Sistemas de encendido por impulsos de nanosegundos para una combustión supersónica confiable

Feb 18, 2024

Introducción

En los últimos años ha aumentado significativamente la atención y el esfuerzo dedicados a la investigación y el desarrollo de aviones hipersónicos, que pueden volar a varias veces la velocidad del sonido. Una representación ficticia del pedigrí del mundo real (El SR-72 no tripulado del Programa de Desarrollo Avanzado de Lockheed Martin anunciado en 2017 ) incluso jugó un papel importante en el éxito de taquilla de verano de 2022 de más de mil millones de dólares, Top Gun: Maverick. Los motores diseñados para vuelos hipersónicos tienen aplicaciones revolucionarias en la seguridad nacional como armas hipersónicas avanzadas, en la exploración espacial como etapas reutilizables para el acceso a la órbita terrestre baja y en la aviación comercial como métodos rápidos y de largo alcance para el transporte aéreo de pasajeros alrededor del mundo.

Un desafío importante para los vuelos hipersónicos son los apagones. Un incendio es la pérdida de propulsión debido a la extinción de la llama en la cámara de combustión del motor, que puede ocurrir por muchas razones, incluida la falta de combustible, altitud excesiva, precipitaciones severas o temperaturas ambiente increíblemente bajas. Los primeros motores a reacción eran propensos a apagarse tras perturbaciones en el flujo de aire de entrada o movimientos repentinos de la palanca de empuje, lo que provocaba relaciones incorrectas de aire y combustible en la cámara de combustión. Los motores modernos son más robustos y, a menudo, están controlados digitalmente, lo que permite un control significativamente más efectivo de todos los parámetros del motor para evitar apagones e incluso iniciar un reinicio automático si se produce un apagón.

Sin embargo, en hipersónicos, los desafíos de reencendido aumentan debido a la increíblemente alta velocidad del aire que fluye a través de la cámara de combustión, volando a mayores altitudes y la reducida resistencia del aire necesaria para alcanzar la máxima velocidad.

Cuanto más rápido vamos, más difícil es encender

De acuerdo aNASA Sin embargo, una vez que se ha producido un incendio, es fundamental volver a encender el motor lo más rápido posible. Sin embargo, las condiciones que provocaron el apagado son las mismas que dificultarán el reencendido. El primer paso es descender a altitudes más bajas y más favorables para volver a encenderse. Esto puede ser un problema dependiendo de la misión. Para intentar volver a encenderlo, se introducen núcleos de ignición (bolsas de flujo de alta energía y radicales libres) en la cámara de combustión al encender el encendedor del motor. El núcleo se desarrolla en un frente de llama y eventualmente alcanza la estabilización o extinción de la llama, dependiendo del estado inicial del núcleo y la evolución del flujo turbulento. El fuerte flujo turbulento, combinado con la confiabilidad de lograr que se descargue la chispa de encendido, hace que volver a encender el motor sea un desafío.

Estos problemas de reencendido se agravan aún más en motores avanzados como los scramjets. Un scramjet (estatorreactor de combustión supersónica) es una variante de un motor a reacción de respiración de aire estatorreactor, en el que la combustión se produce en un flujo de aire supersónico. El flujo de aire se comprime dinámicamente a través de un sistema de admisión que no requiere elementos giratorios, y el combustible y el oxidante se queman en condiciones de velocidad supersónica en la cámara de combustión. Sin embargo, a velocidades tan altas, los procesos de mezcla y combustión no pueden caber fácilmente dentro de la longitud de la cámara de combustión porque el tiempo de residencia total disponible para que los reactivos se quemen es típicamente una fracción de milisegundo con flujo supersónico en todas partes. El combustible, que se inyecta en la cámara de combustión a través de un puerto separado, debe mezclarse a nivel molecular con el oxígeno presente en el flujo de aire ingerido para que se produzcan reacciones químicas de combustión. Por lo tanto, se debe asignar un tiempo de residencia suficiente para que las estructuras turbulentas a gran escala en las capas de corte crezcan y caigan en cascada en remolinos más pequeños que desencadenen la mezcla a microescala entre los reactivos. La atenuación de esta tasa de crecimiento se produce a velocidades supersónicas debido a efectos de compresibilidad que ralentizan la mezcla requerida. Finalmente, el combustible y el oxidante se queman al mezclarse en una secuencia química.

