펄스 폭발 엔진

Pulse detonation engine

펄스 폭발 엔진(PDE)은 연료와 산화제 [1][2]혼합물을 연소시키기 위해 폭발파를 사용하는 일종의 추진 시스템입니다.각 폭발파와 다음 폭발파 사이의 연소실에서 혼합물을 교체해야 하기 때문에 엔진이 펄스로 작동합니다.이론적으로 PDE는 아음속에서부터 대략 마하 5의 극초음속 비행 속도까지 작동할 수 있습니다.이상적인 PDE 설계는 폭발파가 혼합물을 빠르게 압축하고 일정한 부피에서 열을 가하기 때문에 터보젯 및 터보팬과 같은 다른 설계보다 열역학적 효율성을 높일 수 있습니다.따라서 압축기 스풀과 같은 가동 부품이 엔진에 반드시 필요하지 않으므로 전체 중량과 비용을 크게 줄일 수 있습니다.PDE는 [3]1940년부터 추진용으로 고려되어 왔다.향후 개발을 위한 주요 문제로는 연료와 산화제의 빠르고 효율적인 혼합, 자동 점화 방지, 흡입구 및 노즐과의 통합 등이 있습니다.

현재까지 실질적인 PDE는 생산되지 않았지만, 몇 개의 테스트베드 엔진이 제작되었고, 하나는 2008년에 PDE 동력 비행을 지속한 저속 시연 항공기에 성공적으로 통합되었습니다.2008년 6월, DARPA(Defense Advanced Research Projects Agency)는 이 기술을 사용하여 최대 마하 [4]6의 속도에 도달하는 것을 의도한 Blackswift를 발표했습니다.그러나 이 프로젝트는 곧이어 2008년 10월에 취소되었다고 보고되었습니다.

개념.

펄스 제트

주요 기사:펄스젯

PDE의 기본 작동은 펄스 제트 엔진의 작동과 유사합니다.펄스 제트에서는 공기가 연료와 혼합되어 가연성 혼합물을 생성하고, 그 혼합물은 열린 챔버에서 점화됩니다.결과적으로 발생하는 연소는 혼합물의 압력을 약 100기압(10MPa)[5]까지 크게 증가시키고, 이 압력은 추력을 위한 노즐을 통해 팽창합니다.

혼합물이 후방으로 빠져나가 항공기를 앞으로 밀어내기 위해 엔진 전면을 차단하는 데 일련의 셔터가 사용됩니다.흡기구를 주의 깊게 튜닝하면 적절한 시점에 셔터가 닫혀 엔진을 통해서만 공기가 한 방향으로 이동하도록 할 수 있습니다.일부 펄스 제트 설계에서는 조정된 공명 공동을 사용하여 시스템 내의 공기 흐름을 통해 밸브 동작을 제공합니다.이러한 디자인은 보통 양끝이 열린 U자형 튜브처럼 보입니다.

어느 시스템에서도 펄스 제트는 연소 프로세스 중에 문제가 있습니다.연료가 연소되고 팽창하여 추력을 생성하면서 남은 미연소 전하를 노즐 밖으로 후방으로 밀어냅니다.많은 경우, 일부 전하가 연소하기 전에 방출되는데, 이는 V-1 비행 폭탄과 다른 펄스 제트에서 볼 수 있는 유명한 화염의 흔적을 일으킨다.엔진 내부에 있는 동안에도 혼합물의 부피가 지속적으로 변화하여 연료를 비효율적으로 사용 가능한 에너지로 변환합니다.

PDE

모든 일반 제트 엔진과 대부분의 로켓 엔진은 연료의 디플래그(deflaging), 즉, 연료의 빠르지만 아음속 연소를 기반으로 작동합니다.펄스 폭발 엔진은 연료의 초음속 폭발로 작동하는 제트 엔진을 만들기 위해 현재 개발 중인 개념이다.연소가 매우 빠르게 이루어지기 때문에 충전(연료/공기 혼합)은 이 과정에서 팽창할 시간이 없기 때문에 거의 일정한 용량에서 발생합니다.일정한 체적 연소는 가스터빈과 같은 개방 사이클 설계보다 효율적이며, 이는 더 높은 연비로 이어집니다.

연소 과정이 매우 빠르기 때문에 기계식 셔터를 필요한 성능으로 배치하기가 어렵습니다.대신 PDE는 일반적으로 일련의 밸브를 사용하여 프로세스의 시간을 신중하게 측정합니다.General Electric의 일부 PDE 설계에서 셔터는 신중한 타이밍을 통해 제거되며, 엔진의 여러 영역 간의 압력 차이를 사용하여 "샷"이 [citation needed]후방으로 배출됩니다.

