Επιστήμονες στην Κίνα έχουν αναπτύξει ένα επαναστατικό λογισμικό που μπορεί να προσομοιώσει πλήρως την ακραία φυσική της καύσης καυσίμων σε υπερηχητικές ταχύτητες, σε μόλις μία εβδομάδα. Μέχρι πρότινος, μια παρόμοια εργασία απαιτούσε χρόνια επεξεργασίας από έναν υπερυπολογιστή, όπως δήλωσαν οι ίδιοι.
Η νέα αυτή τεχνολογία, που αναπτύχθηκε από ερευνητική ομάδα με επικεφαλής τον Yao Wei στο Ινστιτούτο Μηχανικής της Κινεζικής Ακαδημίας Επιστημών, χρησιμοποιήθηκε για τη διεξαγωγή μιας προσομοίωσης εξαιρετικά υψηλής πιστότητας ενός κινητήρα scramjet, όπου η καύση συμβαίνει σε υπερηχητική ροή αέρα. Η προσομοίωση μοντελοποίησε τις εσωτερικές δυναμικές του κινητήρα σε εκατοντάδες εκατομμύρια υπολογιστικά κελιά – πάνω από 20 φορές την ανάλυση που συνηθίζεται στην τρέχουσα παγκόσμια έρευνα. Παρά την εκπληκτική πολυπλοκότητα, η πλήρης προσομοίωση ολοκληρώθηκε σε μόλις επτά ημέρες.
Αυτή η τεχνολογία προσομοίωσης έχει προσφέρει κρίσιμη υποστήριξη για τον σχεδιασμό μοντέλων σε ένα απόρρητο εθνικό έργο, σύμφωνα με δημοσίευμα στην ιστοσελίδα του Ινστιτούτου Μηχανικής τον Ιανουάριο. Μέσα σε μόλις έξι χρόνια, από το ντεμπούτο του DF-17 το 2019 – το πρώτο επιχειρησιακό όχημα υπέρ-γλίστρησης παγκοσμίως – μέχρι το 2025, η Κίνα έχει εξοπλίσει ένα πλήρες φάσμα υπερηχητικών όπλων. Δύο μοντέλα που τροφοδοτούνται από τον αέρα είναι ιδιαίτερα αξιοσημείωτα: ο υπερηχητικός πύραυλος κατά πλοίων YJ-19, που μπορεί να εκτοξευτεί από πολεμικό πλοίο ή υποβρύχιο, και ο πύραυλος κρουζ μεγάλου βεληνεκούς CJ-1000, ικανός να πλήξει στόχους ξηράς, θάλασσας, ακόμη και αέρα από χιλιάδες χιλιόμετρα μακριά.
Γενικά, οι υπερηχητικοί πύραυλοι κρουζ που τροφοδοτούνται από τον αέρα χρησιμοποιούν τεχνολογία scramjet για να πετούν με ισχύ καθ’ όλη τη διάρκεια του ταξιδιού τους. Σε σύγκριση με τους πυραύλους τύπου “boost-glide”, είναι μικρότεροι, ταχύτεροι και δυσκολότεροι να αναχαιτιστούν. Οι Ηνωμένες Πολιτείες ξεκίνησαν την έρευνα για την υπερηχητική τεχνολογία που τροφοδοτείται από τον αέρα ήδη από τη δεκαετία του 1950, αλλά δυσκολεύτηκαν να την κάνουν να λειτουργήσει.
Για την υπερηχητική πτήση κοντά στο διάστημα – δηλαδή οτιδήποτε ταξιδεύει με Mach 5 ή ταχύτερα – τα scramjets είναι πιο αποδοτικά και επαναχρησιμοποιήσιμα από τους πυραυλοκινητήρες ή τους κινητήρες turbojet. Οι κινητήρες λειτουργούν συμπιέζοντας τον εισερχόμενο αέρα μέσω κρουστικών κυμάτων που δημιουργούνται στην εισαγωγή. Ωστόσο, σε ακραίες ταχύτητες, η έντονη θερμότητα και πίεση μεταβάλλουν φυσικά τον ίδιο τον αέρα, προκαλώντας δονήσεις, διάσπαση μορίων ή ιονισμό. Αυτές οι αλλαγές, γνωστές συλλογικά ως φαινόμενα θερμικής και χημικής μη ισορροπίας, μπορούν να διαταράξουν τη συμπίεση, την ανάφλεξη και την ώση.