En resumen, el desafío de la combustión supersónica en scramjets es tan difícil como encender una cerilla en un ciclón.

Ciencia directa dice que el encendido confiable es clave para el funcionamiento eficiente y seguro de los sistemas de combustión. Las observaciones de los núcleos de ignición, que se producen después de la ignición, pero antes del desarrollo de una llama que se propaga libremente, pueden proporcionar información sobre los fenómenos que determinan el éxito de un intento de ignición. Los sistemas de encendido por energía pulsada de nanosegundos han demostrado ser más efectivos para aumentar la probabilidad de encendido y la tasa de crecimiento del núcleo con una alta eficiencia energética en comparación con las descargas de chispas tradicionales. Con este enfoque, la energía se deposita sólo durante la fase de descomposición de la descarga, lo que da como resultado un uso más eficiente de la energía, junto con diferentes vías cinéticas para que avance la química de inducción.

Sistemas de encendido por potencia pulsada de nanosegundos

El sistema de encendido por energía pulsada de nanosegundos está siendo desarrollado por Transient Plasma Systems (TPS), con sede en Torrance, una filial de la Universidad del Sur de California. TPS se formó en respuesta a una necesidad crítica en el Departamento de Defensa (DoD) de un proveedor nacional confiable de sistemas de energía pulsados ​​personalizados, de alto voltaje, alta corriente, baja potencia promedio y alta tasa de repetición. TPS ingresó al mercado comercial en 2009 con productos diseñados para aplicaciones de laboratorio e investigación de ciencias básicas para clientes del Departamento de Defensa y la industria aeroespacial. TPS ha utilizado capital de riesgo para desarrollar su tecnología de sistemas de encendido en respuesta a la demanda de los sectores comerciales.

Como sugiere el nombre, el sistema de encendido por impulsos de nanosegundos produce pulsos eléctricos de alto voltaje de rápido aumento (tiempo de aumento de 0 a 5 ns) y de corta duración (10 a 15 ns), como se muestra en la Fig. 1 a continuación. Estos pulsos de nanosegundos pueden transferir energía de manera muy eficiente a una mezcla de aire y combustible, produciendo una mezcla de aire y combustible ricamente ionizada.

Parámetros típicos de pulso de nanosegundos

Como se muestra en la Fig. 2, los pulsos se pueden repetir a diferentes frecuencias (tasas de repetición de pulsos (PRF)) que van desde unos pocos Hz hasta cientos de kHz. Además, los impulsos pueden entregarse en ráfagas.

El sistema de encendido por energía pulsada de nanosegundos tiene tres vías principales para impactar la combustión.

(1) Química mejorada. Ésta es la esencia de los pulsos de nanosegundos. Los pulsos de rápido aumento son inherentemente más eficientes en gases ionizantes. Los electrones energizados por los pulsos de nanosegundos chocan con las especies químicamente reactivas que producen gas y que catalizan el proceso de combustión, mejorando la ignición y estabilizando la combustión.

(2) Impacto volumétrico. La geometría del electrodo puede afectar el volumen de mezcla de aire y combustible que puede encenderse. La distribución espacial del plasma puede permitir que una sola descarga de serpentina impacte un gran volumen. La figura 3 muestra un electrodo diseñado alrededor de la superficie del interior de una cámara de combustión, lo que permite la generación de plasma en un área grande simultáneamente.

(3) Control de circuito cerrado por software.

