Scramjet

Scramjet (supersonic combustion ramjet) bir ramjet çeşidi olup farklı olarak supersonik yanma odasına sahiptir. Havanın sıkıştırılarak alındığı, yakıtın yakıldığı yanma odası ve egzozun giriş hızından daha hızlı ayrıldığı lüleye (nozzle) sahiptir.
Ticari jet motorları havanın motor içine alınıp sıkıştırılması için kompresör kullanır, daha sonra sprey halindeki yakıt sıkıştırılmış havayla birlikte ateşlenerek geriye doğru gider ve thrust oluşturur. Scramjet havayı sıkıştırmak için uçağın hızını kullanır, yani çok az hareketli parçaya ihtiyaç duymaktadır.
Tarihçe
2000 Öncesi
II. Dünya Savaşı sırasında, ağırlıklı olarak Almanlar tarafından yapılan yüksek hızlı roket motorlu uçakları araştırmak için muazzam miktarda zaman ve çaba harcanmıştı. Savaştan sonra, ABD ve İngiltere birkaç Alman bilim insanını ele geçirdi ve roket motorlarını çevreleyen teknoloji de dahil olmak üzere Paperclip Operasyonu aracılığıyla çeşitli askeri teknolojiler aldı. Bell X-1 1947'de süpersonik uçuş gerçekleştirdi ve 1960'ların başında daha hızlı uçaklara doğru hızlı ilerlemeyle operasyonel uçakların birkaç yıl içinde "hipersonik" hızlarda uçacağını gösterdi. Kuzey Amerika X-15 ve diğer roketle çalışan uzay araçları gibi özel roket araştırma araçları dışında, uçakların en yüksek hızları genellikle Mach 1 ila Mach 3 aralığında kaldı.
50lerin ortası ve 60ların sonuna doğru Amerika ve İngilterede pek çok farklı scramjet modeli yer testleri uygulandı. 1958'de analitik bir makale süpersonik yanma ramjetlerinin avantajlarını ve dezavantajlarını tartıştı [1]. 1964'te Dr. Frederick S. Billig ve Gordon L. Dugger, Billig's doktora tezine dayanan süpersonik bir yanma ramjeti için patent başvurusu yaptı. Bu patent, gizlilik kararının kaldırılmasının ardından 1981'de yayınlandı.
1981 yılında T3 yer testi tesisinde Profesör Ray Stalker rehberliğinde Avustralya ANU'da testler yapıldı.
Scramjet'in ilk başarılı uçuş testi Sovyetler Birliği tarafından 1991 yılında yapıldı. 1970'lerin sonlarında Moskova'da Merkezi Havacılık Motorları Enstitüsü (Central Institute of Aviation Motors) tarafından geliştirilen eksenel simetrik hidrojen yakıtlı çift modlu bir scramjetti. Daha sonra 1992'den 1998'e kadar, eksenel simetrik yüksek hızlı scramjet göstericinin 6 uçuş testi, Fransa ile Merkezi Havacılık Motorları Enstitüsü tarafından ve daha sonra NASA tarafından gerçekleştirildi. Mach 6.4'ten daha büyük maksimum uçuş hızı elde edildi ve 77 saniye boyunca scramjet çalışması gösterildi. Bu uçuş testi serileri aynı zamanda otonom hipersonik uçuş kontrolleri hakkında bilgi verdi.
Özellikle X-15 projesi oldukça başarılı test sonuçları elde edildi (mach 6.7). Ancak hiçbir zaman test aşamasını geçemedi.
Daha sonraları 80lerin sonu 90ların başında Amerika Scramjet motoru ile uçan ve dünyanın yörüngesinde gidebilecek bir araç yapımı için 2 milyon dolarlık bir proje uygulamaya koydu. Program 1993 yılında projenin tamamlanması için 15 milyon dolar gerektiğinin öngörülmesi ve pek çok teknik sorun üzerine kapatıldı.
2004 yılında NASAnın geliştirdiği X-43 adlı Scramjet motorlu uçağı mach 9,4 hızına çıkarak dünyanın en başarılı Scramjet uçuşunu gerçekleştirdi.
2000'lerdeki İlerleme
2000'li yıllarda, özellikle scramjet motorları alanında, hipersonik teknolojinin geliştirilmesinde önemli ilerlemeler kaydedilmiştir.
HyShot projesi 30 Temmuz 2002'de scramjet yanmasını ispatladı. Scramjet motoru etkili bir şekilde çalıştı ve süpersonik yanmayı ispatladı. Bununla birlikte, motor bir taşıtı ileri doğru itmek için itki sağlayacak şekilde tasarlanmamıştır. Bu teknolojiyi kanıtlamak için tasarlandı.
Bir İngiliz ve Avustralya ekibi İngiltere savunma şirketi Qinetiq'den ve Queensland Üniversitesi'nden, atmosfer testinde çalışan bir scramjet'i gösteren ilk gruptu.
Hyper-X, 2004 yılında X-43A ile tam aerodinamik manevra yüzeylerine sahip itme üreten scramjet ile çalışan bir aracın ilk uçuşunu talep etti. Üç X-43A scramjet testinin sonuncusu Mach 9.6'ya kısa bir süre ulaştı.
15 Haziran 2007'de ABD Savunma İleri Araştırma Projesi Ajansı (DARPA), Avustralya Savunma Bilim ve Teknoloji Örgütü (DSTO) ile işbirliği içinde, test aracını hipersonik hızlara yükseltmek için roket motorlarını kullanarak Mach 10'da başarılı bir scramjet uçuşu duyurdu.
