<===========>
Οι μέχρι τώρα αερόβιοι κινητήρες στα αεροσκάφη, όπως είναι γνωστό, λειτουργούν κυρίως με κάποιου είδους ελεγχόμενη ανάφλεξη. Η ανάφλεξη αυτή διαδίδεται με υποηχητικές ταχύτητες και φαίνεται ότι έχει πλησιάσει τα όρια της θεωρητικής απόδοσής της. Όμως ένας κινητήρας ελεγχόμενης έκρηξης έχει την δυνατότητα να αυξήσει την απόδοση του κινητήρα (από 10 έως 20%), την ταχύτητα των καυσαερίων και την αξιοπιστία του (υπάρχουν ελάχιστα ή και καθόλου κινούμενα μέρη) καθώς και να μειώσει το βάρος και την πολυπλοκότητα του κινητήρα. Η ιδέα δεν είναι καινούρια. Την βρίσκουμε για πρώτη φορά σαν ιδέα στις αρχές του 20ου αιώνα και σαν πράξη στους γερμανικούς πυραύλους VII. Μέχρι σήμερα έχουν χρησιμοποιηθεί δύο τύποι:
- Κινητήρες Παλμικής Έκρηξης (Pulse Detonation Engines – PDE) στους οποίους δημιουργείται μια ταχεία χρονική διαδοχή εκρήξεων, στην ίδια περιοχή ενός θαλάμου καύσεως εκκινούμενη από σπινθηριστή (Pulsejet), ή και μετά από υπερηχητική συμπίεση του καυσίμου μείγματος με την βοήθεια ειδικής εσωτερικής διαμόρφωσης (Ramjet και Scramjet). Οι κινητήρες του είδους αυτού είναι εξαιρετικά θορυβώδεις και παρουσιάζουν έντονους κραδασμούς. Χρησιμοποιούνται κυρίως σαν κινητήρες πυραύλων (αν και κάποιοι τρελοί έχουν βάλει pulsejet και σε μοτοποδήλατα ακόμη και ποδήλατα!)
- Κινητήρες περιστρεφόμενης έκρηξης (Rotating Detonation Engines – RDE), στους οποίους δημιουργείται μια ταχεία χρονική διαδοχή εκρήξεων περιμετρικά ενός θαλάμου καύσεως σε διαδοχικά σημεία του, όπου η μία έκρηξη πυροδοτεί την επόμενη. Ο τύπος αυτός έχει μελετηθεί τα τελευταία χρόνια και επίσης χρησιμοποιείται κυρίως σε πυραύλους. Επειδή είναι λιγότερο θορυβώδης και παρουσιάζει λιγότερους κραδασμούς, έχει τοποθετηθεί δοκιμαστικά και σε πειραματικό αεροσκάφος.
Πρόσφατα, μια ομάδα ερευνητών από το University of Central Florida και το US Naval Research Laboratory μελέτησαν μια καινούρια ιδέα και υποστηρίζουν ότι έκαναν επιτυχείς δοκιμές με κινητήρα όπου η έκρηξη παραμένει σταθερή και “παγωμένη” στον χώρο σαν ένα “στάσιμο κύμα”. Στον κινητήρα έδωσαν το όνομα Εγκάρσιου Εκρηκτικού Κύματος (Oblique Detonation Wave Engine – ODWE). Η λειτουργία του επιτυγχάνεται με συγκεκριμένη διαμόρφωση των θαλάμων συμπίεσης και ανάμειξης του μείγματος και την ύπαρξη ειδικού κεκλιμένου εμποδίου στο θάλαμο καύσεως, όπως η εικόνα.
Όπως φαίνεται στο επάνω σχήμα η κατασκευή προβλέπει στην είσοδο μια χοάνη ανάμειξης (μπλε περιοχή) του μείγματος αέρος και καυσίμου το οποίο στην συνέχεια προς το τέλος της χοάνης συμπιέζεται, ενώ μειώνεται η ταχύτητά του και αυξάνεται η πίεση και η θερμοκρασία του λίγο πριν την περιοχή που χαρακτηρίζεται ως ODW. Στο εικονίδιο κάτω αριστερά φαίνεται λεπτομέρεια της περιοχής αυτής. Παρατηρούμε την ύπαρξη εμποδίου με κλίση 300 το οποίο δημιουργεί ένα εγκάρσιο κύμα κρούσεως ακριβώς μπροστά του, στην πρώτη επαφή του με το ρεύμα αέρος και ένα κύμα αποτόνωσης στο σημείο που το εμπόδιο σταματά να ανέρχεται (Φαίνονται σαν μαύρες σκιές). Ανάμεσα στα δύο αυτά σταθερά κύματα οι συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας είναι τέτοιες που ξεκινά η έκρηξη (κόκκινος και γαλάζιος καπνός στο μικρό σχήμα), η οποία, επειδή οι συνθήκες δεν αλλάζουν, παραμένει στο ίδιο μέρος, μία έκρηξη ακίνητη στον χώρο. Η αλήθεια είναι ότι δεν είναι τελείως ακίνητη αλλά εμφανίζει μια μικρή κυκλική κίνηση. Πάντως γεγονός είναι ότι η έκρηξη είναι εξαιρετικά σταθερή και οι κραδασμοί που παράγει είναι ελάχιστοι. Η δοκιμή διήρκεσε περίπου 3 δευτερόλεπτα και σταμάτησε μόνο αφού εξαντλήθηκε το καύσιμο. Η σχετική ταχύτητα διάδοσης της έκρηξης σε σχέση με το ρεύμα αέρος, με χρήση μείγματος υδρογόνου – αέρος ήταν περίπου 4,3 με 4,6 Mach. Αυτό σημαίνει ότι η ταχύτητα που ένας τέτοιος κινητήρας θα επετάχυνε αεροσκάφος θα ήταν της τάξεως των 6 έως 17 Mach! Με τέτοια ταχύτητα το ταξίδι από Νέα Υόρκη σε Λονδίνο θα διαρκούσε 30 λεπτά, 5 φορές πιό γρήγορα από το περίφημο Concorde!.
Πέρα από την χρήση του σε Υπερ-υπερηχητικά αεροσκάφη ο ίδιος κινητήρας χωρίς σοβαρές τροποποιήσεις θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί σαν κινητήρας ανύψωσης φορτίων στο διάστημα, τοποθέτησης οχημάτων σε τροχιά ή και διαπλανητικών ταξιδιών με ταχύτητες πολύ μεγαλύτερες από αυτές που επιτυγχάνονται σήμερα και με μικρότερο κόστος.
Όσοι ενδιαφέρονται για περισσότερες λεπτομέρειες η μελέτη της ομάδος βρίσκεται εδώ:
https://www.pnas.org/content/118/20/e2102244118
Δημήτριος Κατελούζος
29 Μαϊου 2021
Σας Καλωσορίζουμε! 