Introducción: El motor supersónico y el desafío de la onda de choque

Ramjets representa una clase de motores de aire que respiran más eficientemente a velocidades supersónicas. A diferencia de turbojets, no tienen compresor rotatorio; en cambio, dependen completamente del movimiento de avance del vehículo para comprimir el aire entrante. Esta compresión se consigue a través de una entrada cuidadosamente diseñada que ralentiza el flujo supersónico a velocidades subsónicas antes de la combustión.

¿Qué son las olas de Shock?

Una onda de choque es una perturbación que se mueve más rápido que la velocidad local del sonido en un fluido. Cuando un objeto, como un avión o una entrada del motor, se mueve a velocidades supersónicas, el aire por delante de él no puede ser advertido de su enfoque por ondas de presión ordinarias. En lugar, las perturbaciones de presión se coalescen en un frente agudo - la onda de choque.

Varios tipos de ondas de choque son relevantes para la operación de ramjet:

  • Occur perpendicular to the flow direction. Causan una gran caída en el número Mach (desde supersónicos hasta subsónicos) y un aumento significativo de presión estática y temperatura. Los choques normales generalmente se asocian con pérdidas de presión total más elevadas, lo que reduce la eficiencia del motor.
  • Oblicua Shock Waves] — Forma en un ángulo al flujo entrante. Son más débiles que los choques normales para un número de Mach corriente arriba dado, lo que significa pérdidas de presión total más bajas. Los choques oblicuos giran el flujo y lo comprimen, haciéndolos preferibles en inlets de chorro de ramjet para reducir la resistencia y mejorar la compresión.
  • Olas de choque superficiales] — Olas de choque separadas que se forman por delante de un cuerpo contundente. A números de Mach altos, un choque de arco se mantiene fuera del labio de entrada, causando una pérdida total de presión sustancial si no se maneja cuidadosamente.

La formación de una onda de choque depende del número Mach, la geometría del cuerpo y las condiciones de flujo. En las entradas de ramjet, el diseño de las superficies de compresión determina si las conmociones se adjuntan (oblicua) o se desprenden (normal o arco). El objetivo es lograr una serie de conmociones oblicuas que frenan gradualmente el flujo de aire con una pérdida mínima de presión total.

La Física Detrás de las Olas de Shock

Leyes de conservación y las ecuaciones Rankine-Hugoniot

Las ondas de choque se rigen por la conservación de masa, impulso y energía a través de la discontinuidad. Para una onda de choque estacionaria, estas leyes conducen a las ecuaciones Rankine-Hugoniot[, que relacionan las condiciones de corriente (subscript 1) y aguas abajo (subscript 2) del choque:

  • Masa: ρ1u1 = ρ2u2
  • Momentum: p1 + ρ1u12 = p2 + ρ2u22
  • Energía: h1 + (1/2)u12 = h2 + (1/2)u22

donde la ρ es densidad, u es velocidad, p es presión, y h es enthalpy específico. Para un gas perfecto, las ecuaciones se pueden expresar en términos de Maquina número upstream M1. Para un shock normal, el número de Maquillaje M2 es siempre subsónico, y la relación de presión p2/p1 aumenta con M1. El aumento de temperatura a través del choque también se vuelve severo a los números de Maquiatría alta, por ejemplo, a temperatura más estática

Flow Fenomena Compresible

Las ondas de choque son un fenómeno de flujo compresible. En el flujo subsónico, las perturbaciones de presión viajan a la velocidad del sonido, permitiendo que el flujo se ajuste gradualmente. En el flujo supersónico, las perturbaciones no pueden propagarse hacia arriba, por lo que el flujo debe cambiar repentinamente a través de un choque. La fuerza de un choque se caracteriza por la relación de la subida a la presión de corriente, y está directamente relacionada con el número de Maquina.

Número de máquina y afilar en el clavo de la ola

Para los choques oblicuos, el ángulo del choque (β) y el ángulo de deflexión de flujo (θ) están relacionados con la siguiente ecuación derivada de las leyes de conservación:

tan(θ) = 2 cot(β) * (M12 sin2β - 1) / (M12 (γ + cos(2β)) + 2)

donde γ es la relación de calores específicos. Para un M1 y θ dado, hay dos posibles soluciones de choque: un shock débil con una β más pequeña y un shock más fuerte con una β más grande. Las inlets Ramjet normalmente operan en la rama de choque débil para minimizar las pérdidas. El ángulo de de deflexión máximo posible antes de que el choque se desprenda es un parámetro de diseño clave.

Para más información sobre los fundamentos de las ondas de choque, la página NASA Glenn Research Center sobre las ondas de choque ofrece una excelente visión general.

Olas de choque en Ramjets

El papel de la entrada

En un ramjet, la entrada (o difusor) es responsable de acelerar el aire supersónico entrante a las velocidades subsónicas antes de entrar en la cámara de combustión. Esta desaceleración se logra creando un sistema de ondas de choque.La entrada clásica de chorro de ramjet utiliza un pico central o un conjunto de rampas para generar choques oblicuos que comprimen y ralentizan el flujo.

