Η Κίνα αναπτύσσει έναν επαναστατικό αεροστόμιο κινητήρα για μαχητικά αεροσκάφη και υπερηχητικούς πυραύλους επόμενης γενιάς. Η καινοτόμος σχεδίαση, που λειτουργεί συνεχώς από στατική εκκίνηση έως ταχύτητες άνω των Mach 6, ονομάζεται «κινητήρας ωστικής αντίστροφης περιστροφής» και αναμένεται να αντικαταστήσει τα συνδυασμένα συστήματα τουρμπίνας-ωστικής που χρησιμοποιούνται σήμερα σε πτήσεις υψηλής ταχύτητας.

Μετά από περισσότερες από τρεις δεκαετίες εργασίας, το πρωτότυπο του κινητήρα έχει ολοκληρωθεί και επαληθευτεί πειραματικά, σηματοδοτώντας ένα πιθανό βήμα προς μηχανικές εφαρμογές. Τα επόμενα βήματα περιλαμβάνουν την προσαρμογή του κινητήρα σε διάφορες πλατφόρμες αεροσκαφών και τη διεξαγωγή πραγματικών δοκιμών πτήσης, σύμφωνα με τους ερευνητές που συμμετέχουν στο έργο.

«Η ανάπτυξη κινητήρων νέας αρχής από την Κίνα θα αποτελούσε μια στρατηγική επιλογή για να σπάσει το δυτικό μονοπώλιο, ακόμη και να ξεπεράσει τη Δύση», δήλωσε ο Xu Jianzhong, ακαδημαϊκός της Κινεζικής Ακαδημίας Επιστημών (CAS), σε δημοσίευμα της China Science Daily νωρίτερα αυτόν τον μήνα.

Οι συμβατικές προσεγγίσεις για την υπερηχητική πτήση απαιτούν συνήθως δύο ξεχωριστά συστήματα πρόωσης: έναν κινητήρα τουρμπίνας για ταχύτητες κάτω από Mach 3 και έναν ωστικό κινητήρα για υψηλότερες ταχύτητες. Αυτή η διάταξη οδηγεί σε σημαντικό «νεκρό βάρος» όταν ένα σύστημα είναι ανενεργό και εισάγει τεχνικές προκλήσεις κατά τη μετάβαση λειτουργίας, λόγω των διαφορετικών συνθηκών ροής αέρα και καύσης, γεγονός που μπορεί να προκαλέσει αστάθεια, ιδιαίτερα κατά την ανάβαση ή τον ελιγμό.

Η νέα σχεδίαση, που αναπτύχθηκε από μια ομάδα με επικεφαλής τον Xu, αποκλίνει από τους συμβατικούς αεροκινητήρες, χρησιμοποιώντας δύο σετ πτερυγίων συμπιεστή που περιστρέφονται σε αντίθετες κατευθύνσεις. Οι συμβατικοί κινητήρες τουρμπίνας περιορίζονται γενικά σε ταχύτητες κάτω από περίπου Mach 3 – σύγχρονα μαχητικά όπως το F-22 και το J-20 λειτουργούν περίπου στα Mach 2 – ενώ οι ωστικοί κινητήρες δεν μπορούν να λειτουργήσουν σε χαμηλές ταχύτητες ή κατά την απογείωση.

Ο κινητήρας ωστικής αντίστροφης περιστροφής του Xu στοχεύει να ξεπεράσει αυτούς τους περιορισμούς, επιτρέποντας λειτουργία σε όλο το φάσμα ταχυτήτων χωρίς αλλαγή λειτουργίας, έναν πολυπόθητο στόχο στην αεροδιαστημική πρόωση, σύμφωνα με έκθεση του 2025 από συμπόσιο που πραγματοποιήθηκε στο Ινστιτούτο Μηχανικής Θερμοφυσικής της CAS.

Η ιδέα του συνδυασμού τεχνολογιών τουρμπίνας και ωστικού κινητήρα χρονολογείται από το τέλος του Β’ Παγκοσμίου Πολέμου, όταν Γερμανοί μηχανικοί ανέπτυξαν έννοιες τουρμπο-ωστικών. Ωστόσο, εκείνες οι πρώιμες σχεδιάσεις χρησιμοποιούσαν πτερυγίων τουρμπίνας που περιστρέφονταν στην ίδια κατεύθυνση, προκαλώντας σημαντικές υλικές και καταπονητικές προκλήσεις λόγω των σύνθετων περιστροφικών δυνάμεων.

Η βασική καινοτομία στη σχεδίαση του Xu έγκειται στον συμπιεστή αντίστροφης περιστροφής, όπου οι ρότορες υψηλής και χαμηλής πίεσης περιστρέφονται αντίθετα. Αυτή η διάταξη μειώνει την απόλυτη ταχύτητα περιστροφής που απαιτείται για κάθε ρότορα, διατηρώντας παράλληλα τη σχετική ταχύτητα, μειώνοντας έτσι τις φυγόκεντρες δυνάμεις στα πτερύγια και τους δίσκους.

