Impulszündsysteme im Nanosekundenbereich für zuverlässige Überschallverbrennung

Feb 18, 2024

Einführung

Die Aufmerksamkeit und der Aufwand für die Forschung und Entwicklung von Hyperschallflugzeugen, die mit mehrfacher Schallgeschwindigkeit fliegen können, haben in den letzten Jahren erheblich zugenommen. Eine fiktive Darstellung eines realen Stammbaums (Der unbemannte SR-72 des Advanced Development Program von Lockheed Martin wurde 2017 angekündigt ) spielte sogar eine bedeutende Rolle im Sommer-Blockbuster Top Gun: Maverick im Wert von über 1 Milliarde US-Dollar aus dem Jahr 2022. Für Hyperschallflüge konzipierte Triebwerke finden revolutionäre Anwendungen in der nationalen Sicherheit als fortschrittliche Hyperschallwaffen, in der Weltraumforschung als wiederverwendbare Stufen für den Zugang zur erdnahen Umlaufbahn und in der kommerziellen Luftfahrt als schnelle Langstreckenmethoden für den Lufttransport von Passagieren rund um den Globus.

Eine große Herausforderung beim Hyperschallflug sind Flammenausschläge. Ein Flammenausfall ist der Verlust des Vortriebs aufgrund des Erlöschens der Flamme in der Brennkammer des Triebwerks, was aus vielen Gründen auftreten kann, darunter Kraftstoffmangel, übermäßige Höhe, starke Niederschläge oder unglaublich niedrige Umgebungstemperaturen. Frühe Strahltriebwerke neigten aufgrund von Störungen des Einlassluftstroms oder plötzlichen Bewegungen des Schubhebels zum Flammenausfall, was zu falschen Luft-Kraftstoff-Verhältnissen in der Brennkammer führte. Moderne Motoren sind robuster und werden oft digital gesteuert, was eine wesentlich effektivere Steuerung aller Motorparameter ermöglicht, um Flammenausfälle zu verhindern und sogar einen automatischen Neustart einzuleiten, wenn es zu einem Flammenausbruch kommt.

Bei Hyperschallflugzeugen sind die Herausforderungen beim Wiederzünden jedoch größer, da die durch die Brennkammer strömende Luft unglaublich schnell ist, in größeren Höhen fliegt und der Luftwiderstand verringert ist, der zum Erreichen der maximalen Fluggeschwindigkeit erforderlich ist.

Je schneller wir fahren, desto schwieriger ist es, uns zu entzünden

EntsprechendNASA Sobald ein Flammendurchschlag aufgetreten ist, ist es wichtig, den Motor so schnell wie möglich wieder anzuzünden. Allerdings sind die Bedingungen, die den Flammendurchschlag verursacht haben, die gleichen, die ein erneutes Anzünden erschweren. Der erste Schritt besteht darin, in niedrigere Höhen abzusteigen, die für das Wiederanzünden günstiger sind. Dies kann je nach Mission ein Problem sein. Um ein Wiederzünden zu versuchen, werden Zündkerne – Taschen mit hohem Energiefluss und freien Radikalen – durch Zünden des Motorzünders in die Brennkammer eingeführt. Der Kern entwickelt sich zu einer Flammenfront und erreicht schließlich eine Flammenstabilisierung oder ein Erlöschen, abhängig vom Anfangszustand des Kerns und der turbulenten Strömungsentwicklung. Die starke turbulente Strömung in Kombination mit der Zuverlässigkeit, den Zündfunken zur Entladung zu bringen, machen das Wiederzünden des Motors zu einer Herausforderung.

Bei fortgeschrittenen Triebwerken wie Scramjets werden diese Probleme beim Wiederzünden noch verschärft. Ein Scramjet (Supersonic Combustion Ramjet) ist eine Variante eines Staustrahltriebwerks, bei dem die Verbrennung im Überschallluftstrom erfolgt. Der Luftstrom wird dynamisch durch ein Ansaugsystem komprimiert, das keine rotierenden Elemente erfordert, und der Brennstoff und das Oxidationsmittel werden unter Überschallgeschwindigkeitsbedingungen in der Brennkammer verbrannt. Bei so hohen Geschwindigkeiten passen Misch- und Verbrennungsprozesse jedoch nicht ohne weiteres in die Brennkammerlänge, da die Gesamtverweilzeit, die den Reaktanten zum Verbrennen zur Verfügung steht, bei durchgehender Überschallströmung typischerweise einen Bruchteil einer Millisekunde beträgt. Der Brennstoff, der über eine separate Öffnung in die Brennkammer eingespritzt wird, muss auf molekularer Ebene mit dem im angesaugten Luftstrom vorhandenen Sauerstoff vermischt werden, damit chemische Verbrennungsreaktionen stattfinden können. Daher muss ausreichend Verweilzeit vorgesehen werden, damit großräumige turbulente Strukturen in Scherschichten wachsen und zu kleineren Wirbeln kaskadieren können, die eine mikroskalige Vermischung zwischen den Reaktanten auslösen. Bei Überschallgeschwindigkeit kommt es zu einer Abschwächung dieser Wachstumsrate aufgrund von Kompressibilitätseffekten, die die erforderliche Durchmischung verlangsamen. Schließlich verbrennen der Brennstoff und das Oxidationsmittel beim Mischen in einer chemischen Reihenfolge.