Un diseño más eficiente es la entrada de compresión mezclada, donde parte de la compresión de choque se produce internamente, dentro del conducto. Esto reduce la arrastre y mejora la recuperación de presión total, pero requiere una posición de choque cuidadosa para evitar descomposición, una condición en la que el choque normal se expulsa de la entrada, reduciendo drásticamente el flujo de aire y el empuje.

Calcetines normales vs. oblicuas en diseño de entrada

Un único shock normal en la entrada proporcionaría compresión, pero en números Mach altos la pérdida total de presión se vuelve prohibitivamente grande. Por ejemplo, en M1 = 3, un shock normal reduce la presión total alrededor del 65%. En contraste, un sistema de choques oblicuos puede lograr una relación de compresión similar con una recuperación total de presión de más del 90%. Por eso, las entradas prácticas de ramjet utilizan múltiples shocks oblicuos, a veces combinados con compresión isentropic.

Sin embargo, los choques oblicuos por sí solos no pueden llevar el flujo a velocidades subsónicas; un shock normal sigue siendo necesario como etapa final. La clave es reducir el número Mach entrando en el shock normal a un valor supersónico bajo (por ejemplo, 1.3–1.5) para que el shock normal sea débil y su pérdida total de presión sea pequeña. ]ScienceTema directo sobre inlets de ramjet[FLT][FLT]

Interacción de la capa de calzado

Un reto adicional en las entradas de ramjet es la interacción entre las ondas de choque y la capa de límite. Cuando un choque oblicuo impida sobre una superficie sólida, crea un gradiente de presión adversa que puede causar la capa de límite para espesar o incluso separar. Las burbujas de separación pueden inducir a la intemperie, reducir el flujo efectivo, y llevar a instart.

Impacto en el rendimiento de Ramjet

Eficiencia de compresión y recuperación de presión total

La medida primaria del rendimiento de la entrada es recuperación de presión total] (σ), definida como la relación de la presión total en la entrada del combustión a la presión total de corriente libre. Superior σ significa que se pierde menos energía en el proceso de compresión, lo que conduce a un impulso y un impulso más elevados específicos. Las ondas de choque son la principal fuente de pérdida de presión total en la entrada.

Estabilidad de la combustión

El flujo que entra en el combustión debe ser subsónico y uniforme en temperatura y presión. Si el posicionamiento de choque es incorrecto, el flujo puede tener bolsillos supersónicos residuales o grandes distorsiones que causan inflamación o combustión inestabilidad. Los combustores de Ramjet están diseñados con soportes de llama y estrategias de inyección de combustible que trabajan con perfiles de flujo de entrada específicos.

Arrastre y Equilibrio de Trono

Mientras que la entrada genera compresión, también crea arrastrar debido al derrame y la arrastre de onda de las superficies de compresión externa. La empuje neta del ramjet es la diferencia entre el empuje bruto (desde la boquilla) y el arrastre de entrada. La gestión eficiente del choque reduce el derrame capturando el flujo de masa correcto y minimiza el arrastre de ondas manteniendo los choques débiles.

Límites operacionales: Instart

Tal vez el impacto más severo de las ondas de choque es inlet unstart]. Esto ocurre cuando el choque normal es expulsado de la entrada debido a la presión del combustor, un cambio repentino en la condición de vuelo o separación de la capa de límite. Durante el descomunal, el flujo de aire cae precipitadamente, desplome de empuje, y aumenta dramáticamente.

Temas avanzados en Shock Wave Management

Introducciones de geometría variable

Para operar eficientemente sobre una gama de velocidades supersónicas, muchos ramjets utilizan entradas de geometría variable. Estos inlets pueden ajustar la posición del pico o rampas para cambiar la estructura de choque. Por ejemplo, en números inferiores de Mach, se necesita un ángulo de choque más oblicuo para alcanzar la misma relación de compresión; en números Mach superiores, los ángulos de choque aplanados.

Control de flujo activo

Investigaciones recientes exploran técnicas de control activas para estabilizar los trenes de choque y suprimir el descomposición. Esto incluye el aire hemorrágico de la capa de límites, inyectando pequeños chorros de aguas arriba de separaciones, o utilizando actuadores de plasma para modificar la fuerza de choque. El control activo puede mejorar la respuesta transitoria y extender el rango de operación estable, especialmente para los chorros destinados a un vuelo hipersónico donde las dinámicas de flujo son extremadamente sensibles.

Transición a los Scramjets

El subsuelo de la NASA no puede ser tan grande como la combinación subsónica convencional ] (la supersónica de la combustión de la energía) que se produce en el área de la intromisión de la energía, que es un movimiento de la intromisión de la energía, que se encuentra en el centro de la industria.

Conclusión

Las ondas de choque son tanto una necesidad como un desafío en los motores de ramjet. Proporcionan la compresión que permite que el motor funcione sin un compresor mecánico, pero también introducen pérdidas e inestabilidades que limitan el rendimiento. Dominar la física de las ondas de choque — desde las ecuaciones Rankine-Hugoniot hasta las complejidades de la interacción de capas con choque — permite a los ingenieros diseñar entradas que obtengan una alta resistencia a la compresión variable