NASA Langley Ark Isıtmalı Scramjet Test Tesisinde (AHSTF) simüle edilmiş Mach 8 uçuş koşullarında bir dizi scramjet yer testi tamamlandı. Bu deneyler HIFiRE uçuş 2'yi desteklemek için kullanıldı.
22 Mayıs 2009'da Woomera, HIFiRE'de (Hipersonik Uluslararası Uçuş Araştırma Deneyi) bir hipersonik uçağın ilk başarılı test uçuşuna ev sahipliği yaptı. Lansman, planlanan on test uçuşundan biriydi. HIFiRE, hipersonik teknolojisini (ses hızının beş katını aşan uçuş çalışması) ve gelişmiş scramjet destekli uzay fırlatma araçlarına uygulanmasını araştırıyor; Amaç, yeni Boeing X-51 scramjetli taşıtı desteklerken, aynı zamanda hızlı tepki alan fırlatma gelişimi ve hipersonik "hızlı saldırı" silahları için güçlü bir uçuş testi verisi oluşturmaktır.
Dizayn
Scramjet atmosfer içinde hipersonik hızlarda uçmak için tasarlanmış bir jet motorudur. Bir roketten farkı ise roketler gereken oksijeni üstünde taşıdığı tanklardan sağlarken, scramjet yanma için gereken oksijeni atmosferden alır. Scramjetler bu yönüyle jet motorlarla ortak özellik gösterir ancak jet motorlar scramjetin uçtuğu hızlarda uçamazlar.
Türbinli motorlar subsonik ve süpersonik hızlarda çalışabilmektedirler. Ancak mach hızını geçtiklerinde çabucak kararsız hale gelirler. Kompresöre giren havanın basıncı ve sıcaklığı artar, mach hızını geçmek demek bu değerlerin daha da artması anlamına gelmektedir. Yüksek sıcaklık, yakıt hava karışımından istenilenden yüksek enerji çıkmasına, motorda erimeye ve yapısal hasarlara yol açar. Mach arttıkça sürüklemenin (drag) karesi ile orantılı artış gösterir, ayrıca kullanılabilen enerji de düşer. Türbinli motorlarda hız artırımı için giren havanın sıcaklığı düşürülür ya da itki (thrust) arttırıcı sistemler eklenir (ramjet ve afterburner gibi).
Ramjetler turbojetlere göre daha yüksek sıcaklıklarda çalışabilmektedirler. Turbojetlerden daha yüksek hızlara da ulaşırlar. Ancak onların da çalışabilmesi için yanma odasına giden havanın subsonik hızda olması gerekir. Süpersonik hızda uçuşta subsonik hava kullanmak kompresör kullanmaktan daha verimlidir ancak yüksek hızda başka bir problem ortaya çıkar. Hava supersonik hızdan subsonik hıza geçerken şok dalgası oluşur bu şok dalgası da havanın sıcaklığını arttırır ve havanın kimyasal tepkimeye girerek enerji kaybetmesine ayrıca yanma odasında yakıtın yanma veriminin düşmesine neden olur. Ramjetlerin ulaşabileceği hız kullanılan yakıt miktarına göre değişiklik gösterse de mach 4 ve mach 8 arasında değişen bir aralıktadır.
Scramjetler bütün motor boyunca havanın supersonik hızda akmasına izin vererek yüksek sürükleme ve düşük yanma sorununu ortadan kaldırmayı hedeflemektedir. Motora giren hava ramjete göre daha az hız kaybettiğinden dolayı daha az sürükleme oluşur, ayrıca daha az ısınarak yakıtın daha etkili yanması sağlanmış olur. Yüksek hızda akan hava içerisine yakıt karıştırılıp yakmak için çok az süre bulunması ve motor içindeki en küçük bir geometrik bozukluk yüksek sürükleme oluşmasına sebebiyet verecek olması en büyük sorunudur.
Scramjet en basit anlamda ağız ağza bağlanmış iki huniye benzer. Ön taraftaki huni biçimi havanın içeri girerken sıkışması ve ısınmasını sağlar. İki hunin birleşim noktasına benzeyen ve en dar kısım olan noktada sıkıştırma en yüksek değerdedir, bu anda yakıt eklenerek yanma gerçekleşir. Yanma sonucu gazlar ikinci huni biçiminden, tıpkı roket lülesine (nozzle) benzeyen bölüm, dışarı atılır ve itki oluşturulur.
Scramjet Uçuşu
Scramjetin çalışabilmesi için ilk hızının mach 5 civarında olması gerekir. Bu durum scramjetin çalışması için ön hız sağlayacak bir sistem geliştirilmesini gerekli kılmıştır.
X 43-A programında bu sorunu çözmek için önce bir uçak 40 000 fte çıkarılmış daha sonra bu noktada scramjetin bağlı olduğu füze uçaktan ayrılarak ateşlenmiş ve füze 95 000 fte ulaşasıya kadar uçuşunu sürdürmüştür. 95 000 ftde scramjet füzeden ayrılarak kendi uçuşuna başlayarak mach 9.8 hızına ulaşmıştır.
Avantaj ve Dezavantajları
Avantajları
Yanma süpersonik hızda gerçekleştirilebilir.
Teoride mach 12-15 hızlarına kadar ulaşabilir.
Dezavantajları
Mach 5 hızına kadar itki üretemez.
Ağırlık oranına göre düşük itki.