O echipă de studenţi la inginerie din Elveţia a creat un nou motor cu reacţie în anul III de facultate, de tipul celor capabile de viteze hipersonice

Proiectele speciale, în care se implică studenţii, sunt adeseori generatoare de cel mai mare progres pentru capacităţile acestora pentru viaţa de mai departe. Dar şi în rândul acestor proiecte există nivele absolut diferite de anvergură, de la mici construcţii experimentale sau mici studii şi cercetări, până la construirea unor creaţii care le-ar fi imposibile pentru marea majoritate a companiilor hi-tech şi a inginerilor foarte experimentaţi. De curând, o echipă de studenţi la ingineri de la universitatea ETH Zurich din Elveţia a construit un motor cu reacţie cu detonare rotativă în anul III de facultate, de tipul celor capabile de viteze hipersonice şi considerate unul din cele mai complexe şi dificile dintre toate motoarele cu reacţie.

Foto: Noul motor cu reacţie cu detonare rotativă, creat la ETH Zurich

Motorul cu reacţie cu detonare rotativă e unul relativ nou în aeronautică dintr-un motiv curios. Principiul lui teoretic de funcţionare şi primele elaborări incipiente pentru testare vin din anii 1945-1955. Însă niciun material şi aliaj existent pe atunci nu putea rezista forţelor acestuia, păstrând dimensiunile şi greutatea necesară. Prin urmare, mult timp el a constituit mai degrabă o tehnologie teoretică dificilă de aplicat în viaţa reală din cauza limitării materialelor disponibile.

În ultimii 10-15 ani, însă, evoluţiile imense în tehnologia materialelor şi în posibilităţile de a folosi aceste materiale pentru producţie de înaltă precizie a făcut ca mai multe echipe de ingineri în aeronautică să-şi amintească din nou de el şi să creeze mostre care pot fi deja viabile. Dar toate motoarele de acest tip din lume sunt încă în faza de elaborare şi testare, niciunul din ele nefiind încă un motor de serie. Deci, ceea ce au făcut acum studenţii din anul III din Elveţia echivalează practic eforturile unora din cele mai talentate şi capabile echipe de ingineri din lume.

Acum doi ani şi jumătate, scriam despre elaborarea unui asemenea tip de motor de către inginerii GE Aeropace din SUA, una din cele mai mari companii producătoare de motoare pentru avioane. Deci cam asta e talia echipelor care se avântă în proiectarea unor asemenea motoare. Iar aici trebuie să explicăm cât se poate de clar diferenţa dintre un motor cu reacţie simplu şi unul cu detonare rotativă.

În motorul cu reacţie clasic, numit şi turbojet, care e şi cel mai răspândit, aerul e aspirat şi comprimat de compresor, fiind amestecat cu combustibilul injectat, într-un proces continuu de combustie. Gazele fierbinţi sunt cele care antrenează turbina, iar expulzarea lor creează forţa propulsie.

Foto: Construcţia motorului cu reacţie „clasic”, turbojet

O problemă de randament la aceste motoare e că gazele care părăsesc turbina încă sunt fierbinţi şi încă mai au oxigen neconsumat în ele, prin urmare mai au potenţial nefolosit. Tocmai de asta, la motoarele din aplicaţii foarte perforante apare şi postcombustia, care e efectiv o injectare suplimentară de combustibil în jetul de gaze fierbinţi de după turbină, ceea ce face arderea ultra rapidă şi sporeşte viteza jetului de gaze şi volumul acestora. Iar asta duce la o creştere substanţială a puterii, cu o adiţie relativ modestă de combustibil.

Foto: Motor cu postcobustie

Prezenţa compresorului în aceste motoare e necesară pentru a capta un volum cât mai mare de aer, pentru a maximiza forţa şi eficienţa propulsiei. Dar, dacă motorul e amplasat pe un aparat de zbor de mare viteză, la un moment dar compresorul montat în faţă devine un obstacol aerodinamic, care frânează zborul, în loc să-l ajute. La asemenea viteze mari, aerul e comprimat în mod natural prin simpla accedere a lui în spaţiul circular în care e amplasat motorul.

Pentru a rezolva această dilemă, la un moment mulţi îşi amintiseră de pulsoreactoare mai arhaice, care au apărut mai devreme decât motoarele cu reacţie clasice. În locul unui compresor în partea frontală, motorul avea un set de valve, care se deschideau pentru a lăsa aerul să pătrundă şi erau sincronizate cu injecţia de combustibil în spaţiul situat imediat după valve. Viteza de propagare a amestecului în interiorul camerei de ardere e una mare, dar e mai mică decât viteza sunetului, ceea ce-i determină o predictibilitate limitată, vibraţii şi randament redus. Forţa de propulsie venea din aceste explozii repetate şi chiar, dacă ideea lui intuia evoluţia necesară, el a rămas un soi de outsider în ierarhia motoarelor cu reacţie. Acest motor a fost practic un precursor al motorul cu reacţie modern prin demonstraţia că propulsia cu jet e viabilă, de tehnologic era o cale ce nu putea evolua. Respectiv, nici rezolvarea dilemei motoarelor cu reacţie, de rezistenţă la viteze mari, nu putea fi rezolvată de pulsoreactoare. Totuşi, e important să-l menţionăm, deoarece anumite elemente de pe el au fost totuşi transpuse mult mai târziu.