Las sofisticadas técnicas de control de circuito cerrado permiten un mayor control de la cantidad de energía entregada, lo que permite una variedad de resultados dependiendo de la situación. Por ejemplo, los experimentos realizados utilizando sistemas de encendido por impulsos de nanosegundos han demostrado que la probabilidad de encendido se puede aumentar significativamente mediante el uso de altas tasas de repetición de impulsos. De manera similar, al implementar un intervalo de tiempo deliberado entre ráfagas de pulsos, se puede mejorar el crecimiento del núcleo de llama. La figura 4 a continuación muestra diferentes resultados de ignición basados ​​en diferentes formas de entregar la misma cantidad de energía. La figura muestra núcleos de llama creados mediante el uso de encendido por impulsos de nanosegundos y una mezcla combustible. Cuando los pulsos se entregan extremadamente rápido en lugar de a un ritmo lento, es más probable que se produzca un evento de ignición fuerte. Sin embargo, si la energía se entrega a la velocidad de "Ricitos de oro" para el flujo, es posible una ignición fuerte y un núcleo de llama grande, lo que sería mejor en un entorno desafiante para la ignición.

© JK Leftkowitz, T. Ombrello| Combustion and Flame 180 (2017) 136-147 Imágenes de Schlieren del desarrollo del núcleo de ignición después del pulso de descarga inicial para un solo pulso y para una ráfaga de 10 pulsos para tres condiciones diferentes de tiempo entre pulsos. Estas condiciones representan los regímenes de acoplamiento entre pulsos totalmente acoplado (τ = 3,4 × 10−6 s), parcialmente acoplado (τ = 2 × 10−4 s) y desacoplado (τ = 1 × 10−3 s), que tienen características distintas con respecto a la probabilidad de ignición y la tasa de crecimiento del núcleo de llama.

Se ha demostrado en laboratorio que los sistemas de encendido por impulsos de nanosegundos encienden o mejoran mezclas de aire y combustible supersónicas (Mach 3.0). Son ideales para encender mezclas supersónicas de aire y combustible debido a la velocidad de las reacciones químicas inducidas por la presencia de plasma.

Top Gun no solo es genial, también es verde

Además de servir como fuente de ignición confiable en aplicaciones aeroespaciales supersónicas, los sistemas de ignición de energía pulsada de nanosegundos también son capaces de encender mezclas de aire y combustible altamente diluidas. El uso de mezclas de aire y combustible altamente diluidas en motores de gasolina/gas natural mejora la eficiencia del combustible al tiempo que reduce las emisiones de CO2 y NOx. Comparativamente, los sistemas de encendido convencionales tienen dificultades para encender mezclas de aire y combustible altamente diluidas.

El sistema de encendido por energía pulsada de nanosegundos ha atraído la atención de las empresas automotrices que buscan cumplir con las regulaciones de emisiones de carbono establecidas por las autoridades reguladoras, como la EPA.

Tecnología &la experiencia

El diseño y la fabricación de generadores de energía pulsados ​​de nanosegundos de alto voltaje requiere conocimientos y habilidades altamente especializados que no son fácilmente accesibles. La generación de pulsos de alto voltaje, de rápido aumento y de corta duración crea varios desafíos, incluida la EMI (interferencia electromagnética), que puede afectar los dispositivos electrónicos en el entorno inmediato, lo que afecta el costo y la eficiencia. También hay un componente clave conocido como diodo de recuperación de paso de deriva (DSRD), que es un diodo de unión semiconductor con la capacidad de generar pulsos extremadamente cortos. Diseñar y fabricar tales DSRD para tiempos de crecimiento notablemente cortos y lograr que funcionen de manera confiable es una capacidad muy esotérica que solo está disponible con unas pocas entidades como TPS.

Conclusión

Resolver los desafíos relacionados con el vuelo hipersónico se ha vuelto más relevante que nunca, el más frecuente es el encendido y la combustión de un motor que se mueve en el aire a más de cinco veces la velocidad del sonido. Las descargas pulsadas de nanosegundos ofrecen una solución potencialmente atractiva, debido a la simplicidad del sistema, la eficacia de las descargas de nanosegundos para producir plasma y la velocidad a la que la química del plasma afecta el proceso de combustión.

Sistemas de plasma transitorio