Μεγάλο μέρος της έρευνας του τελευταίου μισού αιώνα βασιζόταν στην υπόθεση ότι η εισερχόμενη ροή αέρα βρίσκεται σε κατάσταση ισορροπίας, μια απλοποίηση που μπορεί να οδηγήσει σε αποκλίσεις μεταξύ των υπολογιστικών αποτελεσμάτων και των πειραματικών δεδομένων, ακόμη και σε ανακρίβειες στην πρόβλεψη των καθυστερήσεων ανάφλεξης.
Ενώ ο τύπος του καυσίμου – υδρογόνο έναντι υδρογονανθράκων – είναι γνωστό ότι επηρεάζει σημαντικά αυτά τα φαινόμενα μη ισορροπίας, η έρευνα για υδρογονάνθρακες όπως η αιθυλενίου υπό τέτοιες συνθήκες υπήρξε σπάνια, κυρίως λόγω του υψηλού υπολογιστικού κόστους μοντελοποίησης πολύπλοκων χημικών αντιδράσεων. Για να αποτυπωθούν τα περίπλοκα φαινόμενα σε μικροκλίμακα, η ομάδα του Yao ανέπτυξε ένα μοντέλο “Dynamic Zone Flamelet Model” (DZFM) για θερμοχημική μη ισορροπία, σε συνδυασμό με το “Zonal Non-equilibrium Model” (ZNM). Τα ευρήματά τους δημοσιεύτηκαν στο τεύχος Μαρτίου του περιοδικού Combustion and Flame.
Για επαλήθευση, η ομάδα πραγματοποίησε μια τεράστια προσομοίωση του κινητήρα HyShot II, ενός πειράματος πτήσης scramjet, χωρίζοντας το εσωτερικό του σε 221 εκατομμύρια μεμονωμένα κελιά. Η θερμοκρασία, η πίεση, η ταχύτητα και οι χημικές αντιδράσεις κάθε κελιού υπολογίστηκαν με ακρίβεια. Αυτό το επίπεδο λεπτομέρειας αντιπροσώπευε μια σημαντική πρόοδο σε σχέση με τα λιγότερα από 10 εκατομμύρια κελιά που χρησιμοποιούνται συνήθως στην παγκόσμια έρευνα. Τα αποτελέσματα ήταν εκπληκτικά. Μια προσομοίωση τέτοιας πολυπλοκότητας θα χρειαζόταν κανονικά χρόνια για να ολοκληρωθεί. Το νέο μοντέλο την ολοκλήρωσε σε μόλις 168 ώρες, δηλαδή μία εβδομάδα.
Τα ευρήματα έχουν άμεσες, απτές συνέπειες για τον σχεδιασμό πυραύλων. Η μελέτη διαπίστωσε ότι, υπό πραγματικές συνθήκες μη ισορροπίας, τόσο η απόδοση καύσης όσο και η καθαρή ώση ήταν χαμηλότερες. Οι παραδοσιακές υποθέσεις ισορροπίας μπορεί να υπερεκτιμούν την απόδοση του κινητήρα. Σε μία περίπτωση δοκιμής με καύσιμο υδρογόνο, οι συνθήκες μη ισορροπίας προκάλεσαν μείωση της απόδοσης κατά 8,9% και της ώσης κατά 21,6%. Αναγνωρίζοντας πού τα παλαιότερα μοντέλα ήταν υπερβολικά αισιόδοξα, το λογισμικό επιτρέπει στους μηχανικούς να βελτιώσουν την έγχυση καυσίμου, τη γεωμετρία του θαλάμου καύσης και τα συστήματα ψύξης. Αυτό, τελικά, θα μπορούσε να οδηγήσει σε κινητήρες που δεν είναι μόνο ταχύτεροι, αλλά και βιώσιμοι για αξιόπιστη πτήση με ισχύ.
