Enjin ledakan denyut

Enjin ledakan denyut (pulse detonation engine – PED) atau juga dikenali sebagai "enjin gelombang ledakan berdenyut" (pulsed detonation wave engine) ialah sejenis sistem perejangan udara yang boleh beroperasi pada kelajuan subsonik hingga hipersonik. Secara teori reka bentuk PDE mampu menghasilkan enjin dengan keberkesanan pembakaran bahan api lebih tinggi berbanding reka bentuk yang lain, dengan sedikit bahagian bergerak. Keberkesanan pembakaran PDE mampu melepasi turbojet dan turbofan. Bagaimanapun, mustahil menambah kipas pintasan pada PDE (yang meningkatkan keberkesanan keseluruhan turbofan melepasi maksimum secara teori bagi enjin tanpa pintasan) menghadkan daya saing PDE kepada penggunaan di mana turbofan adalah tidak praktikal atau mustahil.

Sehingga hari ini, tiada enjin PDE sedia diguna telah dihasilkan, tetapi beberapa enjin ujian dasar telah dibina dan satu darinya telah berjaya disepadukan pada pesawat pertunjukan kelajuan rendah yang terbang berkuasa PDE pada 2008.

Pada Jun 2008, Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) menunjukkan Blackswift yang bertujuan menggunakan teknologi ini bagi mencapai kelajuan sehingga Mach 6. Bagaimanapun projek ini dibatalkan tidak lama kemudian, pada Oktober 2008. DARPA May 2009 notes on PDE

Konsep

Semua enjin jet biasa dan kebanyakan enjin roket beroperasi pada deflagrasi bahan api, iaitu, pembakaran bahan api yang pantas tetapi subsonik. Enjin ledakan denyutan adalah konsep pada masa ini dalam pembangunan aktif bagi mencipta enjin jet yang beroperasi pada ledakan supersonik bahan api.

Operasi asas PDE adalah sama seperti enjin jet denyut; udara dicampur dengan bahan api bagi menghasilkan campuran mudah terbakar yang kemudian dinyalakan. Pembakaran terhasil mengembang tekanan campuran pada sekitar 100 atmosfera (10 MPa), yang kemudian mengembang melalui bukaan bagi menghasilkan tujahan. Bagi memastikan bahawa campuran itu keluar ke belakang, dengan itu mendorong pesawat ke hadapan, satu siri penutup, tertutup pada masa yang tepat bagi memaksa udara bergerak pada satu arah sahaja melalui enjin.

Perbezaan utama antara PDE dan jetdenyut tradisi adalah campuran tidak melalui pembakaran subsonik tetapi sebaliknya, letupan supersonik. Dalam PDE, proses campuran oksigen dan bahan api berlaku pada kepantasan supersonik, secara efektif satu letupan dan bukannya pembakaran. Perbezaan lain adalah penutup shuter digantikan dengan injap lebih rumit. Dalam sesetengah reka bentuk PDE dari General Electric, penutup disingkirkan melalui jangka masa yang cermat, menggunakan perbezaan kawasan tekanan pada enjin bagi memastikan "tujahan" dibuang ke belakang.

Kesan sampingan utama perubahan pada kitaran adalah PDE lebih berkesan. Dalam jetdenyut fasa pembakaran menolak sejumlah besar campuran bahan api/udara (caj) keluar di belakang enjin sebelum ia mempunyai peluang untuk terbakar (dengan itu jejak berapi yang dilihat pada bom terbang V-1). Walaupun ketika dalam enjin isipadu campuran berubah secara berterusan, yang merupakan cara tidak berkesan bagi mebakar bahan api. Sebaliknya PDE sengaja menggunakan proses pembakaran kelajuan tinggi yang membakar keseluruhan caj ketika ia masih dalam enjin pada isipadu sekata. Ini meningkatkan keberkesanan pembakaran, contoh. jumlah haba yang dihasilkan bagi setiap unit bahan api, melebihi sebarang enjin lain, sungguhpun penukaran tenaga kepada tujahan kekal tidak berkesan.

