Entwurf Herausforderungen von Turbojet-Triebwerken für TBCC-Fahrzeuge

Ein turbinenbasiertes Kombikraftwerkfahrzeug (TBCC) verwendet mehrere Arten von Triebwerken, um hohe Geschwindigkeiten zu erreichen. Es verwendet ein Scramjet-Triebwerk für schnelle Reisen, benötigt jedoch ein Turbojet-Triebwerk, um die erforderliche Geschwindigkeit zu erreichen, bevor es zum Scramjet wechselt. Das Ziel ist es, das Turbojet-Triebwerk so anzupassen, dass es die richtige Menge an Luft verarbeiten und den benötigten Schub erzeugen kann, wenn es bei hohen Überschallgeschwindigkeiten zum Scramjet wechselt.

#Die Bedeutung der Turbojet-Grösse

Diese Aufgabe ist komplex, da die Komponenten des Turbojet-Triebwerks, wie der Verdichter, der Brenner und die Turbine, richtig dimensioniert werden müssen, um mit dem Luftmassendurchsatz bei bestimmten Geschwindigkeiten übereinzustimmen. Ein Modell, das den Turbojet, den Lufteinlass und die Düse umfasst, wird verwendet, um den gewünschten Schub zu erreichen. Allerdings sind die Entwurfsparameter für den Lufteinlass und die Düse durch das Gesamtdesign des Fahrzeugs begrenzt, das für das Fliegen bei hyperschallartigen Geschwindigkeiten geeignet sein muss.

#Herausforderungen bei der Konstruktion des Turbojet-Triebwerks

Eine der Hauptschwierigkeiten bei der Dimensionierung des Turbojet-Triebwerks besteht darin, dass es bei hohen Geschwindigkeiten nur wenige stabile Betriebszustände gibt. Dies liegt teilweise an Diskrepanzen zwischen dem benötigten Luftmassendurchsatz des Verdichters und dem, was der Lufteinlass bereitstellen kann. Darüber hinaus kann es knifflig sein, die Düse so anzupassen, dass der Abluftstrom des Turbojet effektiv erweitert wird, was das Design weiter kompliziert.

#Der Bedarf an effektiven Antriebssystemen

Die Nachfrage nach hyperschallfähigen Reiseflugzeugen ist in den letzten Jahren sowohl für militärische als auch für zivile Anwendungen gestiegen. Ein kommerzielles hyperschallfähiges Passagierflugzeug benötigt ein Antriebssystem, das effizient vom Start bis zu Geschwindigkeiten über Mach 5 arbeiten kann. Während Ramjets und Scramjets ideal für Geschwindigkeiten über Mach 3 sind, können sie bei niedrigeren Geschwindigkeiten nicht funktionieren. Daher ist ein Turbojet-Triebwerk oder eine Rakete erforderlich, um die Lücke zu schliessen, was zu einem TBCC- oder raketenbasierten Kombikraftwerk (RBCC) -Setup führt.

#Bestehende Beispiele für Turbojet-Triebwerke

Turbojet-Triebwerke wurden zuvor in bemerkenswerten Flugzeugen eingesetzt, wie dem J58-Triebwerk des SR-71 und dem Tumansky R-15 des MiG-25. Diese Triebwerke entsprechen jedoch nicht der wahren TBCC-Definition, da sie nicht nahtlos über verschiedene Geschwindigkeitsbereiche hinweg funktionieren, wie es ein TBCC-Triebwerk tun würde.

#Die Konfiguration des TBCC-Systems

Bei der Konstruktion eines hyperschallfähigen Fahrzeugs berücksichtigen Ingenieure die Reiseflughöhe und -geschwindigkeit, die normalerweise bei Mach 6 in 25-35 km liegt. Dies beeinflusst die Abmessungen und das Design des Turbojet-Komponenten. Das Layout umfasst normalerweise entweder eine Front-Turbojet- und Back-Scramjet-Anordnung oder eine oben-unten-Konfiguration. Der Turbojet muss in das Gesamtdesign des Fahrzeugs passen und gleichzeitig seine Schubanforderungen erfüllen.

#Entwurfsbeschränkungen

Das Turbojet-Triebwerk muss mehrere wichtige Einschränkungen erfüllen:

1. Die physischen Dimensionen müssen in den verfügbaren Platz im Fahrzeug passen.
2. Das Triebwerk muss einen stabilen Betriebszustand bei Mach 3 aufrechterhalten, was schwierig sein kann.
3. Das Design des Lufteinlasses muss sowohl für den TBCC- als auch für den Scramjet-Betrieb optimiert sein.
4. Der Schub muss eng mit dem Schub übereinstimmen, der im Ramjet-Modus während der Übergabe vom Turbojet zum Ramjet erzeugt wird.

