Sistemas de ignição por energia pulsada em nanossegundos para combustão supersônica confiável

Feb 18, 2024

Introdução

A atenção e o esforço para a investigação e desenvolvimento de aeronaves hipersónicas, que podem voar a várias vezes a velocidade do som, aumentaram significativamente nos últimos anos. Um retrato fictício do pedigree do mundo real (SR-72 não tripulado do Programa de Desenvolvimento Avançado da Lockheed Martin anunciado em 2017 ) até desempenhou um papel significativo no blockbuster de verão de mais de US$ 1 bilhão de 2022, Top Gun: Maverick. Os motores projetados para voos hipersônicos têm aplicações revolucionárias na segurança nacional como armas hipersônicas avançadas, na exploração espacial como estágios reutilizáveis ​​para acesso à órbita baixa da Terra e na aviação comercial como métodos rápidos e de longo alcance para transporte aéreo de passageiros em todo o mundo.

Um grande desafio para o voo hipersônico são as chamas. A extinção é a perda de propulsão devido à extinção da chama no combustor do motor, o que pode ocorrer por vários motivos, incluindo falta de combustível, altitude excessiva, precipitação severa ou temperaturas ambientes incrivelmente baixas. Os primeiros motores a jato eram propensos a apagar após distúrbios no fluxo de ar de entrada ou movimentos repentinos da alavanca de empuxo, resultando em relações ar-combustível incorretas na câmara de combustão. Os motores modernos são mais robustos e muitas vezes controlados digitalmente, permitindo um controle significativamente mais eficaz de todos os parâmetros do motor para evitar falhas e até mesmo iniciar uma reinicialização automática se ocorrer uma falha.

No entanto, na hipersônica, os desafios de reacender são aumentados devido à velocidade incrivelmente alta do ar que flui através do combustor, voando em altitudes mais elevadas, e à resistência reduzida do ar necessária para atingir a velocidade máxima.

Quanto mais rápido vamos, mais difícil é acender

De acordo comNASA , uma vez ocorrido o apagamento, é fundamental reacender o motor o mais rápido possível. No entanto, as condições que causaram o apagamento são as mesmas que dificultarão o reacender. O primeiro passo é descer para altitudes mais baixas e mais favoráveis ​​para reacender. Isso pode ser um problema dependendo da missão. Para tentar reacender, núcleos de ignição – bolsões de fluxo de alta energia e radicais livres – são introduzidos na câmara de combustão acionando o ignitor do motor. O núcleo se desenvolve em uma frente de chama e eventualmente atinge a estabilização ou extinção da chama, dependendo do estado inicial do núcleo e da evolução do fluxo turbulento. O forte fluxo turbulento, combinado com a confiabilidade de descarregar a faísca de ignição, torna o religamento do motor um desafio.

Esses problemas de reacender são ainda mais agravados em motores avançados, como os scramjets. Um scramjet (ramjet de combustão supersônica) é uma variante de um motor a jato ramjet com respiração aérea, no qual a combustão ocorre em fluxo de ar supersônico. O fluxo de ar é comprimido dinamicamente através de um sistema de admissão que não requer elementos rotativos, e o combustível e o oxidante são queimados sob condições de velocidade supersônica no combustor. No entanto, em velocidades tão altas, os processos de mistura e combustão não podem caber facilmente no comprimento do combustor porque o tempo de residência total disponível para a queima dos reagentes é tipicamente uma fração de milissegundo com fluxo supersônico por toda parte. O combustível, que é injetado no combustor através de uma porta separada, precisa ser misturado em nível molecular com o oxigênio presente no fluxo de ar ingerido para que ocorram reações químicas de combustão. Portanto, deve ser alocado tempo de residência suficiente para que estruturas turbulentas de grande escala em camadas de cisalhamento cresçam e se transformem em cascata em redemoinhos menores que desencadeiam a mistura em microescala entre os reagentes. A atenuação desta taxa de crescimento ocorre em velocidades supersônicas devido aos efeitos de compressibilidade que retardam a mistura necessária. Eventualmente, o combustível e o oxidante queimam ao serem misturados em uma sequência química.

Em suma, o desafio da combustão supersónica em scramjets é tão difícil como acender um fósforo num ciclone.