Foto: Construcţia unui pulsoreactor

Motorul care a venit să rezolve problema turbojetului a fost creat ramjetul, care nu mai are compresor mecanic în faţă şi nici turbină care să fie propulsată de gazele de combustie, care ar propulsa compresorul din faţă. Admisia la ramjet este liberă de obstacole, aerul de admisie fiind comprimat de însăşi viteza cu care el pătrunde în camera de ardere şi de o uşoară îngustare pentru sporirea comprimării şi încetinirea acestuia la viteze subsonice. Acolo are loc injecţia continuă de carburant şi combustia, iar gazele sunt expulzate, creând forţa de propulsie. Această construcţie elimină rezistenţa pe care o genera compresorul la viteze mari, dar are o altă mare probleme — la viteze mici, aerul care ajunge în admisie în mod natural e prea puţin comprimat şi dens, ceea ce face combustia imposibilă. Prin urmare, ramjetul poate funcţiona doar la viteze foarte mari, ca un motor de faza a doua, practic, sau la un obiect de zbor desprins de pe un avion, care-şi începe propriu zbor cu viteze pe care i-a imprimat-o avionul. Totuşi, acea încetinire a aerul de dinainte de combustie generează o căldură foarte mare, ceea ce poate face ca la o combustie de durată mai mare materialele din jur să nu mai reziste, iar oxigenul să înceapă a se disocia chimic, scăzând eficienţa combustiei. Totuşi, ramjetul poate funcţiona relativ controlat la viteze cuprinse între Mach 2 şi Mach 5.

Foto: Construcţia motorului ramjet

Pentru a rezolva acest efect nedorit a apărut scramjetului, o evoluţie clară şi discretă faţă de ramjet, prin eliminarea acele zone de încetinire a aerului de admisie până la o viteză subsonică. Asta înseamnă că aerul trece prin camera de ardere la viteze supersonice, ceea ce face combustia stabilă mult mai dificilă. Efectiv aerul trece prin motor în câteva milisecunde, timp în care el trebuie amestecat cu combustibil şi supus combustiei, iar apoi expulzat. Asta face ca de multe ori combustibilul obişnuit de aviaţie să nu poată propaga combustia suficient de repede. Tomai de asta, hidrogenul a devenit un combustibil preferat pentru scramjeturi, întrucât are capacitatea de a propaga mult mai repede şi mai consistent combustia.

Foto: Motor scramjet

Acest tip de motoare cu reacţie poate funcţiona cu randament optim la viteze enorme, cuprinse între Mach 5 şi Mach 10, deci ceea ce numim viteze hipersonice. NASA a testat încă în 2004 un asemenea motor cu succes, atingând 9,6 Mach cu el. În 2013, Boeing a creat un prototip numit X-51 Waverider cu asemenea motor, care a atins o viteză hipersonică şi a menţinut-o timp de 210 secunde. La vitezele hipersonice, însă, mai apare şi marea problemă a rezistenţei materialelor de fuzelaj la temperaturile pe care le generează fricţiunea. Şi apoi, motorul scramjet reuşeşte să fie mai rapid ca ramjetul, dar tot nu poate funcţiona la viteze mici, în lipsa fluxului suficient de aer în faţă.

Din nou, pentru a rezolva această limitare, a apărut şi următoarea treaptă evolutivă a motorului cu reacţie, cel cu detonaţie prin puls, abreviat drept PDE. Acest motor nu are compresor în faţă, lăsând aerul să pătrundă în camera de ardere, dar folosind nu combustia continuă, ci una succesivă prin detonări supersonice. La început, primele motoare de test aplicau valve la evacuare sau obstacole mecanice, dar nimic nu rezista temperaturilor şi vitezelor de combustie, aşa că în cele din urmă umplerea camerei de ardere cu aer a fost asigurată mai mult aerodinamic, prin calcularea modului în care curenţii vor ajunge, apoi combustia va crea o barieră pentru următorul ciclu. Aici vine acel principiu parţial de la pulsoreactor, doar că detonarea e supersonică, mult mai performantă. Primul asemenea motor a fost testat cu succes în 2008, dar unele simptome au fost similare celor de pulsoreactorul arhaic, precum vibraţia şi o suprasolicitare a structurii, chiar dacă în propulsia propriu-zisă beneficiile au fost evidente.