Kurz gesagt, die Herausforderung der Überschallverbrennung in Scramjets ist so schwierig wie das Anzünden eines Streichholzes in einem Zyklon.

Wissenschaft direkt sagt, dass eine zuverlässige Zündung der Schlüssel zum effizienten und sicheren Betrieb von Verbrennungssystemen ist. Beobachtungen von Zündkernen, die nach der Zündung, aber vor der Entwicklung einer sich frei ausbreitenden Flamme auftreten, können Aufschluss über die Phänomene geben, die über den Erfolg eines Zündversuchs entscheiden. Zündsysteme mit Nanosekunden-Pulsleistung erweisen sich im Vergleich zu herkömmlichen Funkenentladungen als wirksamer bei der Erhöhung der Zündwahrscheinlichkeit und der Kernwachstumsrate bei hoher Energieeffizienz. Bei diesem Ansatz wird Energie nur während der Durchbruchsphase der Entladung deponiert, was zu einer effizienteren Energienutzung sowie zu unterschiedlichen kinetischen Wegen für den Ablauf der Induktionschemie führt.

Nanosekunden-Pulsleistungszündsysteme

Das Nanosekunden-Pulsleistungszündsystem wird von Transient Plasma Systems (TPS) mit Sitz in Torrance entwickelt, einem Spin-off der University of Southern California. TPS wurde als Reaktion auf einen dringenden Bedarf des Verteidigungsministeriums (DoD) an einem zuverlässigen inländischen Lieferanten von kundenspezifischen gepulsten Stromversorgungssystemen mit hoher Spannung, hohem Strom und niedriger Durchschnittsleistung und hoher Wiederholungsrate gegründet. TPS trat 2009 mit Produkten für Laboranwendungen und Grundlagenforschung für Kunden im Verteidigungsministerium und der Luft- und Raumfahrtindustrie in den kommerziellen Markt ein. TPS hat Risikokapital eingesetzt, um seine Zündsystemtechnologie als Reaktion auf die Nachfrage im kommerziellen Sektor zu entwickeln.

Wie der Name schon sagt, erzeugt das Nanosecond Pulsed Power Ignition System schnell ansteigende (0-5 ns Anstiegszeit) Hochspannungsimpulse mit kurzer Dauer (10-15 ns), wie in Abb. 1 unten dargestellt. Diese Nanosekundenimpulse können Energie sehr effizient auf ein Kraftstoff-Luft-Gemisch übertragen und so ein reich ionisiertes Luft-Kraftstoff-Gemisch erzeugen.

Typische Nanosekunden-Pulsparameter

Wie in Abb. 2 dargestellt, können die Impulse mit unterschiedlichen Frequenzen (Pulse Repetition Rates (PRF)) im Bereich von einigen Hz bis zu 100 kHz wiederholt werden. Darüber hinaus können die Impulse in Schüben abgegeben werden.

Das gepulste Nanosekunden-Zündsystem verfügt über drei Hauptwege, die die Verbrennung beeinflussen.

(1) Verbesserte Chemie. Das ist die Essenz von Nanosekundenimpulsen. Schnell ansteigende Impulse sind bei der Ionisierung von Gasen von Natur aus effizienter. Durch die Nanosekundenimpulse angeregte Elektronen kollidieren mit den gaserzeugenden, chemisch reaktiven Spezies, die den Verbrennungsprozess katalysieren, die Zündung verbessern und die Verbrennung stabilisieren.

(2) Volumetrischer Einfluss. Die Elektrodengeometrie kann das Volumen des Luft-Kraftstoff-Gemisches beeinflussen, das gezündet werden kann. Durch die räumliche Verteilung des Plasmas kann eine einzelne Streamer-Entladung auf ein großes Volumen einwirken. Abb. 3 zeigt eine Elektrode, die um die Oberfläche der Innenseite einer Brennkammer herum angeordnet ist und die gleichzeitige Plasmaerzeugung in einem großen Bereich ermöglicht.

(3) Software-Regelung.