실제 사용에서는 아직 입증되지 않은 또 다른 부작용은 사이클 시간입니다.기존의 펄스젯은 기계 셔터의 사이클 타임으로 인해 초당 250펄스로 최대치를 기록하지만 PDE의 목적은 [citation needed]초당 수천펄스이며, 매우 빠르기 때문에 기본적으로 엔지니어링 관점에서 연속적입니다.이렇게 하면 진동성이 높은 펄스젯 엔진을 부드럽게 하는데 도움이 됩니다. 많은 작은 펄스가 동일한 순 추력에서 적은 수의 큰 펄스보다 적은 부피를 생성합니다.불행하게도 폭발음이 디플래그레이션보다 몇 배나 더 크다.

맥박감지 엔진의 가장 큰 어려움은 폭발을 시작하는 것이다.큰 스파크로 직접 폭발을 시작할 수는 있지만, 에너지 입력량이 매우 많아 엔진에 실용적이지 않습니다.일반적인 솔루션은 DDT(deflagation-to-detonation transition)를 사용하는 것입니다. 즉, 고에너지 디플랙션을 시작하여 튜브가 [citation needed]폭발할 정도로 빨라지도록 가속합니다.또는 폭발이 원을 중심으로 전달될 수 있으며 밸브는 최고 피크 전력만 배기 가스로 누출될 수 있습니다.또, 펄스 압축 기폭 시스템을 적용해 개시 문제를 해결할 수도 있다.

이 과정은 진행 중인 파면 조우 저항(파장 항력과 유사) 때문에 생각보다 훨씬 복잡합니다.DDT는 튜브에 장애물이 있는 경우 훨씬 쉽게 발생합니다.가장 널리 사용되는 것은 "쉘킨 나선형"으로, 움직이는 연료/공기/배기 혼합물에 대한 저항을 최소화하면서 가장 유용한 에지를 생성하도록 설계되었습니다.소용돌이는 불꽃이 여러 전선으로 분리되고, 그 중 일부는 뒤로 가서 다른 전선과 충돌한 후, 전방 전선으로 가속됩니다.

이러한 행동은 모델링과 예측이 어려우며 연구가 진행 중입니다.기존 펄스젯과 마찬가지로 두 가지 주요 설계 유형이 있습니다. 밸브와 밸브 없음입니다.밸브가 있는 설계는 펄스젯 등가물과 동일한 해결이 어려운 마모 문제에 직면합니다.무밸브 설계는 일반적으로 단방향 흐름을 보장하기 위해 기류의 이상에 의존하며, 일반 DDT에서는 매우 어렵습니다.

나사는 마하 5 정도의 고속 민간 수송 [citation needed]시스템을 목표로 하는 PDE에 대한 연구 프로그램을 유지하고 있다.그러나 대부분의 PDE 연구는 본질적으로 군사적인 것이다. 엔진은 현재 대공 방어 범위를 벗어날 수 있을 만큼 충분히 높이 비행할 수 있는 차세대 고속 장거리 정찰 항공기를 개발하는 데 사용될 수 있고, 동시에 대규모 유조선 지원 비행대가 필요했던 SR-71보다 상당히 큰 사거리를 제공할 수 있기 때문이다.e가 동작하고 있다.

대부분의 연구가 고속 시스템에 대한 것이지만, 수십만 개의 맥박수가 훨씬 더 높은 새로운 디자인은 아음속에서도 잘 작동하는 것으로 보입니다.기존의 엔진 설계에는 항상 "최고의 속도" 범위로 제한하는 트레이드오프가 포함되어 있는 반면, PDE는 모든 속도에서 이들 엔진보다 뛰어난 성능을 발휘하는 것으로 보입니다.Pratt & Whitney와 General Electric 모두 현재 디자인을 [citation needed]상품화하기 위해 PDE 연구 프로그램을 진행하고 있습니다.

펄스 폭발 엔진의 주요 어려움은 실용적이지 않고 항공기에 항력을 가할 수 있을 만큼 긴 튜브 없이 DDT를 달성하는 것(U-bend를 튜브에 추가하면 폭발파가 소멸됨), 소음 감소(흔히 잭 해머와 같은 소리로 설명됨), 그리고 작동으로 인한 심각한 진동을 감쇠하는 것입니다.엔진

최초의 PDE 동력 비행

2008년 1월 31일 펄스 기폭장치와 대폭 개조된 루탄 롱이즈의 기내 사진.

