Silniki strumieniowe - napęd statków hipersonicznych

Kontynuując w pewnym sensie mój wpis sprzed 3 dni, na temat silników turbowentylatorowych (https://steemit.com/polish/@lokibalboa/silnik-odrzutowy-czyli-turbowentylatorowy-dzialanie), oraz nawiązując do artykułu @glodniwiedzy, na temat broni hipersonicznej (https://steemit.com/pl-technologia/@glodniwiedzy/lockheed-martin-zbuduje-bron-hipersoniczna-dla-armii-usa), opiszę dzisiaj wam zasadę działania silników strumieniowych.

Silniki strumieniowe z samego założenia, należą do bardzo prostych konstrukcji - nie ma w nich ruchomych części. Z grubsza opisując temat, jest to rura o zmiennym przekroju wewnętrznym. Prostota rozwiązania powoduje niestety, że do pracy tych silników potrzebna jest znaczna prędkość początkowa statku latającego - bez tego kryterium napęd nie będzie działał.

Można wyróżnić dwa podstawowe rodzaje silników strumieniowych:

• Ramjet - jest to standardowy silnik strumieniowy, w którym przepływ gazów jest poddźwiękowy (za wyjątkiem dyszy wylotowej)
• Scramjet - jest to rozwinięcie silnika typu ramjet, a prędkość przepływu gazów wewnątrz silnika jest naddźwiękowy, z naddźwiękową komorą spalania

Schematy silników Ramjet oraz Scramjet:

O co chodzi, gdy piszę o poddźwiękowym lub naddźwiękowym przepływie wewnątrz silnika?
Przykładem mogą tutaj być silniki stosowane w myśliwcach naddźwiękowych - pomimo faktu, że samolot porusza się z prędkością naddźwiękową, przepływ przez silnik ma miejsce z prędkościami niższymi niż prędkość dźwięku. Dzieje się tak, ponieważ na wlocie powietrza do silnika wytwarzają się fale uderzeniowe. Przed falą uderzeniową prędkość powietrza jest wyższa od prędkości dźwięku. Zaś po drugiej stronie fali uderzeniowej już poniżej 1Ma. W tym celu stosuje się między innymi dysze wlotowe, które mają centralnie wystający szpic generujący fale uderzeniowe - jak na rysunku poniżej - dysza wlotowa silnika ramjet. Kolorem czerwonym zaznaczone fale uderzeniowe. Prędkości powyżej dźwięku (Ma>1) oraz poniżej (Ma<1) również oznaczone.

Zatem w silniku Ramjet, który porusza się z prędkością powyżej prędkości dźwięku, po przejściu przez dyszę wlotową powietrze porusza się z prędkością niższą, niż dźwięk. Sprężanie powietrza następuje wyłącznie w wyniku zmniejszania się przekroju wlotu, a wraz ze sprężaniem rośnie jego temperatura a maleje prędkość przepływu. Po przejściu procesu sprężania, powietrze trafia na dyfuzor i wlatując do komory spalania miesza się z paliwem po czym zostaje spalone na stabilizatorach płomienia (przepływ jest zbyt szybki, aby płomień mógł się utrzymać bez stabilizacji). Następnie spaliny trafiają na dyszę zbieżno-rozbieżną, w której ma miejsce przyspieszanie przepływu do prędkości naddźwiękowej, wyższej niż prędkość z jaką porusza się statek powietrzny.
Silnik Ramjet został zastosowany w samolocie Lockheed SR-71 Blackbird, w którym połączono go z silnikiem turbinowym - po przekroczeniu prędkości dźwięku, silnik turbinowy płynnie przechodził do pracy silnika strumieniowego za pomocą zmiennej trajektorii przepływu powietrza do oddzielnych kanałów.

Silnik Scramjet jako ewolucja silnika Ramjet, pracuje z prędkościami przepływu wyższymi niż prędkość dźwięku - tutaj nie zachodzi zjawisko mijania przez falę uderzeniową wlotu powietrza (pokazane na rysunku powyżej). Powoduje to, że cały przepływ jest naddźwiękowy. Sprężanie również zachodzi dynamicznie na zmniejszaniu przekroju wlotu. Silnik Scramjet nie posiada klasycznego dyfuzora pokazanego na schemacie silnika Ramjet - spalanie zachodzi przy prędkościach naddźwiękowych zaraz po dodaniu paliwa do sprężonego powietrza. Komora spalania płynnie przechodzi w dyszę rozbieżną. Na całej długości przepływu następuje silny wzrost temperatury gazów.
Silniki Scramjet są wykorzystywane do uzyskiwania prędkości hipersonicznych.