Hochentwickelte Regelungstechniken mit geschlossenem Regelkreis ermöglichen eine weitere Steuerung der gelieferten Energiemenge und ermöglichen je nach Situation eine Reihe von Ergebnissen. Experimente mit Nanosekunden-Pulsleistungszündsystemen haben beispielsweise gezeigt, dass die Zündwahrscheinlichkeit durch die Verwendung hoher Pulswiederholungsraten deutlich erhöht werden kann. In ähnlicher Weise kann durch den Einsatz eines bewussten Zeitintervalls zwischen den Impulsstößen das Wachstum des Flammenkerns gefördert werden. Abb. 4 unten zeigt unterschiedliche Zündergebnisse basierend auf unterschiedlichen Arten der Bereitstellung der gleichen Energiemenge. Die Abbildung zeigt Flammenkerne, die durch die Verwendung einer Impulszündung im Nanosekundenbereich und einer brennbaren Mischung erzeugt werden. Wenn die Impulse extrem schnell statt langsam abgegeben werden, ist ein starkes Zündereignis wahrscheinlicher. Wenn die Energie jedoch mit der „Goldlöckchen“-Rate für die Strömung zugeführt wird, sind eine starke Zündung und ein großer Flammenkern möglich, was in einer schwierigen Zündumgebung am besten wäre.

© JK Leftkowitz, T. Ombrello| Combustion and Flame 180 (2017) 136–147 Schlierenbilder der Entwicklung des Zündkerns nach dem ersten Entladungsimpuls für einen einzelnen Impuls und für einen 10-Puls-Burst für drei verschiedene Zeitbedingungen zwischen den Impulsen. Diese Bedingungen repräsentieren die vollständig gekoppelten (τ = 3,4 × 10−6 s), teilweise gekoppelten (τ = 2 × 10−4 s) und entkoppelten (τ = 1 × 10−3 s) Regime der Interpulskopplung, die weisen unterschiedliche Eigenschaften hinsichtlich Zündwahrscheinlichkeit und Flammenkernwachstumsrate auf.

Im Labor wurde gezeigt, dass Zündsysteme mit Nanosekunden-Impulsleistung Überschall-Luft-Kraftstoff-Gemische (Mach 3,0) zünden oder verstärken können. Aufgrund der Geschwindigkeit der chemischen Reaktionen, die durch das Vorhandensein von Plasma hervorgerufen werden, eignen sie sich ideal zum Zünden von Überschall-Luft-Brennstoff-Gemischen.

Top Gun ist nicht nur cool, es ist auch grün

Nanosekunden-Pulszündsysteme dienen nicht nur als zuverlässige Zündquelle in Überschallanwendungen in der Luft- und Raumfahrt, sondern sind auch in der Lage, stark verdünnte Luft-Kraftstoff-Gemische zu zünden. Die Verwendung stark verdünnter Luft-Kraftstoff-Gemische in Benzin-/Erdgasmotoren verbessert die Kraftstoffeffizienz und reduziert gleichzeitig die CO2- und NOx-Emissionen. Im Vergleich dazu haben herkömmliche Zündsysteme Schwierigkeiten, stark verdünnte Luft-Kraftstoff-Gemische zu zünden.

Das gepulste Nanosekunden-Zündsystem hat die Aufmerksamkeit von Automobilunternehmen auf sich gezogen, die die von Regulierungsbehörden wie der EPA festgelegten CO2-Emissionsvorschriften einhalten möchten.

Technologie &das Fachwissen

Die Entwicklung und Herstellung von Hochspannungs-Impulsstromgeneratoren im Nanosekundenbereich erfordert hochspezialisiertes Know-how und Fähigkeiten, die nicht leicht zugänglich sind. Die Erzeugung von Hochspannungsimpulsen mit schnellem Anstieg und kurzer Dauer bringt mehrere Herausforderungen mit sich, darunter EMI (elektromagnetische Interferenz), die sich auf elektronische Geräte in der unmittelbaren Umgebung auswirken und sich auf Kosten und Effizienz auswirken kann. Es gibt auch eine Schlüsselkomponente, die sogenannte Drift-Step-Recovery-Diode (DSRD), eine Halbleiter-Sperrschichtdiode mit der Fähigkeit, extrem kurze Impulse zu erzeugen. Solche DSRDs für deutlich kurze Anstiegszeiten zu entwerfen und herzustellen und dafür zu sorgen, dass sie zuverlässig arbeiten, ist eine sehr esoterische Fähigkeit, die nur bei wenigen Unternehmen wie TPS verfügbar ist.

Abschluss

Die Lösung der Herausforderungen im Zusammenhang mit Hyperschallflügen ist wichtiger denn je. Am weitesten verbreitet ist die Zündung und Verbrennung eines Motors, der sich mit mehr als der fünffachen Schallgeschwindigkeit durch die Luft bewegt. Gepulste Nanosekunden-Entladungen bieten aufgrund der Einfachheit des Systems, der Wirksamkeit von Nanosekunden-Entladungen bei der Plasmaerzeugung und der Geschwindigkeit, mit der die Plasmachemie den Verbrennungsprozess beeinflusst, eine potenziell attraktive Lösung.

Transiente Plasmasysteme