맥박 폭발 엔진을 탑재한 항공기의 첫 비행은 2008년 [6]1월 31일 모하비 항공 우주 항구에서 이루어졌다.이 프로젝트는 공군 연구소와 혁신 과학 솔루션, Inc.에 의해 개발되었습니다.비행에 선정된 항공기는 Borealis라는 [7]이름의 고도로 개조된 Scaleed Composites Long-EZ였다.엔진은 4개의 튜브로 구성되어 80Hz의 주파수로 펄스 폭발을 일으켜 최대 200파운드(890뉴턴)의 추력을 발생시켰다.최근 몇 년 동안 엔진 개발자들에 의해 많은 연료가 검토되고 테스트되었지만, 이 비행에는 정제된 옥탄이 사용되었습니다.Long-EZ의 발사를 용이하게 하기 위해 작은 로켓 시스템이 사용되었지만, PDE는 약 100피트(30m)의 고도에서 10초 동안 자체 동력으로 작동했다.비행은 저속으로 이루어졌지만 PDE 엔진 개념의 매력은 고속에 더 있지만, 시연 결과 PDE는 195-200dB의 폭발파로 인한 구조적 문제를 겪지 않고 항공기 프레임에 통합될 수 있는 것으로 나타났다.변경된 Long-EZ를 위한 비행은 더 이상 계획되지 않지만, 성공으로 PDE 연구에 더 많은 자금이 지원될 것으로 보인다.이 항공기 자체는 [8]전시를 위해 미국 공군의 국립 박물관으로 옮겨졌다.

로켓 발사 중

연료와 산화제가 모두 차량에 실려 있는 경우 펄스 폭발 엔진은 대기와 독립적이며 우주 비행에서 사용할 수 있습니다.2021년 7월 26일(UTC) 일본 우주항공국 JAXA는 S-520 발사 로켓 비행 [9]중 우주에서 펄스 폭발 로켓 엔진 실험에 성공했다.

대중문화

  • 공상과학 소설인 아엘리타(1923년)에서 두 명의 러시아인은 펄스 폭발 로켓을 타고 화성으로 이동한다.
  • 그리고리 아다모프의 1939년 소련 소설 '두 대양의 미스터리'는 폭발 엔진을 사용하는 잠수함을 중심으로 만들어졌다.연료는 수소/산소 혼합물로, 물 전기 분해를 통해 생성됩니다.어느 순간, 잠수함은 압력 표시등을 비활성화함으로써 파괴되어 폭발물이 축적된다.
  • X-COM: UFO 방어 비디오 게임에는 이중 펄스 폭발 엔진에 의해 구동되는 가상의 전투기 "인터셉터"가 등장한다.
  • 드라마 시리즈 JAG에서 시즌 9 에피소드 "The One That Got Away" (원제 방영일 2003년 10월 17일)는 맥박 감지 엔진을 사용하는 CIA가 개발 중인 초비밀 극초음속 항공기를 다루고 있다.
  • 영화 스텔스(2005)에서 첨단 전투기는 스크램젯 부스터를 장착한 펄스 디온 엔진을 사용한다.
  • PDE는 댄 브라운의 스릴러 디셉션 포인트(책의 두 번째 페이지에는 비록 어떠한 출처도 언급하지 않았지만 소설에 등장하는 모든 기술은 허구가 아니며 존재한다고 기술한다), 빅터 코만의 공상과학 소설 킹즈 오브 더 하이 프런티어(Kings of the High Frontier)와 같은 많은 현대 소설에서 스토리 포인트로 사용되어 왔다.
  • 유레카 시즌 4의 크리스마스 스페셜:Taggart는 펄스 폭발 엔진에 의해 구동되는 산타 썰매를 만듭니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ Kailasanath, K. (September 2000). "Review of Propulsion Applications of Detonation Waves". AIAA Journal. 38 (9): 1698–1708. Bibcode:2000AIAAJ..38.1698K. doi:10.2514/2.1156. Retrieved 28 November 2021.
  2. ^ Roy, G.D.; Frolov, S.M.; Borisov, A.A.; Netzer, D.W. (January 2004). "Pulse detonation propulsion: challenges, current status, and future perspective". Progress in Energy and Combustion Science. 30 (6): 545–672. doi:10.1016/j.pecs.2004.05.001. Retrieved 28 November 2021.
  3. ^ Hoffmann, N., 간헐적 폭발 연소에 의한 반응 추진, 독일 공급부, Volkenrode Translation, 1940.
  4. ^ Shachtman, Noah (24 June 2008). "Explosive Engine Key to Hypersonic Plane". Wired. San Francisco, California: Condé Nast Publications. Retrieved 27 June 2009.
  5. ^ "펄스 폭발 엔진" 2007년 4월 14일 뉴질랜드 라디오에서 미국 공군 연구소와 계약한 혁신 과학 솔루션 주식회사 PDE 프로그램의 수석 연구원 John Hoke 박사 인터뷰
  6. ^ 노리스, G., "펄스 파워: 맥박 폭발 엔진으로 움직이는 비행 시연은 모하비의 이정표를 나타낸다", 항공 주간 & 우주 기술, 제168권, 2008년 7호, 페이지 60.
  7. ^ USAF 박물관에 Borealis 포스터 텍스트 전시
  8. ^ "펄스 폭발 엔진이 역사에 남다", 공군 프린트 뉴스 오늘, 2008년 5월 16일, 2008년 8월 16일에 액세스
  9. ^ Hebden, Kerry (28 July 2021). "Japan successfully tests rocket engine propelled by shock waves". Room, The Space Journal of Asgardia. Retrieved 20 August 2021.

외부 링크