Satu lagi kesan sampingan, belum lagi ditunjukkan dalam kegunaan pratikal, adalah tempoh kitaran. Jetdenyut tradisi memuncak sekitar 250 denyutan se saat disebabkan tempoh kitaran penutup mekanikal, tetapi matlamat PDE adalah beribu denyutan setiap saat, begitu pantas sehinggakan ia pada asasnya berterusan dari sudut pandangan kejuruteraan. Ini akan membantu melicinkan yang setidaknya enjin denyutan yang amat bergegar– banyak denyutan kecil kecil akan mencipta kurang isipadu berbanding sejumlah kecil bersaiz besar bagi tujuhan bersih yang sama. Malangnya, letupan adalah jauh lebih kuat berbanding pembakaran.

Kesulitan utama dengan enjin letupan-denyutan adalah memulakan letupan. Sungguhpun ia adalah mungkin bagi memulakan letupan dengan spark besar, jumlah input tenaga amat besar dan tidak boleh digunakan bagi enjin. Penyelesaian biasa adalah dengan menggunakan perantaraan pembakaran-ke-letupan ("deflagration-to-detonation transition - DDT)—iaitu, memulakan pembakaran bertenaga tinggi, dan memecutnya melalui tiub kepada titik di mana ia menjadi cukup pantas bagi membentuk letupan. Selain itu letupan boleh dihantar keliling dalam kitaran dan injap memastikan hanya kuasa puncak tertinggi dialirkan ke ekzos.

Proses ini adalah lebih sukar dari digambarkan, kerana rintangan kepada pertembungan gelombang hadapan yang mara ("advancing wavefront encounters") (sama seperti seretan gelombang). DDT berlaku lebih mudah sekiranya terdapat halangan pada tiub. Yang paling meluas digunakan adalah "pilin Shchelkin", yang direka bagi mencipta riak paling berguna dengan rintangan paling kecil kepada pergerakan campuran bahan api/udara/ekzos. Riak ini mendorong kepada api membahagi kepada banyak medan, sesetengah pergi kebelakang dan berlanggar dengan medan lain, dan kemudian melonjak ke hadapan melampaui mereka.

Kelakuan ini sukar dimodel dan dijangka, dan penyelidikan masih berterusan. Sama seperti jet denyut biasa, terdapat dua jenis reka bentuk: injab dan tanpa injab. Reka bentuk dengan injap menghadapi isu haus yang sukar untuk ditangani sama seperti jet denyut yang sama. Rekabentuk tanpa injap biasanya bergantung kepada aliran udara luar biasa bagi memastikan aliran satu hala, dan amat sukar untuk dicapai dengan halangan DDT biasa.

NASA mengekalkan program penyelidikan bagiPDE, yang ditujukan bagi sistem pengangkutan awam, kelajuan tinggi sekitar Mach 5. Bagaimanapun kebanyakan penyelidikan PDE adalah bersifat ketenteraan, kerana enjin ini boleh digunakan bgi membangunkan generasi baru pesawat pengintip berkelajuan tinggi, jarak jauh yang akan terbang cukup tinggi bagi berada di luar pertahanan anti-pesawat masa kini, sementara menawarkan jarak jauh melebihi SR-71, yang memerlukan sokongan angkatan pesawat tangki besar bagi menyokong kegunaannya beroperasi.

Sungguhpun kebanyakan penyelidikan adalah berkenaan regim kelajuan tinggi, reka bentuk baru dengan kadar denyutan lebih tinggi pada beratus ribu kelihatannya bertindak dengan baik sungguhpun pada kelajuan subsonik. Sementelah rekabentuk enjin tradisi sentiasa mempunyai tolak ansur yang menghadkan mereka pada jarak "kepantasan terbaik", PDE kelihatannya melepasi prestais kesemuanya pada semua kelajuan. Ke dua-dua Pratt & Whitney dan General Electric kini memiliki program penyelidikan PDE aktif dalam cubaan memperdagangkan rekabentuk ini.