#Der Prozess der Turbojet-Dimensionierung

Um diese Herausforderungen anzugehen, wird ein bestehendes Dual-Mode-Scramjet-Triebwerk als Ausgangspunkt für die Dimensionierung des Turbojet verwendet. Das Ziel ist es, einen bestimmten Schub am Übergangspunkt vom Turbojet zum Ramjet zu erreichen, oft bei etwa Mach 3. Dazu wird ein bekanntes Turbojet-Triebwerk, wie das J85, verwendet und dessen Modell in einem Softwaretool namens T-MATS modifiziert.

#Modellvalidierung und Hochgeschwindigkeitstests

Das J85-Triebwerksmodell wird mit vorhandenen Daten validiert, um sicherzustellen, dass es bei hohen Geschwindigkeiten, insbesondere bei Mach 2.5 und Mach 3, effektiv arbeitet. Nach der Validierung kann das Triebwerksmodell skaliert werden, um der gewünschten Luftmassendurchflussrate zu entsprechen, die entscheidend ist, um den erforderlichen Schub zu erreichen.

#Das Design des Turbojet-Lufteinlasses

Der Lufteinlass des Turbojet muss so gestaltet werden, dass der Luftstrom in das Triebwerk optimiert wird, während verschiedene Rampenwinkel berücksichtigt werden. Diese Winkel beeinflussen, wie effektiv der Lufteinlass die eintretende Luft komprimieren kann. Zum Beispiel umfasst das Design eine doppelte Rampe, die den Luftstrom durch schräg und normal auftretende Schockwellen leitet, um einen reibungslosen Betrieb sicherzustellen.

#Die Rolle der Düse

Das Düsen-Design ist ebenfalls entscheidend für das Management des Abluftstroms. Es besteht aus mehreren Segmenten, die den Hochgeschwindigkeitsluftstrom leiten, und seine Leistung wird mit einer Methode namens Reduced-Order Aerodynamic Modeling (ROAM) bewertet. Diese Methode vereinfacht die Analyse, wie Luft durch die Düse strömt, und liefert kritische Daten für die Schubberechnung.

#Schubberechnung und Triebwerksleistung

Mit den durchschnittlichen Eigenschaften aus dem Düsen-Austritt wird der durch das Turbojet-Triebwerk erzeugte Schub berechnet. Das Ziel ist es sicherzustellen, dass der Schub innerhalb akzeptabler Grenzen fällt, um einen reibungslosen Übergang zwischen Turbojet- und Ramjet-Modi während des Flugs zu ermöglichen.

#Integration der Komponenten in ein einheitliches Modell

Der letzte Aspekt des Designs besteht darin, die Modelle von Lufteinlass, Triebwerkskern und Düse in ein einziges System zu integrieren. Diese Integration ermöglicht die Simulation des Luftstroms durch das gesamte Turbojet-Modul und hilft, die Gesamtleistung zu bewerten.

#Iterativer Dimensionierungsprozess

Der Dimensionierungsprozess umfasst mehrere Schritte, und das Modell wird iterativ verfeinert, um die beste Passform zu erreichen:

1. Mit einer geschätzten Luftmassendurchflussrate beginnen.
2. Den Lufteinlass basierend auf dieser Durchflussrate entwerfen und anpassen, falls Probleme auftauchen.
3. Den Turbojet-Triebwerkskern an die neue Lufteinlassgrösse anpassen.
4. Die Düse dimensionieren und den Schub berechnen.
5. Den berechneten Schub mit dem erforderlichen Schub vergleichen und bei Bedarf Anpassungen vornehmen.

#Erreichen des erforderlichen Entwurfsschubs

Durch mehrere Iterationen soll sichergestellt werden, dass der Schub dem Zielwert entspricht. Anpassungen des Luftmassendurchflusses und der Triebwerksparameter führen zu einer optimierten Konfiguration, die alle Entwurfsbeschränkungen erfüllt.

#Off-Design-Leistungsbewertung

Sobald der Turbojet für den erforderlichen Schub dimensioniert ist, wird seine Leistung unter verschiedenen Bedingungen bewertet. Tests erfolgen in verschiedenen Höhen und Anstellwinkeln, um sicherzustellen, dass das Triebwerk auch ausserhalb seiner optimalen Entwurfsparameter effizient arbeitet.

#Fazit

Das Design eines Turbojet-Triebwerks zur Integration in ein TBCC-System stellt eine komplexe, aber erreichbare Herausforderung dar. Durch sorgfältige Dimensionierung und Integration der Komponenten können Ingenieure ein effizientes Antriebssystem schaffen, das den Anforderungen des hyperschalligen Fluges gerecht wird. Kontinuierliche Validierung und Anpassungen stellen sicher, dass das System zuverlässig ist und nahtlos in verschiedenen Betriebsmodi funktioniert. Diese Arbeit hebt die Komplexität des Turbojet-Designs hervor und betont die Bedeutung umfassender Tests und Optimierungen.