Şi, în fine, aşa s-a ajuns la evoluţia numită motor cu reacţie cu puls rotativ, abreviat ca RDE sau RDRE, acelaşi tip de motor pe care l-au creat şi studenţii elveţieni. Soluţia genială adusă de motoarele cu puls rotativ a făcut ca în locul unei surse de combustie care să opereze prin pulsul succesive să apară un inel rotativ, care produce detonaţii în mod continuu. Practic, injecţia e localizată într-un punct de pe acel inel şi ea e realizează injecţia continuu dar, datorită schimbării poziţiei sursei, se obţine efectul detonărilor succesive prin faptul că sursa de propagare vine din puncte diferite. Astfel, funcţionarea motorului devine una continuă, iar randamentul creşte enorm.

Foto: Construcţia motroului RDE, cu inelul vizibil în intrerior

Dar aceste detonaţii solicită oricum foarte mult integritatea structurală a motorului, chiar dacă o mai echilibrează prin acel inel rotativ. Temperaturile de combustie sunt extreme şi e nevoie de aliaje şi materiale care să le poată susţine, iar ca acel control al detonaţiei să poate fi realizat, e nevoie de forme sofisticate ale camere de combustie în zonele de propagare a combustiei. Tocmai de asta menţionam la început că aceste motoare abia sunt în proces de elaborare, perfecţionare şi testare de către echipele de ingineri de top din lume.

Foto: Vizualizare a procesului de combustie dintr-un motor RDE

Prin urmare, faptul că o echipă de studenţi din anul III de facultate a putut crea un asemenea motor e de-a dreptul e realizare de talie globală, nu doar o mândrie naţională pentru Elveţia sau pentru universitatea ETH. Studenţi sunt 20 la număr şi formează echipa Pegasus, care a primit susţinere din partea statului elveţian prin programul spaţia Aris.

Ei au construit motorul folosind ştiinţa materialelor pentru a genera aliaje rezistente şi folosind printarea 3D pentru a le putea asigura formele complicate, exact cum fac şi inginerii profesionişti din lumea mare cu asemenea motoare. Au montat motorul lor pe o remorcă şi au ieşit pe un aeroport mic de lângă Zurich pentru a-l testa.

Motorul foloseşte propanul drept combustibil şi oxigenul lichid ca parte din amestecul de combustie şi-l aplică şi pentru funcţia de răcire. Camera de ardere are montaţi senzori de presiune, iar motorul e filmat de camere de înaltă viteză, pentru a urmări apoi propagarea combustiei. Testul pe aeroport a fost tensionat, or, o săptămână mai devreme motorul n-a putut ajunge la iniţierea detonărilor în laborator.

Foto: Componentă de motor, produsă din curpu cu un printer 3D

Chiar dacă testul studenţilor ar reuşi să atingă o singură secundă de detonări stabile, ei ar deveni printre primii din lume care au reuşit să atingă asta, echipele care au ajuns la asemenea etapă fiind foarte puţine în lume. S-au făcut testări de pe lista de proceduri de siguranţă, exact ca la lansarea unor rachete. Toate valvele şi întrerupătoarele de siguranţă sunt trasate într-o cameră separată, numită camera de control, la o distanţă sigură de motor şi remorcă. Motorul era gata de marele test.

Prima încercare a produs o combustie scurtă, dar undele de detonare n-au fost atinse, după cum arătau senzorii. Studenţii au calculat cât propan şi cât oxigen a intrat în camera de combustie în acea secvenţă, au făcut calcule rapizi şi au determinat că propanul trebuie să acceadă un pic mai devreme în camera de ardere înainte de declanşarea combustiei.

Şi de această dată le-a reuşit. Au reuşit să atingă procesul dorit de combustie prin denotare rotativă, documentată de senzori şi de a o cameră video de mare viteză. Experimentul le-a reuşit.

Câţiva studenţi din anul III de facultate au reuşit ceea ce doar câteva echipe de ingineri de vârf din lume au putut-o face. Pentru ei, e ceva ce a început ca un proiect universitar, dar acum, odată ce au demonstrat practic că au putut crea acest motor funcţional, pot obţine fonduri universitate şi de stat de milioane pentru a putea duce acest motor la o versiune de producţie. Aplicaţiile sunt foarte multe, de la lansări de rachete în spaţiu până la avioane de o rapiditate nemaivăzută sau instrumente hipersonice necesare apărării. Şi apoi, aceşti studenţi tocmai au contribuit la progresul acestui tip de motor cu reacţie, RDE, pe care multe alte echipe încă-l calibrează şi testează.