Kesukaran utama bagi enjin letupan denyut adalah mencapai DDT tanpa memerlukan tiub sukup panjang yang menjadikannya ia tidak boleh digunakan dan mengenakan heretan pada pesawat; mengurangkan bunyi (sering kali digambarkan sebagai jackhammer); dan mengurangkan getaran hebat yang disebabkan operasi enjin.

Penerbangan berkuasa PDE pertama

Gambar penerbangan Rutan Long-EZ berkuasa letupan denyutan, dan diubahsuai dengan banyaknya, pada 3 Januari 2008.

Penerbangan pertama pesawat berkuasa enjin letupan denyut berlaku di Mojave Air & Space Port pada 31 Januari 2008. Projek ini dibangunkan oleh Air Force Research Laboratory and Innovative Scientific Solutions, Inc. Pesawat dipilih bagi penerbangan adalah Scaled Composites Long-EZ yang banyak diubah suai, digelar Borealis. Enjin terdiri daripada empat tiub menghasilkan letupan denyut pada frekuensi80 Hz, menghasilkan tujahan sehingga 200 paun (890 newton). Banyak jenis bahan api dinilai dan diuji oleh pembangun enjin pada tahun kebelakangan, tetapi octane diperkaya telah digunakan bagi penerbangan ini. Sistem roket kecil telah digunakan bagi membantu Long-EZ berlepas, tetapi PDE beroperasi dengan kuasanya sendiri selama 10 saat pada altitude sekitar 100 kaki (30 m). Jelas penerbangan ini berlangsung pada kelajuan rendah sementara tarikan konsep enjin PDE adalah pada kelajuan tingginya, tetapi pertunjukkan ini menunjukkan bahawa PDE boleh disepadukan pada rangka pesawat tan[a mengalami masalah sturktur dari gelombang letupan 195-200 dB. Tiada penerbangan lanjut dirancang bagi Long-EZ diubah suai, tetapi kejayaannya jelas menggalakkan lebih banyak pembiayaan bagi penyelidikan PDE. Pesawat itu sendiri telah dialih ke National Museum of the United States Air Force bagi pameran.

Budaya popular

• In the sci-fi novel Aelita (1923), two Russians travel to Mars in a pulse detonation rocket utilizing "a fine powder of unusual explosive force" (p. 19).
• In the drama television series JAG, the Season Nine episode "The One That Got Away" (original air date October 17, 2003) features the Aurora — which, in the show is a super-secret hypersonic aircraft under development by the CIA, that uses a pulse-detonation engine.
• In the movie Stealth (2005), the advanced fighters use pulse-detonation engines with scramjet boosters.
• The PDE has been used as a story point in a number of modern novels such as Dan Brown's thriller, Deception Point (the second page of the book states that all technologies in the story are non-fictional and exist, albeit without referencing any sources), and Victor Koman's science fiction polemic, Kings of the High Frontier.
• In X-COM, the Interceptor is equipped with a PDE, however even this huge propulsion force is inferior compared to the alien Gravity Wave Engines.

Lihat juga

• Skramjet
• Perejangan denyutan nuklear

Pautan luar

• Innovative Scientific Solutions Inc.
• Pulse Detonation Engines
• Popular Science Diarkibkan 2006-03-13 di Wayback Machine
• 1952 Pulse Detonation Jet Propulsion Patent by William Bollay
• Apparatus powered using laser-supplied energy, US patent Issued on August 6, 1996 Boyd B. Bushman Diarkibkan 2013-06-01 di Wayback Machine
• (Video) The high detonation temperature inside the tube of an experimental PDE causes the seals to heat up and catch fire.
• (Video) An experimental PDE operating with a detonation frequency of 1 Hz where the pulses are clearly defined.
• (Video) An experimental PDE operating with a detonation frequency of 25 Hz.
• 2-D pulse-detonation engine simulation
• Fox News report on the Blackswift