ד"ר ויקטור צ'רנוב - מחקר בנושא על-מגח עם דלק מוצק

מנועי מגח ועל-מגח הם מנועי הסילון נושמי אוויר הפשוטים ביותר שיש. המנוע מורכב משלושה חלקים עיקריים: כונס, תא שריפה ונחיר. התנאי לפעולה (והחסרון העיקרי) של מנועי מגח על סוגיהם הוא שהמנוע נמצא כבר בתנועה. האוויר נכנס למנוע דרך כונס, כשתוך כדי התהליך הוא מאט והלחץ והטמפרטורה שלו עולים. אחרי שהאוויר עבר בכונס, הוא מגיע לתא שריפה, שם הוא נשרף עם הדלק. לאחר השריפה, הגז החם מאיץ דרך הנחיר ובכך מספק דחף. נמצא שמנועי מגח יעילים במהירויות על-קוליות.

Ramjet schematics

במנוע מגח רגיל, הזרימה הנכנסת מאטה למהירות תת-קולית בתא השריפה. תהליך ההאטה של הזרימה גורם לעליה בטמפרטורה והלחץ של הזורם. בשלב מסויים, הזרימה הופכת חמה מדי, ומקשה על הוספת חום בתא השריפה. מנוע מגח מפסיק לספק דחף משמעותי במהירות של 4-5 מאך.

במהירויות גבוהות יותר התצורה של המנוע הופכת לתצורת על-מגח. במנוע זה הזרימה מאטה, אך היא עדיין נשארת על-קולית והשריפה מתבצעת במצב זה. הדבר הרבה יותר קשה לביצוע, כיוון שזרימה מהירה פירושה זמן שהייה קטן, מה שמקשה על שריפה יעילה. גם המבנה של המנוע משתנה - אין גל הלם אנכי (הקיים במנוע מגח רגיל), וגם הנחיר הוא לא מתכנס-מתבדר, אלא מתבדר בלבד. כמו כן, לרוב לא מתקיימת יותר הפרדה בין הנחיר לתא השריפה, אלא תה השריפה מתפקד גם כנחיר מתבדר.

מנוע על-מגח

למרות שבניה של מנוע על-מגח מאתגרת ורבים נכשלו בבנייתו והפעלתו, ישנן כמה הצלחות בתחום. ההצלחה האחרונה היא פרוייקט X-51 של חיל האוויר האמריקני. הפרויקט היה לפתח כלי טיס עם מנוע על-מגח. במאי 2013 התבצע הניסוי האחרון בתכנית בה כלי הטיס שוגר ממטוס B-52, הואץ על ידי טיל למאך 4.8, ולאחר מכן הפעיל את מנוע העל-מגח. בעזרת המנוע האיץ הכלי למאך 5.1 וטס, עדיין בעזרת המנוע, למשך 240 שניות. אחד ההישגים הבולטים בניסוי המוצלח הזה היה שהדלק עליו פעל המנוע היה דלק פחמימני (בניגוד למימן, שהוא דלק הבחירה עבור רוב העבודות בתחום). דלק פחמימני הוא דלק שטיפולו קל בהרבה מהמימן, אך שקשה משמעותית לקבל איתו שריפה יציבה. הפעלה מוצלחת עם דלק פחמימני מקרבת את מנועי העל-מגח לצד הפרקטי של מערכות ההנעה.

X-51

X-51, ופרויקטים רבים אחרים הם מנועים מבוססי דלק נוזלי. קיימת עוד אפשרות, בה הדלק הוא מוצק. בתצורה זו, הדלק הוא גם תא השריפה והנחיר. היתרון של התצורה הזאת הוא בפשטות, ובקלות ייצור המנוע - אין צורך במערכת הזרקה, במיכלים ובמערכות נוספות שקיימות במנועים נוזליים. הדלק המוצק הוא גם מבודד מצויין, ולכן מייתר את הצורך בקירור רוב חלקי המנוע.

הפרויקט בו אני עסקתי בטכניון עד תחילת שנת 2015 היה המשך של המחקרים שנעשו בקבוצה של פרופ' אלון גני בנושא על-מגח עם דלק מוצק. הדרך המקובלת לבחון את איכות הבעירה במנועים המיועדים למהירויות גבוהות הוא להזרים אליהם אוויר עם תכונות דומות לאוויר שעובר בכונס. זה מאפשר חיבור של המנוע למערכת ניסוי פשוטה יותר, ומוציא את הכונס, שיכול להיות גורם גדול של אי וודאות, מהניסויים. בעבר האוויר חומם במחמם אוויר מבוסס שריפה (Vitiated air heater). במחמם כזה, האוויר נשרף עם דלק כלשהו (מימן או פחמימן כלשהו), ונוסף אליו חמצן קר כך שהאחוז המולרי של החמצן בתערובת הגזים השרופים שווה לאחוז המולרי של החמצן באוויר. למחמם כזה שני חסרונות עיקריים. הראשון הוא שלא ניתן להגיע לטמפרטורות הגבוהות מ-1500 קלווין. החסרון השני הוא שהרכב האוויר שנכנס למנוע שונה מהרכב האוויר האמיתי, וזה יכול להשפיע על התהליכים במנוע.

במתקן הקשת החשמלית במעבדה לאוירותרמודינמיקה בטכניון שתי הבעיות לא קיימות. ניתן להגיע לטמפרטורות גבוהות מאוד (וטמפרטורוה היא שקובעות את מאך הטיסה המדומה, וניתן להגיע עד 5000 קלווין!), והאוויר מחומם על ידי חימום חשמלי, כך שהרכבו לא משתנה. על כן, ניסויי על-מגח במתקן זה יאפשרו תחום פעולה רחב יותר למנועים אלה.

מנוע על-מגח דו מימדי, תוכנן ויוצר בהצלחה, שלושה ניסויים מוצלחים דימו טיסות במאך 5.5 בגבהים שונים. התקבלה בעירה יציבה, ופרופיל לחץ שמעיד על יצירה של דחף במנוע. בימים אלה אני עוסק בכתיבת מאמר שידווח על הניסויים במלואם.

SolidSCRAM