Bristol Bloodhound
• Bendix RIM-8 Talos
• SM-64 Navaho
• Sea Dart
• 2K11 Krug
• drugi stepen rakete Kub (nato oznaka SA-6)

Literatura

• Vojna enciklopedija. Peti tom. Beograd: Vojnoizdavački zavod. 1973. str. strana 538. 

Spoljašnje veze

• Ramjet
• Dizajn helikoptera sa nabojno-mlaznim motorima Arhivirano na sajtu Wayback Machine (1. februar 2018)