Eksempler på luftfartøyformer som er konstruert for hypersonisk flyging. Illustrasjon: SpaceX
annonse
annonse

I disse tider med oppmerksomheten rundt SpaceX og deres nye rakett Falcon Heavy (artikkel om bl.a. dette selskapets planer kommer senere) kan det være relevant å forklare litt om forskjellene mellom disse begrepene, særlig sett i forhold til utviklingen av luftfartøy generelt. Kort oppsummert betyr subsonisk hastigheter opp til men under lydens hastighet i luft, som betegnes Mach 1, mens supersonisk er over Mach 1 til Mach 5. Hastigheter over dette betegnes som hypersonisk. Unnslippings-hastighet fra jordens gravitasjonsfelt oppnås ved en hastighet på ca. Mach 25.

Ved havoverflaten er Mach 1 ca. 1.220 km/time. Den er synkende med lavere lufttrykk, dvs. i stigende høyde. Ved Mach 1 møter man den såkalte lydmuren, som selvfølgelig ikke er en mur, men ved den hastigheten vil luftmolekylene ved fly-nesen ikke «få tid til» å spre seg. De presses sammen til en, egentlig to, sjokkbølger. Disse bølgene møter bakken med to raskt etterfølgende «drønn». Sjokkbølgene rundt luftfartøyet krever en spiss form, slik at rorene kan «få tak» i luften og fungere (forenklet fremstilling).

Dagens trafikkfly har alle en hastighet under Mach 1, dvs. at de er subsoniske, selv om de nyeste, f.eks. Boeing 787 har maks hastighet like under denne grensen. Det nå utfasede passasjerflyet Concorde, et britisk-fransk samarbeidsprosjekt, fløy første gang i 1969, siste gang i 2003, og hadde en marsj-fart på ca. Mach 2,2 – en strålende teknisk prestasjon.

annonse

Alle problemene med jetmotorers hastighetsbegrensninger elimineres ved å benytte rakettmotorer, som egentlig fungerer som kontrollerte eksplosjoner. Den helt store ulempen er imidlertid at motorene også må bringe med seg sitt oksygen, mens jetmotorene henter det fra luften, med den følge at selv de mest langvirkende rakettmotorene kan være i drift i bare noen få minutter (romfergens hovedmotorer i ca. 8 minutter). Derfor pågår det en storstilet forskning og utvikling rundt jetmotorer – dvs. ramjet- og scramjet-motorer – som kan fungere opp til hypersoniske hastigheter.

Det eneste kjente fullt ut fungerende fly med en motor som opererte både som en turbin-jetmotor og en ramjet var SR-71 “Blackbird“, et amerikansk rekognoseringsfly som ble bygget i bare 32 eksemplarer, og var operativt fra 1964 til 1998. Maksimal, og samtidig den mest effektive hastighet, var Mach 3,2 i 21 km høyde.

Det kan egentlig betegnes som oppsiktsvekkende at disse to eksemplene på spissteknologi innen luftfartøyer er 50 år gamle. De er for lengst tatt ut av drift, og ingen erstatninger er i sikte innen en planleggbar tidshorisont! Det vises her til min artikkel «Er teknologiske fremskritt (nesten) ved veis ende?» fra 4.10 2017.

annonse

Ved en hastighet på over Mach 2,5 synker selv de mest avanserte turbin-jetmotorenes effekt, og her er det ramjet-motoren som overtar. Denne motortypen krever en betydelig hastighet av luftfartøyet før den kan «tenne» og så gi netto skyvekraft. Hastigheten av luftstrømmen inn mot motoren må reduseres til subsonisk hastighet for at dette skal skje. Motortypen er i praksis en integrert del av et flys underside, den har ingen bevegelige deler. Luftinntaket er som en trakt som effektivt komprimerer luften. Denne blandes med brennstoff, blandingen tennes og gir trykkraft.

Ved hastigheter som nærmer seg Mach 5 – betegnet hypersonisk – vil ikke tilstrekkelig oppbremsing av luft til motoren lenger være mulig. Da kommer man inn i scram-jet motorens område, dvs. at luften inn i brennkammerområdet fremdeles har supersonisk hastighet. Her er det en fysisk situasjon som er meget vanskelig å kontrollere. For det første vil den sterke reduksjonen av hastighet medføre en dramatisk temperaturøkning som skaper alle slags problemer. Et av dem er utfellingen av vannmolekyler ved avkjølingen, som må fjernes før forbrenningen. Et annet er at motorens brennkammerdeler må kjøles meget effektivt. Det er også et stort problem å opprettholde forbrenningen – brennstoffet må tennes og forbrennes fullstendig i løpet av meget få millisekunder. Denne motortypen krever nær en hypersonisk hastighet på luftfartøyet før den «tenner», og den gir heller ikke særlig stor netto skyvekraft. Det er mulig å benytte en kombinert ramjet- og scramjet-motor, men i praksis benyttes en rakettmotor for å dytte luftfartøyet opp i nødvendig hastighet.

Alle disse teknologiske problemene har som man kunne forvente medført en heller langsom utvikling av scramjet motorene. Som det er uttalt: i flere tiår er det spådd at denne teknologien bli praktisk anvendelig «innen fem år», men vi er fremdeles i en typisk testfase. De beste resultatene av motortester er i droner som er akselerert ved hjelp av en rakettmotor, og hvor en scramjet-motor så overtar. Det er mye hemmelighold rundt slike prøver, men en motorvarighet på opp til 10 minutter og hastighet opp til Mach 10, i ca. 30 km høyde er en bra gjetning.

Det ultimate målet for motortestingen er èn motor med alle bruksformer, fra turbojet til ramjet så til scramjet, og hvis et romfartøy, til slutt en rakettdrift – i en og samme konstruksjon – kanskje man kommer dit om lenge. Og hvorfor bedrives denne meget lange og meget kostbare testingen? Svaret er tredelt. Det første er konstruksjon av droner med en hastighet og flyhøyde som gjør dem nesten – men bare nesten – usårbare. Hvis dette lykkes, vil etter hvert alle ha slike våpen og man er like langt – eller helst like kort. Det andre er den fuktige drømmen om passasjerfly som kan fly hvor som helst på kloden på en time eller to, mens man foreløpig strever med å få frem en «lillebror» til Concorde. Det tredje er håpet om en single-stage-to-orbit fly/romskip, som tar av fra en flyplass og ved hjelp av alle tre bruksområdene for jetmotoren og til slutt når verdensrommet ved hjelp av den innebyggede rakettmotoren.

Tegn abonnement eller støtt oss på andre måter hvis du ønsker at Resett skal bestå som en motvekt til de etablerte og statsstøttede mediene i Norge.

Vipps 124526
Bankkonto 1503.94.12826
SMS “Resett” (200,- en gang) til 2474

annonse
Utskriftsvennlig versjon Utskriftsvennlig versjon