«Τα πτερύγια του κινητήρα συνήθιζαν να περιστρέφονται προς την ίδια κατεύθυνση… Τώρα περιστρέφονται αντίθετα, κάτι που έχει βελτιώσει την απόδοση της περιστροφής. Σε συνδυασμό με την τεχνολογία σφράγισης, παρήχθη ο κινητήρας σφράγισης αντίστροφης περιστροφής», δήλωσε ο Xu στο κρατικό κανάλι CCTV το 2023. Ο κινητήρας αμφισβητεί επίσης μια μακροχρόνια παραδοχή στο σχεδιασμό αεροκινητήρων ότι τα κρουστικά κύματα πρέπει να ελαχιστοποιούνται· αντίθετα, η ομάδα τα αξιοποίησε για συμπίεση.

Η China Science Daily ανέφερε: «Ο πρωτότυπος συμπιεστής σφράγισης περιστροφής με ενισχυτή κρουστικών κυμάτων χαμηλής εντροπίας εξαλείφει τα πτερύγια καθοδήγησης μεταξύ των ρότορων υψηλής και χαμηλής πίεσης. Η ικανότητα ενίσχυσης των διπλών πτερυγίων ισοδυναμεί με αυτή των παραδοσιακών τεσσάρων έως έξι σταδίων, και τόσο το βάρος όσο και το μέγεθος μειώνονται σημαντικά».

Σύμφωνα με την εφημερίδα, ο Xu ξεκίνησε εστιασμένη έρευνα στην υπερηχητική πρόωση στα μέσα της δεκαετίας του 1990 και είχε περιγράψει την ιδέα του συμπιεστή-ωστικού αντίστροφης περιστροφής περίπου το 2000. Τότε, η Κίνα ήταν η μόνη χώρα μεταξύ των πέντε μόνιμων μελών του Συμβουλίου Ασφαλείας του ΟΗΕ που δεν μπορούσε να αναπτύξει ανεξάρτητα προηγμένους αεροκινητήρες. Μέχρι το 2009, η ομάδα είχε εξασφαλίσει θεσμική υποστήριξη, αλλά έπρεπε να κατασκευάσει πειραματικές πλατφόρμες από το μηδέν· σχεδόν μια δεκαετία αφιερώθηκε στην υπέρβαση βασικών εμποδίων στο σχεδιασμό των πτερυγίων.

Η τεχνολογία έχει σημαντικές επιπτώσεις τόσο στο σχεδιασμό αεροσκαφών όσο και πυραύλων. Για τους υπερηχητικούς πυραύλους, οι μειώσεις στο βάρος του κινητήρα μπορούν να μεταφραστούν σε αυξημένη χωρητικότητα καυσίμου, ωφέλιμο φορτίο, εμβέλεια ή ελιγμούς. Ένας ενιαίος κινητήρας ευρέος φάσματος ταχυτήτων απλοποιεί επίσης την ενσωμάτωση και εξαλείφει τους κινδύνους που σχετίζονται με την αλλαγή λειτουργίας πρόωσης.

Η Κίνα δεν είναι μόνη στην επιδίωξη νέων εννοιών αεροστόμιου κινητήρα. Τον Ιανουάριο, οι αμερικανικοί κολοσσοί GE Aerospace και Lockheed Martin ανακοίνωσαν ότι είχαν ολοκληρώσει δοκιμές ενός περιστροφικού πυροδοτικού ωστικού κινητήρα υγρών καυσίμων για υπερηχητικούς πυραύλους. Οι εταιρείες δήλωσαν ότι ο συμπαγής κινητήρας θα μπορούσε να επιτρέψει ταχύτερη πτήση μεγαλύτερης εμβέλειας με χαμηλότερο κόστος, επιτρέποντας την ανάφλεξη σε χαμηλότερες ταχύτητες και μειώνοντας την εξάρτηση από μεγάλους ενισχυτές.

Οι δύο προσεγγίσεις αντιμετωπίζουν παρόμοιες στρατηγικές προκλήσεις μέσω διαφορετικών τεχνικών διαδρομών. Ο κινητήρας ωστικής αντίστροφης περιστροφής του Xu επικεντρώνεται στη διαχείριση της ροής αέρα και τη συμπίεση, ενσωματώνοντας τα κρουστικά κύματα στη διαδικασία οικοδόμησης πίεσης μέσω μιας νέας δομής συμπιεστή. Αντίθετα, ο περιστροφικός πυροδοτικός ωστικός κινητήρας που αναπτύχθηκε από αμερικανικές εταιρείες επικεντρώνεται στην καύση, χρησιμοποιώντας κύματα πυροδότησης για να βελτιώσει την απόδοση σε υπερηχητικές και υπερηχητικές ταχύτητες.

Καμία από τις δύο τεχνολογίες δεν έχει ακόμη επιδειχθεί δημόσια ως ώριμο, ευρέως αναπτυσσόμενο σύστημα, αλλά η παράλληλη ανάπτυξή τους υπογραμμίζει τον εντεινόμενο ανταγωνισμό στην υπερηχητική πρόωση. Ενώ οι προσπάθειες των ΗΠΑ φαίνεται να δίνουν έμφαση σε συστήματα που βασίζονται στην πυροδότηση για πυραύλους, το έργο του Xu υποδηλώνει ότι η Κίνα επιδιώκει μια ευρύτερη αρχιτεκτονική κινητήρων που θα μπορούσε τελικά να τροφοδοτήσει τόσο επαναχρησιμοποιούμενα αεροσκάφη όσο και όπλα υψηλής ταχύτητας.